Solarklima und Atmosphäre

Strahlungsvorgänge:

• Strahlung = Transport von Energie mittels elektromagnetischer Wellen (Strahlungsenergie) -> erforderlich für alle Wettervorgänge, Klima

• Sonne = Energiequelle, sendet ständig eine intensive Strahlung aus, ohne jahres- und tageszeitliche Unterschiede (Sonnenflecken), Motor atmosphärischer Zirkulation

• Strahlungsmenge an Erdoberfläche hängt ab von erd- und himmelsmechanischen Beziehungen zwischen Sonne und Erde sowie von Einflussfaktoren, die an der Erdoberfläche die Strahlungsverhältnisse beeinflussen (Albedo,…)

• Zusammenhang Milankovitsch Zyklen

Sonnenflecken:

• = Bereiche auf Sonne, auf denen durch Temperaturunterschiede starke magnetische Felder entstehen -> es kommt zu: verstärkte Aktivität der Sonnenstrahlung

• Je mehr, je größer Sonnenflecken sind, umso intensiver ist die Intensität der Sonnenstrahlung

• Anzahl, Größe Sonnenflecken (Intensität der Sonnenstrahlung) variieren in 11-jährigen Zyklus -> regelmäßiger Zyklus, außer zur Zeit der “Kleinen Eiszeit“ (Sonnenflecken über einen längeren Zeitraum ging stark zurück)

• seit 2003 niedrigste Sonnenfleckenaktivität seit fast 200 Jahren-> trotzdem steigende Temperaturem

• (Ganz vereinfacht: Sonnenflecken -> Sonnenwinde -> Polarlichter)

Solares Klima:

Größe für Sonneneinstrahlung = Solarkonstante (I0)

= Intensität der Sonneneinstrahlung an der oberen Grenze der Erdatmosphäre = Strahlungsenergie oberhalb des Atmosphäreneinflusses (Weltall)

Lambertsche Strahlungsgesetz:

• Tageslänge und Einstrahlungswinkel variieren mit geographischer Breite, Saison und Relief ->Strahlungsumsatz innerhalb der Atmosphäre fehlt

Strahlungsklimate

Äquinoktien TNG:

Tag- & Nachtgleichheit, symmetrische Verteilung der Strahlungsmenge

Solstitien SW:

Maximale Energiemenge in Polargebieten wegen Tageslängen

Winkel der Sonneinstrahlung:

• Winkel unter dem Sonnenstrahlen auf Erdoberfläche treffen, variiert mit Breitengrad

• je steiler Winkel, desto konzentrierter ist Energie desto wirkungsvoller Erwärmung

Tropenzone:

• durch Süd., Nord. Wendekreise (WK) begrenzt

• 2 Zenitstände über Äquator

• vom Äquator zu den WK rücken Zenitstände zeitlich immer näher zusammen

• an WK 1 x Zenitstand

• Solstitial: am nördlichen WK 21. Juni mit 13,5 h längster Tag, zur gleichen Zeit am südlichen WK Tageslänge nur 10,5 h = 3 Stunden Unterschied

• innere / äußere Tropen

• am Äquator Tag/Nacht jeweils 12 h

• Mittagshöhe der Sonne nie kleiner als 43° (ITC)

Gemäßigte Zone:

• strahlungsklimatische Mittelbreiten

• zwischen Wende- und Polarkreisen (23,5°- 66,5°)

• astronomisch mögliche Sonnenscheindauer variiert zwischen 13,5 und 24 h

• zum Polarkreis nimmt Mittagshöhe der Sonne ab

• Maximum an Strahlung NHK 21. Juni = Polartag

• Minimum 21. Dezember = Polarnacht.

• unterschiedliche Tageslänge = sehr deutlicher Klimafaktor

Polarzone:

• von Polarkreisen zu Polen

• durch sehr große jahreszeitliche Beleuchtungsunterschiede gekennzeichnet

• Tageslänge nimmt von Polarkreis im jeweiligen Sommerhalbjahr polwärts zu, Nordpol (wie auch Südpol)

• „Polarnacht“ jeweils zu Beginn und am Ende mit lange anhaltender Dämmerung.

