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Skript Physische Geographie 1:

Klimatologie: Allgemeines:   

Wetter: Gesamtzustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit Witterung: ein Ort Wetter über längeren Zeitraum (Tage bis Wochen) Klima: Mittlerer Zustand der Atmosphäre über längeren Zeitraum o Klassisch: 30-jährige Klimanormalperiode o Synoptisch: Abfolge von Witterungslagen o Dynamisch: Klima als Zustand von einem dynamischen System -> Änderung in diesem



Klimaelement: Physikalisch messbare Erscheinungen in der Atmosphäre (Strahlung, Wind, Luftdruck, Temperatur) Klimafaktoren: Klima beeinflussende Größe (Höhe, geographische Lage, Kontinentalität, Vegetation, Boden, Relief)



Räumliche Dimensionen:   

Makroklima: beschreibt die Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre und wird von großräumlichen Bewegungsvorgängen beeinflusst Mesoklima: von Gelände und Ausprägung der Erdoberfläche beeinflusst Mikroklima: „Klima der bodennahen Schicht“

Solarklima: Grundlagen:  Erdrotation (Drehung um die eigene Achse) -> Tag und Nacht  Erdrevolution = Erdbahn (elliptisch und nicht kreisförmig) und Neigung der Erdachse -> Jahreszeiten

 

„Solarkonstante“: senkrechter, durchschnittlicher Strahlungseinfall auf die Erde Formel: Milankovic Zyklen: kleine Änderung von Komponenten führen zu großen Klimaschwankungen durch Änderung der Strahlungsintensität o Exzentrizität: Schwankung zwischen mehr kreisförmig und elliptisch der Erdumlaufbahn in einem Zeitraum von 95000 Jahren o Obliquität: Neigung der Erdachse gegenüber der Umlaufbahn schwankt zwischen 22°02‘ und 24°30‘ innerhalb von 41 000 Jahren o Präzession: Richtungsänderung der Erdachse o Wendekreise bei 23,5° o Polargebiet beginnt bei 66,5° bis 90° o Polarkreis einmal im Jahr Polartag und Nacht o Pol halbes Jahr Polartag und Nacht

Wetter hohen Mittelbreiten: o 4 ausgeprägte Jahreszeiten, Hochsommer langen Tagen hoher Mittagssonne, Hochwinter kurze Tage niedrige Mittagssonne

Wetter niedrige Mittelbreiten: o

Kein Hochwinter, Winter lange Tage niedrige Mittagssonne, Sommer hohe Sonne lange Nacht

Aufbau der Atmosphäre: Aerosole: feste oder flüssige Teilchen in der Luft CO2 Anteil in den letzten 250 Jahren von 260ppm auf 400 ppm gestiegen

o

o o o o

Wetter findet in Troposphäre statt, Tropopause Jetstream darüber kein Einfluss auf Wetter Troposphäre von Boden/Erde gewärmt Stratosphäre wird von Sonne gewärmt Zwischen Sphären immer Pausen Ozonschicht = untere Stratosphäre

Strahlungs- und Energie Haushalt: Diffuse Reflexion (streuende Teilchen): Formel: Str: molekularer Streuungskoeffizient Lamda: Wellenlänge k: Proportonalitätskonstante Anm.: die diffuse Reflexion ist für den blauen Himmel, sowie Morgen-/Abendrot verantwortlich (da es blaue Lichtbestandteile filtert) Wichtig: zu beachten ist, ob die streuenden Teile >/< als Lamda sind

Reflexion: Einfallende Strahlung wird zurückgeworfen (keine Energieauf- abgabe) Absorption: Strahlungsaufnahme (Energiegewinn) Ausstrahlung: Aussenden von Strahlung, abhängig von Wärmezustand (Energieabgabe)

o

o

o

Globalstrahlung = direkte Sonnenstrahlung (S) + diffuse Himmelsstrahlung (H)

