E-Book, Deutsch, 320 Seiten
ISBN: 978-3-8463-4819-2
Verlag: UTB
Format: EPUB
Kopierschutz: Wasserzeichen (»Systemvoraussetzungen)
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Vorwort 7
1 Einführung in das Klimasystem 11
1.1 Das Erdklima 12
1.2 Definitionen und Skalen 18
1.3 Das Klimasystem 22
2 Die Atmosphäre 43
2.1 Zusammensetzung 44
2.2 Aufbau 46
2.3 Ozon, Aerosole und chemische Vorgänge 51
2.4 Kondensation und Wolkenbildung 59
2.5 Die Clausius-Clapeyron-Beziehung 64
3 Strahlung und Energie 67
3.1 Die globale Strahlungs- und Energiebilanz 68
3.2 Astronomische Grundlagen 70
3.3 Strahlungsemission 75
3.4 Streuung 79
3.5 Absorption 83
3.6 Der Treibhauseffekt 84
3.7 Transmission durch die Atmosphäre 87
3.8 Wärmeflüsse und lokale Energiebilanzen 89
4 Thermodynamik und Statik der Atmosphäre 95
4.1 Wärmelehre und vertikale Vorgänge 96
4.2 Die allgemeine Gaszustandsgleichung 99
4.3 Die potentielle Temperatur 103
4.4 Thermodynamik der feuchten Luft 104
4.5 Statische Stabilität 107
4.6 Energie in der Atmosphäre 114
5 Dynamik 117
5.1 Dynamik aus Sicht der Klimatologie 118
5.2 Die Grundgleichungen der Atmosphäre 119
5.3 Gitter und Wettervorhersagemodelle 136
5.4 Windbegriffe 139
6 Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre 149
6.1 Vertikaler Strahlungs- und Energietransport 150
6.2 Horizontaler Energietransport 151
6.3 Die zonal gemittelte meridionale Zirkulation 158
6.4 Die zonal gemittelte zonale Zirkulation 165
6.5 Zonal asymmetrische Zirkulationssysteme 168
7 Die Ozeane und ihre Wechselwirkung mit der Atmosphäre 189
7.1 Die Erde – ein Ozeanplanet 189
7.2 Die ozeanische Zirkulation 191
7.3 Die Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung 204
7.4 Meereis 205
8 Klimata der Erde 209
8.1 Bestimmende Faktoren 210
8.2 Klimazonen der Erde 217
8.3 Regionale Klimata 228
9 Klimadaten und Klimaarchive 245
9.1 Klimamessungen 246
9.2 Klimaproxies und Rekonstruktionen 254
9.3 Klimamodelle 259
9.4 Reanalysen 263
10 Klimaschwankungen und –änderungen 267
10.1 Das schwankende Klima 268
10.2 Interne Klimavariabilität 272
10.3 Äußere Einflussfaktoren 281
10.4 Klimavergangenheit und –gegenwart 295
10.5 Klimazukunft 306
Register 312
| 2 Die Atmosphäre Inhalt 2.1 Zusammensetzung 2.2 Aufbau 2.3 Ozon, Aerosole und chemische Vorgänge 2.4 Kondensation und Wolkenbildung 2.5 Die Clausius-Clapeyron-Beziehung In diesem Kapitel stehen die Zusammensetzung sowie der Aufbau der Atmosphäre im Vordergrund. Die trockene Atmosphäre besteht aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, einem knappen Prozent Argon sowie Spurengasen, welche durch natürliche Prozesse (aus Pflanzen, Böden oder Feuer) oder durch den Menschen ausgestoßen werden. Besonders wichtig sind dabei langlebige Treibhausgase und Ozon. Außerdem enthält die Atmosphäre eine variable Menge an Wasserdampf sowie Aerosole, d.h. flüssige oder feste Schwebeteilchen. Sie wirken sich auf den Strahlungshaushalt, die Wolkenbildung und auf chemische Vorgänge aus. Die Atmosphäre ist gemessen am Erdumfang extrem dünn. Die unterste Schicht, die Troposphäre, in welcher sich die gesamten Wettervorgänge der Atmosphäre abspielen, erstreckt sich über die untersten 8 bis 16 km. Hier findet vertikaler Austausch (in Form von Konvektion) statt, und die Temperatur nimmt mit der Höhe rasch ab. Darüber liegt die trockene Stratosphäre, in