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Klimatologie (Subject) / Klimatologie (Lesson)

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• Aufbau Atmosphäre Troposphäre: 8-18 km, labil, turbulent, "Wettersphäre" -> warme Gase bewegen sich nach oben, kalte nach unten -> Temp. sinkt mit Höhe Tropopause: niedrige Temp. -> Wasserdampf kondensiert fast vollständig aus, daher Stratosphäre trocken  Stratosphäre: bis 50 km, stabil, nicht turbulent, Ozon wichtig: absorbiert UV-Strahlung und wandelt dabei elektromagnetische Strahlung in Wärme um -> Temp. steigt mit Höhe Stratopause: ca. 50 km 
• Zusammensetzung Atmosphäre (Luft) Stickstoff (N2): 78,08 %  Sauerstoff (O2): 20,94 % Argon: 0,93 % Kohlenstoffdioxid (CO2): 0,04 % -> 407 ppm  Neon: 0,002 % -> Volumenanteil!! (nicht massenanteil)
• Treibhausgase Wasserdampf (H2O) -> wichtigstes Kohlenstoffdioxid (CO2) Methan (CH4) Ozon (O3) Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) Lachgas (N2O) Schwefelhexafluorid (SF6) -> stärkstes, aber extrem geringe konzentration  natürlich: H2O, CO2, CH4, N2O, O3
• IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change 
• ITC Innertropische Konvergenzzone
• genetische Klimaklassifikation Einteilung der Klimate nach Lage eines Ortes innerhalb der globalen Zirkulation -> Hauptkriterium ist die globale Windzirkulation
• effektive Klimaklassifikation Einteilung nach Vegetationsformen -> da gleiche Pflanzen nur unter gleichen klimatischen Bedingungen wachsen
• mathematische Klimaklassifikation Einteilung nach Breitenkreisen
• maritimes vs. kontinentales Klima maritim: ausgeglichenere Temperaturverhältnisse kontinental: größere Temperaturamplituten (Tag/Nacht, Sommer/Winter)  -> höhere spez. Wärmekapazität des Wassers (mehr Energie benötigt zur Erwärmung) -> Konvektion im Wasserkörper (Durchmischung -> Erwärmung mehrere Meter) -> Höherer Anteil latenter Wärme über dem Wasser (viel wasser verdampft -> Energie geht verloren) 
• • In welcher Hinsicht sind Aerosolpartikel von großer Bedeutung in der Atmosphäre?  Reflexion von Strahlungsenergie (Ausmaß der Albedo von Wolken) Niederschlagsbildung (Kondensationskeime) Gesundheitsrisiko
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• Inversionswetterlagen wenn warme trockene Luft in höheren Luftschichten über eine kalte schwere bodennahe Luftschicht strömt  -> stabile Sperrschicht (undruchdringliche Grenzschicht) -> Anreicherung von Luftschadstoffen  Rauchgase aus Heizungsanlagen und Autoabgase führen vor allem im Winter zu erhöhten Staub­konzentrationen in der Luft. Dieser Staub filtert Sonnenlicht und wird dabei gleichzeitig erwärmt. Tritt dann noch tagelang Windstille auf (Rauchfahnen steigen senkrecht auf), so bildet sich dadurch oberhalb der (Groß)Kamine eine warme stabile Luftschicht aus, die über dem durch Wärmeabstrahlung kalten Erdboden und dadurch über kalten Luftschichten liegen bleibt („Inversion“). Die Wärmeabstrahlung des Erdbodens erwärmt die staubhaltige warme Luftschicht weiter, gleichzeitig kann das im Winter schwächere Sonnenlicht, das zusätzlich gefiltert wird, den Erdboden und indirekt die bodennahen kalten Luftmassen nicht mehr ausreichend erwärmen. Dadurch bilden sich unten ein „Kaltluftsee“ und darüber eine „Dunstglocke“ aus, und die Luftmassen vermischen sich nur langsam. Autoabgase reichern sich dann in Bodennähe an und ergeben zusammen mit Bodennebel „dicke Luft“ (Smog).
