Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 1

Physikalische Klimatologie

httpkoeppen-geigervu-wienacat

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Klima in den Medien

GoogleKlima 41600000 Hits Climate 172000000 Hits rarr No 6 Deutsches Klimarechenzentrum (httpwwwdkrzde)

IPCCIntergovermental Panel on Climate Change (httpwwwipccch)IPCC Third Assessment Report (TAR) ndash Climate Change 2001 Fourth Assessment in 2007

SonstigesESPERE Das Klimainformationsprojekt fuumlr Schule und Bevoumllkerung vom MPI httpwwwatmospherempgdeenid05bbfa7db122a0e0f8c805b453783f300ServiceHome_ichtmlhttpmeteducareduindexhtmhttpwwwdeutsches-museumdedmzntklimahttpwwweinslivededaswortderserviceumweltklimawandelindexphtml (Interview M Kerschgens)

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Klima in den Medien

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IPCCIntergovermental Panel on Climate Change (httpwwwipccch)IPCC Third Assessment Report (TAR) ndash Climate Change 2001 Fourth Assessment in 2007

SonstigesESPERE Das Klimainformationsprojekt fuumlr Schule und Bevoumllkerung vom MPI httpwwwatmospherempgdeenid05bbfa7db122a0e0f8c805b453783f300ServiceHome_ichtmlhttpmeteducareduindexhtmhttpwwwdeutsches-museumdedmzntklimahttpwwweinslivededaswortderserviceumweltklimawandelindexphtml (Interview M Kerschgens)

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Physikalische Klimatologie

Anforderung an die moderne Klimatologie quantitative Abschaumltzungen und Extrapolationen

erfordert mathematisch-physikalische Behandlung und Beschreibung des Klimasystems

Ziel Verstaumlndnis der Zusammenhaumlnge des (vom Menschen ungestoumlrten) Klimasystems

erst dann koumlnnen aufgesetzte Stoumlrungen interpretiert und diskutiert werden

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Mann et al 2003

Globale Mitteltemperatur in der Vergangenheit

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IPCC 2001

Anthropogene Spurengasemissionen

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Kiehl J and K Trenberth 1997 Earthacutes annual global mean budget Bull Am Met Soc 78 197-208

Energiebilanz im Klimasystem

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IPCC 2001

Stand der Forschung

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IPCC 2001

Globale Mitteltemperatur

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Gliederung

Einfuumlhrung rarr Definition des Klimasystems

Datengrundlage- Messungen (direktindirekt)- Reanalysen (Modelle als Ergaumlnzung)

Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)gleichgewicht- Raumlumliche Verteilung 3D-Energietransporte bdquoWaumlrmemaschineldquo Klimasystem

Hydrologischer Zyklus- terrestrischerozeanischer Arm- Energietransporte im Ozean (thermohaline Zirkulation)

Natuumlrliche Klimavariabilitaumlt- Interne Variabilitaumlt (ENSO)- Externe Variabilitaumlt (Sonne Vulkane Erdbahnparameter)

Klimamodellierung- GCMEnsemble-VorhersageParametrisierung- IPCC Szenarien anthropogene Effekte

Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse

Atmo-sphaumlre Biosphaumlre

Litho-sphaumlre

Kryo-sphaumlre

Hydro-sphaumlre

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Peixoto J P und A H Oort 1992 Physics of Climate AIP Press 564 S euro 7485

Hartmann D L 1994Global Physical Climatology Academic Press 411 S euro 8050

K McGuffie 2005 A Climate Modelling PrimerJohn Wiley and Sons Ltd 3rd edition 288 S euro 5450

Cubasch U und D Kasang 2001Anthropogener Klimawandel Klett 128 S euro 1390

von Storch H S Guumlss und M Heimann 1999Das Klimasystem und seine Modellierung Springer Berlin 255 S euro 2995

