Klima

Um eine Klimamodell einer Fantasiewelt erstellen zu können, benötigt man geografische Daten, den CO2-Gehalt der Atmosphäre und die solare Bestrahlungsstärke.

Man kann Klima besser als Wetter modellieren, da Wetter eine sehr genaue Beschreibung des Zustandes der Atmosphäre ist und nur für einen sehr kleinen Ausschnitt der Erde gilt, wohingegen das Klima der mittlere Zustand der Atmosphäre über einen relativ großen Raum darstellt.

• prognostizieren mithilfe von Modellen und abschätzen der Vergangenheit

• Geoarchive und Proxys

genetisch-dynamisch: sind aus dem dynamischen Geschehen der Atmosphäre abgeleitet

Effektiv: orientieren sich an der Wirkung auf der Oberfläche

• gegenständlich (auch hier ist Komplexität auf das Wesentliche reduziert)

• bildlich (quasi alle Karten, z.B. Klimazonen/Eis während der Eiszeit)

• schematisch (z.B. der globale Wasserhaushalt/Wasserkreislauf)

• Mathematische Formeln (z.B. Wasserhaushaltsgleichung für eine Landschaft)

• In Klimamodellen den von Menschen produzierten Ausstoß weglassen und sehen, dass es so deutlich geringere Erderwärmung gäbe.

• Deutlicher Anstieg an Treibhausgasen in sehr kurzer Zeit seit der industriellen Revolution

Stufen:

• Messungen nachstellen

• kurzfristige Vorhersagen

• Szenarien (was passiert wenn die Menschheit so oder so agiert?)

• Experimente

gesellschaftliche Veränderungen:

• Corona

• Industrialisierung

• Weltkrieg

Experimente:

• was wäre ohne die Menschen

• was wäre mit doppelt so viele Menschen

• ohne Messungen, keine Daten und ohne Daten keine Modelle.

• man muss auf Proxys zurück greifen, die sind aber nicht immer eindeutig.

Hagel entsteht in Gewitterwolken. Eine Voraussetzung für die Entstehung von Gewitterwolken sind hohe Temperaturunterschiede in der Atmosphäre, das heißt ein hohes Temperaturgefälle zwischen oben und unten. Sobald die Sonne weg ist und es dunkel wird, kühlt sich die Luft am Boden ab. Damit wird das Temperaturgefälle zwischen unten und oben kleiner.

Wenn es sehr kalt (-10°C) war und die Temperaturen steigen aber immer noch unter 0°C liegen, kann die Luft durch die höhere Temperatur mehr Wasser halten und dadurch gibt es mehr Schnee/Wasser für den Gletscher. Des Weiteren unterscheidet sich die Temperatur in unterschiedlichen Höhen. Wo es weiter oben Minusgrade hat und schneit, wodurch der Gletscher wächst, können Temperaturen weiter unten am Ende des Gletschers oberhalb des Gefrierpunktes liegen, wodurch der Gletscher schmilzt.

Niederschlag entsteht, indem wasserhaltige Luft aufsteigt, abkühlt und dabei kondensiert. Kleinere Tropfen verbinden sich miteinander zu größeren Tropfen. Diese können nicht mehr entgegen der Schwerkraft gehalten werden und fallen Richtung Erdoberfläche. Da die Schwerkraft konstant ist, hängt die Größe der Tropfen von Fallhöhe und Konvektion ab. Durch Höhenwinde zerplatzen sie teilweise beim Fall in kleinere „Tropfen“.

Vereinfachte Wasserhaushaltsgleichung: N-V=A

Komplexere Wasserhaushaltsgleichung: N+VE+VT+dA+dSV+dSB=0

N = Niederschlag VE = Verdunstung Evaporation (unbelebte Flächen) VT = Verdunstung Transpiration (belebte Flächen → hauptsächlich Pflanzen) dA = Bilanz aus Zu- und Abfluss (kann nicht nur durch Abfluss von einem Fluss kommen → auch Zufluss)

dSB = Bilanz Speichergröße Boden dSV = Bilanz Speichergröße Vegetation

Durch die vermehrte Sonneneinstrahlung im Sommer, verdunstet mehr Wasser aus den Flüssen. Gleichzeitig kann durch die erhöhte Temperatur mehr Wasser in der Atmosphäre gehalten werden.

