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Geographisches Institut Erd- und Himmelmechanik - Grundlagen

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  • Geographisches InstitutErd- und Himmelmechanik

    - Grundlagen -

  • Einfhrungsbung: Geomorphologie(Fr. 16:00 18:00 Uhr c.t.)RN 239Erd- und HimmelsmechanikErdklimaSonneMotor des Klimas?

  • Solarkonstante:Strahlungsenergie, welche unter Vernachlssigung des Atmosphreneinflusses bei mittlerem Sonnenabstand undsenkrechtem Strahleneinfall in einer Minute durch die Flcheneinheit fliet

    = Strahlungsenergiemenge auf der Erdeoberflche = ~ 1.370 W/m2 (Mittelwert)Erd- und Himmelsmechanik

  • = schiefe der Ekliptik23,5Erd- und Himmelsmechanik

  • Schiefe der Ekliptik fhrt zu unterschiedlichen Besonnungszonenauf der Erdoberflche

    scheinbares Wandern der Sonne im Bereich der Wendekreise (23,5); Tag-Nacht-quivalenz im Sonnenzenit; variierende Tag-Nachtdauer in den Mittelbreiten mit zunehmender Tendenz zu den Polen hin; Polartag /-nacht jenseits der Polarkreise (66,5);

    Strahlungsintensitt und effektive Erwrmung (ohne Bercksichtigung der Atmosphre) nehmen zu den Polen hin abErd- und Himmelsmechanik

  • = Erdrotation(23h 56min 4sec) [gegen den UZS]Erd- und Himmelsmechanik

  • Einfhrungsbung: Geomorphologie(Fr. 16:00 18:00 Uhr c.t.)RN 239= Erdrevolution(365,25 Tage) Erd- und Himmelsmechanik

  • Umlauf der Erde um die Sonne (Erdrevolution)

    1. Keplersches Gesetz: tatschlich eiert die Erde um die Sonne!; 2. Keplersches Gesetz: variierende Geschwindigkeit der Erderevolutionschneller in Sonnennhe langsamer in Sonnenferne( = 29,8 km/s = 107 280 km/h)

    Entfernung der Erde zur Sonne = 1 Astronomische Einheit (AE) = 150 Mio. kmSonnennhe (Perihel):2. Januar (~ 147 Mio. km)Sonnenferne (Aphel):4. Juli (~ 152 Mio. km) im Brennpunkt der Ellipse steht die Sonne;eine gedachte Verbindungslinie Sonne/Erdeberstreicht in der gleichen Zeit gleiche Flchen;Erd- und Himmelsmechanik

  • KlimaSolares KlimaJ = J0 sin()J = J0 cos() ; (=90-)J = Strahlungsleistung;J0 = Strahlungsleistung bei senkrechtem Einfallswinkel; = Einfallswinkel gegenber dem Horizont.[klino] ich neige

  • Das solares KlimaEnergiebilanz und verteilung auf der Erde im Jahresmittel:

    zu den quinoktien (Sonnennhe) herrscht eine symmetrische Verteilung der Energiemenge auf der Nord- und Sdhalbkugel

    zu den Solstitien (Sonnenferne) herrscht einseitige Energieverteilung auf den Erdhalbkugeln ganzjhrige Energiezufuhr in den Tropen jahreszeitliche Schwankungen in den Mittelbreiten jahrszeitliches Alternieren an den Polen(sonnenzugewendet = 24h Einstrahlung)(sonnenabgewendet = keine Energiezufuhr)Solares Klima

  • Bau und Funktion der AtmosphreGliederung der AtmosphreTemperatur: Troposphre Stratosphre Mesosphre Thermosphre ExosphreDurchmischungsgrad: Homosphre (0-100 km) Homopause (100-120 km) Heterosphre (>120 km)physiko-chemisch: Ozonosphre (16-20 km) Chemosphre (20-600 km)radio-physikalisch: Ionosphre MagnetosphreLebenszone: Biosphre (0-20 km)Aerodynamik: Prandtl-Schicht (0-50 m) Ekman-Schicht (50-1.000 m) freie Atmosphre (> 1 km)Tro-St-Me-Ther-Ex

  • Bau und Funktion der AtmosphreAufbau der AtmosphreExosphreThermosphreMesosphreStratosphreTroposphre500-100.000 km85-640 km50-85 km12-50 km0-12 kmMesopauseStratopauseTropopause