Schoumlnwiese Ch-D 2003 Klimatologie UTB Stuttgart 2 Auflage 450 S euro 2990

von Houghton JT Y Ding DJ Griggs M Noguer PJ van der Linden X Dai K Maskell and CA Johnson (Eds) 2002 Climate Change 2001 The Scientific Basis Cambridge University Press Cambridge

Skript zur Vorlesung Klimatologie (SS9394) von Prof Andreas Hense an der Universitaumlt Bonn

Literatur

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Internet Vorlesungsfolien (pdf) zu erhalten nach der jeweiligen Sitzung auf

rarr Lehre rarr Veranstaltungen rarr Materialien zu den Uumlbungen und Vorlesungen

httpwwwmeteouni-koelndemeteophpshow=De_Le_Ve

password metvo

Organisatorisches

Fragen und Anregungen waumlhrend der Vorlesung oder auch Mi 11-12 Zimmer 218

Institut fuumlr Geophysik und Meteorologie Kerpener Str 13

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Mann et al 2003

Globale Mitteltemperatur in der Vergangenheit

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IPCC 2001

Anthropogene Spurengasemissionen

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Kiehl J and K Trenberth 1997 Earthacutes annual global mean budget Bull Am Met Soc 78 197-208

Energiebilanz im Klimasystem

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IPCC 2001

Stand der Forschung

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IPCC 2001

Globale Mitteltemperatur

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Einfuumlhrung rarr Definition des Klimasystems

Datengrundlage- Messungen (direktindirekt)- Reanalysen (Modelle als Ergaumlnzung)

Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)gleichgewicht- Raumlumliche Verteilung 3D-Energietransporte bdquoWaumlrmemaschineldquo Klimasystem

Hydrologischer Zyklus- terrestrischerozeanischer Arm- Energietransporte im Ozean (thermohaline Zirkulation)

Natuumlrliche Klimavariabilitaumlt- Interne Variabilitaumlt (ENSO)- Externe Variabilitaumlt (Sonne Vulkane Erdbahnparameter)

Klimamodellierung- GCMEnsemble-VorhersageParametrisierung- IPCC Szenarien anthropogene Effekte

Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse

Atmo-sphaumlre Biosphaumlre

Litho-sphaumlre

Kryo-sphaumlre

Hydro-sphaumlre

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K McGuffie 2005 A Climate Modelling PrimerJohn Wiley and Sons Ltd 3rd edition 288 S euro 5450

Cubasch U und D Kasang 2001Anthropogener Klimawandel Klett 128 S euro 1390

von Storch H S Guumlss und M Heimann 1999Das Klimasystem und seine Modellierung Springer Berlin 255 S euro 2995

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von Houghton JT Y Ding DJ Griggs M Noguer PJ van der Linden X Dai K Maskell and CA Johnson (Eds) 2002 Climate Change 2001 The Scientific Basis Cambridge University Press Cambridge

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Anthropogene Spurengasemissionen

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IPCC 2001

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Klimamodellierung- GCMEnsemble-VorhersageParametrisierung- IPCC Szenarien anthropogene Effekte

Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse

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Energiehaushalt der Erde- Strahlungs(konvektions)gleichgewicht- Raumlumliche Verteilung 3D-Energietransporte bdquoWaumlrmemaschineldquo Klimasystem

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Klimamodellierung- GCMEnsemble-VorhersageParametrisierung- IPCC Szenarien anthropogene Effekte

Globaler Wandel- Detektion des anthropogenen Einflusse

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Wortursprung griechisch = klino (bdquoich neigeldquo)

Klima als reiner Effekt des mittleren Sonnenstandes

gepraumlgt bzw verwendet von Parmenides (um 500 v Chr) Hippokrates (460-375 v Chr) und Aristoteles (384-322 v Chr) um die Bedeutung der Neigung der Erdachse gegen die Ebene der Erdumlaufbahn

daraus resultierende Abhaumlngigkeit des durchschnittlichen Wettergeschehens vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung

Ursprung Klimabegriff

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Klimatologie als Wissenschaft der Physik des globalen Oumlkosystems

