Klima 2.pdf - Klimatologie Einführung - Zusammenfassung

Hier ist eine Zusammenfassung der Vorlesung „Klimatologie – Einführung“: 1. Bedeutung der Klimatologie** - Klima beein usst das Leben auf der Erde grundlegend. - Besonders für Landschaftsökologen ist Klimatologie relevant, da sie ökologische Prozesse und Wechselwirkungen mit der Umwelt beschreibt....

Hier ist eine Zusammenfassung der Vorlesung „Klimatologie – Einführung“: 1. Bedeutung der Klimatologie** - Klima beein usst das Leben auf der Erde grundlegend. - Besonders für Landschaftsökologen ist Klimatologie relevant, da sie ökologische Prozesse und Wechselwirkungen mit der Umwelt beschreibt. 2. Grundlagen der Klimatologie** - **Wetter vs. Klima:** Wetter beschreibt den aktuellen Zustand der Atmosphäre, während Klima die langfristigen Wetterbedingungen über mindestens 30 Jahre umfasst. - **Klimaelemente:** Dazu gehören Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag, Wind, Luftdruck und Strahlung. - **Klimafaktoren:** Bestimmen das Klima eines Ortes und umfassen astronomische (z. B. Sonneneinstrahlung) und geogra sche Ein üsse (z. B. Höhenlage, Nähe zu Ozeanen). 3. Aufbau der Atmosphäre** - Die Atmosphäre besteht aus verschiedenen Schichten: Troposphäre (Wettergeschehen), Stratosphäre (Ozonschicht), Mesosphäre und Thermosphäre. - Zusammensetzung: Hauptbestandteile sind Sticksto (78 %), Sauersto (21 %) und Spurengase wie CO₂, die eine entscheidende Rolle im Treibhause ekt spielen. 4. Strahlung und Energiehaushalt der Erde** - Die Erde erhält Energie von der Sonne und strahlt diese als Wärmestrahlung wieder ab. - Wichtige Konzepte: Albedo (Rückstrahlvermögen), atmosphärisches Fenster (Bereich, in dem Wärmestrahlung ungehindert entweichen kann). 5. Der Treibhause ekt** - Natürlicher Treibhause ekt hält die Erde bewohnbar (~15 °C statt -18 °C). - Der anthropogene Treibhause ekt (durch CO₂, Methan) verstärkt die Erwärmung und führt zum Klimawandel. 6. Thermische Zirkulation und Wind** - Unterschiedliche Erwärmung von Land und Wasser führt zu Windsystemen (z. B. Land-See- Wind). - Die Corioliskraft lenkt Winde aufgrund der Erdrotation ab. - Hoch- und Tiefdruckgebiete entstehen durch Druckunterschiede in der Atmosphäre. 7. Klimatische Auswirkungen und Schutzmaßnahmen** - Tipping Points: Kritische Punkte im Klimasystem, die unumkehrbare Veränderungen auslösen können. - Klimaschutzmaßnahmen sind essenziell zur Begrenzung der globalen Erwärmung. Hier folgt eine detaillierte Zusammenfassung der Inhalte aus der Vorlesung „Klimatologie – Einführung“ von Nora Fried, die einen umfassenden Überblick über die Grundlagen der Klimatologie sowie zentrale physikalische Prozesse und Zusammenhänge bietet: --- ## 1. Einleitung und Bedeutung der Klimatologie - **Warum ist Klima wichtig?** - Klima beein usst Lebensräume, Ökosysteme und menschliche Aktivitäten. - Für Fachrichtungen wie Landschaftsökologie ist das Verständnis langfristiger klimatischer Bedingungen und deren Schwankungen essenziell. - **Ziel der Vorlesung:** - Einführung in grundlegende Konzepte (z. B. Wetter vs. Klima). - Darstellung der wesentlichen physikalischen Prozesse, die das Klimasystem bestimmen (z. B. Strahlung, thermische Zirkulation, atmosphärische Schichtung). fl fl ff ff ff fi fl ff ff ff  --- ## 2. Wetter versus Klima - **De nitionen:** - **Wetter:** - Beschreibt den momentanen Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag, Wind). - Ist kurzfristig und variiert von Stunde zu Stunde. - **Klima:** - Beschreibt den mittleren Zustand des Wetters über einen langen Zeitraum (typischerweise 30 Jahre als Bezugszeitraum). - Beinhaltet nicht nur den Mittelwert, sondern auch statistische Abweichungen und Extremwerte. - **Bekanntes Zitat:** - „Climate is what we expect, weather is what we get.