• Voraussetzung tropische Wirbelstürme •minimale Reibung zwischen Atmosphäre und Oberfläche Bildung nur über Meeresoberflächen möglich •Temperatur der Wasseroberfläche > 26 °C  (ca.) bis in ca. 50 m Tiefe •Vorhandensein der Corioliskraft |φ|> 5° •günstige Strömungsbedingungen in der  Atmosphär
• Corioliskraft In einem rotierenden Bezugssystem, zum Beispiel auf einer sich drehenden Scheibe, kann festgestellt werden, dass sich ein Körper senkrecht zur Bewegungsrichtung abgelenkt wird.  Da die Coriolisbeschleunigung senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt, ändert sich nicht der Betrag der Geschwindigkeit, sondern deren Richtung. Nordhalbkugel: Bewegungen werden nach rechts abgelenkt Südhalbkugel: Bewegungen werden nach links abgelenkt Reibungsfreier Zustand: Bewegung parallel zu den Isobaren (Geostrophischer Wind)  Äquator: Corioliskraft nimmt zum Äquator hin ab, weil der Winkelabstand kleiner wird 
• Albedo ein Maß für das Rückstrahlvermögen (Reflexionsstrahlung) von diffus reflektierenden, also nicht selbst leuchtenden Oberflächen -> dimensionslos -> entspricht dem Verhältnis von rückgestrahltem zu einfallendem Licht (eine Albedo von 0,9 entspricht 90 % Rückstrahlung) -> helle Körper: vollständige Reflexion, keine Erwärmung  -> dunkle Körper: vollständige Absorption, starke Erwärmung  -> besonders bei Wasserflächen ist die Albedo abhängig vom Einfallswinkel  -> die planetare Albedo der Atmosphäre ist ca. 30%
• Wetter ist der augenblickliche Zustand der Atmosphäre an einem Ort, wie er durch die Klimaelemente (Strahlung, Temperatur, Luftfeuchte, Niederschlalg, Wind..) gekennzeichnet ist
• Witterung typischer Charakter des Wetterlaufs eines bestimmten Zeitraums (kann Tage bis Monate umfassen) 
• Klima Ist die Synthese des Wetters über einen Zeitraum, der lange genug ist, um dessen statistische Eigenschaften bestimmen zu können (30 Jahre i.d.R)
• Klimaelemente -Luft-Temperatur -Luftfeuchte -Luftdruck -Wind -Niederschlag -Strahlung -Konzentration von Spurenstoffe -Fühlbarer Wärmestrom -Latenter Wärmestrom -Albedo etc....
• Fühlbarer Wärmestrom thermische Energie, die sich bei Zu- oder Abfuhr unmittelbar in Zu- oder Abnahme der Temperatur äußert (Warme Luft wird durch Wind, Konvektion und Advektion transportiert) 
• latenter Wärmestrom Phasenübergangsenergie  -> Ein latenter Wärmestrom transportiert Wärme durch Wasserdampf. Dabei nimmt er Energie durch Verdunstung auf und setzt sie durch Kondensation frei
• Klimafaktoren sind Prozesse u. Umstände, die das Klima generieren, aufrechterhalten und verändern  - Astronomische Klimaf.: Tag-Nachtlänge, Sonnenfleckenaktivität, Neigung der Erdachse, Einfallwinkel d. Sonnenstrahlung -Geographische Klimaf.: Geographische Breite, Höhe über NN, Nähe zum Ozean, Verstädterung 
• Die Erde (in Zahlen) Mittlerer Radius: 6371 km Ozeanoberfläche: 71 % Neidung der Erdachse: 23,5 ° Mittl. Schwerebeschleunigung: 9,806 m/s Mittl. solare Einstrahlung: 342 W/m^2 Solarkonstante: 1370 W/m^2
• Perihel Sonnennächster Punkt der Erdumlaufbahn (2. Januar)
• Aphel Sonnenfernster Punkt der Erdumlaufbahn (2. Juni)
• Absorption solarer Strahlung Atmosphärische Gase absorbieren die solare Strahlung zum Teil -> Licht mit Wellenlängen <300nm können die Stratosphäre nicht durchdringen (wegen O3) 
• Natürlicher Treibhauseffekt Treibhausgase (H2O, CO2, O3, CH4, N2O) lassen kurzwellige Solarstrahlung weitgehend passieren (Ausnahme O3 in der Stratosphäre), absorbieren aber langwellige Wärmestrahlung der Erdoberfläche im Infrarotbereich (ab ca. 3mikrom)