Abgrenzung durch Grenzen des Massenaustauschs

Einteilung des Klimasystems in 5 Untersysteme

AtmosphaumlreHydrosphaumlreKryosphaumlreBiosphaumlre

Lithosphaumlre Unterteilung prinzipiell moumlglich fuumlr jedes beliebige Oumlkosystem evtl mit anderer Gewichtung

Definition des Klimasystems

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Unterteilung erfolgt auf Grund von

beteilgten Medien- Gase Wasser (fluumlssig amp fest) biologische Materialien Festkoumlrper

Zeitskalen- Zeiten typischer Aumlnderungen (problemangepasst)

Kopplungen zwischen den Systemen- bestimmte definierte Wechselwirkungen (WW)- Beschreibung der WW macht Klimatologie zur houmlchst interdisziplinaumlren Wissenschaft

Wissenschaftliche Modellierung- wird erleichtert aufgrund der Beschraumlnkung auf ein (oder mehrere) Untersysteme

Definition des Klimasystems

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Hauptsaumlchlich gasfoumlrmiges Subsystem

- N2 O2 Ar CO2 CH4 H2O

In der Minderheit (houmlchst-strahlungsrelevant) fluumlssige und feste Partikel

- Hydrometeore Aerosole

Bestimmt den Strahlungshaushalt der Erde durch starke elektromagnetische Wechselwirkung der solaren Strahlung mit atmosphaumlrischen Komponenten

Zeitskalen

- Troposhaumlre 1 ndash 10 d

- Stratospaumlre 100 d ndash 1 a

Masse M = 53 middot 1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Atmosphaumlre

C = cp M = 53 middot 1015 MJK

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umfasst fluumlssige Wasserphase des Klimasystemsrarr Ozeane Binnengewaumlsser (FluumlsseSeen) Grundwasser

enorme Bedeutung des Salzgehaltes der Weltmeererarr groszligraumlumige Ozeanstroumlmungen (Thermohaline Zirkulation)

WasserdampfquelleCO2-Senke fuumlr Atmosphaumlre

Zeitskalen

- Deckschicht (0 - ~250 m) 1 m ndash 1 a

- Tiefer Ozean gt 1000 a

bdquoklimawirksame (0-250 m) ldquo Ozeanmasse M = 87 1016 t

Waumlrmekapazitaumlt

Hydrosphaumlre

C = cOM = 365 middot 1016 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 17

Hydrosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 18

umfasst feste Wasserphase des Klimasystems

Meereisrarr Zeitskala 1 ndash 5 a

Gletschermassen (Gebirge) keine groszligen Klimaeffekte dafuumlr aber hervoragende Klimaindikatoren rarr Zeitskala 102 ndash 104 a

Landeismassen (AntarktisGroumlnland)rarr Zeitskala 104 ndash 106 a

Permafrostgebiete (KanadaSibirien)rarr Zeitskala ~103 a

Eis ist elastisch-plastisch verformbar

hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich

bdquoSchwarzkoumlrperldquo im terrestrischen Bereich

geringe Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Isolator)

Kryosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 21

Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 22

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 13

Klimatologie als Wissenschaft der Physik des globalen Oumlkosystems

Abgrenzung durch Grenzen des Massenaustauschs

Einteilung des Klimasystems in 5 Untersysteme

AtmosphaumlreHydrosphaumlreKryosphaumlreBiosphaumlre

Lithosphaumlre Unterteilung prinzipiell moumlglich fuumlr jedes beliebige Oumlkosystem evtl mit anderer Gewichtung

Definition des Klimasystems

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 14

Unterteilung erfolgt auf Grund von

beteilgten Medien- Gase Wasser (fluumlssig amp fest) biologische Materialien Festkoumlrper

Zeitskalen- Zeiten typischer Aumlnderungen (problemangepasst)

Kopplungen zwischen den Systemen- bestimmte definierte Wechselwirkungen (WW)- Beschreibung der WW macht Klimatologie zur houmlchst interdisziplinaumlren Wissenschaft

