Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz

Klimawandel

WS 05/06

Joachim CurtiusInstitut für Physik der Atmosphäre

Universität Mainz

CO

2

(pp

m)

Inhalt

1. Überblick

2. Grundlagen

3. Klimawandel heute: Beobachtungen

4. CO2

5. Andere Treibhausgase

6. Aerosole und Wolken

7. Solare Variabilität

8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel

9. Klimageschichte

10. Klimaschutz

2. Grundlagen

Klima

Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde:Plancksches Strahlungsgesetz

Absorption durch atmosphärische Gase

Strahlungshaushalt

Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO2

Strahlungsantrieb

2. Grundlagen

Klima: Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungs-

breite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen

Häufigkeit von Extremwerten

30-jährige Mittelung

Klima vs. Wetter...

Klimawandel: Zeitskalen...

Klima von =klino="ich neige" (Permeides ~500 v. Chr.), Klimazonen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Sonne

Klimazonen

Strahlungshaushalt

Wie kommt es zum Treibhauseffekt?

Wie erklären sich die hier angedeuteten Strahlungsflüsse?

Spektrum elektromagnetischer Strahlung

[Schönwiese]

c =

Plancksches Strahlungsgesetz (1900):

22 1

,exp 1

hcB T

hck

Planck-Gesetzbeschreibt die spektrale Energiedichte B der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mitder Temperatur T.

PlanckschesWirkungsquantum:h = 6,626 10-34 Js

[Kraus]

Plancksches Strahlungsgesetz (1900):

22 1

,exp 1

hcB T

hck

Stefan-Boltzmann-Konstante:

Stefan-Boltzmann-Gesetz:

4B T

8 2 45,67 10 Wm K

Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz[Kraus]

Plancksches Strahlungsgesetz (1900):

22 1

,exp 1

hcB T

hck

Sonne: max 0.5 µm TSonne 5776 K

Erde: max10 µm TErde 288 K

Wiensches Ver-schiebungsgesetz:

max 2898T m K

[Kraus]

Planck-Kurven für Erde und Sonne (normiert):

Erde: 99% der Strahlung zwischen 4 und 100 µm terrestrischer = langwelliger Strahlungsbereich

Sonne: 99% der Strahlung zwischen 0.23 und 5 µm solarer = kurzwelliger Strahlungsbereich

terrestrisches Strahlungs-fenster8-12 µm

Spektrale Verteilung der Abstrahlung von Sonne und Erde im Vergleich mit Planck-Strahler

Sonne:Oberfläche ~5776°C

Strahlung maximalim sichtbaren Bereich (0.4 – 0.8 µm)

Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-Strahlung

IR-Aufnahme der Erdoberfläche

JJA

DJF

Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:

Rotations-Vibrationsspektren von CO2

Moleküle wie CO2 und H2O absorbieren langwellige Photonen.Die zugeführte Energie wird zunächst in Rotations-Vibrations-Energie umgesetzt. Insgesamt führt die zugeführte Energie zur Erwärmung der atmosphärischen Luftschicht (Energieübertrag auch durch Stöße mit anderen Luft-Molekülen) und die Energie wird wieder durch langwellige Photonenin alle Richtungen abgestrahlt.

Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre:

Rotations-Vibrationsspektren von CO2

in der Atmosphäre noch Druck- und Doppler-verbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden

Rotations-Vibrations-Spektrendes CO2

Absorptions-spektrenverschiedeneratmosphärischer Gase

[Kraus]

2 2 21366 2 :1321 :1413kI Wm Aphel Wm Perihel Wm

Solarkonstante IK:Strahlungsflussdichte der von der Sonne kommenden und über alle Wellenlängen integrierten Strahlung, die extraterrestrisch (also außerhalb der Erdatmosphäre), von einer senkrecht zur Strahlrichtung orientierten Fläche beim mittleren Abstand Erde-Sonne (1496108m = 1 AE) empfangen wird.Aus Satellitenmessungen:

24

2

4

4Sonne

K SonneS E

RI T

r

aus IK kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden:

2, 342

4K

K gm

II Wm

Oberfläche kurzwellige Albedo (0.3-4 µm)

in Prozent

langwellige Albedo (4-100 µm)

in Prozent

System Erde/Atmosphäre 30

Neuschnee 75-95 0,5

Altschnee 40-70

Sand 20-40 10

Gras 15-30 1-2

Wasser bei hochstehender Sonne

5-10 4

Wasser bei niedrigstehender Sonne

50-80

Wolken 23-90 0-10

Albedo:Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich

Strahlungshaushalt

kurzwellig

langwellig

4 4

4 4

4

2 0

0,7 04

0,7 04

A B

KA B

KA

T T

IT T

IT

Einfaches Glashausmodell:

Fläche A:

Fläche B:

Bilanz:

Ergebnis:TA= -18°C, TB= 30°C

TA entspricht Teff,Erde

Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo von 30% keine anderen Energietransporte natürlicher Treibhauseffekt qualitativ

4 42 0A A A BT T

Erweiterung des einfachen Glashausmodells:

Fläche A:

Fläche B:

Ergebnis:für TB= 288 K, folgt TA= 242 K

und A=0,78

für TB= 289 K, folgt TA= 243 Kund A=0,79

Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo ag keine anderen Energietransporte langwelliges "Fenster" mit Hilfe von A Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen

4 4 1 04K

A A B g

IT T a

Strahlungsantrieb F:

"Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch Störung der Energieflüsse im Subsystem Erdoberfläche-Atmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter).

negativer Strahlungsantrieb: Abkühlungpositiver Strahlungsantrieb: Erwärmung

semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur der Erdoberfläche:

F T

dc F Tdt

Im langfristigen Gleichgewicht:

ZeitverzögerungKlimaantwort Strahlungs-

antrieb Parameter:Sensitivität (Rückkopplungen etc.)

Änderung derOberflächentemperatur

anthropogener Klimawandel:

zwei Teile:

A) Detektion

B) Ursachen zuordnen

Natürlicher Treibhauseffekt:

~33 K, davon:

62 % H2O (20,6 K) 22 % CO2 ( 7,2 K)

7 % O3 (2,4 K)4 % N2O (1,4 K)2,5 % CH4 (0,8 K)