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Veränderungen in der Atmosphäre
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Die möglichen Änderungen in der Atmosphäre sind unterschiedlich und reichen von Änderungen in der Art der Bewölkung, die die atmosphärische Albedo beeinflusst, bis zu Änderungen in der Bedeckung. Im sichtbaren Bereich ist dies in erster Linie die Bildung von mehr Wolken oder deren Verdunstung. Im Infrarotbereich, der insbesondere mit Treibhausgasen verbunden ist, variiert die Infrarotabdeckung.
ID:(576, 0)
Sichtbare Abdeckung (Wolken)
Beschreibung
Im Durchschnitt bedecken Wolken mehr als 40% der Erdoberfläche:
Da sie sichtbar sind, reflektieren Wolken Licht, was zu sichtbarer Strahlung führt und mit dem atmosphärischen Albedo zusammenhängt.
ID:(3071, 0)
Atmosphärische Albedos nach Wolkentyp
Beschreibung
Las principales nubes y los rangos de altura y albedo se indican en la siguiente tabla:
Cumulus (Cu) 11.49% | Stratocumulus (Sc) 12.07% | Stratus (St) 1.76% | |
| Grosor optico | 0.0-3.6 | 3.6-23 | 23-379 |
ID:(7532, 0)
Schätzung der Variation der Albedo der Atmosphäre
Gleichung
Um das zukünftige Albedo der Atmosphäre $a_a$ abzuschätzen, wird das aktuelle Albedo um die Variation $\delta a_a$ erhöht:
 $ a_{at} = a_a + \delta a_a $ |
ID:(7483, 0)
Suma de Superficies de Nubes
Gleichung
Las superficies total de las nubes $S_i$ se obtiene de las suma de las superficies individuales
$S_c=\sum_iS_i$
ID:(7500, 0)
Calculo del Albedo atmosférico
Gleichung
También aquí el albedo total es la suma ponderada de los albedos de las distintas zonas de la superficie según el tipo de nubosidad que exista. Por ello se tiene que
$a_a =\displaystyle\frac{\sum_is_ia_{a,i}}{\sum_is_i}$
ID:(7439, 0)
Variación de la Superficie de Nubes
Gleichung
La variación de la superficies total de las nubes debe ser nula si la superficie se conserva:
$\sum_i\delta S_{e,i}=0$
ID:(7502, 0)
Calculo del cambio del Albedo atmosférico
Gleichung
También aquí el albedo total es la suma ponderada de los albedos de las distintas zonas de la superficie según el tipo de nubosidad que exista. Por ello se tiene que
aa =
P
Pi siaa;i
i si
y en forma análoga la variación del albedo es
aa =
P
Pi siaa;i
i si
ID:(7322, 0)
Variationen Koverage
Gleichung
Ebenso sollten auch die Variationen der Abdeckungsfaktoren $\gamma_v$ berücksichtigt werden:
| $\gamma_{vt}=\gamma_v + \delta \gamma_v$ |
Die Veränderung kann auf Variationen in Wasserdampf und somit auf die Bewölkung zurückzuführen sein. Daher kann sich die Menge und Verteilung der Wolken in der Atmosphäre ändern, was die Menge an Sonnenstrahlung beeinflusst, die die Erdoberfläche erreicht. Ein höherer sichtbarer Abdeckungsfaktor weist auf eine größere Anwesenheit von Wolken hin, was die Menge an direkter Sonnenstrahlung reduzieren und den Energiehaushalt der Erde beeinflussen kann.
Die sichtbare Bewölkung spielt eine wichtige Rolle im Klimasystem, indem sie die Wärmeverteilung und die Bildung von Niederschlag beeinflusst. Durch Berücksichtigung dieser Variationen in den Abdeckungsfaktoren können wir ein umfassenderes Verständnis dafür gewinnen, wie Sonnenstrahlung mit der Atmosphäre und der Erdoberfläche interagiert und wie sie das Klima und die Wettermuster beeinflusst.
ID:(89, 0)
Sichtbare Abdeckungsschätzung
Gleichung
Die sichtbare Abdeckung wird weitgehend durch das Verhältnis zwischen der von Wolken bedeckten Fläche $S_c$ und der Gesamtfläche des Planeten $S_t$ bestimmt:
| $ \gamma_v =\displaystyle\frac{ S_c }{ S_t }$ |
was auf der Erde etwa 42% beträgt.
