Einführung in die Meteorologieund Klimaphysik

Vorlesung im Wintersemester 2015/2016

Ulrich Foelsche Institut für Physik, Bereich Geophysik, Astrophysik und Meteorologie (IGAM)

Universität Grazund

Wegener Zentrum für Klima und Globalen Wandel

ulrich.foelsche@uni-graz.at

http://www.uni-graz.at/~foelsche/

Definition

Meteo 01

Meteorologie [griech. >Lehre von den Himmels-erscheinungen<] die, -, Teilgebiet der Geowissen-schaften, das die physikal. und chem. Erscheinungen ... (ab dann verlangt Brockhaus Geld)

Vom griechischen meteōrologiā, „Diskussion der Er-scheinungen des Himmels“ (zu meteōron, „Phänomen am Himmel“ (Wikipedia).Eher: zu μετέωρος (meteoros), „in die Höhe gehoben, in der Luft schwebend, hoch über der Erde“. μετεωρολογία, „Lehre von den Erscheinungen am Himmel“

Die Meteorologie beschäftigt sich nicht mit Meteoren - im herkömmlichen Sinn (Bild: Leoniden Meteorschauer im Nov. 2002, Quelle: Juan Carlos Casado), wobei aber z.B. der Fachbegriff „Hydrometeore“ durchaus ver-wendet wird.

Meteorologie ist die Physik der Atmosphäre

Lehrbücher

Meteo 02

Helmut Kraus, Die Atmosphäre der Erde - Eine Einführung in die Meteorologie, Springer, Berlin, 3. Auflage, ISBN: 978-3-540-20656-9 (auch paperback) UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek

Gösta H. Liljequist & Konrad Cehak, Allgemeine Meteorologie, Springer, Berlin, 3. Auflage ISBN: 3540415653 (nützliches deutsch-englisches Register) UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek

Ludwig Bergmann & Clemens Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 7, Erde und Planeten, (Kapitel 3 – Meteorologie, Kapitel 4 – Klimatologie), de Gruyter, Berlin, ISBN: 978-3-11-016837-2 UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek

C. Donald Ahrens, Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment, Brooks/Cole, 9. Ed., ISBN: 0495555746 (auch paperback) UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek

Kryosphäre

Hydrosphäre

Interaktionz.B. zwischen Atmo- u. Hydrosphäre

AtmosphäreEin Untersystem des KlimaysystemsBiosphäre

LithosphäreKlima = mittlerer Zustand des

Klimasystems

Das Klimasystem der Erde

Meteo 03

Momentaufnahme der Atmosphäre

Meteo 04

Mittelfristig würden wir gerne verstehen, warum es auf der Erde z.B. so aussieht Bildquelle: NOAA

(1) Aufbau der Atmosphäre

Die Atmosphäre aus der Erdumlaufbahn. Bildquelle: NASA.

Das Arbeitsgebiet

Meteo 05

Temperaturverlauf (grob)

Die mittlere Temperaturänderung mit der Höhe wird verwendet, um die Atmosphäre in Stockwerke einzuteilen.

Das Wettergeschehen spielt sich fast ausschließlich in der Troposphäre ab.

Hier nimmt die Temperatur i. A. mit der Höhe ab, und zwar (im Mittel) um 6.5°C pro 1000 m.

Ausnahmen davon gibt es bei Inversionswetter, dann ist es im Tal kälter als weiter oben.

Bildquelle: NOAA.

Troposphäre

Stratosphäre

Mesosphäre

Thermosphäre

Temperaturverlauf mit d

er Höhe

Meteo 06

Temperaturverlauf

Das sichtbare Licht ist Teil der elektromagnetischen Strahlung. Die Sonne sendet hauptsächlich sichtbares Licht aus, die Erde gibt hauptsächlich Infrarot-Strahlung ab. Bildquelle: Uni Regensburg.

Meteo 07

Temperaturverlauf mit der Höhe 1

Die Atmosphäre ist für den sichtbaren Teil der Sonnenstrahlung (weitgehend) durchsichtig, aber nicht für die (unsichtbare) Infrarot-Strahlung. Die Troposphäre wird daher nicht durch die direkte Sonnenstrahlung erwärmt, sondern durch Wärmestrahlung vom Erdboden.

Die Wärme wird durch Konvektion verteilt. Die Temperatur nimmt dadurch mit der Höhe ab (mit zunehmender Entfernung von der „Heizplatte“), im Mittel stellt sich dabei der feuchtadiabitische Temperaturgradient von 6.5 °C pro 1000 m ein (Details später).

Die Temperaturabnahme mit der Höhe endet an der Tropopause in 13 ± 5 km Höhe (~8 km in hohen Breiten, ~ 18 km in den Tropen).

Übungsbeispiel 1: Wie dick wäre die Troposphäre (12 km) bei einem Globus mit einem Maßstab von 1 : 40 000 000?

Meteo 08

Antwort: 0.3 mm (Erddurchmesser: ~32 cm). Damit ist auch sofort klar, dass die Hauptströmungen in der Luft horizontal sein müssen.