Absorptionsbanden = Wellenlängeintervalle in denen Gase auf sie treffende Strahlung absorbieren Gestreute und Reflektierte Strahlung = diffuse Strahlung

o

Unterschied zwischen EOF und Atmosphärenobergrenze, da zwischendrin Absorption und Reflexion

Globalstrahlung (gesamte Solarstrahlung die auf der Erdoberfläche auftritt) = direkte Sonneneinstrahlung S + diffusem Himmelslicht Globalstrahlung abhängig von Breitengrad und Wolkenbildung: an Äquator hohe Sonneneinstrahlung -> hohe Verdunstung -> viele Wolken weniger direkte Sonneneinstrahlung Ca. 50 % der Strahlung am Rand der Atmosphäre erreichen die EOF Albedo = Verhältnis von reflektierter zu einfallender Strahlung 30% Albedo: 30% wird reflektiert 70% absorbiert spezifische Wärme = Fähigkeit thermische Energie zu speichern (umso höher desto mehr Energie wird benötigt, um zu erhitzen) Wärmeleitfähigkeit = Ausbreitung von thermischer Energie innerhalb eines Stoffes (geringe Wärmeleitfähigkeit -> Wärme gelangt nicht in unter Schichten -> Oberfläche erhitzt sich stark)

Ausstrahlung: Stefan-Boltzmann-Gesetz: (Abgegebene Strahlung hängt exponentiell (4. Potenz) von der Temperatur ab)

Anm.: Emissionsvermögen: wie hoch die Albedo (Rückstrahlung) eines Körpers ist Sigma: für die Klausur unwichtige Konstante (unveränderlicher Wert) Ausstrahlung: Wien´sches Verschiebungsgesetz (Wellenlänge der Ausstrahlung und Temperatur ergeben immer einen konstanten Wert):

Anm.: Beispiele: Wenn doppelte Temperatur, dann kommt es zur Ausstrahlung auf nur noch halb so hoher Wellenlänge, 1/3 höhere Temperatur = 1/3 tiefere Wellenlängenabsorption, usw. Strahlungsbilanz der Erde:

Formel:

REOF: Reflexion der Strahlung von der Erdoberfläche RA: Reflexion an die Wolken (insgesamt etwa 30 % Reflexion) Ab So: Absorption der Sonnenenergie durch Spurengase, wie etwa Ozon (etwa 24 %) EEOF: Terrestrische Ausstrahlung (Erdausstrahlung = geht direkt ins Weltall) AbEEOF: Absorption durch bestimmte Spurengase (kommt später) EA: Ausstrahlung der absorbierten Energie in das Weltall GA: Gegenstrahlung der absorbierten Energie (durch erhöhten Treibhausgasanteil in der Atmosphäre verstärkt -> Klimawandel) W: sensible Wärmestrom (direkt spürbarer Temperaturunterschied): Aufheizung der Atmosphäre durch ausgestrahlte Wärme V: latenter Wärmestrom (Energiefluss durch Aggregatzustandsänderung, in Wasser gebunden): für Wasserverdunstung aufgewendete Energie

E – Ga = effektive terrestrische Ausstrahlung Energiebilanz nicht ausgeglichen –> Erwärmung oder Abkühlung

Bowen-Verhältnis: -

Formel:

F = sensible Wärme L = latente Wärme Beta = Bowen-Verhältnis -

Erklärung: Das Bowen-Verhältnis beschreibt das Verhältnis von sensibler Wärme zu latenter Wärme, also wie viel Wärme jeweils für Erwärmung und Verdunstung aufgewendet wurde und wie viel Wärme sich als Bewegung von Luftmolekülen (und damit höherer Raumtemperatur) äußert

Aggregatszustände:

