Vorlesung 2: Grundbegriffe

Klimaelemente = meteorologische Größen, die der Messung (Quantifikation), Schätzung oder Beobachtung in der Atmosphäre der Erde zugänglich sind: -Beispiele: Lufttemperatur, Luftdruck, Wind, Luftfeuchte, Bewölkung, Niederschlag, Strahlungs- und Energieflüsse, …

Klimaparameter = abgeleitete Größen, die nicht beobachtbar und messbar sind -Beispiel: globale Mitteltemperatur

Klimafaktoren = raumtypische Einflussgrößen, die die Klimaelemente an einem Ort oder in einer Landschaft beeinflussen -Beispiele: geogr. Breite, topogr. Lage, Land-Meer-Verteilung, Meeresströmungen, Bedeckungszustand der Erdoberfläche

1) astronomisch: -Tag-/Nachlänge, Jahreszeiten -Einstrahlungswinkel -Spektrale Charakteristika (UV)

2) geographische -geographische Breite -Höhe über NN (Reliefgliederung) -Nähe/Entfernung Ozean (Verbreitung Land/ Wasser) & Eis -Stadteffekte -Bedeckungszustand der Erdoberfläche -Boden & Vegetation

Messtationen: freistehend, bodennah in 2 m Höhe, nach Norden geöffnet, Messungen um 7, 14 und 21 Uhr

Phänologisches Messnetz des DWD

Wichtige Methoden und Begriffe: -Deskriptive Statistik, Schätz- und Prüfverfahren, Zusammenhänge (Korrelation, Regression), Messfehler, Repräsentanz, Homogenität, Zeitreihenanalyse

• Wetter = physikalischer Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort -Beobachtung schnell ablaufender Prozesse und variablen Zustände in der Atmosphäre (IST-Zustand der Klimaelemente)

Witterung = typische Wetterabläufe über Tage und Wochen hinweg -geht mit charakteristischen Wetterlagen einher

Klima = der über einen längeren Zeitraum (30 Jahre oder länger) gemittelte Verlauf des Wetters an einem Ort

charakteristischen Zeit: -mittlere Lebensdauer (z.B. einer Windbö, Wolke, Eiszeit usw.) -mittlere Zykluslänge (z.B. Tages- oder Jahresgang)

• Horizontale Größenordnung geographischer und meteorologischer Phänomene und Skalen

eine Menge miteinander in Beziehung stehender Elemente die durch ihre Interaktionen ein sinnvolles Ganzes ergeben

hat definierte Grenze (oben Austausch von Strahlung)

zwischen Teilsystemen und Elementen werden Eigenschaften ausgetauscht (& in ihnen gespeichert). Hier Energie, Masse und Impuls, (auch Güter, Kapital, Informationen oder Menschen)

geschlossen: kein Massenaustausch über Grenze hinaus

isoliert: kein Energieaustausch über Grenze hinaus

Klimasystem: geschlossen → Grenze oben Atmosphäre, Grenze unten Lithosphäre

-stabil vs. labil:

a) stabil: Auslenkung des Systems führt zu Rücklenkung des Zustandes

b) labil: Auslenkung führt zu Systemänderung

-Rückkopplungseffekte: können einen Zustand verstärken (positiv→ Veränderungsrate steigt durch Rückkopplung) oder abschwächen (negativ→ Veränderungsrate sinkt durch Rückkopplung) -Änderungen können reversibel oder irreversibel sein

-Hysterese (Pfadabhängigkeit): System hat je nach Ausgangsrichtung unterschiedliche Zustände

-Kippunkte: Schwellenwerte von Sytemen, ober- oder unterhalb derer sich das Systemverhalten ändert

• Unterteilung in verschiedene Sphären und Teilsphären

• Die Komponenten des Klimasystems sind durch physikochemische Prozesse miteinander verbunden

• Wechselwirkungen beinhalten Austausch (physikalisch: Flüsse) und Speicherung von drei fundamentalen Eigenschaften

-Energie (in Form von Strahlung, Warme, Lageenergie etc.)

-Masse (beispielsweise Wasser, Gase, Aerosole etc.)

-Impuls (in Form von bewegter Luft und bewegtem Wasser) → Masse und Impuls bleiben erhalten

• Oberflächentemperatur

• Oberflächendruck und Atmosphärendruck

• Zusammensetzung

• Treibhauseffekt in °C

• Abstand zur Sonne beeinflusst Strahlungsgenuss

• Entfernung zur Sonne → Wasser herrscht vor (→ ansonsten zu warm → Verdunstung)

• Atmosphäre mit lebensnotwendigem Sauerstoff

• Wasser in ausreichender Menge

• Masse→ groß genug, um Atmosphäre halten zu können (→ Gravitation)

Funktionen: Hülle, um Gase zu halten (→ Atmung), Strahlungsschutz, Treibhauseffekt, (Kommunikation→ Schallwellen)

• Theoretisch 1000 km vertikale Ausdehnung, aber schon ab wenigen km Vakuum Bedingungen -Luftdichte und Luftdruck nehmen nach oben ab→ in 5 km Höhe nur noch die Hälfte → in 11 km ¼ → in 30 km Höhe nur noch 1%