welcher sich die Ozonschicht befindet. In ihr nimmt die Temperatur infolge der Strahlungsabsorption durch Sauerstoff und Ozon nach oben zu. Vertikale Bewegungen sind weitgehend unterbunden. Atmosphärenchemische Vorgänge sind für das Klimasystem wichtig. Die Bildung und Zerstörung von Ozon (dreiatomigem Sauerstoff) aus zweiatomigem Sauerstoff wirkt als Filter gegen energiereiche Ultraviolettstrahlung. In der Troposphäre fördert Ozon die Selbstreinigungskapazität der Atmosphäre, indem es den Abbau vieler Spurengase einleitet. Ozon ist auch für Strahlungsvorgänge zentral. Aerosole spielen bei der Wolkenbildung eine wichtige Rolle, indem sie durch ihre Löslichkeit die für Tröpfchenbildung nötige Übersättigung heruntersetzen. Wolkentröpfchen entstehen bevorzugt, wenn genügend Aerosole vorhanden sind. Die Niederschlagsbildung erfolgt dann oft über die Eisphase. Regentropfen sind also in der Regel geschmolzene Schneeflocken. Die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks für Wasserdampf von der Temperatur (Clausius-Clapeyron-Gleichung) ist eine zentrale Beziehung für das Klimasystem. Temperaturänderungen, Wasserkreislauf, Energietransport und damit die atmosphärische Zirkulation hängen über die Clausius-Clapeyron-Beziehung miteinander zusammen. 2.1 | Zusammensetzung Die Atmosphäre wird durch Schwerkraft auf der Erde gehalten Warum hat die Erde eine Atmosphäre? Die Schwerkraft der Erde ist stark genug, um die meisten Gase vom Entweichen in den Weltraum (durch die Eigenbewegung der Moleküle) abzuhalten. Planeten mit geringerer Schwerkraft haben keine oder nur viel dünnere Atmosphären (vgl. ? Tab. 1-1). Zwar ist in der oberen Atmosphäre die kinetische Energie und die freie Weglänge für Wasserstoff (H2) und Helium (He) genügend groß, sodass diese Moleküle das Schwerefeld der Erde überwinden und in den Weltraum entweichen können. Mengenmäßig ist dies allerdings nicht relevant. Atmosphärischer Sauerstoff wurde durch Lebewesen produziert Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre war nicht immer so, wie sie sich uns heute präsentiert, und ihre Zusammensetzung ändert sich weiter. Die Ur-Atmosphäre bestand aus Wasserstoff, Helium, Methan und Ammoniak. Diese leichten Gase gingen aber in der Folge fast vollständig an den Weltraum verloren. Es bildete sich eine Atmosphäre aus Wasserdampf, CO2 und H2S. Die Atmosphäre war lebensfeindlich, sodass Leben nur im Wasser entstehen konnte. Erst allmählich reicherte sich Sauerstoff an. ? Abb. 2-1 zeigt die Entwicklung des Sauerstoffs und des Ozons in der Erdatmosphäre. Frühe Lebensformen wie das Cyanobakterium gaben Sauerstoff (O2) an die Umwelt ab. Dieser konnte sich allerdings zunächst nicht in der Atmosphäre anreichern: Die Atmosphäre und die Erdoberfläche waren stark reduzierend und damit eine Senke für Sauerstoff. Bevor sich also eine hohe Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre aufbauen konnte, mussten die gesamte Atmosphäre und die Erdoberfläche (beispielsweise eisenhaltige Gesteine) oxidiert werden. Abb. 2-1 |Entwicklung der Sauerstoff- und Ozonkonzentration in der Erdgeschichte (nach Wayne 2000). 