“ (Mark Twain) - **Bedeutung der statistischen Betrachtung:** - Für eine vollständige Klimabeschreibung müssen neben Mittelwerten auch die Wahrscheinlichkeit von Extremereignissen angegeben werden. --- ## 3. Klimaelemente und Erfassung - **Wesentliche Klimaelemente:** - **Atmosphärische Parameter:** - Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Wind (Richtung und Geschwindigkeit), Niederschlag und Strahlung. - **Weitere Parameter:** - Bodentemperatur, Albedo (Rückstrahlvermögen), fühlbarer und latenter Wärmestrom, Konzentrationen von Spurengasen und weiteren Größen, die Ein uss auf die Energiebilanz haben. - **Messung und Bedeutung:** - Die Erfassung dieser Größen erfolgt über verschiedene Messinstrumente (z. B. Radiosonden, Wetterstationen, Anemometer). - Diese Daten dienen als Grundlage für das Verständnis klimatischer Prozesse und werden für Modellrechnungen und Klimavorhersagen verwendet. --- ## 4. Aufbau und Schichtung der Erdatmosphäre - **Atmosphärische Schichten:** - **Troposphäre (0–ca. 12 km):** - Hier ndet das gesamte Wettergeschehen statt. - Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab; starke vertikale Durchmischung durch Konvektion und Turbulenzen. - Etwa 90 % der gesamten Luftmasse be nden sich in dieser Schicht. - **Stratosphäre (ca. 12–50 km):** - Charakterisiert durch die Ozonschicht und eine relativ stabile Schichtung ohne starke vertikale Durchmischung. - **Mesosphäre und Thermosphäre (über ca. 50 km):** - Diese Schichten sind dünner und spielen vor allem in physikalisch-technischen Fragestellungen (z. B. Satellitenkommunikation) eine Rolle. - **Wichtige Begri e:** - **Tropopause:** - Die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre, deren Höhe je nach geogra scher Breite variiert (höher in den Tropen, niedriger in den Polarregionen). fi fi ff fi fl fi  --- ## 5. Strahlung und der globale Energiehaushalt ### 5.1. Grundlagen der Strahlung - **Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung:** - Strahlung kann sowohl als Welle als auch als Teilchen beschrieben werden. - Sie transportiert Energie und Impuls und benötigt im Vakuum kein Medium. - **Der Schwarze Körper als Modell:** - Ein idealisierter Körper, der sämtliche einfallende Strahlung absorbiert und somit als ideale thermische Strahlungsquelle dient. - Die Konzepte von **Plancksches Strahlungsgesetz** und **Stefan-Boltzmann-Gesetz** basieren auf dem Modell des Schwarzen Körpers. ### 5.2. Wichtige Strahlungsgesetze - **Plancksches Strahlungsgesetz:** - Beschreibt die spektrale Verteilung der abgestrahlten Energie in Abhängigkeit von Temperatur und Wellenlänge. - Zeigt, dass heiße Körper bei kürzeren Wellenlängen (z. B. im sichtbaren Bereich) mehr Energie abstrahlen als kältere Körper. - **Stefan-Boltzmann-Gesetz:** - Besagt, dass die gesamte von einem Körper abgestrahlte Leistung proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur ist. - Dies erklärt, warum bereits kleine Temperaturänderungen zu erheblichen Unterschieden in der abgestrahlten Energie führen können. - **Kirchho sches Gesetz:** - Verbindet Absorptionsvermögen und Emissionsvermögen: Ein Körper, der in einem bestimmten Wellenlängenbereich wenig absorbiert, emittiert auch weniger. ### 5.3. Spektrale Unterschiede und die Energiebilanz der Erde - **Solare (kurzwellige) Strahlung:** - Hauptsächlich im UV-, sichtbaren und nahen Infrarotbereich. - Die Solarkonstante beträgt ca. 1370 W/m²; jedoch erreicht auf der Erdbodenober äche wegen der kugelförmigen Geometrie im Durchschnitt ca. 342 W/m². - **Terrestrische (langwellige) Strahlung:** - Die Erde gibt im Infrarotbereich Energie ab, da ihre Temperatur deutlich niedriger ist als die der Sonne. - **Albedo und Re exion:** - Ein Teil der eintre