Wie kommt eine Atmosphäre zustande?

Erde:

• durch große Masse -> große Anziehungskraft -> kann Gasmoleküle fest an sich ziehen (Atmosphäre)

• Oberflächentemperaturen Erde: nicht zu hoch, sonst : Bewegung der Gasmoleküle zu stark -> Gasmoleküle (Bewegung nach allen Richtungen) Anziehungskraft überwinden -> in Weltraum entweichen

Mond:

• zu klein und zu leicht: keine Atmosphäre -> Meteoriten schlagen auf Oberfläche ungebremst ein

Troposphäre:

• Wetterküche der Atmosphäre: Druck- und Temperaturunterschiede, Wassergehalt -> erzeugen Turbulenzen, Wolkenwirbel, Feuchtigkeitsschwankungen ->es kommt zu Regen, Schnee oder Hagel

• enthält ¾ der Luftmasse, gesamten Wasserdampf (–> Wolkenbildung und Niederschlag)

• reicht je nach geographischer Breite in Höhen von 8-16 km, höchste Ausdehnung: Äquator, geringste: Polen

• vertikale Temperaturabnahme 0,65°C/100 m (Standardatmosphäre)

• bodennahe Grenzschicht (< 2 m), bodennahe Luftschicht (< 50m), Peplosphäre

Tropopause:

• Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre, weltweite permanente Inversion (Temperaturumkehr, -zunahme)

• Höhenlage der Tropopause:

• über dem Äquator: 16-17 km -75 bis -80° C

• über den Mittelbreiten: 10-12 km - 50 bis -60° C

• über den Polen: 8-9 km - 45° C

Stratosphäre:

• auf große Vertikaldistanzen gleiche Temperatur =Homothermie, wolkenlos, beginnt in 10-15 km reicht bis 50 km

• Temperatur steigt mit Höhe langsam an

• Stratosphäre liegende Ozonschicht enthält 90 % des atmosphärischen Ozons in 15-30 km

• kaum Wasserdampf, d.h. Ozon ist für Klimaregulation maßgeblich: Ozonschicht, Schutz vor schädlichen UV-Strahlen

• Ozonmoleküle absorbieren Licht der Wellenlängen 240-315 Nanometern = ultraviolette Sonnenstrahlung, sonst wäre kein Leben auf Erde möglich

Mesosphäre:

• reicht bis in 80-90 km ->Temperatur nimmt mit zunehmender Höhe ab

• Ozon- als auch Wasserdampfkonzentrationen sehr gering -> auch Temperatur deutlich geringer

• steigende Höhe beeinflusst zunehmend die Schwerkraft die chemische Zusammensetzung der Schicht  -> dominieren daher leichtere Gase, ordnen sich entsprechend ihr

Thermosphäre (Ionosphäre) und Exosphäre:

• enthält elektrisch geladene Teilchen - Ionen -> Absorbieren sehr kurzwelliges, energiereiches Sonnenlicht ->Temperaturzunahme

• Reflektieren Rundfunkwellen, ermöglichen Nachrichtenverbindungen über weite Distanzen

• ab 500 km Exosphäre, geht in den interplanetaren Raum über. Gradueller Übergang

• schützt vor UV, Rötngenstrahlen

• Heizt sich durch Absorption solarer Strahlung auf -> Energiespeicher

Atmosphäre

• Gemisch aus verschiedenen Gasen, Wasserdampf und Aerosolen, Hauptbestandteile: Stickstoff, Sauerstoff, Argon (99.9 % der Lufthülle)

• Rest: = 0.1% Spurengase, u.a. CO2 , Ozon, Wasserstoff, Schwefeldioxid, Methan

• Wasserdampf, CO2 -> absorbieren Wärmestrahlung -> Aufheizung Atmosphäre (Venus: 96.5 % CO2 , T: 460° C)

• Wasserdampf: zeitliche und räumliche Schwankungen

• Anteil Wasserdampf für Wettergeschehen -> beeinflusst Wärmehaushalt, Wolkenbildung,Niederschlag

Ozon:

