Vorlesung 4: Energiehaushalt

• Reflexionsvermögen einer Oberfläche (=Verhältnis zwischen eingehender und ausgehender Strahlung) -angegeben als Höhe der Reflexion in % -wellenlängenabhängig und materialabhängig • Differenziert zwischen hell und dunkel und nicht nach Farbe

• Dunkel: niedrige Albedo = geringes Rückstrahlvermögen → Erwärmung • Hell: hohe Albedo = hohes Rückstrahlvermögen → KEINE Erwärmung

Abhängig von Oberflächenbeschaffenheit -Wasser, Laubwald und Acker (jahreszeitenabhängig) eher niedrig -Wiesen, Städte und Sandflächen eher höher -Eis und Wolken nochmal höher

Kurzwellig: -Solare Direktstrahlung und solare Diffusstrahlung: →von Atmosphärenobergrenze auf Erdoberfläche • Langwellig: -langwellige Ausstrahlung: Von Erdoberfläche in Atmosphäre -atmosphärische Gegenstrahlung: aus Atmosphäre in Richtung Erdoberfläche • Albedo: Reflektion der kurzwelligen Strahlung an Erdoberfläche • Einflussfaktoren auf die Strahlungsbilanz: -Geländehöhe -Exposition -Oberflächeneigenschaf

Wiederholung: Atmosphäre lässt Licht nur in wenigen Bereichen durch: -solares Fenster: Sonnenenergie wird eingestrahlt -tererstrisches Fenster: Erde strahlt Energie aus (nicht ganz einheitlich, da Gase (H2O, CO2) unterschiedlich absorbieren

• eingehende kurzwellige Strahlung der Sonne • ausgehende langwellige Strahlung von der Erde → Teil der langwelligen Strahlung wird innerhalb der Atmosphäre zurück emittiert, nachdem es von Wasserdampf und CO2-Molekülen (natürliche Gase) absorbiert, wurde • Teil der erwärmenden Strahlung bleibt in der Atmosphäre • erwärmt Mitteltemperatur von -18 °C auf +15 °C

Mittlere Strahlungs- und Energiebilanz: -einkommende Energie = kurzwellige eintreffende Solarstrahlung = 340 W/m2 (Solarkonstante/4) = 100% -in der Erde absorbierter Teil = 79 W/m2 = 23% -an Wolken direkt reflektierter Teil =76 W/m2 =22% → 45% der eingehenden Strahlung wird in Atmosphäre zurückgehalten -Erdboden erreichen 185 W/m2 von denen 24 W/m2 (15%) reflektiert werden (ausgehende Strahlung, Albedo der Erde) → 161 W/m2 bleiben (= 47% der eingehenden Solarstrahlung) -gesamte Ausstrahlung beträgt 76 + 24 = 100 W/m2 (planetare Albedo) → kurzwellige Strahlungsbilanz: 340 – 100 W/m2 = 240 W/m2 Energiegewinn -aufgrund des thermodynamischen Gleichgewichtes der Erde muss der Energiegewinn auch wieder ausgeglichen werden→ langwelliger Strahlungsverlust von 239 W/m2 an der Atmosphärengrenze (183 W/m2 aus Atmosphäre, 57 W/m2 wird direkt von Erde durch Infrarotfenster ausgestrahlt (=Nettofluss)) -eigentlich verlassen 398 W/m2 die Erdoberfläche, die durch atmosphärische Gegenstrahlung von 342 W/m2 kompensiert wird (=natürlicher Treibhauseffekt) • System Erde wärmt sich trotz Gleichgewicht langsam auf (0,6 W/m2) in Ozeanen gespeichert

• zeitlich gemittelt muss die gesamte eingestrahlte Energie muss auch wieder abgegeben werden

• Latente Wärme: entsteht bei der Verdunstung von Wasser (Energieverlust) (4x so groß wie sensibel) → starke räumliche Differenzierung • Sensible/fühlbare Wärme: Abgabe direkt an untere Luftschichten

• Q* + QF + QG + QH + QE =0

Q* = Strahlung • QG = Bodenwärmestom • QH = sensibler Wärmestrom • QE = latenter Wärmestrom • QF = anthropogener Wärmestrom (global zu vernachlässigen, lokal wichtig)

W/m2

• Grundlegend dafür ist der variierende Einfallswinkel (sinus der Sonne), je nach geographischer Breite • Meridional Profil der Einstrahlung, Absorption und Reflexion (zeitlich über das AJhr gemittelt) -meiste Einstrahlung in niedrigen Breiten • Topografie und Wolkenhäufigkeit beeinflussen ebenfalls Gehalt der Globalstrahlung

Tag- und Nachtgang (Allgemein) 1) Tag -eintreffende Energie: solare Diffusstrahlung, solare Direktstrahlung, atmosphärische Gegenstrahlung -ausgehende Energie: langwellige terrestrische Ausstrahlung, reflektierte Strahlung (K), sensibler Wärmestrom (QH), latenter Wärmestrom (QE) und Bodenwärmestrom (QG) 2) Nacht -eintreffende Energie: keine solare Diffusstrahlung mehr, langwellige atmosphärische Gegenstrahlung, sensibler Wärmestrom, latenter Wärmestrom (Tau) -abgegebene Energie: langwellige terrestrische Ausstrahlung, Bodenwärmestrom

• Positive Vorzeichen: zur Erdoberfläche hin • Negative Vorzeichen: von der Erdoberfläche weg a) Langwellige Strahlung: langwellige Ausstrahlung und atmosphärische Gegenstrahlung mit geringem Tagesgang, L* (Gesamtbilanz) insgesamt negativ b) Kurzwellige Strahlung (K): ausgehende kurzwellige Strahlung sehr niedrig (wegen geringer Reflektion bzw. Albedo), K* nur ein bisschen geringer als KEinstrahlung c) Q*: tagsüber ähnlich K* und nachts dominiert durch langwellige Strahlung

QH = sensibler Wärmestrom: tagsüber negativ von Oberfläche weg, geringer als latent • QE = latenter Wärmestrom: hohe Ausstrahlung in Atmosphäre • QG = Bodenwärmestrom: tagsüber negativ in den Boden gerichtet, nachts positiv → Boden bekommt Enrgie zurück

Wärmestrom kann in Tiefen noch positiv sein, obwohl an der Oberfläche schon Auskühlung • Je tiefer, desto später der peak der maximalen Bodentemperatur → je tiefer, desto gedämpfter der Tagesgang → in mehreren Metern Tiefe nur noch Jahresgang erkennbar

Südhalbkugel (rot): geringer Unterschied in Tagessummen der Einstrahlung, längere Tageslänge kompensiert höheren Einfallswinkel, der am Äquator wäre • Winterhalbkugel (blau): starker Abfall vom Äquator bis zum nördlichen Polarkreis, nördlich davon gar keine Einstrahlung → Polarnacht • Geringer Jahresgang am Äquator und stärkster an den Polen