• Treibhausgaswirksamkeit abhängig von 1. Emissionsrate (pro Zeiteinheit freigesetzte Gasmenge)  2. Spektroskopische Eigenschaften (Absorptionsbanden)  3. Verweilzeit in der Atmosphäre (abh. von Reaktivität) 
• GWP Global Warming Potential (Treibhauspotential)  gibt an, wei viel eine bestimmte Masse eines Treibhausgases im Vergleich zu CO2 zur globalen Erwärmung beiträgt -> Mittlere Erwärmungswirkung der Erdatmospähre über einen bestimmten Zeitraum (meist 100 Jahre)  -> CO2-Äquivalente 
• Thermische Zirkulation (Modell) 1. Die Luft über der warmen Fläche dehnt sich aus (geringere Dichte)  -> steigt auf (dort dann höherer Luftdruck)  2. Folge ist eine Druckausgleichsbewegung in der Höhe  -> von höherem zu niedrigerem Luftdruck  3. Luft kühlt ab  -> sinkt (dort dann höherer Luftdruck)  4. Druckausgleichsbewegungin Bodennähe 
• Geostrophischer Wind Zunächst überwiegt die Druckkraft, nach einigen Stunden stellt sich aber ein Gleichgewicht zw. Druckkraft und Corioliskraft ein  -> Wind strömt parallel zu den Isobaren  -> in der Atmosphäre oberhalb von 1000 m anzutreffen 
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• Wind wird in der Atmosphäre vor allem durch horizontale Druckgradientenangetrieben  die Windrichtung ist die Richtung, aus der der Wind kommt  angabe in m/s 
• Druckkraft ist die Ursache einer jeden Luftbewegung -> umso größer, je stärker in einem Gebiet das Druckgefälle
• Reibungskraft In Erdbodennähe wird der Wind durch Häuser, Hecken, Getreidefelder etc. abgebremst -> Reibungskraft steigt mit zunehmender Windstärke an 
• Hadley-Zelle Zirkulationsmuster innerhlab der Troposphäre zwischen dem subtropischen Hochdruckgürtel und dem Äquator
• Ferrel-Zelle Nicht selbst themrisch bedingt, sondern von Hadley-Zelle und Polarzele gesteuert -> Luft steigt in der Region der subpolaren Tiefdruckrinne (kalt) auf und im Bereich der Subtropen (Hochdruckgürtel, warm) ab 
• Walker-Zirkulation Windzirkulation über dem Ozean (am ausgeprägtesten über dem Pazifik)  - Östliche Passatwinde treiben warme Wassermassen nach Westen  - Im Osten (Küste Südamerika) strömt tiefes, kaltes Wasser nach  -> es entsteht eine thermische Zirkulation  - Im Westen (Südost-Asien, Australien) steigt warme, wasserreiche Luft auf (feuchtes, warmes Klima)  - Im Osten kommt abgekühlte, trocken Luft runter  -> kaltes, nährstoffreiches Wasser bringt sehr gute Bedingungen für Fischer in Südamerika
• El Nino Passatwinde deutlich weniger ausgeprägt (Um die Weihnachtszeit alle 4-6 Jahre)  -> warme Wassermengen bleiben im Westen  -> Walker-Zirkulation kehrt sich um  -Südamerika: warm und feucht, wenig Fische  -Südost-Asien und Australien: trocken 
• Ozean -bedecken ca 70 % der erdoberfläche -beinhalten ca 97 % des wassers -sind verantwortlich für ca 40% des wärmetransportes von den äquatorialen zu den polaren Breiten  -sind Speicher in vielen biogeochemischen Zyklen (zB CO2)  -durchschnittlicher Salzgehalt von 34,7% -pH: 8,1 -Gefrierpunkt: -2°C -Höchste Dichte bei -1,3°C 
• Ozean als Kohlenstoffspeicher -Versauerung des Ozeans durch CO2-Eintrag -> bereits pH-Absenkung von 0,1 hat große negative Folgen  -Ozean benötigt 700-900 Jahre um sich umzuwälzen  -> zu langsam für den schnellen CO2-Anstieg der Atmosphäre
