Wetter und Klima: Grundlagen

Okay, aktualisiere ich die Lernnotizen mit den neuen Informationen:

Grundlagen der Klimatologie

• Das Wetter ist der aktuelle Zustand der Atmosphäre, während das Klima die Synthese des Wetters über einen längeren Zeitraum (30 Jahre) darstellt.
• Zu den Klimaelementen gehören Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Wind, Niederschlag und Strahlung.
• Die Troposphäre (0-12 km) ist die Schicht, in der das Wettergeschehen stattfindet.
• Die Stratosphäre (12-50 km) enthält die Ozonschicht, und die Mesosphäre (50-80 km) ist die kälteste Schicht.

Strahlungsprozesse

• Feste, flüssige und gasförmige Körper können Strahlung absorbieren, emittieren, reflektieren, transmittieren und streuen.
• Ein idealisierter Körper, der alle auftreffende Strahlung absorbiert, wird als schwarzer Körper bezeichnet.
• Wellenlängen umfassen UV-Strahlung (100-380 nm), sichtbares Licht (380-780 nm) und Infrarotstrahlung (ca. 4-100 µm).
• Bereiche geringer Strahlungsabsorption durch Wasserdampf, Ozon und Kohlendioxid werden als atmosphärische Fenster bezeichnet (insbesondere bei 8-12 µm).
• Thermische Zirkulation entsteht durch Temperaturunterschiede, die Druckunterschiede und somit Luftbewegungen verursachen.

Corioliskraft und Wind

• Die Corioliskraft ist eine Scheinkraft, die durch die Erdrotation entsteht und großräumige Luftbewegungen auf der Nordhalbkugel nach rechts ablenkt.
• Der Wind wird hauptsächlich durch horizontale Druckgradienten angetrieben, wobei die Windrichtung angibt, woher der Wind kommt.
• Antrieb von Wind durch Druckunterschiede.
• Luft bewegt sich von höherem zu tieferem Druck.
• Formel: F = m/p* (Δp/∆x)
• Turbulenzen entstehen durch Verwirbelungen in der Luft, wenn Luftströmungen unterschiedlicher Richtungen oder Geschwindigkeiten aufeinandertreffen.

Globale Zirkulation

• Die atmosphärische Zirkulation wird durch drei Zellen (Hadley-, Ferrel- und Polarzelle) angetrieben
• Die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) ist die Zone, in der die Passatwinde zusammentreffen und aufsteigen.
• Wendekreiswüsten entstehen durch absinkende Luftmassen in den subtropischen Hochdruckgebieten, die zur Wolkenauflösung führen.
• El Niño ist eine Anomalie der Meeresoberflächentemperaturen im Pazifik, die das globale Wetter beeinflusst.

Land-Klima-Interaktion

• Zu den wichtigen Treibhausgasen für die Energiebilanz der Erde gehören CO2, Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O).
• Das Global Warming Potential (GWP) ist ein Index, der angibt, wie viel Infrarotstrahlung ein Treibhausgas im Vergleich zu CO2 über einen bestimmten Zeitraum absorbiert.
• Ökosysteme können je nach Jahreszeit von CO2-Senken zu CO2-Quellen wechseln (Kohlenstoffkreislauf).
• Die Energiebilanz wird durch kurzwellige und langwellige Strahlung sowie turbulente Flüsse beeinflusst.

Wasserdampf, Wolken und Niederschlag

• Wasserdampf ist ein wichtiges Treibhausgas, das bei Phasenübergängen Energie umsetzt.
• Wolkenentstehung erfolgt durch Abgabe von Strahlung, Aufsteigen von Luft und Mischung von Luftmassen, wobei Kondensationskerne (Aerosole) notwendig sind.
• Wolkenfamilien umfassen hohe, mittelhohe, tiefe und vertikale Wolken.
• Niederschlag entsteht durch Diffusions- und Koagulationswachstum, wobei er als fallend (Regen, Schnee, Hagel), abgesetzt (Tau, Reif) oder abgefangen (Nebelniederschlag, Raureif) auftreten kann.
• Sättigungsdampfdruck: Der maximale Wasserdampfdruck bei einer bestimmten Temperatur.

Statik und Thermodynamik

• Das hydrostatische Grundgesetz beschreibt, wie der Druck in einem Gasvolumen dem Gewicht der darüber liegenden Luftsäule entspricht.
• Die barometrische Höhenformel beschreibt die exponentielle Abnahme des Drucks mit der Höhe.
• Die Thermodynamik besagt, dass Energie in verschiedene Formen umgewandelt, aber nicht neu geschaffen oder vernichtet werden kann (1. Hauptsatz der Thermodynamik).
• Adiabatische Prozesse sind solche, bei denen keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird.
• Der trockenadiabatische Temperaturgradient beschreibt die Temperaturabnahme mit der Höhe bei trockener Luft (ca. 1K/100m). Die potentielle Temperatur ist die Temperatur eines Luftpakets, das auf ein einheitliches Niveau (1000 hPa) gebracht wird.

