Folien - ETH

Willkommen zur Vorlesung “Atmosphäre”
Heute:
Luftfeuchte / Strahlung

Ziele der heutigen Vorlesung
Wie unterscheidet sich der Sättigungsdampfdruck über Wasser
und Eis?
Bergeron-Findeisen Prozess
Wie ändert die Feuchte die statische Stabilität der Atmosphäre?
bedingte Stabilität

Ziele der heutigen Vorlesung
Welche Strahlung emittiert ein “schwarzer Körper”?
Planck’sches Strahlungsges., Ges. von Stefan-Boltzmann
Welche Strahlung der Sonne erreicht den Erdboden?
Absorption, Albedo
Welche Strahlung der Erde erreicht das Weltall?
Treibhausgase
Was versteht man unter dem “natürlichen Treibhauseffekt”?

Planck’sches Strahlungsgesetz
Planck’sches Strahlungsgesetz
25
Solare Strahlung ausserhalb der Atmosphäre
20
Solare Strahlung auf Meereshöhe
E (10 2 Wm -2 m -1 )
15
10
H 2 O
O 2 , H 2 O
Schwarzkörperstrahlung bei 5900 K
H 2 O
5
H 2 O, CO 2
O 3
O 3 H 2 O, CO 2
H 2 O, CO 2
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2
Wellenlänge ( m)
3

Strahlungsabsorption durch Gase
Gase besitzen scharfe Absorptions- bzw. Emissionslinien.
Im Infrarotbereich werden vorallem Vibrationszustände von 3-
atomigen Molekülen angeregt.
0.958
O
H 105 H
Wasser-Molek l
1.26
O
O 117 O
Ozon-Molek l
1.16
O C O
Kohlendioxid-Molek l
Beugungs-Schwingung
Beugungs-Schwingung
Beugungs-Schwingung
sym. Streck-Schwingung
sym. Streck-Schwingung
asym. Streck-Schwingung
sym. Streck-Schwingung
asym. Streck-Schwingung
asym. Streck-Schwingung
Abbildung 3.1: Vibrationszustände von H 2 O, CO 2 und O 3 .
3.3 Die Strahlung der Sonne

Strahlung der Sonne
25
Solare Strahlung ausserhalb der Atmosphäre
20
Solare Strahlung auf Meereshöhe
E (10 2 Wm -2 m -1 )
15
10
Schwarzkörperstrahlung bei 5900 K
H 2 O
O 2 , H 2 O
H 2 O
Absorption durch Gase
(O 3 , H 2 O, CO 2 )
5
O 3
H 2 O, CO 2
O 3 H 2 O, CO 2
H 2 O, CO 2
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2
Wellenlänge ( m)

Breitenabhängigkeit der Albedo der Erde

3.7 Das Strahlungsbudget
Im Jahresmittel nimmt die kurzwellige, extraterrestrische Einstrahlung von niedrigen nach
hohen Breiten ab; sie ist am Pol noch knapp halb so gross wie am Äquator. Dagegen
nimmt Jahresmittel die Albedo nach der hohen Sonnenstrahlung Breiten hin stark zu (Wolken, am Erdboden
Schnee- und Eisbedeckung),
so dass der Absolutwert der in den Weltraum reflektierten Sonnenstrahlung annähernd
breitenunabhängig ist.
Werte in Wm -2
Abbildung 3.4: Jahresmittel der Sonnenstrahlung (W m −2 ) auf eine horizontale Fläche am
Erdboden.

Wasser 0.08
Tabelle 3.1: Rückstreuvermögen (Albedo) verschiedener Bodenbedeckungen
Ein Wert von 1 entspricht totaler Reflexion, und 0 totaler Absorption der S
Strahlung der Erde
Emission in kWh/m2 dµm
nt
1.0
0.5
0.2
0.1
0.05
0.02
0.01
1
0
1
Theoretische Ausstrahlung
(Schwarzkörper)
Tatsächliche Ausstrahlung
der Erde vom Weltraum aus
gesehen
Wellenlänge (µm)
3 5 10 20 40 60
H 2 O
Abbildung 3.
strahlung der
rem Maximum
bereich. Als Ve
Schwarzkörper
27 ◦ C eingezeic
reich der max
strahlung von
bezeichnet m
rotes Fenster.
Emissionsspek

Emission in Emission kWh/m2 dµm in kWh/m2 dµm
Strahlung der Erde
Alter Schnee
Mittlere Wolkenbedeckung
0.5
0.5
Heller Sand 0.4
Helle Erde 0.25
Beton 0.25
Grüne Felder 0.2
Grüne Wälder 0.15
Dunkle Erde 0.1
Asphalt 0.08
Wasser 0.08
Tabelle 3.1: Rückstreuvermögen (Albedo) verschiedener Bodenbedeckun
Ein Wert von 1 entspricht totaler
der Erde
Reflexion,
vom Weltraum
und
aus0 totaler Absorption d
Absorptionskoeffizient
1.0
0.5
0.2
1.0 0.1
0.5
0.05
0.2
0.1
0.02 0.05
0.02
0.01
0.01
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
Theoretische Ausstrahlung
(Schwarzkörper)
Tatsächliche Ausstrahlung
der Erde vom Weltraum aus
gesehen
Wellenlänge (µm)
3 5 10 20 40 60
H 2 O
CO 2
O 3 und O 2
N 2 O
3 5 10 20 30
Theoretische Ausstrahlung
(Schwarzkörper)
H 2 O
CO 2
Tatsächliche Ausstrahlung
gesehen
Wellenlänge (µm)
CH 4
Wellenlänge (µm)
O 3 und O 2
N 2 O
Abbildung
strahlung d
rem Maxim
27 ◦ bereich.
C eingez
Als
Schwarzkör
reich der m
27 ◦ C eingez
strahlung
reich der
vm
strahlung v
bezeichnet
rotes Fens
rotes Emissionssp Fens
de sind A
Emissionssp
tren einiger
tragen. Die
de lenlängen sind Ai
für das Em
tren
und
einiger
man k
im Emissio
tragen. Die
den Absorp
lenlängen
zelner Moli
dung bring
bildung 3.3 zeigt die Abstrahlung der Erde mit dem Maximum bei etwa
dieser Abbildung 0 hervorgeht, hat die Rückstrahlung der Erde im soge
ten Fenster 1 zwischen 8 und 12 µm die besten Chancen, ins Weltall zu en
0
3 5 10 20 30
CH 4
Wellenlänge (µm)
Abbildung
strahlung d
rem Maxim
bereich. Als
Schwarzkör
für das Em
und man k
im Emissio
den Absorp
zelner Mole
dung bringe

fühlbarer und von latenter Wärme (Wasserdampf) zusammen, wobei die Aufspaltung au
Strahlungsbudget der Erde
Budget zwischen Einstrahlung und Ausstrahlung als Funktion
der geographischen Breite
400
Einstrahlung
Watt pro m 2
300
200
Defizit
berschuss
Ausstrahlung
Defizit
100
W rmetransport
90 80 60 N
50 N
40 N
30 N
20 N
10 N
0
Geographische Breite
10 S
20 S
30 S
40 S
50 S
60 S
80 S
90 Abbildung 3.5: Strahlungsbilanz
der Erde in Abhängigkeit von der
geographischen Breite.