• Wasser spielt in der Atmosphäre eine extrem wichtige Rolle, weil 1. es eine vitale Voraussetzung für das Leben darstellt 2. Wasserdampf ein bedeutendes natürliches Treibhausgas ist  3. Phasenübergange des H2O große Mengen an Energie umsetzen  4. Wasserdampf eine geringere Momasse und folglich (bei sonst gleichen Bedingungen) eine geringere Dichte hat als die trockenere Luft -> Auftrieb durch Wasserdampfbildung 
• relative Feuchte (rF) Das Verhältnisdes aktuellen Wasserdampfdrucks zum Sättigungsdampfdruck -> rF=e/e* e: Wasserdampfdruck (hpa) e*: Sättigungsdruck des Wassers (hpa) -> stark abhängig von der Temperatur -> direkt messbar, daher beliebtes Feuchtemaß  -> dimensionslos (meist in % angegeben) 
• Wasserdampfdruck = Partialdruck des Wasserdampfs   -> Partialdruck bezeichnet den Teildruck einer einzelnen Komponente oder Fraktion in einem (idealen) Gasgemisch. (Der Partialdruck entspricht dem Druck, den die einzelne Gaskomponente bei alleinigem Vorhandensein im betreffenden Volumen ausüben würde.) 
• Sättigungsdampfdruck ist der Druck, bei dem der gasförmige Aggregatzustand sich mit dem flüssigen oder festen Aggregatzustand im Gleichgewicht befindet. Der Sättigungsdampfdruck ist von der Temperatur abhängig -> temperaturabhängig  -> entspricht  der Phasengrenzlinie der gasförmigen Phase im Phasendiagramm
• Taupunkt-Temperatur Temperatur, auf die eine gegebene Luftmasse mit gegebener Feuchte abgekühlt werden muss, bis Kondensation eintritt  Am Taupunkt beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100 % und die Luft ist mit Wasserdampf (gerade) gesättigt. Je mehr Wasserdampf die Luft enthält, desto höher liegt deren Taupunkttemperatur. Der Taupunkt kann daher zur Bestimmung der absoluten Luftfeuchtigkeit dienen.   -> direkt messbar -> bestimmt die Höhe des Kondensationsniveaus in der Atmosphäre
• Virtuelle Temperatur (Tv) diejenige Temperatur, die trockene Luft bei konstantem Druck annehmen müsste, um dieselbe (geringere) Dichte zu haben wie die feuchte Luftmasse mit Temperatur T -> da Wasserdampf weniger dicht ist als trockene Luft, ist Tv >= T  -> virtuelle Temperatur ist ein Maß um mit feuchter Luft zu rechnen  -> trockene Luft muss aufgewärmt werden um dieselbe Dichte (geringere) zu haben als feuchte feuchte Luftmassen  -> Wasserdampf steigt auf (geringere Dichte) 
• Wolke Ist eine Ansammlung von (sehr feinen) Wassertröpfchen und/oder Eiskristallen in der Atmosphäre.  beinhaltet außerdem Rauch, Staub etc.  -> Entsteht bei der Kondensation von Wasserdampf und, weitergehend, Gefrieren  -> hat zum Teil sehr große Horizontal-und Vertikalausdehnung
• Wolkengattungen 1. Ausdehnung -> vorwiegend horizontal: Schichtwolke = stratus (st) -> vorwiegend vertikal: Haufenwolke = cumulus (cu) 2. Temperaturbereich   >-12°C Wasserwolken (tiefe Wolken) zwischen -12 und -35 °C Mischwolken aus Wasser und Eis (mittelhohe Wolken) = alto (a) <-35°C Eiswolken (hohe Wolken) = cirrus (ci) Besondere: Nimbostratus: mittleres und unteres Stockwerk (mäßig-starker Niederschlag) Cumulonimbus: alle Stockwerke (immer starker Niederschlag)
• ITC - Auswirkungen Durch die vertikal aufsteigenden feuchten Luftmassen kommt es zu starken Wolkenbildungen (Cumulonimbus), wolkenbruchartigen Schauern und Gewittern. Da die feuchte Luft mit ihrem hohen Gehalt an gasförmigem Wasserdampf beim Aufstieg in sehr große Höhen stark abkühlt, sinkt ihre Wasserdampfkapazität fortschreitend. Die relative Luftfeuchtigkeit nimmt dabei immer weiter zu. Wird der Taupunkt unterschritten, kommt es zur Kondensation. Dabei tritt Kondensationswärme aus, die den Aufstieg der Luftmassen noch zusätzlich beschleunigt. Die Kondensation des Wasserdampfs bringt aufgrund der Ausmaße der Konvektionsströmung enorme Mengen flüssigen Wassers hervor, was zu starken Regenfällen führt