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 1 % Argon und Wasserdampf Spurengase machen <0.05 % der Atmosphäre aus, sind aber wichtig für das Klima Erst danach konnte sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreichern. Es bildete sich eine Ozonschicht, wodurch die Erdoberfläche für Leben bewohnbar wurde. Der atmosphärische Stickstoff (N2) stammt aus der festen Erde und gelangt durch Vulkanausbrüche oder andere geologische Vorgänge in die Atmosphäre. Stickstoff ist praktisch inert, d.h., reagiert in der Atmosphäre kaum (außer bei Blitzen oder bei Beschuss durch kosmische Strahlung), und konnte sich deswegen anreichern. Heute machen Stickstoff 78 % und Sauerstoff 21 % des atmosphärischen Volumens aus. Argon, ein ebenfalls inertes Edelgas, kommt mit knapp 1 % an dritter Stelle. An vierter Stelle kommt global gesehen der Wasserdampf, der allerdings räumlich und zeitlich hoch variabel ist. Abgesehen von Wasserdampf und den Spurengasen verändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre in klimatischen Zeitskalen nicht. Die Konzentrationen von N2 und O2 sind auch bis in große Höhen unverändert. Die weiteren Bestandteile der Atmosphäre machen zusammen weniger als 0.05 % aus, haben aber auf das Klima einen bedeutenden Einfluss. Einige dieser Gase (CO2, CH4) haben wir bereits kennengelernt. Je nach chemischer Lebensdauer sind diese Spurengase global gut gemischt oder geprägt von großen regionalen oder lokalen Unterschieden und vor allem auch von Unterschieden in der Höhenverteilung (vgl. ? Kap. 2.2). ? Abb. 2-2 zeigt die wichtigsten Spurengasmoleküle der Atmosphäre: die Treibhausgase Kohlendioxid (CO2), Lachgas (N2O) und Methan (CH4) sowie Ozon (O3) und Wasserdampf (H2O). Abb. 2-2 |Struktur einiger wichtiger mehratomiger Moleküle in der Atmosphäre. Tab. 2-1 |Die Zusammensetzung der trockenen reinen Atmosphäre (NOAA, Bliefert 2002). Ebenfalls angegeben ist der variable Wasserdampfgehalt, ppm = parts per million = 0.0001 % (zu Konzentrationsmassen vgl. ? Box 2.2). 2.2 | Aufbau Die Atmosphäre ist eine dünne Schicht Nach der Zusammensetzung der Atmosphäre wollen wir in diesem Kapitel den Aufbau der Atmosphäre betrachten, also die Stockwerke der Atmosphäre, die sich bezüglich Temperatur und Druck (und damit Dichte), aber auch hinsichtlich der Spurengaskonzentration (vgl. oben) unterscheiden. Als Folge davon unterscheiden sich auch Strahlungsvorgänge sowie Transport- und Mischungsprozesse in den einzelnen Stockwerken deutlich voneinander. ? Abb. 2-3 zeigt die Dicke der atmosphärischen Schichten maßstabgetreu im Verhältnis zur Erdkugel. Die Atmosphäre ist eine sehr dünne Schicht. Es ist leicht ersichtlich, dass Bewegungen vor allem horizontal sind, obschon Vertikalbewegungen eine besonders wichtige Rolle spielen. Aber auch die Sicht aus dem Weltraum (? Abb. 2-4) zeigt die Atmosphäre als dünne Hülle. Abb. 2-3 |Die Erde und ihre Atmosphäre, maßstabgetreu dargestellt. Die Vergrößerung zeigt das Vertikalprofil der Temperatur sowie schematisch der Konzentrationen von Wasserdampf und Ozon. Links ist eine Höhenskala, rechts eine Druckskala angegeben. Die Troposphäre ist die «Wetterschicht» und enthält fast den gesamten Wasserdampf Temperatur nimmt mit der Höhe rasch ab Das zentrale Studienobjekt der Meteorologie und Klimatologie ist die Troposphäre. Sie umfasst die untersten 8 km (in den hohen Breiten) bis 16 km der Atmosphäre (in den Tropen). In ihr spielen sich die meisten wetterbildenden Prozesse ab. Der Name leitet sich aus dem griechischen Wort «tropos»...