enden Sonnenstrahlung wird re ektiert. - Der Anteil der re ektierten Strahlung (globale Albedo) liegt etwa bei 30 %. - **Treibhause ekt:** - **Natürlicher Treibhause ekt:** - Treibhausgase (wie Wasserdampf und Kohlendioxid) absorbieren einen Teil der langwelligen Wärmestrahlung und leiten sie als Gegenstrahlung zurück zur Erdober äche. - Ohne diesen E ekt wären die Durchschnittstemperaturen der Erde ca. -18 °C. - **Anthropogener Treibhause ekt:** - Durch menschliche Aktivitäten (Industrie, Verkehr, Landwirtschaft) steigt die Konzentration von Treibhausgasen, was zu einer zusätzlichen Erwärmung der Erde führt. --- ff ff fl ff fl ff ff ff fl fl fl  ## 6. Thermische Zirkulation und lokale Luftbewegungen ### 6.1. Grundlagen der thermischen Zirkulation - **Ursache:** - Unterschiedliche physikalische Eigenschaften von Land und Wasser bewirken, dass sich diese Flächen unterschiedlich schnell erwärmen bzw. abkühlen. - **Beispiel Land-See-Wind:** - **Tagsüber:** - Land erwärmt sich schneller als das Meer. - Warme Luft dehnt sich aus, steigt auf und erzeugt in Bodennähe einen relativen Hochdruck, während über dem kühleren Meer ein Tiefdruck entsteht. - Daraus resultiert eine Ausgleichsbewegung, bei der kühle Luft vom Meer zum Land strömt (Seebrise). - **Nachts:** - Das Land kühlt schneller ab als das Meer. - Dadurch kehrt sich das Druckgefälle um, und es entsteht ein Landwind, bei dem Luft vom Land zum Meer strömt. ### 6.2. Dynamik der thermischen Zirkulation - **Geschlossene Kreisläufe:** - Die Aufwärtsbewegung der warmen Luft über dem Land und die Abwärtsbewegung der kühlen Luft über dem Meer bilden einen geschlossenen Konvektionskreislauf. - **Folgen:** - Solche lokalen Zirkulationssysteme beein ussen nicht nur das Wetter vor Ort, sondern tragen auch zur großräumigen Verteilung von Wärme und Feuchtigkeit bei. --- ## 7. Organisatorische Hinweise und Literatur - **Aufbau des Moduls:** - Das Modul erstreckt sich über mehrere Semester (Klimatologie I und II, Übung, Seminar) und schließt mit einer Klausur ab. - Die Vorlesungsfolien werden einen Tag vor der Veranstaltung online bereitgestellt. - **Literaturempfehlungen:** - Fachbücher und weiterführende Literatur (z. B. von Bendix, Malberg, Schönwiese, Weischet/ Endlicher) bieten vertiefende Einblicke in die Klimatologie. - Zusätzliche Literatur zu spezi schen Themen wie der Ozeanographie, tropischen Wirbelstürmen und Klimaschutz runden das Angebot ab. --- ## 8. Zusammenfassung und Ausblick - **Kernbotschaften der Vorlesung:** - **Grundverständnis:** Das Klima ist das Resultat komplexer Wechselwirkungen zwischen Strahlung, atmosphärischer Schichtung, thermischen Prozessen und der Wechselwirkung mit der Erdober äche. - **Energiebilanz:** Die Balance zwischen einfallender Sonnenstrahlung, re ektierter Energie (Albedo) und abgestrahlter Wärmestrahlung bestimmt das Klima und ist entscheidend für den natürlichen Treibhause ekt. - **Lokale und globale Prozesse:** Lokale Phänomene wie der Land-See-Wind sind Ausdruck größerer klimatischer Zusammenhänge, während globale Prozesse (z. B. der anthropogene Treibhause ekt) weitreichende Folgen für das gesamte Klimasystem haben. fl ff ff fi fl fl  - **Ausblick:** - In den weiteren Vorlesungen werden Themen wie die detaillierte Betrachtung der Strahlung (inklusive Planck’scher und Stefan-Boltzmann’scher Gesetze), dynamische Prozesse (z. B. Corioliskraft, geostropher Wind) und der Ein uss der Ozeanographie vertieft behandelt. - Auch aktuelle Herausforderungen wie Tipping Points und Geoengineering werden diskutiert. Hier folgt eine noch ausführlichere Zusammenfassung, die über die Grundlagen hinaus auch die physikalischen Prozesse der Strahlung, thermischen Zirkulation und der atmosphärischen Dynamik (insbesondere