• ITC Die ITC entsteht in den Tropen, wo der Zenitstand der Sonne zwischen dem nördlichen und dem südlichen Wendekreis wandert. Die Sonneneinstrahlung ist in den Tropen durch den steilen Einstrahlungswinkel generell sehr hoch. Dort wo die Sonne gerade im Zenit steht, ist die Einstrahlung jedoch am höchsten. Hier wird die Erdoberfläche bzw. Wasseroberfläche am stärksten erwärmt. Erwärmte Oberflächen geben die Energie als Strahlungswärme an die Luft ab. Dadurch dehnen sich die Luftmassen aus (Wärmeausdehnung), werden dabei leichter und steigen auf. Durch den vertikalen Aufstieg entsteht in Bodennähe ein "Sog", ein Gebiet mit geringerem "tieferem" Luftdruck. Daher spricht man von einem Hitzetief (T). Dort wo der Zenitstand sich gerade befindet, wird mit einer Zeitverzögerung von 3 bis 4 Wochen aufgrund der relativ stärksten Erwärmung ein ausgedehntes Hitzetief (i. w. S.) ausgebildet und zwar nahezu breitenkreisparallel um die ganze Erde herum. Das ist die äquatoriale Tiefdruckrinne, oberhalb derer man auf Satellitenbildern das Wolkenband der ITC erkennen kann. Die erwärmte Luft steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf (Konvektion). Aufgrund des mit zunehmender Höhe abnehmenden Luftdrucks dehnt sie sich hierbei adiabatisch aus und kühlt dabei ab. Mit der Unterschreitung der Taupunkttemperatur bilden sich infolge der dabei sinkenden Wasserdampfkapazität der Luft und der meist hohen Luftfeuchtigkeit hochreichende und massive Wolkenformationen. Stark ausgeprägte Zenitalniederschläge sind die Folge. Bei der Kondensation in der Höhe wird die eingespeicherte Wärmeenergie wieder freigesetzt, die der Luft unten bei der Verdunstung durch Strahlungswärme zugeführt wurde. Da beim Verdunstungsvorgang Wärmeenergie in die Veränderung des Aggregatzustandes investiert wird (siehe Verdunstungskälte) und die Luft sich deshalb nicht so stark erwärmt, wie sie sich ohne Aufnahme von Wasserdampf erwärmen würde, spricht man bei der in wasserdampfgesättigter Luft enthaltenen und mit dem Thermometer nicht messbaren Wärmeenergie von "latenter Wärme".
• Entstehung Monsun Jahreszeitliche Windrichtungsänderungen entstehen zunächst wegen der Verlagerung der innertropischen Konvergenzzone (intertropical convergence, ITC), einer Tiefdruckrinne, welche durch die Erwärmung und das Aufsteigen der Luft in der Nähe des Äquators entsteht. Durch den vergleichsweise niedrigen Druck der ITC wird Luft angezogen und es entstehen Winde, die Passate. Die innertropische Konvergenzzone folgt mit leichter Verzögerung der durch die Neigung der Erdachse hervorgerufenen Wanderung des Zenitstandes der Sonne zwischen den Wendekreisen. Dabei wird die ITC im Falle eines Monsunphänomens durch ein kontinentales Bodentief beeinflusst, welches man auch als Monsuntief bezeichnet und das durch die starke Erwärmung der über den Kontinenten befindlichen Luftmassen hervorgerufen wird. Grund für die stärkere Erwärmung der Luft über den Kontinenten sind die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Land- und Meeresoberflächen. Die Erwärmung, aber auch die Abkühlung der Landoberfläche erfolgt dabei etwa zwei- bis dreimal so schnell wie die der Wasseroberfläche.  

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