  • Bau und Funktion der Atmosphre

  • Bau und Funktion der Atmosphrediffuse Reflektionselektive Absorption

  • Bau und Funktion der AtmosphreS90S0Je mehr Luftteilchen, desto mehrReflektion und Absorption

    einfallende Sonnenstrahlung wird polwrts zunehmend geschwcht Globalstrahlung (G) = direkte Sonnenstrahlung (Q) + diffuse Strahlung (q)

  • Globalstrahlung bei wolkenlosem Himmel:Tropen6:1

    Subtropen5:1

    Mittelbreiten6:12:1

    Polargebiete4:11,5:1(Sommer)(Winter)

    (Sommer)(Winter)Bau und Funktion der AtmosphreEINSTRAHLUNG hchste Globalstrahlung an den Wendekreisen (NHK: +; SHK: -); Globalstrahlung am quator geringer, da stndige Bewlkung;

  • Bau und Funktion der AtmosphreAUSSTRAHLUNGRckstrahlungsvermgen eines Krpers:Neuschnee

    Sand

    Gras

    Nadelwald

    Haufenwolken

    Wasserflchen bei: hohem Sonnenstand niedrigem Sonnenstand75 95 %

    35 45 %

    10 20 %

    5 15 %

    70 90 %

    7 10 %20 25 %

  • Bau und Funktion der AtmosphreAUSSTRAHLUNGRckstrahlungsvermgen eines Krpers:ALBEDOWas passiert mit dem Rest der Energie?

    die wird absorbiert!

    Was bedeutet das?

    atmosphrische / terrestrische Teilchen nehmen Energie auf und geraten in Schwingung!(= Temperaturerhhung)

  • Bau und Funktion der Atmosphre

  • Bau und Funktion der AtmosphreCO2 / H2O - ReflektorEinstrahlungErdstrahlungEffektive AusstrahlungGegenstrahlung

  • Bau und Funktion der AtmosphreStrahlungsbilanzEs gibt Zeiten und Regionen des Energieberschusses

    [Tag; Sommer; Tropen]

    sowie Zeiten und Regionen des Energiedefizits

    [Nacht; Winter; Polargebiete]Die Beziehung zwischen berschuss und Defizitwird als Strahlungsbilanz bezeichnetTag;Sommer;TropenNacht;Winter;Polargebiete

  • Bau und Funktion der AtmosphreAtmosphrische AusgleichsbewegungenUm diese Unterschiede auszugleichen, wird Energie von berschussgebieten in Defizitgebiete transportiert!Und wie wird Energie in der Atmosphre transportiert?

    Luft wird bewegt!

  • Bau und Funktion der AtmosphreAtmosphrische Ausgleichsbewegungenvertikale Bewegungen:Erdoberflche und erdnahe Atmosphre(Einstrahlung = Energieberschuss)

    Auenseite der Atmosphre(Ausstrahlung = Energiedefizit)

    Ausgleich durch: vertikale Luftbewegungen Verdunstung von Wasser an der Erdoberflche und Kondensieren in hheren Sphrenhorizontale Bewegungen:Ausgleichsbeziehung: Erde - Atmosphre

  • Bau und Funktion der AtmosphreAtmosphrische Ausgleichsbewegungenhorizontale Bewegungen:Einstrahlung / Energieberschuss?(am quator / zwischen den Wendekreisen alternierend)[hhere Atmosphre und verstrkte Wolkenbildung]

    Ausstrahlung / Energiedefizit?(an den Polen)[niedrigere Atmosphre und geringere Luftfeuchte]

    Ausgleich durch: vertikale Luftbewegungen= WindeAusgleichsbeziehung: quator - Pol

  • Bau und Funktion der AtmosphreAtmosphrische Ausgleichsbewegungenhorizontale Bewegungen:Das maximale horizontale (meridionale) Energiegeflle liegt bei ~ 30-60man nennt diesen Bereich die PLANETARISCHE FRONTALZONE

  • Bau und Funktion der AtmosphreWir fassen zusammen!Strahlungsunterschiede bedeutenTemperaturunterschiede,und die bedeutenDruckunterschiede,und die fhren zu Ausgleichsbewegungen, den Windenletztlich also zurZirkulation der Atmosphre

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