Temperaturverlauf mit der Höhe 2

In der Stratosphäre nimmt die Temperatur wieder zu, da hier Ozon-Moleküle Ultraviolett-Strahlung (UV) absorbieren. Dadurch erwärmt sich diese Atmosphärenschicht, und nur ein kleiner Teil der UV-Strahlung kommt bis zum Boden durch. Die Stratopause liegt in einer Höhe von 50 km (± 5 km). Die Stratosphäre existiert nur, weil es auf der Erde Leben gibt (und damit Sauerstoff).

In der Mesosphäre nimmt die Temperatur wieder ab. An der Mesopause in 85 km (± 5 km) Höhe werden typischerweise die niedrigsten Temperaturen in der Atmosphäre erreicht (bis unter –100°C).

Meteo 09

Extreme UV-Strahlung und Röntgenstrahlung wird schon weiter oben vollständig absorbiert. Deshalb nimmt die Temperatur in der Thermosphäre wieder zu, um dann ab ~400 km mit der Höhe konstant zu bleiben. Man spricht auch von der Exosphärentemperatur, sie schwankt stark zwischen Tag und Nacht, bei starker Sonnenaktivität kann sie bis zu 1700 °C erreichen (kinetische Temperatur).

Stratosphäre

Meteo 10

Nur wenige kennen die Stratosphäre aus „direkter Anschauung“. Im August 1960 erlebte Joseph Kittinger das bei einem Fallschirmsprung aus einem Ballon aus etwa 31 000 m Höhe. Im (fast) freien Fall erreichte er fast 1000 km/h.Bildquelle: NG, USAF, Life.

Stratosphäre

Meteo 11

Es dauerte bis 2012, bis diese Werte überboten wurden: Felix Baumgartner sprang aus fast 39 km Höhe ab, und erreichte mit 1358 km/h im freien Fall Überschallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit in Luft ist proportional zu (Details später).Bildquelle: AP, Reuters/Red Bull

T

Einteilung nach der Zusammensetzung

Der Begriff Exosphäre passt aber besser zu einer anderen Begrifflichkeit:

Man kann die Atmosphäre auch nach der Zusammensetzung einteilen, dann ist die unterste Schicht die Homosphäre. Sie ist gut durchmischt (Konvektion), dadurch ist die Zusammensetzung und damit das mittlere „Molekulargewicht“ konstant (28.965 g/mol). Das gilt bis zur Homopause bzw. Turbopause in ~100 km Höhe (hier beginnt nach manchen Definitionen der „Weltraum“).

Meteo 12

In der Heterosphäre darüber beginnen sich die Gase zu entmischen (Diffusion). In größeren Höhen werden leichtere Teilchen (kleines Molekulargewicht) relativ immer häufiger. Darüber hinaus wird die Dissoziation bedeutend, und damit z.B. atomarer Sauerstoff.

Die Exosphäre beginnt bei der Exobase in etwa 700 km Höhe (abhängig von der Sonnenaktivität). Hier ist die Luftdichte so gering (bzw. die mittlere freie Weglänge so groß), dass Teilchen, die aufgrund ihrer Temperatur-bewegung die Fluchtgeschwindigkeit erreichen, entfliehen können.

Die Höhe der Exobase wird auch oft mit 500 km an-gegeben (z.B. hier, Quelle: M. Salby) – der genaue Wert hängt insbesondere von der Sonnenaktivität ab (s.u.). Ist sie hoch, so dehnen sich die oberen Atmosphärenschichten aus, und die Dichte nimmt zu.In der Exosphäre gilt die Maxwell-Boltzmann Verteilung nicht mehr.

Meteo 13

Einteilung nach der Zusammensetzung

Definition der Exobase: Mittlere freie Weglänge = örtliche Skalenhöhe

Exosphäre

Der Planet Merkur (Bild: Messenger-Sonde, NASA) hat keine Atmosphäre im eigentlichen Sinn, sondern nur eine Exosphäre. Die Exobase liegt also (formal) unter der Planetenober-fläche. Ganz ähnlich ist es beim Mond.

Eine (dichte) Atmosphäre ist übrigens auch ein guter Schutz gegen (kleinere) Meteoriten-Treffer.

Meteo 14

Noch mehr Sphären

Neben der Einteilung nach dem vertikalen Temperaturverlauf und nach der Zusammensetzung kann man die Atmosphäre auch nach den elektrischen Eigenschaften einteilen. Zusätzlich zu der Neutralgasatmosphäre, die wir bis jetzt kennengelernt haben, gibt es die

Ionosphäre – hier ist ein wesentlicher Anteil der Luftteilchen (durch hoch-energetische Sonnenstrahlung) ionisiert, es treten daher Ionen und freie Elektronen auf. Die Ionosphäre der Erde ist im Wesentlichen in die Thermosphäre eingelagert (die beiden Begriffe können/sollen/dürfen aber auf keinen Fall gleichgesetzt werden). In der Ionosphäre können Ströme fließen, und sie beeinflusst die Ausbreitung von Radiowellen.

In etwa 1000 km erfolgt der (fließende) Übergang zur Plasmasphäre, wo nun beinahe alle Teilchen ionisiert sind. In der Magnetosphäre wird die Bewegung der geladenen Teilchen durch das Magnetfeld der Erde bestimmt.

Meteo 15

Noch mehr Sphären

Meteo 16

Die Magnetosphäre wird durch den Sonnenwind verformt.

Quelle: MPI Sonnensystemforschung