• chemisch höchst aggressiv, für Strahlungsschutz unentbehrlich

• Maximum Ozon-Konzentration in 20-40 km Höhe = Ozonschicht Stratosphäre

• Ohne Ozon-Schutzfilter kein Leben auf Erde möglich

• Ozonloch über Antarktis, Arktis durch starke Zunahme von katalytisch wirkenden Spurenstoffen -> Ozon Zerstörung (Ozonloch)

  durch : Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW’s), dient(en) als Treibgas, Löse- oder Kühlmittel

Wasserdampf:

• nicht permanentes Gas = wichtige Beimengung der Luft, in stark wechselnder Menge besonders in unteren Luftschichten vorhanden

• Maximalanteil 5 Volumen-% in feuchten Tropen

• Mittelbreiten: 1,3 % Sommer, 0,4 % im Winter

• Wasser in Atmosphäre: 3 Aggregatzustände gasförmig, flüssig, fest -> Zustandsänderungen von überragender Bedeutung für thermodynamische Prozesse; für Wettergeschehen, Klima

• durch Wasser in Atmosphäre wird Wettergeschehen „sichtbar“ (Wasserkreislauf)

Weitere Inhaltsstoffe Troposphäre:

• Verunreinigungen Luft: Aerosole, natürliche & künstliche Quellen, Staub, Rauch, Dämpfe, Salze; Mikroorganismen

• Aerosole: Zeit lang in Schwebe = suspendiert, Suspension Emittent, Emission (Aussenden)

• sinken wieder auf den Erdboden = Immission

Troposphäre/- Stratosphäre:

• Aerosole beeinträchtigen Durchlässigkeit der Atmosphäre

• Gesteinsstaub nach Vulkanausbruch: Einstrahlungsreduzierung, dadurch Klimaschwankung.

• Rußpartikel bei großen Waldbränden.

• Rauch (smoke) und Nebel (fog) = SMOG, Tallagen, Beckenregionen bei windarmen Hochdruckwetterlagen: nachts starke Auskühlung der aerosolreichen Luft, Kondensationskerne führen zur starken Tröpfchenbildung ->Nebel

Atmosphäre und Klimawandel:

• Menschenverursachter Klimawandel-> große Verantwortung

• 1850: Beginn Anthropozän?

• Krisen (Corona,…) sorgen Senkung globaler Emissionen

• Methan (Fracking, Fleisch; Futterindustrie)

Atmosphäre und Mensch

• ständig turbulente Durchmischung bedingt Fließgleichgewicht

• dadurch annähernd konstante Gasgemisch-Verhältnisse in Atmosphäre

• Mensch hat sich an konstanten Bedingungen gewöhnt

• Mensch reagiert bereits auf Absinken des Sauerstoffgehalts unter 20 %; Bsp: geschlossene, mit Menschen gefüllte Räume

• bodennahe Mischungsverhältnis hat bis in ca. 20 km Höhe Bestand

Was nimmt aber mit der Höhe ab ?

• absoluten Mengen der in der Volumeneinheit vorhandenen Gase. Abnahme der Gasmenge durch Abnahme des (Partial)-Drucks.

• Abnahme des Gasdrucks beim Sauerstoff ruft Höhenkrankheit hervor, spürbar ab 2.500 m, Beschwerden bei ca. 5.000 m bemerkbar

• Kopfschmerzen, Appetitverlust, Übelkeit, Erbrechen,…

Abkühlung Weltklima durch Vulkan Toba:

• vulkanisches Material bis in 50 km Höhe geschleudert, Verteilung Atmosphäre, Einbruch Vulkan 1,7 Kilometer Tiefe, Bildung riesige Caldera- >= "Lake Toba"

• entstehende Schwefelsäurewolken, bleiben 1-2 J. in oberer Atmosphäre bestehen-> bedecken große Teile Globus-> Abkühlung Weltklima um 3-4 Grad

Atmosphäre:

• von Schwerkraft eines Himmelskörpers festgehaltene Gashülle ü: Zusammensetzung und Dauerhaftigkeit abhängig von Temperatur, Größe und Masse des Himmelskörpers.

• Änderung innerhalb Atmosphäre Temperatur, Luftdruck (alle 5,5 km Höhenunterschied halbiert sich der Luftdruck)