Synoptik

• Tiefdruckgebiete sind häufig durch starke Bewölkung gekennzeichnet und haben eine Lebensdauer von ca. 3-10 Tagen.
• Zyklogenese bezeichnet die Entstehung und Verstärkung von Tiefdruckgebieten.
• Fronten umfassen Kaltfronten (kalte Luft schiebt sich unter warme Luft), Warmfronten (warme Luft gleitet über kalte Luft) und Okklusionen (Kaltfront holt Warmfront ein).
• Eine Tiefdruckrinne ist eine langgestreckte Zone mit tiefem Luftdruck.
• Eine Hochdruckbrücke ist eine Verbindung von zwei Hochdruckgebieten.
• Eine Omega-Wetterlage ist eine stabile Hochdrucklage mit blockierendem Hoch.
• Großwetterlagen bestimmen den wesentlichen Charakter der Witterung in einem Gebiet, z.B. Westlage, Nordlage.
• Kaltfronten, Warmfronten und Okklusionen können unterschiedliche Wetterlagen verursachen
• Tiefdruckrinnen sind langgestreckte Zonen mit niedrigem Luftdruck.
• Großwetterlagen bestimmen den allgemeinen Wettercharakter eines Gebietes.

Ozeanographie

• Die Ozeanzirkulation umfasst windgetriebene und thermohaline (dichtegetriebene) Zirkulation.
• Die Umwälzbewegung transportiert warme und salzige Wassermassen an der Oberfläche nach Norden und kalte Wassermassen in der Tiefe nach Süden.
• AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation) ist die Umwälzbewegung im Atlantik.
• Tiefenwasserbildung entsteht durch starken Wärmeverlust an die Atmosphäre, besonders im Nordatlantik.
• Beobachtung erfolgt durch Verankerungsarrays (RAPID, OSNAP) und autonome Geräte wie Drifter und Floats.
• Messmethoden wie CTD-Sonden, ADCPs, Verankerungen, Drifter und Floats erfassen verschiedene ozeanographische Parameter.
• Die Tiefenwasserbilder findet vor allem im Nordantlantik statt
• Die Tiefenwasserbildung im Nordatlantik: Labradorsee, Irmingersee, grönländische See;
• Schmelzwasser von Grönland kann die Tiefenwasserbildung abschwächen.

Klimaentwicklung

• Natürliche Klimavariabilität umfasst Plattentektonik, Vulkanausbrüche, veränderte Sonneneinstrahlung (Milanković-Zyklen, Sonnenfleckenaktivität).
• Der Klimawandel umfasst die globale Temperaturerhöhung, die durch anthropogene Treibhausgasemissionen verstärkt wird.
• Das IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) erstellt Berichte zur Klimaentwicklung und Prognosen für die Zukunft.
• Representative Concentration Pathways (RCP) beschreiben zukünftige Treibhausgaskonzentrationen.
• Shared Socio-economic Pathways (SSP) berücksichtigen auch sozioökonomische Veränderungen.
• Die Attributionsforschung berechnet den Anteil des anthropogenen Klimawandels an Extremereignissen.

Geoengineering

• Solar Radiation Modification (SRM) umfasst Eingriffe ins Klimasystem, um die Erde durch Reflektion von Sonnenstrahlung abzukühlen.
• Stratospheric Aerosol Injection (SAI) ist ein möglicher Ansatz, Aerosole in die Stratosphäre zu injizieren, um die Sonneneinstrahlung zu reduzieren.
• Klimakipppunkte sind Teile des Klimasystems, die bei geringem zusätzlichem Antrieb starke Veränderungen zeigen.
• Termination Shock tritt auf, wenn ein massiv eingesetztes SRM plötzlich gestoppt wird.

Klimaschutz

• Die UNFCCC (United Nations Framework Convention on Climate Change) ist ein Rahmenabkommen für internationale Klimapolitik.
• Das Kyoto-Protokoll hatte das Ziel, die Reduktion der Treibhausgasemissionen zu erreichen.
• Das Pariser Abkommen hat die Ziele, die Begrenzung der Erderwärmung auf deutlich unter 2 Grad und Anpassung an Klimafolgen zu erreichen.
• Das Klimaschutzgesetz (Deutschland) hat Ziele zur Reduktion der Treibhausgasemissionen bis zur Netto-Treibhausgasneutralität im Jahr 2045.

Grundlagen und Definitionen

• Referenzzeitraum für das Klima: 30 Jahre (z.B. 1931-1960, 1961-1990, 1991-2020), wobei wir uns aktuell im Bezugszeitraum 2021-2050 befinden.

