Einführung Meteorologie und Klimaphysik

1. Vorlesung im Wintersemester 2013/2014 Einführung Meteorologieund Klimaphysik Ulrich FoelscheInstitut für Physik, Bereich Geophysik, Astrophysik und Meteorologie (IGAM)Universität Grazund Wegener Zentrum für Klima und Globalen Wandel ulrich.foelsche@uni-graz.at http://www.uni-graz.at/~foelsche/

2. Meteo 01 Definition Meteorologie [griech. >Lehre von den Himmels-erscheinungen<] die, -, Teilgebiet der Geowissen-schaften, das die physikal. und chem. Erscheinungen ... (ab dann verlangt Brockhaus Geld) Vom griechischen meteōrologiā, „Diskussion der Er-scheinungen des Himmels“ (zu meteōron, „Phänomen am Himmel“ (Wikipedia). Eher: zu μετέωρος (meteoros), „in die Höhe gehoben, in der Luft schwebend, hoch über der Erde“. μετεωρολογία, „Lehre von den Erscheinungen am Himmel“ Die Meteorologie beschäftigt sich nicht mit Meteoren - im herkömmlichen Sinn (Bild: Leoniden Meteorschauer im Nov. 2002, Quelle: Juan Carlos Casado), wobei aber z.B. der Fachbegriff „Hydrometeore“ durchaus ver-wendet wird. Meteorologie ist die Physik der Atmosphäre

3. Meteo 02 Lehrbücher Helmut Kraus, Die Atmosphäre der Erde - Eine Einführung in die Meteorologie, Springer, Berlin, 3. Auflage, ISBN: 978-3-540-20656-9 (auch paperback) UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek Gösta H. Liljequist & Konrad Cehak, Allgemeine Meteorologie, Springer, Berlin, 3. Auflage ISBN: 3540415653 (nützliches deutsch-englisches Register) UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek Ludwig Bergmann & Clemens Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 7, Erde und Planeten, (Kapitel 3 – Meteorologie, Kapitel 4 – Klimatologie), de Gruyter, Berlin, ISBN: 978-3-11-016837-2 UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek C. Donald Ahrens, Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment, Brooks/Cole, 9. Ed., ISBN: 0495555746 (auch paperback) UB-Semesterhandapparat, IGAM-Bibliothek

4. Meteo 03 Das Klimasystem der Erde Hydrosphäre Kryosphäre Interaktionz.B. zwischen Atmo- u. Hydrosphäre Atmosphäre Ein Untersystemdes Klimaysystems Biosphäre Klima = mittlererZustand des Klimasystems Lithosphäre

5. Meteo 04 Momentaufnahme der Atmosphäre Mittelfristig würden wir gerne verstehen, warum es auf der Erde z.B. so aussieht Bildquelle: basierend auf NOAA Bildern

6. Meteo 05 Das Arbeitsgebiet (1) Aufbau der Atmosphäre Die Atmosphäre aus der Erdumlaufbahn. Bildquelle: NASA.

7. Meteo 06 Temperaturverlauf (grob) Die mittlere Temperaturänderung mit der Höhe wird verwendet, um die Atmosphärein Stockwerkeeinzuteilen. Das Wettergeschehen spielt sich fast ausschließlich in der Troposphäre ab. Hier nimmt die Temperatur i. A. mit der Höhe ab, und zwar (im Mittel) um 6.5°C pro 1000 m. Ausnahmen davon gibt es bei Inversionswetter, dann ist es im Tal kälter als weiter oben. Bildquelle: NOAA. Temperaturverlauf mit der Höhe Thermosphäre Mesosphäre Stratosphäre Troposphäre

8. Meteo 07 Temperaturverlauf Das sichtbare Licht ist Teil derelektromagnetischen Strahlung. Die Sonne sendet hauptsächlich sichtbares Licht aus, die Erde gibt hauptsächlich Infrarot-Strahlung ab. Bildquelle: Uni Regensburg.

9. Meteo 08 Temperaturverlauf mit der Höhe 1 Die Atmosphäre ist für den sichtbaren Teil der Sonnenstrahlung durchsichtig, aber nicht für die (unsichtbare) Infrarot-Strahlung. Die Troposphäre wird daher nicht durch die direkte Sonnenstrahlung erwärmt, sondern durch Wärmestrahlung vom Erdboden. Die Wärme wird durch Konvektion verteilt. Die Temperatur nimmt dadurch mit der Höhe ab (mit zunehmender Entfernung von der „Heizplatte“), im Mittel stellt sich dabei der feuchtadiabitische Temperaturgradient von 6.5 °C pro 1000 m ein (Details später). Die Temperaturabnahme mit der Höhe endet an der Tropopausein 13 ± 5 kmHöhe (~8 km in hohen Breiten, ~ 18 km in den Tropen). Übungsbeispiel 1: Wie dick wäre die Troposphäre (12 km) bei einem Globus mit einem Maßstab von 1 : 40 000 000? Antwort: 0.3 mm (Erddurchmesser: ~32 cm). Damit ist auch sofort klar, dass die Hauptströmungen in der Luft horizontal sein müssen.