ID:(7601, 0)
Schätzung der sichtbaren Abdeckungsvariation
Gleichung
Um die Variation der sichtbaren Abdeckung abzuschätzen, kann in einer ersten Näherung eine lineare Beziehung zur Variation der Wassermoleküle in der Atmosphäre aufgrund der Temperaturerhöhung angenommen werden:
| $ \delta\gamma_v = c_v \displaystyle\frac{ \delta c }{ c }$ |
ID:(7589, 0)
Strahlungsabsorption durch die Atmosphäre
Video
Auf molekularer Ebene können Moleküle mit Frequenzen schwingen, die von ihrer Geometrie abhängen. Das bedeutet, dass wenn Strahlung durch ein Gas von Molekülen hindurchtritt und ihre Frequenz mit einer der natürlichen Schwingungsfrequenzen der Moleküle übereinstimmt, wird sie vom Gas absorbiert. Dadurch wird ein Teil der Strahlung, die durch die Atmosphäre gelangt, zurückgehalten, was zu der beobachteten Absorption in Klimamodellen führt.
Im Folgenden wird ein historisches Video (aus dem Jahr 1960) gezeigt, das veranschaulicht, wie Moleküle je nach ihrer Geometrie schwingen:
Beschreibung des Videos auf YouTube:
Die Chemische Bildungsstudie, besser bekannt als CHEM-Studie, wurde in den frühen 1960er Jahren an der Fakultät für Chemie der UC Berkeley, dem Lawrence Hall of Science und dem Harvey Mudd College entwickelt und lief bis in die 1980er Jahre am Lawrence Hall of Science weiter. Das Lehrbuch wurde Anfang der 1960er Jahre von Glenn T. Seaborg geschrieben.
ID:(7330, 0)
Wie Treibhausgase wirken
Bild
Die Atmosphäre enthält verschiedene Gase, die die durch sie hindurchgehende Strahlung absorbieren können. Im sichtbaren Bereich ist es hauptsächlich Wasserdampf, und im Infrarotbereich sind es Kohlendioxid ($CO_2$), Methan ($CH_4$) und Distickstoffoxid ($N_2O$).
Dies kann grafisch durch Spektren dargestellt werden. Die gelbe Linie repräsentiert das Spektrum, wie es emittiert wird: oben durch die Sonne (sichtbar) und durch die Erde (infrarot). Die rote Linie zeigt, was vom Spektrum übrig bleibt, nachdem es die Atmosphäre durchquert hat. Dabei werden die Frequenzen, die aufgrund der Absorption nicht hindurchdringen können, deutlich sichtbar:
ID:(10844, 0)
Variationen der Infrarot-Abdeckung (NIR)
Gleichung
Ebenso sollten auch die Variationen der Infrarot-Abdeckungsfaktoren $\gamma_i$ berücksichtigt werden:
| $\gamma_{it}=\gamma_i + \delta \gamma_i$ |
Die Variation der Infrarot-Abdeckung hängt hauptsächlich von den Veränderungen der Treibhausgase und des Wasserdampfs ab, die durch Umweltschwankungen verursacht werden. Diese Veränderungen können sowohl auf natürliche klimatische Schwankungen als auch auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen sein.
Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) haben die Fähigkeit, Infrarotstrahlung zu absorbieren und abzugeben, was zum Treibhauseffekt und zur globalen Erwärmung beiträgt. Menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Abholzung können die Konzentration dieser Gase in der Atmosphäre erhöhen und somit die Infrarot-Abdeckung beeinflussen.
Es ist wichtig, diese Variationen in den Infrarot-Abdeckungsfaktoren zu studieren und zu verstehen, um ihre Auswirkungen auf das Klima und den Energiehaushalt der Erde zu bewerten. Dies ermöglicht es uns, geeignete Maßnahmen zur Minderung der Auswirkungen des Klimawandels zu ergreifen und nachhaltige Praktiken zu fördern.
ID:(7533, 0)
Variation des Infrarot-Abdeckungsfaktors
Gleichung
Die Variation des Infrarot-Abdeckungsfaktors (IR) ist mit der Variation der Treibhausgase verbunden. Diese werden in Teilen pro Million $ppm$ und Teilen pro Milliarde $ppb$ gemessen und lassen sich aus der Dichte des Gases $\rho$ in der Luft berechnen:
$ppmv =\displaystyle\frac{Gas}{10^6 Luft}=\displaystyle\frac{V_n}{M_g}\displaystyle\frac{10^{-6}g,Gas}{l,Luft}$
und
$ppbv =\displaystyle\frac{Gas}{10^9 Luft}=\displaystyle\frac{V_n}{M_g}\displaystyle\frac{10^{-9}g,Gas}{l,Luft}$
Dabei ist $M_g$ die molare Masse des Gases und $V_n$ das Volumen unter Normalbedingungen (Temperatur $0^{\circ}C$, Druck $10^5,Pa$, was $22.71108,l$ entspricht).