• Klimaelemente: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Wind (Richtung und Geschwindigkeit), Niederschlag, Strahlung (Wellenlänge).

• Atmosphäre: Wettergeschehen findet in der Troposphäre statt, Zusammensetzung: 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, 0.9% Edelgase, 0.1% Spurengase (wichtig für Energiebilanz).

• Schwarzer Körper: Ideale thermische Strahlungsquelle, Grundlage für theoretische Betrachtungen, geprägt von Gustav Kirchhoff (1860).

• Plancksches Strahlungsgesetz: Beschreibt die Energieabgabe eines schwarzen Körpers pro Wellenlängeneinheit in Abhängigkeit der Temperatur.

• Emissivität: Eigenschaft von Körpern, Strahlung abzugeben (0 ≤ ελ ≤ 1); natürliche Oberflächen haben Emissivitäten nahe 1.

• Kirchhoffsches Gesetz: "Ein Körper, der bei einer bestimmten Wellenlänge nicht absorbiert, kann auch nicht emittieren."

• Atmosphärisches Fenster: Wellenlängenbereich, in dem die Strahlungsabsorption durch Wasserdampf, Ozon und CO2 gering ist (8-12 µm); die Zunahme klimawirksamer Gase kann das atmosphärische Fenster verkleinern, was zur Erderwärmung beiträgt. Thermische Zirkulation: Entsteht durch unterschiedliche Erwärmung von Oberflächen (z.B. Land und Wasser), führt zu Druckunterschieden und Ausgleichsströmungen (z.B. Land- und Seewind), Land erwärmt sich schneller als Wasser, Luftdruck am Land nimmt durch Erwärmung zu, Ausgleichsströmung zum Meer, Luft kühlt ab, Absinken führt zu lokalen Tief und landeinwärts gerichteten Wind (Seewind).

• Corioliskraft: Beeinflusst großräumige Windbewegungen, lenkt den Wind auf der Nordhalbkugel nach rechts ab, führt zu Windbewegung entlang von Isobaren (Linien gleichen Drucks), nicht senkrecht dazu, führt zu unterschiedlichen Drehrichtungen in Hoch- (antizyklonal, Uhrzeigersinn) und Tiefdruckgebieten (zyklonal, Gegenuhrzeigersinn).

• Windmessung: Luftdruck wird in Hektopascal (hPa) oder Torr gemessen (1 hPa ≈ 0,75 Torr), Windrichtung: Richtung, aus der der Wind kommt (Nordrichtung 0°, Osten 90°, Süd 180°, West 270°), Windgeschwindigkeit in m/s (SI-Einheit), km/h, Knoten (kn), Beaufort (B), Windstärke nach Beaufort: 1 m/s = 0.836 * B^(2/3) (Näherungsformel), Dreidimensionaler Wind: Zonaler Wind (u): Westwind (u>0), Ostwind (u<0); Meridionaler Wind (v): Südwind (v>0), Nordwind (v<0), Vertikaler Wind (w): Aufsteigen (w>0), Absinken (w<0), Horizontalwind (u,v) ist meist relevant, Vertikalwind (w) klein, Windböen: Kurzfristige starke Schwankungen der Windgeschwindigkeit mit Richtungsänderung, Windigster Ort in Deutschland: Brocken (19,9 m/s durchschnittlich; höchste Messung 73 m/s).

• Globale Zirkulation: Angetrieben durch Strahlungsunterschiede zwischen Tropen und Polarregionen, Hadley-, Ferrel- und Polarzellen, Jetstreams: Höchste Windgeschwindigkeiten, Polarjet maßgeblich für europäisches Wetter, Nordatlantische Oszillation (NAO): "Ein Beispiel einer Teleconnection, die uns in Europa betrifft," Klimaindex, der den Nordatlantiksektor beeinflusst, beschreibt die Stärke des "Island-Tiefs" und des "Azoren-Hochs" anhand der Luftdruckdifferenz, Positive NAO: Starkes Azorenhoch, starkes Islandtief → starke Westwinde, Nordeuropa: warm und feucht mit viel Regen und wenig Schnee Mittelmeerraum: regenarme Winter, Negative NAO: Schwaches Azorenhoch, schwaches Islandtief → schwache Westwinde, Südeuropa: viel Niederschlag, Skandinavien: trocken und kalt.