10. Meteo 09 Temperaturverlauf mit der Höhe 2 In der Stratosphäre nimmt die Temperatur wieder zu, da hier Ozon-Moleküle Ultraviolett-Strahlung (UV) absorbieren. Dadurch erwärmt sich diese Atmosphärenschicht, und nur ein kleiner Teil der UV-Strahlung kommt bis zum Boden durch. Die Stratopause liegt in einer Höhe von 50 km (± 5 km). Die Stratosphäre existiert nur, weil es auf der Erde Leben gibt (und damit Sauerstoff). In der Mesosphäre nimmt die Temperatur wieder ab. An der Mesopausein 85 km (± 5 km) Höhe werden typischerweise die niedrigsten Temperaturen in der Atmosphäre erreicht (bis unter -100°C). Extreme UV-Strahlung und Röntgenstrahlung wird schon weiter oben vollständig absorbiert. Deshalb nimmt die Temperatur in der Thermosphäre wieder zu, um dann ab 400 km mit der Höhe konstant zu bleiben. Man spricht auch von der Exosphärentemperatur, sie schwankt stark zwischen Tag und Nacht, bei starker Sonnenaktivität kann sie bis zu 1700 °C erreichen (kinetische Temperatur).

11. Meteo 10 Stratosphäre Nur wenige kennen die Stratosphäre aus „direkter Anschauung“. Im August 1960 erlebte Joseph Kittinger das bei einem Fallschirmsprung aus einem Ballon aus etwa 31 000 m Höhe. Im (fast) freien Fall erreichte er fast 1000 km/h. Bildquelle: NG, USAF, Life.

12. Meteo 11 Stratosphäre Es dauerte bis 2012, bis diese Werte überboten wurden: Felix Baumgartner sprang aus fast 39 km Höhe ab, und erreichte mit 1358 km/h im freien Fall Überschallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit in Luft ist proportional zu (Details später). Bildquelle: AP, Reuters/Red Bull

13. Meteo 12 Einteilung nach der Zusammensetzung Der Begriff Exosphäre passt aber besser zu einer anderen Begrifflichkeit: Man kann die Atmosphäre auch nach der Zusammensetzung einteilen, dann ist die unterste Schicht die Homosphäre. Sie ist gut durchmischt (Konvektion), dadurch ist die Zusammensetzung und damit das mittlere Molekulargewicht konstant (28.965 g/mol). Das gilt bis zur Homopause bzw. Turbopause in ~100 km Höhe (hier beginnt nach manchen Definitionen der „Weltraum“). In der Heterosphäre darüber beginnen sich die Gase zu entmischen (Diffusion). In größeren Höhen werden leichtere Teilchen (kleines Molekulargewicht) relativ immer häufiger. Darüber hinaus wird die Dissoziation bedeutend, und damit z.B. atomarer Sauerstoff. Die Exosphäre beginnt bei der Exobase in etwa 700 km Höhe (abhängig von der Sonnenaktivität). Hier ist die Luftdichte so gering (bzw. die mittlere freie Weglänge so groß), dass Teilchen, die aufgrund ihrer Temperatur-bewegung die Fluchtgeschwindigkeit erreichen, entfliehen können.

14. Meteo 13 Einteilung nach der Zusammensetzung Die Höhe der Exobase wird auch oft mit 500 km an-gegeben (z.B. hier, Quelle: M. Salby) – der genaue Wert hängt insbesondere von der Sonnenaktivität ab (s.u.). Ist sie hoch, so dehnen sich die oberen Atmosphärenschichten aus, und die Dichte nimmt zu. In der Exosphäre gilt die Maxwell-Boltzmann Verteilungnicht mehr. Definition der Exobase: Mittlere freie Weglänge= örtliche Skalenhöhe

15. Meteo 14 Exosphäre Der Planet Merkur (Bild: Messenger-Sonde, NASA) hat keine Atmosphäre im eigentlichen Sinn, sondern nur eine Exosphäre.Die Exobase liegt also (formal) unter der Planetenober-fläche. Ganz ähnlich ist es beim Mond. Eine (dichte) Atmosphäre ist übrigens auch ein guter Schutz gegen (kleinere) Meteoriten-Treffer. Definition der Exobase: Mittlere freie Weglänge= örtliche Skalenhöhe

16. Meteo 15 Noch mehr Sphären Neben der Einteilung nach dem vertikalen Temperaturverlauf und nach der Zusammensetzung kann man die Atmosphäre auch nach den elektrischen Eigenschaften einteilen. Zusätzlich zu der Neutralgasatmosphäre, die wir bis jetzt kennengelernt haben, gibt es die Ionosphäre– hier ist ein wesentlicher Anteil der Luftteilchen (durch hoch-energetische Sonnenstrahlung) ionisiert, es treten daher Ionen und freie Elektronen auf. Die Ionosphäre der Erde ist im Wesentlichen in die Thermosphäre eingelagert (die beiden Begriffe können/sollen/dürfen aber auf keinen Fall gleichgesetzt werden). In der Ionosphäre können Ströme fließen, und sie beeinflusst die Ausbreitung von Radiowellen. In etwa 1000 km erfolgt der (fließende) Übergang zur Plasmasphäre, wo nun beinahe alle Teilchen ionisiert sind. In der Magnetosphäre wird die Bewegung der geladenen Teilchen durch das Magnetfeld der Erde bestimmt.

17. Meteo 16 Noch mehr Sphären Quelle: MPI Sonnensystemforschung Die Magnetosphäre wird durch den Sonnenwind verformt.