der Corioliskraft und deren Folgen für den Wind) detailliert beleuchtet: --- ## 1. Strahlung und der globale Energiehaushalt ### 1.1. Grundlagen der Strahlung - **Elektromagnetische Strahlung:** - Besitzt sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften, transportiert Energie und Impuls. - Kann von materiellen Körpern absorbiert, emittiert, re ektiert, transmittiert oder gestreut werden. - **Modell des Schwarzen Körpers:** - Ein idealisierter Körper, der bei allen Wellenlängen die gesamte einfallende Strahlung absorbiert. - Dient als theoretische Grundlage zur Herleitung der **Planckschen Strahlungsgesetz** und des **Stefan-Boltzmann-Gesetzes**. ### 1.2. Wichtige Strahlungsgesetze - **Plancksches Strahlungsgesetz:** - Beschreibt die spektrale Verteilung der abgestrahlten Energie in Abhängigkeit von Temperatur und Wellenlänge. - Erklärt, warum heiße Körper (z. B. die Sonne, ca. 6000 K) im Kurzwellenspektrum (UV bis sichtbares Licht) dominieren, während kältere Körper (z. B. die Erde, ca. 288 K) vor allem im langwelligen Infrarotbereich abstrahlen. - **Stefan-Boltzmann-Gesetz:** - Bestimmt die Gesamtstrahlungsleistung eines Körpers: \( E = \sigma T^4 \). - Zeigt, dass schon kleine Temperaturunterschiede zu erheblichen Unterschieden in der abgestrahlten Energie führen. - **Kirchho sches Gesetz:** - Verbindet das Absorptionsvermögen mit dem Emissionsvermögen: Ein Körper, der in einem Wellenlängenbereich wenig absorbiert, emittiert dort auch weniger. ### 1.3. Solare vs. Terrestrische Strahlung - **Solare Strahlung (kurzwellige Strahlung):** - Umfasst UV-, sichtbares und nahes Infrarotlicht. - Die Solarkonstante liegt bei ca. 1370 W/m², jedoch erreicht wegen geometrischer Faktoren an der Erdbodenober äche im Mittel ca. 342 W/m². - **Terrestrische Strahlung (langwellige Wärmestrahlung):** - Die Erde gibt im Infrarotbereich Energie ab, weil sie deutlich kälter als die Sonne ist. - Aufgrund des „atmosphärischen Fensters“ (Bereiche, in denen die Atmosphäre wenig absorbiert) entweicht nur ein Teil dieser Wärmestrahlung direkt in den Weltraum. - **Albedo und Rückstrahlung:** ff fl fl fl  - Ein Teil der solaren Einstrahlung wird re ektiert (globale Albedo ca. 30 %). - Treibhausgase in der Atmosphäre absorbieren einen Teil der langwelligen Strahlung und senden sie als Gegenstrahlung zurück zur Erdober äche, was den natürlichen Treibhause ekt erzeugt. --- ## 2. Thermische Zirkulation und lokale Luftbewegungen ### 2.1. Di erenzielle Erwärmung von Land und Wasser - **Grundprinzip:** - Unterschiedliche physikalische Eigenschaften bewirken, dass sich Land schneller aufheizt und auch schneller abkühlt als Wasser. - Dies führt zu Temperaturunterschieden, die wiederum Druckunterschiede erzeugen. ### 2.2. Beispiel Land-See-Wind - **Tagsüber (Seebrise):** - Das trockene Land erwärmt sich stärker als das Meer. - Die erwärmte Luft dehnt sich aus und steigt auf, was in Bodennähe einen relativen Hochdruck erzeugt, während über dem kühleren Meer ein Tiefdruckgebiet vorliegt. - Folge: Luft strömt vom Meer (Tiefdruck) aufs Land, was als Seebrise bekannt ist. - **Nachts (Landwind):** - Das Land kühlt schneller ab als das Meer, sodass sich das Druckgefälle umkehrt. - Luft strömt dann vom Land (nun relativ hohem Druck) zum Meer. ### 2.3. Geschlossene Zirkulationssysteme - **Konvektion:** - Die Aufwärtsbewegung der warmen Luft und das Absinken der kühlen Luft bilden einen geschlossenen Kreislauf. - Diese lokale thermische Zirkulation trägt zur Verteilung von Wärme und Feuchtigkeit bei und kann das Wettergeschehen (z. B. Wolkenbildung, Schauer) in Küstenregionen maßgeblich beein ussen. --- ## 3. Dynamik der Atmosphäre: Corioliskraft und Wind ### 3.1. Grundlagen der Windentstehung - **Druckgradientkraft:** - Luft