Anthropogene Modifikationen des Strahlungs- und Energiehaushalts: o

o

o

Stratosphärischer Ozonabbau (durch FCKW, Halone u.a.) Auswirkungen auf: Absorption des Einfallenden Sonnenlichts durch Ozonabbau (dadurch Auswirkung auf die Erdstrahlung) Erhöhung der Aerosolkonzentration (z.B. Sulfat-Aerosole, …) Auswirkungen auf: Erhöhung der Reflexion der Atmosphäre, Erhöhung der Absorption von einkommender Einstrahlung, Veränderung der Einstrahlung (der diffusen und der direkten) (Abkühlung) Landnutzung des Menschen (z.B. Abholzung von Waldregionen, Landwirtschaftsnutzung durch künstliche Bewässerung, …) Auswirkung auf: Reflexion der Erdoberfläche, Ausstrahlung der Erdoberfläche, latenter Wärmestrom, sensibler Wärmestrom

o

o

Städtische Baukörper Auswirkungen auf: Reflexion und Emission der Erdoberfläche, latenter Wärmestrom, sensibler Wärmestrom, den Speicherterm Freisetzung strahlungswirksamer Spurengase Auswirkungen auf: Absorption durch Spurengase, Gegenstrahlung der absorbierten Energie

Treibhauseffekt: o o

o

o

infallende Strahlung (vorwiegend kurzwellige solare) gelangt zum großen Teil ungehindert bis an die Erdoberfläche Emittierte Strahlung von der Erdoberfläche (langwellige terrestrische Austrahlung) wird zum größten Teil von atmosphärischen Spurengasen absorbiert und gelangt in erheblichem Umfang als atmosphärische Gegenstrahlung wieder in den bodennahmen Bereich Treibhauseffekt lässt sich unterteilen in:  Natürlich bedingt  Anthropogen verstärkt Durch den Treibhauseffekt ist die Erde 30°C wärmer (Bisheriger anthropogener Treibhauseffekt: 0.7-1.01 °C)

Vertikale Luftmassenbewegungen: Begriffe: Lufttemperatur: Wärmezustand der Luft/Gesamtheit der molekularen Bewegungsenergie Gemessen in Kelvin oder °C (0 K = -273 °C) Hypsometrischer Temperaturgradient: Lufttemperaturabnahme mit der Höhe, durch stärkere Erwärmung der Atmosphäre nahe der Erdoberfläche (zwischen 0.5 und 0.8 °C pro 100m) Massenerhebungseffekt: Oberfläche von Bergen erhitzt sich somit Umgebungsluft trotz Hypsometrischen Temperaturgradient wärmer als ohne Gebirge

Luftdruck: o o

Kraft den eine Luftsäule in der Atmosphäre aufgrund ihres Gewichtes auf eine Fläche ausübt Gemessen in Hektopascal = hPa/ 1 hPa = 100 Pa = 100 N*m^-2 (Meeresniveau: 1013 hPA, circa 5,5 km Höhe 500 hPa) -> abnehmender Druck mit Höhe

Thermoisopletten-Diagramme: o o

Y-Achse Tageszeit X-Achse Jahreszeit

Barometrische Höhenformel:

Der Luftdruck nimmt in einer kalten Atmosphäre mit zunehmender Höhe schneller ab als in einer warmen Atmosphäre

Daraus ergibt sich bei gleichem Druck am Boden: Durch die Kaltluft in den höheren Schichten herrscht ein relativ tiefer Druck in Bodennähe vor (relativ, da mit zunehmender Höhe der Druck proportional abnimmt)  Höhentief (Ein in den höheren Luftschichten liegendes Tiefdruckgebiet) Durch die Warmluft herrscht in der Höhe ein relativ hoher Druck vor  Höhenhoch (äquivalent zum Höhentief)

Luftfeuchtigkeit: o

Anteil des Wasserdampfs am Luftgemisch (abhängig von Temperatur und vorhandenem Wasser)

o

Sättigungsdampfdruck = maximale Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf

