Vorlesung 6: Klimaelemente II – Luftfeuchte, Wolken und Niederschlag

lüssig (Niederschlag, Ozean, Seen, Flüsse, Grundwasser), als Wasserdampf, fest als Eis -im Ozean 96,5 % des weltweiten Vorkommens -2,5 % Süßwasser (70% davon in Eis, Grundwasser und nur 1,3% Oberflächenwasser an Land)und Rest salzhaltiges Grundwasser

• 12 700 km3 (< 0,001 % des gesamten Wassers auf der Erde) • In allen drei Aggregatzuständen: größter Teil ist gasförmig, kleinere Mengen sind in Wassertropfen und Eiskristallen • Räumlich und zeitlich hoch variabel • Hält globalen Wasserkreislauf in Gang • Eng verbunden mit Energiekreislauf (hohe Verdampfungsenthalpie)

• Im Ozean ca. 3000 Jahre • In Gletscher und Eisschilden 10 000 Jahre • In Seen 100 Jahre • In Flüssen 3 Wochen • Atmosphäre 9 Tage

Warum ist Wasser so wichtig im Energiehaushalt der Erde? • Dipolmoment: räumlich ungleiche Ladungsverteilung -Sauerstoff ist stärker positiv geladen als Wasserstoff, e- Aufenthaltswahrscheinlichkeit näher am Sauerstoffkern → Verteilung der Ladung nicht symmetrisch • Hohe Verdampfungsenthalpie: hoher Siedepunkt, viel Energie nötig für flüssig in gasförmig • Phasenübergänge: -verdunsten braucht am meisten Energie → Wasserdampftransport = Energietransport in Atmosphäre

• Absolute Feuchte [g/m3 Luft]: tatsächlich enthaltener Wasserdampf -Nachteil: vom Volumen abhängig und nicht invariant gegenüber Kompression/Ausdehnung; ändert sich beim Aufstieg mit der Höhe • Relative Feuchte [%]: Verhältnis von tatsächlicher Fechte zum max. möglichen Wasserdampfgehalt -nicht invariant gegenüber Temperaturänderun

Sättigungsdampfdruck: temperaturabhängige Obergrenze des Dampfdrucks in einem bestimmten Luftvolumen. Er ist ein Maß für die maximal mögliche Wasserdampfmenge, der Sättigungsfeuchte, die bei einer bestimmter Temperatur in einem Luftvolumen gehalten werden kann, ohne dass es zur Kondensation bzw. Deposition kommt. • Taupunkt/Kondensationsdampf: Temperatur bei der 100% der Luftfeuchte erreicht wird -bei Abkühlung muss übriger Wasserdampf kondensieren (Wolken, Nebel) -bei Erwärmung nimmt die relative Feuchte ab → warme Luft kann mehr Wasserdampf enthalten als kalte Luft

• Temperatur und Druck nehmen ab, Luft dehnt sich aus • Relative Feuchte erhöht sich, da Temperatur abnimmt • Adiabatische Zustandsänderung: Luftvolumen tauscht keine Energie mit Umgebung aus • Bei relativer Luftfeuchtigkeit von 100%: Kondensationsniveau -Luft kann Wasserdampf nicht mehr halten und es kommt zu Kondensation → Tröpfchen → Wolken • Abkühlung der Luft mit zunehmender Höhe nach trocken- und feuchteadiabatischem Temperaturgradienten • Bei weiterem Aufstieg weniger schnelle Abkühlung: feuchtadiabatischer Temperaturgradient -freiwerdende Kondensationswärme bewirkt, dass sich ein feuchtes Luftvolumen weniger stark abkühlt als ein trockenes Luftvolumen -latente Wärme wird bei Kondensation freigesetzt → weniger schnelle Abkühlung • Wenn kein Wasser mehr zum Kondensieren vorhanden ist wieder trockenadiabatisch (ohne Wärmeaustausch und Kondensation)

• Ansammlung von Tropfen und Eiskristallen über der Erdoberfläche (Hydrometeore) -aus flüssiger und fester Phase

• Aufsteigen von Luftmassen → Abkühlung → Ausdehnung durch geringeren Luftdruck → Kondensation • Kondensationspunkt muss erreicht sein • Es müssen Kondensationskerne (Partikel, Aerosole) vorliegen

• Wolkengattungen: -Unterscheidung nach Form und nach Wolkenstockwerken • 4 Wolkenfamilien: 1) Cumulus (Quell-/Haufenwolken) 2) Stratus (geschlossene Wolkendecke) 3) Nimbus (Schicht-/Haufenwolken) 4) Cirrus (Schleierwolken)

