Umweltwissenschaften (Subject) / Kapitel 8 (Lesson)

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• Klima und Wetter (Definitionen) Wetter: Augenblicklicher Zustand der Atmosphäre oder eine Abfolge vonZuständen der Atmosphäre, die über einen bestimmten Zeitraum ablaufen. Die Verhältnisse in der Atmosphäre werden beschrieben durch Parameter, die Aussagen über ihren physikalischen Zustand treffen (z.B. Temperatur, Luftdruck, Niederschlag)   Klima: Der mittlere Zustand der Atmosphäre über einem bestimmten Gebiet und der für dieses Gebiet charakteristische (durchschnittliche) Ablauf des Wettergeschehens. Wegen der Schwankungen wird das Klima fürbestimmte Zeiträume, z.B. für die als Normalperiode angenommene Zeit von 1961 bis 1990 definiert.
• Das Klimasystem der Erde Verknüpfung zwischen Elementen: Land-Atmosphäre-Ozean-Biosphäre Rückkopplungen: z.B. höhere Temperaturen → neue Wolkenverteilung → neue Verteilung zwischen sonnigen/wolkigen Tagen → Temperaturänderung Offenes System: Angetrieben durch kontinuierlichen Eintrag von Solarstrahlung Die Energiebilanz der Erde bestimmt das Klimasystem
• Energiebilanz der Erde 2 Hauptakteure: Land und Ozean Fläche der Erde ≈ 510 x 1012 m2 Ozean ≈ 360 x 1012 m2 ( ≈ 70 %) Land ≈ 150 x 1012 m2 ( ≈ 30 %) Nördliche Hemisphäre: ≈ 50 % Landfläche Südliche  Hemisphäre: ≈ 25 % Landfläche   Wichtigste Aspekte der Energiebilanz 1. Wärmegewinn der Erde 2. Wärmeverteilung über der Erde (Zirkulation derAtmosphäre und Ozeane)
• Energiebilanz der Erde: Wärmegewinn Falls die Atmosphäre keine langwellige Strahlung von derErdoberfläche absorbiert, dann: Energieeintrag Sonnenstrahlung = abgestrahlte Energie→ Te = 255 K = - 180C Falls Treibhausgase in der Atmosphäre die abgestrahlte langwellige Strahlung absorbieren: Te = 288 K = 150C Die Treibhausgase spielen eine wichtige Rolle, um dieatmosphärische Temperatur im angemessenen Bereich fürLebewesen zu halten (natürlicher Treibhauseffekt). → Absorption der langwelligen Strahlung von Treibhausgasen spielt eine wichtige Rolle.
• Energiebilanz der Erde: Wärmeverteilung Wesentliche Faktoren Hauptfaktor, der die Zirkulation von Wärme in der Atmosphäre und im Ozean bestimmt sind Temperaturunterschiede in unterschiedlichen Breiten. Warum? Solarstrahlung ist geringer in höheren Breiten Die Intensität der langwelligen Abstrahlung unterscheidet sich zwischen Land und Ozean. Resultat, über ein Jahr: Äquator ≤ 35o Breite: netto Gewinn von Wärme Äquator > 35o Breite: netto Verlust von Wärme   Strahlungsungleichgewicht verursacht Wärmetransport von niederen in die hohen Breiten: Atmosphärische Zirkulationsmuster Latenter Wärmestrom (Wasserdampf → Niederschlag) Ozeanströmungen
• Hadley-Zelle Starke Erwärmung der Luft in Äquatornähe Warme, feuchte Luft steigt auf bis zur Tropopause und kühlt ab Entlang der Innertropischen Konvergenzzone (ITC) entsteht ein Tiefdruckgebiet; Ausgeprägte Niederschläge Trockene Luft bewegt sich nach Norden/Süden und sinkt ab Ausprägung einer Hochdruckzone (ca. 30o N, S) Luft fließt zurück zum Tiefdruckgebiet der ITC, der innertropischen Konvergenzzone (bedingt durch die dort aufeinander treffenden Passatwinde) Durch Coriolis-Kraft erfolgt Ablenkung nach Osten (N-O, S-O Passat)   Zusätzliche Information: Die Corioliskraft gehört zu den Schein- oder Trägheitskräften. Sie tritt in rotierenden Bezugssystemen zusätzlich zur Zentrifugalkraft auf, wenn eine Masse innerhalb des rotierenden Bezugssystems nicht ruht (also wenn sie nicht einfach nur „mitrotiert“), sondern sich relativ zum Bezugssystem bewegt. Luft und Wassermassen bewegen sich in einem rotierenden Bezugssystem.
• Ozeanzirkulation Einfaches Modell: 2 vertikale Schichten Obere Schicht ~ 3.5% des gesamten Volumens Untere Schicht ~ 96.5% des gesamten Volumens Vertikale Grenze in ~ 1 km Tiefe Strömungen der oberen Schicht → vom Wind angetrieben Strömungen der unteren Schicht → von Unterschieden in der Dichte desMeerwasser angetrieben. Dichte ist abhängig von Temperatur und Salzgehalt.