Verdunstung: Verdunstung abhängig von: o

Verfügbarer Strahlungsenergie

o

Wassertemperatur

o

Lufttemperatur

o

Sättigungsdefizit

o

Windgeschwindigkeit

o

Erdoberflächenbeschaffenheit

o

Vertikalem Temperaturgradient (Wie sich Werte mit steigender Höhe verändern)

o

Vertikalem Dampfdruckgradient

Evaporation: Verdunstung auf freien Wasser/Land – Oberflächen Transpiration: Verdunstung über Spaltöffnungen der Blätter von Pflanzen Interzeptionsverdunstung: Verdunstung des auf Boden-, Pflanzen- und Oberflächen nach Niederschlägen, Tau bzw. Reifbildung gespeicherten Wassers

Definition: potentielle Evapotranspiration: Wasservolumen, das eine ganz oder teilweise mit Vegetation bedeckte, unter optimaler Wasser- und Nährstoffversorgung stehende Fläche bei ungehindertem Wassernachschub unter den gegebenen Randbedingungen pro Zeiteinheit maximal an die Atmosphäre abgegeben kann.

Vereinfachte Verdunstungsberechnung:

Adiabatischer Prozess: Volumenänderung eines Luftpakets ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung o Trockenadiabatisch: ohne Aggregatszustandsänderung o Feuchtadiabatisch: mit Aggregatszustandsänderung Es kommt zur: Vertikalen Aufwärtsbewegung:  Abkühlung der gehobenen Luft Gründe für vertikale Luftmassenbewegungen: o o o

Orographisch bedingt (Hindernis somit Aufstieg) Dynamische Turbulenz (Verwirbelung) Advektion (Aufgleitbewegung) unterschiedlich temperierter Luftmassen

o o

Geringere Dichte als Umgebungsluft Katabatischer Kaltluftabfluss (zu beobachten bei großen Eisflächen (z.B. auf Grönland, Antarktis)): hier handelt es sich um eine abfallende Vertikalbewegung Konvergenzen (horizontales Zusammenströmen verschiedener Luftmassen im Bereich von Tiefdruckgebieten) und Divergenzen (horizontales Auseinander-/Abströmen von Luftmassen im Übergangsbereich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten)

o

Labile Schichtung: o Temperaturgradient der Umgebungsluft nimmt mit Höhe stärker ab als der adiabatische Gradient Stabile Schichtung: o

Temperaturgradient der Umgebungsluft nimmt mit der Höhe schwächer ab als der adiabatische Gradient

Trockenadiabate (1°C/100m) Feuchtadiabate (0,5°C/100m) (schwächer da durch Kondensation Freisetzung von latenter Wärme) Extrem stabile Schichtung (Inversion: Im Tal Nebel und niedrigere Temperatur als darüber): o

Temperaturgradient der Umgebungsluft nimmt mit der Höhe zu

Inversionsarten: o

(Aus-)Strahlungsinversion: Durch Ausstrahlung und Wolkenarmut hervorgerufene Abkühlung auf Bodennähe, ohne Abkühlung höherer Atmosphärenschichten  oben ist wärmere Luft als unten)

o

Aufgleitinversionen: Wenn eine Warmluftmasse auf eine Kaltluftmasse aufgleitet (z.B. bei einer Zyklone)

o

Dynamische Absinkinversion: Das Absinken von Luftmassen, welche durch Kondensation einen Teil ihrer Energie verloren haben. (Bekanntestes Beispiel einer Absinkinversion ist die Passatinversion). Bei dieser Inversion wird so ein Aufsteigen von kälteren Luftmassen verhindert

Kondensationspunkt: Position in Druck Temperatur Ebene bei welcher Kondensation auftritt Kondensationsniveau: Höhe bei der Kondensation eintritt (Wolkenbasis)

Föhn: Luft wird von Gebirge (Luv) zum Aufstieg gezwungen, dabei Abkühlung trockenadiabatisch  Max. Luftfeuchte sinkt, aber absolute bleibt -> Wasser kondensiert am Kondensationsniveau und es bilden sich Wolken  Weiterer Aufstieg Feuchtadiabatisch, was zu Niederschlägen auf Luv Seite führt (Steigungsregen)  Am höchsten Punkt des Gebirges wieder Abstieg und Erwärmung zuerst feuchtadiabatisch  Relative Luftfeuchtigkeit unter 100% durch Erwärmung was zum Auflösen der Wolken führt  Wasser verdunstet wieder und trockenadiabatischer Abstieg  Die von der Lee Seite herunterströmende Luft wärmer („Föhn“, warm und trocken)