Arides Klima: Niederschlag < Verdunstung

≠

Humides Klima: Niederschlag > Verdunstung

absolute: Wasserdampfgehalt der Luft bezogen auf Luftvolumen (in g/m°3)

relative: Aktueller Wasserdampfgehalt der Luft bezogen auf den maximal möglichen, temperaturabhängigen Wasserdampfgehalt

spezifisch: Wasserdampfgehalt der Luft bezogen auf die Masse der Luft

Im Norden regnen die Niederschläge meist schwächer, aber dafür langandauernder ab. Im Süden Deutschlands regnen die Niederschläge jedoch meist kurz, dafür stark ab. Die Niederschläge fallen in Stuttgart nicht gleichmäßig, da häufig aufgrund der Kessellage/Lee-Lage die Niederschläge schon im Schwarzwald oder der Schwäbischen Alb auf der Luv-Seite abregnen. Grund für die Temperaturunterschiede sind die unterschiedlichen Klimate. Während in Hamburg wegen der Nähe zum Meer ein eher maritimes Klima herrscht, das milde Winter und kühle Sommer mit sich bringt, und dadurch eine „stabile“ Durchschnittstemperatur hat, ist in Stuttgart eher ein kontinentales Klima vorherrschend. Die Sommer sind heißer, dafür sind die Winter kälter. Daher kann sich durch stärkere Extreme eine ähnliche Durchschnittstemperatur errechnen lassen.

Durch den hohen Energieeinfall am Äquator erwärmt sich die Luft, steigt auf, kondensiert und es bilden sich Wolken und damit verbunden Niederschläge. Wegen des Druckausgleichs bewegen sich Luftmassen nach Norden bzw. Süden. An den Wendekreisen sinkt die kühle Luft ab, wobei sie sich erwärmt. In den Gebieten, in denen die warme Luft auf den Boden sinkt ist es sehr heiß und trocken. Dadurch entstehen Wendekreiswüsten.

Möglicherweise fällt in manchen Gebieten trotz Wüste Niederschlag, da es durch Gebirge in den Wüsten zur gezwungenen Advektion von Wolken kommt, die zwar wenig, aber etwas Niederschlag mit sich bringen. Außerdem können andere Wetterereignisse, wie zum Beispiel der westafrikanische Monsun starke Regenfälle in die Sahara-Wüste bringen.

Das liegt an dem Kondensationsniveau. Bei einer bestimmten Höhe kondensiert Wasser und es entstehen Wolken. Dieses Niveau ist für den Raum in dem die Wolke sich befindet normalerweise sehr gleichmäßig, da die Temperatur in der Troposphäre mit jedem Meter abnimmt. Daher ist die Kondensation an eine bestimmte Höhe gebunden.

• potentielle Evapotranspiration (=Gesamtverdunstung von einer natürlich bewachsenen Bodenoberfläche) übersteigt in fast allen Monaten den Niederschlag => Verdunstung höher als Niederschlag

• Wasserspeicher sind natürliche oder künstliche Seen, Boden, Grundwasservorräte, Schneedecken oder Gletscher. Diese können durch starke Hitzeperioden und Niederschläge beeinflusst werden

Warme Luft kann wesentlich mehr Wasserdampf enthalten als Kalte. Deswegen unterscheidet sich auch die mögliche Niederschlagsergiebigkeit. In warmer, wasserdampfreicher Tropenluft gibt es meist kräftige Schauer, in den Mittelbreiten meist Sommergewitter von größerer Niederschlagsintensität als winterlicher Schneefall.

Da die kältere Luft der Umgebung verzögert nachströmt, entsteht am Boden ein Tiefdruckgebiet. Die warme und meist feuchte nach oben steigende Luft kühlt sich dabei ab, es kommt zur Kondensation des Wasserdampfes und damit zur Wolkenbildung.

Die Luftfeuchte ändert sich im Tagesverlauf, da durch stärkere Sonneneinstrahlung sich die Luft schneller erwärmt und daher mehr Wasser aufnehmen kann. Am frühen Morgen und abends, wenn die Sonneneinstrahlung geringer ist, kann die kühlere Luft weniger Wasser halten, weshalb die relative Luftfeuchte sinkt.