Als Beispiel betrachten wir den aktuellen $CO_2$-Gehalt (molare Masse $44.0 g/mol$l). Eine Konzentration von $379 ppmv$ (2005) entspricht $0.736 g/l CO_2$. Um die Menge an $CO_2$ in der Atmosphäre zu bestimmen, müssen wir wissen, wie viele Liter Luft vorhanden sind. Da die Luftschicht in der Theorie unendlich ist (obwohl sie immer stärker verdünnt wird, aber dennoch vorhanden ist), haben wir ein Problem bei der Definition der Höhe der Luftschicht. Wenn wir jedoch das barometrische Gesetz berücksichtigen, wonach der Druck gemäß
$p(z) = p_0 e^{M_agz/RT}$
abnimmt, erhalten wir analog dazu für die Dichte
$\rho(z) = \rho_0 e^{M_ag z/RT}$
Wenn man diese Gleichung nach z integriert, stellt man fest, dass die Menge so ist, als ob die gesamte Luft sich in einer Schicht mit einer Dichte der Oberfläche in einer Höhe von
$z_0 =\displaystyle\frac{RT}{M_ag}= 8001.78m$
bei Nullgrad Celsius konzentriert wäre. Mit anderen Worten kann das Gesamtvolumen an $CO_2$ in der Atmosphäre durch die geschätzte Dichte berechnet werden, indem man sie mit dem Volumen einer Schicht von $8001.78 m$ Höhe multipliziert, die sich über den gesamten Planeten erstreckt. Wenn man einen Erdradius von $6370 km$ annimmt und eine Dichte von $0.736e-3,g/l$ hat, ergibt sich für die Schicht mit einer Höhe von $8001.78 m$ eine $CO_2$-Masse von 3000 Gt $CO_2$.
Da die molare Masse von Kohlenstoff $12 g/mol$ beträgt und die von $CO_2$ $44.1 g/mol$, beträgt die Masse des Kohlenstoffs in der Atmosphäre $3000\cdot 14/44.1$, was $817 Gt C$ ergibt. Die Beziehung zwischen Konzentration und Strahlungsantrieb kann aus der Tabelle auf der nächsten Seite abgeleitet werden. Die verfügbaren Informationen zu den Szenarien geben die Menge an Gasen an, die jährlich zur Atmosphäre hinzugefügt werden. Im Allgemeinen steht der Strahlungsantrieb FR in Beziehung zur Variation der Temperatur in der Atmosphäre gemäß:
$\Delta T = \delta T_b - \delta T_t$
ist
| $ \Delta T = \lambda FR $ |
wo $\lambda$ die Klimasensitivität ist, die $0.8 Km^2/W$ entspricht. Im Fall von $CO_2$ können wir den Anstieg um $13 ppm$ und den Strahlungsantrieb von $1.66 W/m^2$ betrachten.
ID:(7323, 0)
Variationsschätzung der gesamten Infrarotabdeckung (NIR)
Gleichung
Um die Gesamt-Infrarotabdeckung (NIR) zu erhalten, die als $\delta\gamma_i$ dargestellt wird, müssen die Beiträge jedes Gases summiert werden:
| $ \delta\gamma_{i,k} =\displaystyle\frac{ \Delta F_k }{(1- a_a ) I_s }\displaystyle\frac{ \delta c_k }{ c_k }$ |
Hierbei repräsentiert $\alpha_{ij}$ den Beitrag des Gases $j$ zur Infrarotabdeckung des Gases $i$. Die Summe wird über alle relevanten Gase durchgeführt.
Daher kann die Variation in der Gesamt-Infrarotabdeckung mit der Kyon-Formel berechnet werden:
| $ \delta\gamma_i =\displaystyle\sum_k \delta\gamma_{i,k} $ |
Diese Gleichung liefert die relative Differenz zwischen den End- und Anfangswerten der Infrarotabdeckung.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Gleichungen eine vereinfachte Darstellung der Prozesse sind, die bei der Berechnung der Gesamt-Infrarotabdeckung und ihrer Variation auftreten. Die tatsächlichen Berechnungen können zusätzliche Faktoren und Komplexitäten berücksichtigen, die spezifisch für das analysierte System oder Szenario sind.