Zusammenfassung: Großräumige Luftbewegungen im bodennahen Luftdruckfeld:

-

Charakteristika in Hoch- und Tiefdruckgebieten:

Wolken: Definition: Ansammlung winziger, sichtbarer, schwebender Wasser- und Eisteilchen Wolkenklassifikationen: -

Nach Wolkenstockwerken (tiefes, mittleres, hohes Wolkenstockwerk) Höhenlage der Wolkenstockwerke in km:

-

Nach der physikalischen Zusammensetzung (Wasser-, Eis-, Mischwolken)

-

Nach der Genese (Entstehungsprozess): o

Konvektionswolken (Quellwolken)

o

Aufgleitwolken (Schichtwolken)

o

Ausstrahlungswolken (Nebel, Hochnebel)

Unter Berücksichtigung der Vertikalerstreckung:  Wolkengattungen Wolkengattungen:

-cumulus: Quellwolken (vorwiegend vertikale Erstreckung; auch „Haufenwolken“ genannt) -stratus: Schichtwolken (starke horizontale Erstreckung; Schicht und Quellwolken schließen sich nicht aus) Anm.: Cumulonimbus, Nimbostratus sind in den Mittelbreiten maßgeblich an der Niederschlagsbildung verantwortlich Wind: 

Geotriptischer Wind:



Geostrophischer Wind: o Wind in der Höhe, somit nicht von Reibung an Erdoberfläche beeinflusst o Isobarenparallel, wenn Coriolis und Gradientenkraft im Gleichgewicht

Horizontale Luftmassenbewegungen: Allgemeines: 

 

Luftdruckgradienten (Unterschiedlicher Druck an 2 Orten/ Hoch und Tief) lösen Wind aus (Ausgleichs Luftbewegungen)  System Erde strebt den Ausgleich an daher entstehen horizontale Winde, um die globalen Druckunterschiede auszugleichen Thermische Druckgebilde: durch stärkere solare Strahlung/starke Abkühlung von Luft Dynamische Druckgebilde: Geht zurück auf: Beschleunigungen und Abbremsungen in der Höhenströmung und dabei wirksame Massenträgheiten resultierende ageostrophische Massenverlagerungen Anm.: Massenträgheit: Körper passen sich nicht sofort an veränderte Außenbedingungen (Beschleunigung/Abbremsung) an

Divergenztheorie (Ryd-Scherhag):

C: Corioliskraft (Drehung der Erde, lenkt ab: Nord=rechts/ Süd=links) G: Gradientkraft (Ausgleichskraft zwischen Druckunterschieden)

Div: Divergenz Kon: Konvergenz

Anm.: Konvergenz: horizontales Zusammenströmen verschiedener Luftmassen im Bereich von Tiefdruckgebieten Divergenz: horizontales Auseinander-/Abströmen von Luftmassen im Übergangsbereich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten Divergenz in der Höhe erzeugt dynamisches Tief (Zyklone) Konvergenz in der Höhe erzeugt dynamisches Hoch (Antizyklone) Dynamische Druckgebiete sind Vertikal geneigt z.B. entsteht Bodentief an Trog-Vorderseite Strömungsdivergenz-/-konvergenz-Gebiete im Bereich des Strahlstrom-Maximums:

Q: relative Vorticity C: Corioliskraft

Darstellung der großräumigen Luftdruckverteilung:

Anm.: Die ungleiche Höhe der Stratosphäre resultiert aus den ungleichen Einstrahlungswinkeln und den daraus folgenden Unterschieden der Lufttemperatur Polarfront- Jetstream: Hochtroposphärische Starkwindzone aufgrund des verschärften Druckgefälles im Bereich der Polarfront.