• 10 Wolkengattungen: -entstehen aus Kombination der beiden Hauptmerkmale und können unterschiedlichen Stockwerken zugeordnet werden -hohe Wolken (Cirrostratus, Cirrus, Cirrocumulus) vor allem aus Eiskristallen -mittelhohe Wolken (Altostratus und Altocumulus) aus Tröpfchen aus unterkühltem Wasser, aber auch Eiskristallen und normalen Wassertröpfchen > Mischwolken -niedrige Wolken (Stratus und Stratocumulus) sind reine Wasserwolken 1) Cumolonimbus: -Höhe: 2 bis 11 km (bis Tropopause) -dichte Wolken mit großer vertikaler Ausdehnung → Ausbreitung bis zur Tropopause: Bildung eines Amboss, da eine weitere Ausdehnung nach oben nicht möglich -sind Gewitterwolken 2) Cumulus humilis: -Höhe: 0 bis 2 km -niedrige Quellwolken mit einer klaren Untergrenze -Schönwetterwolken der warmen Jahreszeit 3) Nimbostratus: -Höhe: 1 bis 9 km -Regen-Schichtwolke, die häufig dunkel oder grau ist -in Verbindung mit langanhaltendem Regen- oder Schneefall 4) Stratus: -Höhe: 0 bis 2 km -niedrige Schichtwolke mit klar abgegrenzter Unterseite -von oben deutlich heller und die Oberfläche ist nicht gleichmäßig 5) Altostratus: -Höhe: 5-9 km -graue oder bläuliche hohe Schichtwolken mit einem streifigen, faserigem oder eiförmigen Aussehen 6) Cirrostratus: -Höhe: 7 bis 11 km -bestehen größtenteils aus Eiskristallen -sehr hohe Wolkenschleier, die zart am Himmel schimmern 7) Cirrus: -Höhe: 5-13 km -hohe Federwolken in Form von Fäden, Flecken oder Bändern -aus Schnee- und Eiskristallen 8) Cirrocumulus -Höhe: 7 bis 11 km -hohe Schäfchenwolken aus Eis- und Schneekristallen sowie unterkühltem Wasser -aus kleinen verwachsenen oder isolierten Wolkenteilen 9) Altocumulus: -Höhe: 2 bis 7 km -regelmäßig angeordnete Wolken in Form von grauen oder weißen Flecken, Felder oder Schichten -höher als Cumulus humilis 10) Stratocumulus: -Höhe: 0 bis 2 km -niedrige Wolken -weisen immer dunkle Flecken auf -bestehen aus Flecken, Feldern oder Schichten von Wolken 11) Altocumulus lenticularis -Höhe 2-7 km -linsenförmige Wolken -häufig in Verbindung mit Föhn Wetterlagen auf Leeseiten

1) Freie Konvektion: Aufsteigen von Luftmassen aufgrund der Erwärmung des Bodens -abhängig von Schichtung der Atmosphäre 2) Orographische Hebung: erzwungenes Aufsteigen an Bergen 3) Konvektion: -Aufgleiten warmer Luft auf kalte -Anhebung warmer Luft durch kalte • Thermisch-konvektiv bei labiler Schichtung: -beim Aufsteigen bei labiler Schichtung -Cumulus Wolken • Gezwungene Hebung durch Orographie oder Aufgleiten; advektiv oder stabil -Schichtwolken

Auf Erde fallende Hydrometeore (flüssig & fest) • Neben Temperatur wichtigstes Klimaelement • Zeitliche Charakteristik (Schauer, Landregen) • Volumen/Fläche (und Zeit) • Auch Tau/Reif (nicht fallender Niederschlag) • Chemische Zusammensetzung und pH-Wert

• Flüssiger Niederschlag mit Tropfenradius > 0,25 mm

Am Wolkenunterrand durch Kondensation entstandene Tröpfchen sind nicht groß genug, um runterzufallen -Tropfen müssen weiterwachsen (nur flüssig, zwischendurch gefroren

Horizontale Verteilung: -Verteilung der Niederschläge auf der Erde:

Wasserdampfreiche Luft steigt sehr rasch auf: -heftige Turbulenz durch explosiv nach oben getriebene Kondensationswärme -führt zur Trennung elektrischer Ladungen • Blitz: Spannungsausgleich unterschiedlicher elektrischer Ladungen innerhalb der Wolke und zwischen Wolke und Erde • Donner: explosionsartige Ausdehnung der plötzlich stark erhitzten Luft innerhalb des 0,5 m breiten Blitzkanals erzeugt wahrnehmbare Luftdruckwellen • Horizontale Verteilung: -mehr über Land als über Wasser -hohe Häufigkeit in Tropen, nimmt mit der Breite ab