ID:(10831, 0)
Schätzung der Variation der Infrarotabdeckung eines Gases
Gleichung
Die Strahlungsantriebskraft $\Delta F_k$ für das Treibhausgas $k$ trägt aufgrund der einfallenden Strahlung auf den Planeten bei, die dem solaren Einstrahlungsintensität $I_s$ multipliziert mit $(1-a_a)$ entspricht, wobei $a_a$ das atmosphärische Albedo ist.
Durch eine Erhöhung der Konzentration $c_k$ um einen Betrag $\delta c_k$ ergibt sich eine Zunahme des einfallenden Flusses von der Atmosphäre, die gegeben ist durch:
| $ \delta\gamma_{i,k} =\displaystyle\frac{ \Delta F_k }{(1- a_a ) I_s }\displaystyle\frac{ \delta c_k }{ c_k }$ |
ID:(7590, 0)
Strahlungsantrieb der Hauptgase
Beschreibung
Im Diagramm wird der strahlungsbedingte Antrieb der Hauptgase in der Atmosphäre dargestellt:
Dieses Diagramm veranschaulicht den relativen Beitrag verschiedener Gase zum strahlungsbedingten Antrieb der Atmosphäre. Jedes Gas hat seine eigene Auswirkung auf die Erwärmung oder Abkühlung des Klimasystems.
Einige Gase wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) sind Treibhausgase, die Wärme in der Atmosphäre zurückhalten und zum globalen Klimawandel beitragen. Andere Gase wie Distickstoffmonoxid (N2O) haben ebenfalls eine erwärmende Wirkung.
Auf der anderen Seite haben einige Gase wie Schwefeldioxid (SO2) und Sulfataerosole eine kühlende Wirkung, indem sie die Sonnenstrahlung reflektieren und die Menge an Energie reduzieren, die die Erdoberfläche erreicht.
Das Verständnis der relativen Bedeutung dieser Gase für den strahlungsbedingten Antrieb ist entscheidend, um ihre Auswirkungen auf den Klimawandel zu bewerten und wirksame Minderungsstrategien zu entwickeln.
ID:(7325, 0)
Strahlungsantrieb anderer Gase und Aerosole
Beschreibung
Das Diagramm zeigt die radiative Erzwungene Strahlung von anderen Gasen und Aerosolen. Einige von ihnen tragen zur Abkühlung des Planeten bei:
Diese radiativen Zwangsstrahlungen repräsentieren den Einfluss verschiedener Gase und Aerosole auf den Energiehaushalt der Erde. Einige Gase wie Schwefeldioxid (SO2) und Sulfataerosole haben kühlende Effekte, indem sie die Sonnenstrahlung reflektieren und die Menge der auf die Erdoberfläche gelangenden Strahlung reduzieren.
Es ist wichtig, den Beitrag dieser Gase und Aerosole zum globalen radiativen Gleichgewicht zu verstehen, da sie bedeutende Auswirkungen auf das Klima haben können und Klimamuster sowie die globale Erwärmung beeinflussen können. Durch das Studium und die Bewertung ihrer Auswirkungen können wir geeignete Maßnahmen ergreifen, um dem Klimawandel entgegenzuwirken und nachhaltige Lösungen zu finden.
ID:(7326, 0)
Strahlungsantrieb im Laufe der Zeit
Beschreibung
Das Diagramm zeigt die erwarteten strahlungsbedingten Veränderungen im Zeitraum von 20 und 100 Jahren:
Diese Prognosen stellen potenzielle Szenarien der strahlungsbedingten Veränderungen in naher und ferner Zukunft dar. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Prognosen auf aktuellen wissenschaftlichen Modellen und Annahmen beruhen und Unsicherheiten unterliegen können.
Die Analyse der langfristigen strahlungsbedingten Veränderungen ist entscheidend, um potenzielle Auswirkungen auf das Klima und die globale Erwärmung zu verstehen. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, Maßnahmen und politische Entscheidungen zu informieren, die darauf abzielen, die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern und die Umweltsustainability zu fördern.
ID:(7327, 0)
Veränderungen in der Atmosphäre
Beschreibung
Eine Situation, die den Einfluss der Abdeckung auf das Klima veranschaulicht, ereignete sich während des dreitägigen Verbots von kommerziellen Flügen nach dem Angriff auf die Zwillingstürme. Die Abwesenheit kommerzieller Flüge für 72 Stunden führte zu einer Verringerung der Kondensstreifen (Contrails), was wiederum eine Veränderung der Wolkenbedeckung und eine Reduzierung der Zirruswolken zur Folge hatte.
ID:(9247, 0)