Wissenschaftliche Modellierung- wird erleichtert aufgrund der Beschraumlnkung auf ein (oder mehrere) Untersysteme

Definition des Klimasystems

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 15

Hauptsaumlchlich gasfoumlrmiges Subsystem

- N2 O2 Ar CO2 CH4 H2O

In der Minderheit (houmlchst-strahlungsrelevant) fluumlssige und feste Partikel

- Hydrometeore Aerosole

Bestimmt den Strahlungshaushalt der Erde durch starke elektromagnetische Wechselwirkung der solaren Strahlung mit atmosphaumlrischen Komponenten

Zeitskalen

- Troposhaumlre 1 ndash 10 d

- Stratospaumlre 100 d ndash 1 a

Masse M = 53 middot 1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Atmosphaumlre

C = cp M = 53 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 16

umfasst fluumlssige Wasserphase des Klimasystemsrarr Ozeane Binnengewaumlsser (FluumlsseSeen) Grundwasser

enorme Bedeutung des Salzgehaltes der Weltmeererarr groszligraumlumige Ozeanstroumlmungen (Thermohaline Zirkulation)

WasserdampfquelleCO2-Senke fuumlr Atmosphaumlre

Zeitskalen

- Deckschicht (0 - ~250 m) 1 m ndash 1 a

- Tiefer Ozean gt 1000 a

bdquoklimawirksame (0-250 m) ldquo Ozeanmasse M = 87 1016 t

Waumlrmekapazitaumlt

Hydrosphaumlre

C = cOM = 365 middot 1016 MJK

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Hydrosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 18

umfasst feste Wasserphase des Klimasystems

Meereisrarr Zeitskala 1 ndash 5 a

Gletschermassen (Gebirge) keine groszligen Klimaeffekte dafuumlr aber hervoragende Klimaindikatoren rarr Zeitskala 102 ndash 104 a

Landeismassen (AntarktisGroumlnland)rarr Zeitskala 104 ndash 106 a

Permafrostgebiete (KanadaSibirien)rarr Zeitskala ~103 a

Eis ist elastisch-plastisch verformbar

hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich

bdquoSchwarzkoumlrperldquo im terrestrischen Bereich

geringe Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Isolator)

Kryosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 21

Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 22

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 14

Unterteilung erfolgt auf Grund von

beteilgten Medien- Gase Wasser (fluumlssig amp fest) biologische Materialien Festkoumlrper

Zeitskalen- Zeiten typischer Aumlnderungen (problemangepasst)

Kopplungen zwischen den Systemen- bestimmte definierte Wechselwirkungen (WW)- Beschreibung der WW macht Klimatologie zur houmlchst interdisziplinaumlren Wissenschaft

Wissenschaftliche Modellierung- wird erleichtert aufgrund der Beschraumlnkung auf ein (oder mehrere) Untersysteme

Definition des Klimasystems

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 15

Hauptsaumlchlich gasfoumlrmiges Subsystem

- N2 O2 Ar CO2 CH4 H2O

In der Minderheit (houmlchst-strahlungsrelevant) fluumlssige und feste Partikel

- Hydrometeore Aerosole

Bestimmt den Strahlungshaushalt der Erde durch starke elektromagnetische Wechselwirkung der solaren Strahlung mit atmosphaumlrischen Komponenten

Zeitskalen

- Troposhaumlre 1 ndash 10 d

- Stratospaumlre 100 d ndash 1 a

Masse M = 53 middot 1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Atmosphaumlre

C = cp M = 53 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 16

umfasst fluumlssige Wasserphase des Klimasystemsrarr Ozeane Binnengewaumlsser (FluumlsseSeen) Grundwasser

enorme Bedeutung des Salzgehaltes der Weltmeererarr groszligraumlumige Ozeanstroumlmungen (Thermohaline Zirkulation)