bewegt sich grundsätzlich von Regionen hohen Drucks zu Regionen niedrigen Drucks, um Druckunterschiede auszugleichen. - Der Druckgradient (Di erenz des Luftdrucks über eine bestimmte Strecke) ist dabei der ausschlaggebende Antrieb. ### 3.2. Corioliskraft - **Ursprung und Wirkung:** - Die Corioliskraft ist eine Scheinkraft, die in rotierenden Bezugssystemen (wie der Erde) auftritt. - Sie lenkt bewegte Luftmassen ab: Auf der Nordhalbkugel wird der Wind nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt. - Formel: \( F_C = 2 \omega m v \sin\varphi \), wobei \( \omega \) die Winkelgeschwindigkeit der Erde, \( v \) die Geschwindigkeit der Luftmasse und \( \varphi \) die geographische Breite ist. - **Bedeutung in der Atmosphäre:** fl ff ff fl fl ff  - Ohne Reibung würde der Wind nicht direkt von Hoch- zu Tiefdruckgebieten strömen, sondern aufgrund der Corioliskraft entlang der Isobaren (Linien gleichen Luftdrucks) – dies nennt man geostrophischen Wind. ### 3.3. Geostrophischer und ageostrophischer Wind - **Geostrophischer Wind:** - Entsteht, wenn ein Gleichgewicht zwischen der Druckgradientkraft und der Corioliskraft besteht. - Dieser Wind weht idealerweise parallel zu den Isobaren und ist vor allem in Höhenbereichen oberhalb der Reibungsschicht (etwa 0,5 bis 2 km) zu beobachten. - **Ein uss der Reibung:** - In Bodennähe wirkt die Erdober äche als Hindernis und verlangsamt den Wind (Reibungskraft). - Dadurch weicht der tatsächliche Wind (ageostrophischer Wind) vom idealen geostrophischen Gleichgewicht ab. - Der Grad der Ablenkung hängt von der Ober ächenbescha enheit ab (z. B. stärker an Land als über dem Wasser). - **Weitere dynamische Größen:** - **Rossby-Zahl:** - Eine dimensionslose Zahl, die angibt, wie stark die Corioliskraft im Vergleich zur Trägheit wirkt. Kleine Rossby-Zahlen deuten auf einen starken Ein uss der Corioliskraft hin. - **Zentrifugalkraft:** - Bei gekrümmten Luftströmungen (z. B. in Wirbelgebieten) spielt die Zentrifugalkraft eine Rolle, die zusammen mit der Corioliskraft und der Druckgradientkraft das dynamische Gleichgewicht in Tief- und Hochdruckgebieten bestimmt. ### 3.4. Messung und Charakterisierung des Windes - **Dreidimensionaler Wind:** - Der Wind wird durch seine drei Komponenten beschrieben: - \( u \): Zonale Komponente (West-Ost-Achse; positive Werte = Westwind, da der Wind aus Westen kommt) - \( v \): Meridionale Komponente (Nord-Süd-Achse; positive Werte = Südwind) - \( w \): Vertikale Komponente (Auf- oder Absteigen; meist sehr klein im Vergleich zu \( u \) und \( v \)) - **Einheiten und Skalen:** - Windgeschwindigkeit wird in m/s, km/h oder Knoten angegeben. - Die Beaufort-Skala dient als anschauliches Modell, um Windstärken anhand visueller Merkmale (z. B. Bäume, Wellen) einzuordnen. - **Messinstrumente:** - **Schalensternanemometer:** Messen die Rotationsgeschwindigkeit eines sich drehenden Anemometers, die proportional zur Windgeschwindigkeit ist. - **Ultraschallanemometer:** Erfassen Windgeschwindigkeit und -richtung, indem sie die Laufzeiten von Schallwellen messen, die von den Luftmolekülen gestreut werden. - **Phänomene wie Windböen:** - Windböen sind kurzzeitige, kräftige Windstöße, die durch instabile Luftströmungen, thermische E ekte oder lokale Turbulenzen entstehen. - Sie können plötzlich auftreten und sind oft mit Richtungsänderungen verbunden. --- ## 4. Weitere praktische Aspekte und Beispiele - **Beispiele starker Windgebiete:** - In Deutschland etwa der Brocken (mit sehr hohen mittleren Windgeschwindigkeiten) ff fl fl fl fl ff  - In Europa und weltweit zählen Orte wie Tarifa (Spanien) oder die Commonwealth-Bucht zu den windigsten Regionen. - **Bedeutung für die Praxis:** - Die Kenntnis über Windverhältnisse ist nicht nur für die