Wenn Luft auf ein orographisches Hindernis trifft, kühlt sich trockene Luft schneller ab als feuchte, da das in der feuchten Luft enthaltene Wasser mehr/besser Wärme speichert.

Vegetation Luv: kalt und feucht

Lee; sonnenscheinreicher, trockener und wärmer. Dies wird durch die Wirkungen des Föhns verstärkt.

Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab, da die Luft in den tieferen Schichten nahe am Boden durch die Masse der Luftmoleküle in den oberen Schichten zusammengedrückt wird, und folglich dichter ist

Geoarchive sind zur Gewinnung von Daten für die Rekonstruktion der geologischen Vergangenheit nutzbare Objekte. Sie geben Hinweise auf das Klima der Vergangenheit. Bsp.: Korallen, Sedimente, Stalagmiten/Stalaktiten, Jahresringe

Proxys findet man in Geoarchiven

Bsp.: Sauerstoffisotope, Mikrofossilien, Carbonate, Pollen, Abstand der Jahresringe

• Man kann mit mathematischen Modellen nachweisen, dass der Mensch für den Klimawandel verantwortlich ist

• Jahreswerte sind Mittelwerte, der Mittelwert bleibt gleich, wenn es genauso viele Temperatur Ausreißer nach unten wie nach oben gibt. Extremere Temperaturen sorgen für Extreme Wetterphänomene. Gewitter etc. Im Schnitt kann es aber gleich bleiben (Sommer heißer, Winter kälter)

• schlecht für LW, da keine Regenverlässlichkeit, die für Anbau bestimmter Pflanzen notwenig wäre; Überschwemmungen nach Starkregenereignissen

• neben extremen Temperaturschwankungen gibt es extreme Wetterereignisse

• Klimamodelle

Durchschnittsberechnungen weisen bei Extremen meist ähnliche Werte auf, wie ohne Extreme. Regnet es z.B. im Winter besonders stark und im Sommer garnicht, kann der Jahresniederschlag genau so viel sein, wie wenn es tanzjährlich ein bisschen regnet. Da in Diagrammen meistens Durchschnittswerte abgebildet werden ist es möglich, dass z.B. um den Klimawandel abzubilden, kein Temperaturanstieg erkennbar ist. Allerdings sind die Extreme das, was auf den Klimawandel zurückzuführen ist.

Die Intensität, Frequenz und Dauer kann bei Extremen stark variieren.

Geringe Intensität → geringe Frequenz ⇨ weniger Auswirkungen → geringe Dauer zur Erholung

Hohe Intensität → geringe Frequenz ⇨ deutlichere Auswirkungen → längere Dauer zur Erholung

Hohe Intensität → hohe Frequenz ⇨ Erholung ist zu langsam & erreicht den Urzustand nicht mehr

5. Polarhoch: Aufgrund der konstant kalten Temperaturen wird die Luft in den Polregionen nicht erwärmt und steigt nicht auf, weshalb dauerhaft ein Hochdruckgebiet vorherrschend ist.

6. Polare Ostwinde: Die Polaren Ostwinde wehen vom Polaren Hochdruckgebiet zum subpolaren Tief.

7. Polarfront: Die Polarfront ist ein unbeständiges Tiefdruckgebiet. Die polaren Ostwinde und die Westwinde gleiten parallel aneinander vorbei und aufeinander auf (=Tiefdruckgebiete). Die wärmeren Westwinde steigen auf, dadurch entsteht ein Tiefdruckwirbel. Die Polarfront ist als Verwirbelungszone das Ursprungsgebiet der das Wettergeschehen bestimmenden dynamischen Tiefdruckgebiete in den höheren Mittelbreiten.

4. Westwindzone: Die Westwinde wehen zum Druckausgleich vom STH zum Tiefdruckgebiet Polarfront.

2. Subtropischer Hochdruckgürtel: Die am Äquator aufgestiegene Luft bewegt sich Richtung Norden bzw. Süden. Auf der Strecke kühlt die Luft ab und sink zu Boden. Am Boden entsteht somit ein Hochdruckgebiet.