Zirkulationsformen

1. Zonale Zirkulation: Kein wirksamer Austausch von Warm-/Kaltluft. 2. Gemischte Zirkulation: durch meridionale Gebirge (Rocky Mountains) kommt es zu einer Instabilität, die sich selbst verstärkt 3. Meridionale Zirkulation: Vordringen von polaren Kaltlufttrögen in Richtung Äquator 4. Zelluläre Zirkulation: Es kommt zu einem Cut-off-effect (Ausbildung von Zyklonen/Antizyklonen)

Ausbreitung von Rossby-Wellen in der Höhenströmung Anm.: Vorticity: Wirbelgröße Erhaltung der absoluten Vorticity:

Anm.: relative Vorticity: beschreibt horizontale Drehbewegungen und vertikale Rotationsachsen (positiv für zyklonale, negativ für antizyklonale Rotation, enthält einen Krümmungs- und einen Scherungsterm) Corioliskraft (f) und die relative Vorticity (rV) stehen in Wechselwirkung zueinander: rV nimmt zu  f nimmt ab f nimmt zu  rV nimmt ab

Zusammenfassung: Einfluss der Hoch-/Tiefdruckgebieten (Ergänzte Tabelle aus früheren Kapiteln (separative Klimatologie)):

Anm.: Einfluss der Konvergenz und Divergenz auf Hoch-/Tiefdruckgebiete: [Bei Tiefdruckgebieten strömen Luftmassen horizontal zusammen (Konvergenz); Wenn diese Tiefdruckgebiete auf Hochdruckgebiete treffen, kommt es im Übergangsbereich zu einem horizontalem Auseinander-/Abströmen von Luftmassen]

Überblick: Unterschiedliche Druckgebilde in verschiedenen Luftmassen (in Bodennähe)

Ausscheren von Druckgebieten aus der Westdrift

Anm.: dynamische Druckgebiete haben immer einen Durchmesser von mehreren 1000 km

Luftdruck- und Windgürtel der Erde:

Subpolare Tiefdruckzonen (Nord-/Südpol) sind zellulär aufgebaut, kein durchgängiges Gebiet gleichen Druckes. Jahreszeitliche Intensitätsschwankungen  stärkere Gradienten im jeweiligen Winter Jahreszeitliche Breitenverlagerungen  wesentlich ausgeprägter in kontinentalen als in maritimen Bereichen  Stetige und alternierende Klimate Anm.: aufgrund der Wärmespeicherkapazität des Meeres nur wenig ausgeprägte Breitenverlagerungen alternierend: „wechselnd/e“ Planetarische Asymmetrie  stärkere Gradienten (z.B. stärker ausgeprägte Windsysteme) auf der Südhalbkugel

Großräumiger Reliefeinfluss und das regionale Klima (am Beispiel der Rocky-Mountains/Europa) Rocky Mountains induzieren Rossby-Wellen  nordostamerikanischer Höhentrog (Ausbeulung des Jetstream nach Süden mit polarer Kaltluft in der Höhe) Anm.: Höhentrog:

Im Delta des Höhentrogs entstehen dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete  permanente Aktionszentren (z.B. Azoren-Hoch, Islandtief, …) Die Aktionszentren sind maßgeblich für die stromabwärtige Zirkulationsdynamik (v.a. auf der Nordhemisphäre)

Beispiele für dynamische Druckgebilde (verursacht durch den Ryd-Scherhag-Effekt): Azoren-Hoch, Island-Tief, Aiuten-Tief, Pazifik-Hoch Anm.: dynamische Druckgebiete: Durch vorherrschende Druckverhältnisse ausgebildete Druckgebiete Ryd-Scherhag-Effekt: Theorie zur Entstehung von Luftdruckänderungen im Bereich der planetarischen Frontalzone und des polaren Jet-Streams Beispiele für thermische Druckgebiete: Kanada-Hoch, R...