• Meteorologie betrachtet 100 km und bei Wetter und Klima 10-50 km (Tropo- und Stratosphäre) vertikale Ausdehnung

• Das was man sieht sind erste 10 km→ Teilchen, an denen sich Licht brechen kann

• Troposphäre: -Wettersphäre, ->75% der Luftmasse -fast der gesamte Wasserdampf -durchmischt → Kondensations- und Sublimationserscheinungen

• Tropopause: -Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre → weltweite Inversionsschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre

• Stratosphäre: -geringe Vertikalbewegungen aufgrund stabiler Schichtung -von Strahlungsvorgängen dominiert -Temperatur nimmt mit Höhe zu aber von Erdoberfläche mit dem höchsten Strahlungsumsatz abgekoppelt → Erwärmungsmechanismus durch Ozon (O3) → absorbiert energiereiche UV-Strahlung im oberen Bereich der Stratosphäre → O2 + UV → O + O → O + O2 → O3 (2x) → UV-Strahlung wird als Wärmeenergie freigesetzt -Schutz vor UV-Strahlung→ Ozon absorbiert kurzwellig Strahlung im UV-Bereich, dadurch Temperaturerhöhung in der Stratosphäre -im äquatorialen Bereich: 16-18 km hoch -im polaren Bereich: 7-8 km hoch

1) Durchmischung/Zusammensetzung: -durch Molekülgeschwindigkeiten -bis 80 km durchmischt (= Homosphäre) -darüber Schichtung je nach Molekülgröße (Heterosphäre)→ leichtere Gase (O, He, H) bleiben

2) Ionisierung/elektrische Ladung -ab 70-80 km hohe Ionendichte (=Ionosphäre), darüber nur noch Atomkerne (H+) (=Protonosphäre)

3) Temperatur/thermisch -wird im räumlichen und zeitlichen Mittel betrachtet→ Standardatmosphäre -am Erdboden gemittelt 15 °C bei 1013 hPa -Temperatur nimmt mit der Höhe weiter ab (mittlere Temperaturabnahme 6,5 °C/km in Troposphäre) -Temperaturminimum an Tropopause (=Inversionsschicht) -in Stratosphäre nimmt Temperatur wieder zu

4) Reibung -oberer Teil ist freie Atmosphäre -unterer Teil Peplosphäre → Reibungskraft der Luft ist wirksan

• Peplosphäre wird durch Peplopause von oberer Troposphäre abgegrenzt

• Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe

• aufgrund abnehmender bodennaher Reibung ändert sich die Windrichtung

• in Prandtl-Schicht variieren vertikale Energieströme nicht mit der Höhe→ erhöhte Windgeschwindigkeit

• in Geiger-Schicht nimmt Windgeschwindigkeit zu und Temperatur ab

• in laminarer Schicht (mm-cm) kein laminarer Austausch

• Hauptbestandteile: Stickstoff (N2) 78%, Sauerstoff (O2) zu 21%, Argon <1%, CO2 0,4%

• Restliche 0,014 Vol.-%: Neon (Ne), Helium (He), Methan (CH4), Krypton (Kr), Wasserstoff (H2), Xenon (Xe), Kohlenmonoxid (CO), Ozon (O3), Stickoxide (NOx),…

• Wasserdampf: Gehalt hoch variabel -veränderlicher Anteil in der Atmosphäre (1-4 Volumenprozent) -bedeutende Rolle bei hygrischen und thermischen Prozessen

• Kohlenstoffdioxid (CO2): -Konzentration schwankt leicht, je nach Breitengrad→ Abhängigkeit von Photosynthese

• Aerosole: feste und flüssige Bestandteile der Luft

• Gemessen durch GWP (Global Warming Potential): wie stark ist Treibhauswirkung in Relation zu CO2 (GWP=1) → Maß für die Fähigkeit eines Gases, die langwelligen Strahlungsverluste an der Erdoberfläche zu reduzieren

• Werte für GWP variieren: -je nach Einbeziehen von Feedbacks im Kohlenstoffkreislauf -Betrachtungszeitraum, wegen verschiedener Langlebigkeit

• Beispiele für Treibhausgase: -Methan: farblos, geruchlos, Verweildauer in der, Atmosphäre: 12 Jahre, Treibhauseffekt vielfach stärker als CO2, Hauptquelle Landwirtschaft, und Verbrauch fossiler Brennstoffe, Anstieg seit Industrialisierung

• Klimawirksamkeit ausgewählter Gase:,

O3 und O2 im Gleichgewicht

• Störung des GGW durch andere Abbaureaktionen -Emission von Fluorkohlenwasserstoffen

→ Ozon-Loch

→ im frühen September über Antarktis

→ FCKWs konnten reduziert werden

Hydrometeore = Wasser in festem oder flüssigem Aggregatzustand in der Atmosphäre -Wolkentropfen, Niederschlagstropfen, Schneeflocken, Eiskristalle → Wolken und Niederschlag

Aerosole = kleine feste oder flüssige Partikel, die in der Luft schweben -Staub, Rauch, Asche, Seesalze, Sulfatpartikel, Mikroorganismen -Quellen sind Trockengebiete, Weltmeere, -anorganisch oder organisch -werden irgendwann wieder deponiert -Kondensationskerne‼ -Strahlungstransport in Atmosphär