3. Passatwinde: Um den Druckunterschied zwischen ITC und STH auszugleichen wehen die Passatwinde. Diese Ostwinde wehen zum Äquator hin, um die fehlenden Luftmassen in der ITC auszugleichen. Durch die Corioliskraft und die Rotation der Erde werden diese Winde nach Westen abgelenkt.

1. ITC: Die Luft wird am Äquator besonders stark erwärmt und steigt auf. Daher entsteht am Boden ein Tiefdruckgebiet, was starke Bewölkung und Regenfälle zur Folge hat.

• ITC: ganzjährig heiß und feucht, täglicher Zenitalregen/Gewitter am Nachmittag, Tageszeitenklima

• Subtropische Hochdruckzone: Konstant trocken und warm aufgrund der Passatinversion, ergiebige Niederschläge nur an größeren Erhebungen

• Westwindzone: gemäßigte Temperaturen, Jahreszeitenklima, sehr wechselhaft, da instabile Walker Zirkulation, Durchzug von Zyklonen und Antizyklonen, die dem Polarfrontjetstream entspringen

Tornados entwickeln sich in extremen Fällen aus Gewitterstürmen. Voraussetzung für die Entstehung von Tornados ist die Konvergenz von Luftmassen mit extremen Temperatur- und Feuchtunterschieden bspw. kalte und trockene Arktisluft aus Norden und feuchtwarme Subtropenluft aus Süden. Weitere Voraussetzung sind die beim Kondensationsprozess freiwerdende Energie, die extrem feucht labile Luftschichtung und die hohe Windscherung, diese entsteht durch die Hebung der Luftmassen und der Rotation in der Höhe.

• starke Temperaturunterschiede und daraus resultierende Hoch- und Tiefdruckgebiete

Kräfte:

• Corioliskraft

• Gradientenkraft

• Reibung

• Temperaturzunahme beim Eintreffen des Warmsektors, Aufgleitbewölkung (Stratus) und Landregen

  • Stratus: Aufgleitbewölkung bei Temperaturzunahme vor Eintreffen des Zyklons => Bildung von Advektionswolken [Landregen; geringe Intensität, lange andauernd]

• kurze Ruhephase (warm und sonnig) => Cumulus Humilis

• Abkühlung beim Eintreffen der Kaltfront, Konvektionsbewölkung (Cumulunimbus) und Gewitter

  • Cumulus/Cumulunimbus: Entstehung von Gewittern auf „Zyklonenrückseite“ bei Aufwärtsbewegung der Warmluft => Konvektionswolken

Subtropischer Hochdruckgürtel: Die am Äquator aufgestiegene Luft bewegt sich Richtung Norden bzw. Süden. Auf der Strecke kühlt die Luft ab und sinkt zu Boden. Am Boden entsteht somit ein Hochdruckgebiet. Die beiden beteiligten Windsysteme sind die Passatwinde, zum Druckausgleich am Äquator und die Westwind zum Druckausgleich an der Polarfront Die subtropische Hochdruckzone ist trocken, da durch die Passatinversion die erwärmte Luft nicht aufsteigen kann. Durch die geringe Aufstiegshöhe entstehen kaum Wolken und dadurch regnet es nicht. Jedoch wird die Luft an großen Erhebungen zum Aufstieg gezwungen. Dort kommt es zu Niederschlägen an der Luvseite der Gebirge.

1. Luft gelangt an ein Gebirge und muss deshalb aufsteigen

2. Durch das Aufsteigen kühlt die Luft ab

3. Kalte Luft kann weniger Feuchtigkeit aufnehmen als Warme

4. Ab dem Kondensationsniveau bilden sich Wolken und es regnet

5. Ab dort kühlt die Luft auch nur noch langsamer ab

6. Luft überkehrt den Berg und, weil sie kalt ist, sinkt sie nach unten

7. Luft erwärmt sich auf dem Weg nach unten stetig und ist deshalb am Ende wärmer als auf der anderen Seite des Gebirges.