WasserdampfquelleCO2-Senke fuumlr Atmosphaumlre

Zeitskalen

- Deckschicht (0 - ~250 m) 1 m ndash 1 a

- Tiefer Ozean gt 1000 a

bdquoklimawirksame (0-250 m) ldquo Ozeanmasse M = 87 1016 t

Waumlrmekapazitaumlt

Hydrosphaumlre

C = cOM = 365 middot 1016 MJK

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Hydrosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 18

umfasst feste Wasserphase des Klimasystems

Meereisrarr Zeitskala 1 ndash 5 a

Gletschermassen (Gebirge) keine groszligen Klimaeffekte dafuumlr aber hervoragende Klimaindikatoren rarr Zeitskala 102 ndash 104 a

Landeismassen (AntarktisGroumlnland)rarr Zeitskala 104 ndash 106 a

Permafrostgebiete (KanadaSibirien)rarr Zeitskala ~103 a

Eis ist elastisch-plastisch verformbar

hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich

bdquoSchwarzkoumlrperldquo im terrestrischen Bereich

geringe Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Isolator)

Kryosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 21

Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 22

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 15

Hauptsaumlchlich gasfoumlrmiges Subsystem

- N2 O2 Ar CO2 CH4 H2O

In der Minderheit (houmlchst-strahlungsrelevant) fluumlssige und feste Partikel

- Hydrometeore Aerosole

Bestimmt den Strahlungshaushalt der Erde durch starke elektromagnetische Wechselwirkung der solaren Strahlung mit atmosphaumlrischen Komponenten

Zeitskalen

- Troposhaumlre 1 ndash 10 d

- Stratospaumlre 100 d ndash 1 a

Masse M = 53 middot 1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Atmosphaumlre

C = cp M = 53 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 16

umfasst fluumlssige Wasserphase des Klimasystemsrarr Ozeane Binnengewaumlsser (FluumlsseSeen) Grundwasser

enorme Bedeutung des Salzgehaltes der Weltmeererarr groszligraumlumige Ozeanstroumlmungen (Thermohaline Zirkulation)

WasserdampfquelleCO2-Senke fuumlr Atmosphaumlre

Zeitskalen

- Deckschicht (0 - ~250 m) 1 m ndash 1 a

- Tiefer Ozean gt 1000 a

bdquoklimawirksame (0-250 m) ldquo Ozeanmasse M = 87 1016 t

Waumlrmekapazitaumlt

Hydrosphaumlre

C = cOM = 365 middot 1016 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 17

Hydrosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 18

umfasst feste Wasserphase des Klimasystems

Meereisrarr Zeitskala 1 ndash 5 a

Gletschermassen (Gebirge) keine groszligen Klimaeffekte dafuumlr aber hervoragende Klimaindikatoren rarr Zeitskala 102 ndash 104 a

Landeismassen (AntarktisGroumlnland)rarr Zeitskala 104 ndash 106 a

Permafrostgebiete (KanadaSibirien)rarr Zeitskala ~103 a

Eis ist elastisch-plastisch verformbar

hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich

bdquoSchwarzkoumlrperldquo im terrestrischen Bereich

geringe Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Isolator)

Kryosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 21

Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

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Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 16

umfasst fluumlssige Wasserphase des Klimasystemsrarr Ozeane Binnengewaumlsser (FluumlsseSeen) Grundwasser

enorme Bedeutung des Salzgehaltes der Weltmeererarr groszligraumlumige Ozeanstroumlmungen (Thermohaline Zirkulation)

WasserdampfquelleCO2-Senke fuumlr Atmosphaumlre

Zeitskalen

- Deckschicht (0 - ~250 m) 1 m ndash 1 a

- Tiefer Ozean gt 1000 a

bdquoklimawirksame (0-250 m) ldquo Ozeanmasse M = 87 1016 t

Waumlrmekapazitaumlt

Hydrosphaumlre

C = cOM = 365 middot 1016 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 17

Hydrosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 18

umfasst feste Wasserphase des Klimasystems

Meereisrarr Zeitskala 1 ndash 5 a

Gletschermassen (Gebirge) keine groszligen Klimaeffekte dafuumlr aber hervoragende Klimaindikatoren rarr Zeitskala 102 ndash 104 a