• Thermohaline Zirkulation (nördl. Hemisphäre) Oberflächenströmung nach Norden (getrieben durch Luftbewegung) Wärmetransport in nördliche Breiten Starke Abkühlung im Nordatlantik Eisbildung in der Arktis führt zur Zunahme des Salzgehalts Dichte des Wassers nimmt zu Wasser sinkt ab (Tiefenwasserbildung) Ausbildung einer Tiefenströmung nach Süden, getrieben durch Dichtegradienten Aufstieg von Wasser, das durch das neu gebildete Tiefenwasser verdrängt wird („upwelling“) in den tropischen Breiten
• Störung der Energiebilanz – der anthropogene Treibhauseffekt Das Klimasystem ist dynamisch   Natürliche Störungen, z.B. Solarstrahlung hat langfristige Zyklen Ozeanische und atmosphärische Zirkulation haben langfristige Zyklen   Anthropogene Störungen Änderung der Landbedeckung → geänderte Reflektion, veränderter Wärmefluss zwischen Land und Atmosphäre Energieproduktion und landwirtschaftliche Tätigkeiten → Emissionen → zunehmende Konzentration von Treibhausgasen
• Wichtige Treibhausgase Wichtigstes Treibhausgas Wasserdampf → Beeinflussung durch Temperaturänderung und Änderung der Landbedeckung Wichtig: Wirkung sehr schwer quantifizierbar (keine Werte bis dato)   Treibhausgase unter dem Kyoto Protokoll (Spurengase) Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFC) → Aluminiumproduktion Halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFC) → Kühlmittel, chemische Industrie Schwefelhexafluorid (SF6) → durch Hochspannungsleitungen Kohlendioxid (CO2) → Verbrennung fossiler Energieträger, Komplexer Kreislauf im Erdsystem (Kohlenstoffkreislauf) Methan (CH4) → Reisanbau, Viehhaltung, langlebig, wenige natürliche Senken vorhanden Di-Stickstoffoxid (Lachgas = N2O) → Applikation von Stickstoffdünger, nicht reaktiv mit anderen Substanzen → lange Verweilzeit in der Atmosphäre
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• Wichtige Konzepte zur Verknüpfung von Treibhausgasen und Klimawandel Radiative Forcing Änderung des netto Strahlungsflusses an der Tropopause durch die Störung der Konzentration eines Bestandteils der Atmosphäre (Gas oder Aerosol), wobei alle anderen Bestandteile konstant gelassen werden. Treibhauspotenzial (Global Warming Potential) Über die Zeit integrierte Änderung des „Radiative Forcings“ durch die Emission von 1 kg eines klimarelevanten Spurengases, ausgedrückt als Äquivalent zu einem 1 kg CO2.
• Warum ist Klimamodellierung so schwierig? Rückkopplungsmechanismen im Klimasystem Wasserdampf: Erwärmung der Ozeane und anderer Gewässer → Zunehmende Evaporation → Zunahme des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre. Schnee und Eis: Änderung der Ausdehnung → Änderung der Albedo (Schnee strahlt mehr zurück) → Änderungen der bodennahen Temperatur → Erweiterung der schmelzenden Bereiche Wolken: Änderung des Bewölkungsgrades → Änderung der Albedo der Atmosphäre → Änderung der Wärmeflüsse. Vegetationsänderung: Änderung in der Ausdehnung und im Charakter → Änderung CO2 Festlegung → Veränderung des CO2-Gehalts der Atmosphäre.
• Was bewirken die Rückkopplungen im Klimasystem? Verdopplung der CO2 Konzentration in der Atmosphäre Ohne Rückkopplung → 1.25 oC TemperaturerhöhungMit Wolken-Rückkopplung → 1.1 °C bis -1.8 oC (negative RK)Mit Schnee-Eis-Rückkopplung → ~ 1.5 oCMit Wasserdampf-Rückkopplung → 1.8 °C - 2.6 oC   Anmerkung: das Modell ist sehr einfach (bzgl. der einzelnen Temperaturanstiege), es liegt große Unsicherheit bzgl. des Wissens über Rückkopplungen vor.
• Mögliche Rückkopplung im Klimasystem: Zusammenbruch des Golfstroms Klimaerwärmung → Abschmelzen der arktischen Gletscher → Abnahme der Wasserdichte im Nordatlantik → Golf-Strom bricht zusammen → regionale Abkühlung (Ocean) Conveyor Belt (= globales Förderband, thermohaline Zirkulation): hervorgerufen durch Temperatur- und Salzunterschiede innerhalb der Weltmeere → kaltes, salzreiches Wasser fließt gen Süden, wird dort mit dem warmen Wasser vermischt und kommt als warmes Oberflächenwasser wieder gen Norden und sorgt für ein milderes Klima in Europa  

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