Auf seiner Hinreise konnte sich Kolumbus die durch den Druckunterschied zwischen ITC und STH entstehenden und aus dem Osten wehenden Passatwinde zu Nutze machen. Auf dem Rückweg nutzte er die durch den Druckunterschied zwischen STH und Polarfront entstehenden Westwinde, die ihn zurück aufs europäische Festland brachten.

wenn der Druckunterschied nicht groß genug ist kann kein Druckausgleich stattfinden.

=> El Niño: kein jährliches Ereignis?;  findet nur ca. alle 3-8 Jahre statt

Tornado: nicht in (Sub-)Tropen

Monsun:

Im Sommer befördern die Monsunwinde feuchte Luft über den Ozean an das Land, was zu starken Regenfällen führt (Sommermonsun). In El Niño Jahren, wenn die Walker-Zirkulation umgekehrt ist und es anstatt in Süd-Ost-Asien in Südamerika regnet, ist der Monsun schwächer ausgeprägt. Es kommt zu einer absinkender Luftbewegung über Süd-Ost-Asien, wo normalerweise Konvektion mit starken Niederschlägen herrscht.

In La Niña Jahren fällt der Monsun stärker aus, weil er noch zusätzliche Feuchtigkeit zugeführt bekommt.

Hurricanesaison Juni bis November über Meeren mit Wassertemperaturen von mindestens 26-28°C

• Feuchtwarme/labile Luftmassen steigen in der ITC auf und bilden Cloud Cluster

• niedriger Bodenluftdruck, Versorgung des Wirbel von Seiten mit feuchtwarmen Luftmassen -> es kommt zu starken Regen

• oberhalb des Wolkenturms wird Luft nach außen geschleudert, wo sie zum Boden zurück sinkt (Luftkreislauf)

• Kondensation verleiht der Luft einen zusätzlichen Auftrieb und es kommt zur Wirbelbildung

• Drehbewegung der Luftmassen wird aufrecht erhalten -> ein tropischer Wirbelsturm entsteht

• Corioliskraft hält diese Zirkulation aufrecht und verstärkt diese

• Polare Ostwinde, Westwinde, Polarfront

• Feuchtwarme/labile Luftmassen steigen in der ITC auf und bilden Cloud Clusters

• niedriger Bodenluftdruck, Versorgung des Wirbels von Seiten mit feuchtwarmen Luftmassen

• Oberhalb des Wolkenturms schleudert die Luft nach außen, wo sie zum Boden zurück sinkt (Luftkreislauf)

• Kondensation verleiht der Luft einen zusätzlichen Auftrieb/ Wirbelbildung

• Drehbewegung der Luftmasse ein tropischer Wirbelsturm entsteht

• Corioliskraft hält diese Zirkulation aufrecht

• Außertropische Zyklone: Orkan

• Topische Zyklone: Hurricane, Taifun

• es kommt zu einem Luftmassenaustausch zwischen den warmen (eher tropischen) Luftzonen die aus der Hadley-Zelle stammen mit den kalten Luftmassen, die aus der polaren Zelle stammen, diese werden durch die Zyklone miteinander vermischt

• sie weist am Boden einen im Laufe der Entwicklung langsam schmaler werdenden Sektor mit relativ warmer Luft auf (Warmsektor) -> dieser kommt aus dem Süden

• der übrige Teil der Zyklone wird von kälterer Luft umgeben (Ostseite: kühle Luft, Westseite: kalte Luft)

Die Sonne strahlt UV und Licht ab (kurzwellig). UV wird in der Stratosphäre absorbiert, wodurch quasi nur Licht an der Erdoberfläche ankommt. Die Erde strahlt Wärme (IR) zurück (langwellig)

• Strahlung: Form in der Sonnenenergie auf die Erde trifft; Abstrahlung: vom Erdboden abgegebene Wärme

• Am Tag strahlt die Erde mehr ab, da die Einstrahlung sehr hoch ist, Nachts findet keine Einstrahlung statt, sodass trotz der gespeicherten Strahlung weniger abgestrahlt wird.

• Albedo = Verhältnis zwischen Reflexion und Einstrahlungswerten

• Differenzen in der Energiezufuhr im System Erde, können stofflich ausgeglichen werden, da sowohl Gase (Atmosphäre) als auch Flüssigkeiten (Meere) beweglich sind. Daher sind Konvektion (=aufsteigende Luftmassenbewegungen) und Advektion (=horizontale Luftmassenbewegungen = Winde) wichtig für Atmosphäre und damit auch für Klimazonen.