Landeismassen (AntarktisGroumlnland)rarr Zeitskala 104 ndash 106 a

Permafrostgebiete (KanadaSibirien)rarr Zeitskala ~103 a

Eis ist elastisch-plastisch verformbar

hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich

bdquoSchwarzkoumlrperldquo im terrestrischen Bereich

geringe Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Isolator)

Kryosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 21

Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 22

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 17

Hydrosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 18

umfasst feste Wasserphase des Klimasystems

Meereisrarr Zeitskala 1 ndash 5 a

Gletschermassen (Gebirge) keine groszligen Klimaeffekte dafuumlr aber hervoragende Klimaindikatoren rarr Zeitskala 102 ndash 104 a

Landeismassen (AntarktisGroumlnland)rarr Zeitskala 104 ndash 106 a

Permafrostgebiete (KanadaSibirien)rarr Zeitskala ~103 a

Eis ist elastisch-plastisch verformbar

hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich

bdquoSchwarzkoumlrperldquo im terrestrischen Bereich

geringe Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Isolator)

Kryosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 21

Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 22

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 18

umfasst feste Wasserphase des Klimasystems

Meereisrarr Zeitskala 1 ndash 5 a

Gletschermassen (Gebirge) keine groszligen Klimaeffekte dafuumlr aber hervoragende Klimaindikatoren rarr Zeitskala 102 ndash 104 a

Landeismassen (AntarktisGroumlnland)rarr Zeitskala 104 ndash 106 a

Permafrostgebiete (KanadaSibirien)rarr Zeitskala ~103 a

Eis ist elastisch-plastisch verformbar

hohe Albedo von Eis und Schnee im solaren Bereich

bdquoSchwarzkoumlrperldquo im terrestrischen Bereich

geringe Waumlrmeleitfaumlhigkeit (Isolator)

Kryosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 21

Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

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Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 19

physikalischmathematisch komplexestes Subsystem

wichtiger Faktor im CO2-Haushalt der Atmosphaumlre

Quelle fuumlr andere Spuren-gase (z B CH4 Methylsulfid)

Einfluss auf den Energie-haushalt uumlber die Albedo der Erdoberflaumlche

Einfluss auf den Wasserkreislauf vor allem uumlber uumlber Verdunstung

Zeitskalen- Wechsel der Blattmasse ~1 a - Ein-Auswanderung von Populationen ~100 a

pflanzlicher Teil von hoher Bedeutung fuumlr das Klimasystem- terrestrischer Pflanzenbewuchs- ozeanische Anteil (Phytoplankton)

Biosphaumlre

Physikalische Klimatologie Susanne Crewell WS 20062007 19 Januar 2006 20

Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

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Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

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Effiziente Energieumsatzflaumlche durch Absorption solarer Strahlung (Albedo relativ gering)

Energietransport im Boden durch Waumlrmeleitung

Lithosphaumlre als groumlszligter Speicher im Kohlenstoffkreislauf

Houmlhe beeinflusst Klima

Gebirge als Barrieren in der atmosphaumlrischen Zirkulation

Zeitskalen- erste Meter 10 d ndash 1 a- tiefes Grundwasser ~104 a- Erosion ~105 a

bdquoklimarelevanteldquo Masse M = 3 middot1015 t

Waumlrmekapazitaumlt

Lithosphaumlre

C = cbM = 24 middot 1015 MJK

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Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

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Waumlrmekapazitaumlt Atmosphaumlre ndash Ozean - Land

bezuumlglich Energieumsetzungen besitzt der Ozean die groumlszligte Traumlgheit

35 m des Ozeans entsprechen der Waumlrmekapazitaumlt der gesamten Atmosphaumlre

AtmosphaumlreOzean

Deckschicht200m

Land

Deckschicht10m

VerhaumlltnisAOL

Masse[kg]

53middot1018 73middot1019 30middot1018 1 14 06

Waumlrmekapazitaumlt[MJK]

(Energie pro T)53 middot1015 30 middot1017 24middot1015 1 57 045

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