• Die Tiefenwasserbildung findet an Orten statt, wo die gesamte Wassersäule die gleiche Dichte hat (Nordatlantik, Antarktis)

• Land-Klima-Interaktion: Strahlungsantrieb: Vergleich der Erwärmungseinflüsse verschiedener Treibhausgase, Treibhausgaspotenzial (GWP): Messung, wie viel Infrarotstrahlung ein Treibhausgas über einen Zeitraum absorbiert, verglichen mit CO2 (GWP=1), Netto-Ökosystemaustausch (NEE): Brutto-Photosynthese – Gesamte Ökosystematmung, Elektromagnetisches Spektrum: UV: 290 – 380 nm, Photosynthetisch aktiver Bereich (PAR): 380 – 720 nm, Sichtbares Licht: 400 – 700 nm, Nahes Infrarot: 720 – 1300 nm, CO2-Haushalt: Ökosysteme können je nach Jahreszeit von CO2-Senken zu CO2-Quellen wechseln, Einflüsse auf den C-Kreislauf: Vegetationshöhe, Kronenfarbe (Albedo), Kronenleitfähigkeit, Natürliche/menschliche Störungen, Räumliche Variabilität, Wasserhaushalt: E= gs * VPD (E= Energiebedarf Evaporation, gs= stomatäre Leitfähigkeit, VPD= Dampfdruckdefizit), Dampfdruckdefizit (VPD): Unterschied zwischen Feuchtigkeit in der Luft und der Menge, die die Luft bei Sättigung halten könnte, Auswirkungen: Höheres VPD führt zu geringerer stomatärer Leitfähigkeit, erhöhter Wasserverdunstung und somit potentiellen negativen Auswirkungen auf Ökosysteme.

• Wasserdampf: Wasserdampfdruck, Sättigungsdampfdruck, absolute/spezifische/relative Feuchte, Taupunkt-Temperatur, Mischungsverhältnis, virtuelle Temperatur; Clausius-Clapeyron-Gleichung: Beschreibt die Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur (steigt die Temperatur, kann Luft mehr Wasserdampf aufnehmen, ca. 7%/Grad); Absolute Feuchte: e = (e * 100)/(R* T), ändert sich bei Volumenänderung; Spezifische Feuchte: q = 0.622* (e/p) * 1000, zur Erkennung bewegter Luftmassen; Relative Feuchte: Verhältnis von Wasserdampfdruck und Sättigungsdampfdruck; Taupunkttemperatur: Temperatur, bei der Sättigung eintritt; Mischungsverhältnis: Masse des Wassers in trockener Luft (g/kg); Virtuelle Temperatur: Gedachte Temperatur trockener Luft mit der gleichen Dichte wie feuchte Luft; Wolkenentstehung: Abgabe von Strahlung, aufsteigende Luft, Mischung von Luftmassen; Wolkengattungen: Hohe Wolken: Cirrus, Cirrocumulus, Cirrostratus, Mittelhohe Wolken: Altocumulus, Altostratus, Tiefe Wolken: Stratocumulus, Stratus, Vertikale Wolken: Cumulus, Cumulonimbus, Nimbostratus; Niederschlag: Entstehung: Wolkenpartikel wachsen zu Regentropfen an; Messung: Sammelbehälter, Tropfenzähler, Kippwaagen, Niederschlagswaagen; Klimawandel: Verstärkt extreme Dürren- und Starkregenereignisse durch den verstärkten Wasserkreislauf und langsamere Wettersysteme.

• Radiosondenaufstiege erstellen Vertikalprofile der Atmosphäre durch Messung von Temperatur, Druck, Feuchte, Wind.

• Navier-Stokes-Gleichungen sind eine mathematische Beschreibung von Erhaltung von Masse und Impuls in Fluiden; Hydrostatisches Grundgesetz: dp = -pgdh; Der Druck in einem Gasvolumen entspricht dem Gewicht der darüber liegenden Luftsäule; Druck nimmt mit der Höhe ab; Vertikaler Druckgradient: –(dp/dz) = pg = R(T/p)g; Barometrische Höhenformel: Druck nimmt exponentiell mit Höhe ab. p = p0 exp(-gz/RT); Hypsometrische Grundgleichung: Bestimmt Höhenunterschiede durch Druckunterschiede: z2 – z1 = (RT/g) * In(p1/p2), Trockenadiabatische Prozesse: Temperaturänderung eines aufsteigenden Luftpakets ohne Kondensation (ca. 1K/100m). Schichtung der Atmosphäre: Stabile Schichtung: Temperaturabnahme in der Atmosphäre ist geringer als die adiabatische Temperaturänderung, Luftpaket kehrt in die Ausgangslage zurück, Labile Schichtung: Temperaturabnahme in der Atmosphäre ist größer als die adiabatische Temperaturänderung, Luftpaket steigt weiter auf; Isotherm: Temperatur bleibt mit der Höhe gleich; Inversion: Temperatur steigt mit der Höhe; Feuchtadiabatische Prozesse: Prozesse innerhalb von Wolken (Temperaturänderung geringer als trockenadiabatisch); Potentielle Temperatur: Temperatur eines Luftpakets nach adiabatischer Verschiebung auf 1000 hPa

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