• Die anderen 10% werden von den Körpern auf die die Strahlung trifft aufgenommen und dadurch energetisch angeregt bzw. erwärmt. Es hat somit eine Energieübertragung stattgefunden.

Aufgrund der Kugelform der Erde verteilt sich die gleiche Sonneneinstrahlung von Äquator zu den Polen auf zunehmend größere Fläche. Durch diese unterschiedlichen Einfallswinkel erwärmt sich die Luft am Äquator schneller.

stabile Luftschicht: Temperaturabnahme von weniger als 1 °C / 100 m.

labile Luftschicht: Temperaturabnahme um mehr als 1 °C / 100 m

Der vertikaler Temperaturgradient gibt die Temperaturänderung pro 100m Höhen-unterschied an. Er ist normalerweise negativ, die Lufttemperatur nimmt also mit der Höhe ab. Das ergibt sich logischerweise aus der nach oben abnehmenden Luftdichte.

Der Himmelskörper muss eine ausreichende Größe haben, damit die Anziehungskraft stark genug ist auch Gase zu halten.

Außerdem darf die Oberflächentemperatur des Himmelskörpers nicht zu hoch sein. Denn je höher die Temperatur ist, desto schneller bewegen sich die Gasmoleküle. Diese können sich dann von der Anziehungskraft losreißen.

Stickstoff (78%) & Sauerstoff (21%). Durch Photosynthese entstand O2, der sich aber nicht sofort anreicherte, sondern zunächst durch die Reaktion mit Fe an der Landoberfläche und im Meer gebunden wurde. Der heutige O2 -gehalt wurde erst vor ca. 350 Mio. Jahren erreicht und blieb in dieser Zeit nahezu konstant.

Elektromagnetische Strahlung transmittiert durch die Atmosphäre und wird an der Planetenoberfläche Teils absorbiert und reflektiert. Die reflektierte Strahlung wird von dem CO2 in der Atmosphäre wieder auf den Planeten zurückgestrahlt und somit erwärmt sich der Planet.

Ohne Atmosphäre wird ein Großteil er elektromagnetischen Strahlung, die auf die Oberfläche des Merkur trifft, reflektiert und gelangt zurück in den Weltraum. Ohne die Rückstrahlung der Atmosphäre ist die Absorption der Strahlung somit bedeutend geringer als bei der Venus, weshalb sich Merkur weniger erwärmt und dadurch eine geringere Minimaltemperatur haben muss.

25% der Sonnenenergie werden in der Atmosphäre absorbiert. Von den 50%, die auf die Erdoberfläche treffen gelangen 23% in Form eines latenten Wärmestroms, und 4% in Form fühlbarer Wärme in die Atmosphäre.

Durch die Emissionen, die die Menschen ausstoßen gelangen immer mehr Treibhausgase in die Atmosphäre. Durch die Treibhausgase verstärkt sich die Rückstrahlung der Wärme von der Erde zurück auf die Erde.

Der Energieanstieg in der Troposphäre (Verzögerung der Energieabgabe) führt zu mehr Variabilität (sinkende Regenverlässlichkeit und zunehmend extremere Bedingungen).

Durch diese Fenster kann ein großer Teil der langwelligen Wärmestrahlung die Atmosphäre ungehindert passieren

• die Atmosphäre bestand ursprünglich aus einer reduzierten Form Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O)

• erst die Entwicklung der Photosynthese und die Entwicklung von Leben führte zu vermehrter Sauerstoffproduktion, nicht aber sofort zur Sauerstoffanreicherung (O2)

• der durch die Photosynthese produzierte O2 wurde durch Reaktion mit Eisen an der Landoberfläche (und Meere durch Plankton) gebunden dies ist wichtig denn sonst wäre die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre zu schnell gegangen und die Lebewesen hätten sich vergiftet

(1) Terrestrische Ausstrahlung verzögern

(2) Albedo (mehr oder weniger reflektieren)

(3) Weniger Einstrahlung zulassen