Meteorologie, sondern auch für die Luftfahrt, den Schi verkehr und den Bau von Windenergieanlagen von großer Bedeutung. --- ## Zusammengefasst - **Strahlung:** - Die Balance zwischen einfallender Sonnenstrahlung und der abgestrahlten terrestrischen Wärmestrahlung ist zentral für das Klima der Erde. - Gesetze wie das Plancksche und das Stefan-Boltzmann-Gesetz erklären, wie sich diese Strahlung in Abhängigkeit von der Temperatur verteilt. - **Thermische Zirkulation:** - Unterschiedliche Erwärmung von Land und Wasser führt zu lokalen Druckunterschieden, die konvektive Kreisläufe (z. B. Land-See-Wind) erzeugen und das regionale Wetter beein ussen. - **Wind und atmosphärische Dynamik:** - Neben der Druckgradientkraft spielt die Corioliskraft eine entscheidende Rolle bei der Ausrichtung der Windströmungen. - In idealen (reibungslosen) Situationen führt dies zum geostrophen Wind, während reale Bedingungen durch Ober ächenreibung zu Abweichungen (ageostrophischer Wind) führen. - Weitere Kräfte wie die Zentrifugalkraft und dynamische Parameter (z. B. die Rossby-Zahl) vervollständigen das Bild der komplexen atmosphärischen Dynamik. --- --- ## 1. Einleitung und Bedeutung der Klimatologie - **Zweck und Relevanz:** - Die Klimatologie untersucht das langfristige Verhalten der Atmosphäre, das Leben und die Landschaften prägt. - Fachrichtungen wie Landschaftsökologie benötigen dieses Wissen, um ökologische Prozesse, Lebensräume und deren Wechselwirkungen mit klimatischen Bedingungen zu verstehen. - **Modulaufbau:** - Das Studium der Klimatologie erfolgt über mehrere Lehrveranstaltungen (Vorlesungen, Übungen, Seminare) und schließt mit einer Klausur ab. - Die bereitgestellte Literatur umfasst grundlegende und vertiefende Werke, die ein breites Verständnis für die physikalischen, chemischen und dynamischen Prozesse liefern. --- ## 2. Wetter versus Klima - **De nitionen:** - **Wetter:** - Beschreibt den aktuellen Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort (z. B. Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit, Wind). - Kennzeichnet sich durch kurzfristige, oft stündliche oder tägliche Veränderungen. - **Klima:** - Ist die statistische Zusammenfassung des Wetters über einen langen Zeitraum (typischerweise 30 Jahre als Bezugszeitraum). fi ff fl fl  - Umfasst den Mittelwert sowie die Verteilung von Extremwerten und Variabilitäten. - **Bekanntes Zitat:** - „Climate is what we expect, weather is what we get.“ – Dieses Zitat fasst prägnant zusammen, dass das Klima die erwartete (langfristige) Situation ist, während das Wetter die tatsächlichen, oft schwankenden Bedingungen darstellt. --- ## 3. Klimaelemente und Klimafaktoren - **Zentrale Klimaelemente:** - **Atmosphärische Parameter:** Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Wind (Richtung und Geschwindigkeit), Niederschlag und Strahlung. - **Weitere Größen:** Bodentemperatur, Albedo (Rückstrahlvermögen), fühlbarer und latenter Wärmestrom, Konzentrationen von Spurengasen (z. B. CO₂, Methan) und andere Faktoren, die den Energiehaushalt der Erde beein ussen. - **Klimafaktoren:** - Astronomische Faktoren wie die Einstrahlungsmenge (abhängig von der Entfernung zur Sonne, Deklination, Tag-/Nachtlänge) - Geographische Faktoren wie Breitenlage, Höhe über dem Meeresspiegel, Nähe zu großen Wasserkörpern und Topographie - Menschliche Ein üsse, die vor allem über den anthropogenen Treibhause ekt das Klima verändern. --- ## 4. Aufbau und Schichtung der Atmosphäre - **Atmosphärische Schichten:** - **Troposphäre (0–ca. 12 km):** - Hier ndet das Wettergeschehen statt, da sie durch Konvektion und Turbulenzen gut durchmischt wird. - Die Temperatur nimmt typischerweise mit der Höhe ab, und etwa 90 % der gesamten Luftmasse be nden sich in dieser Schicht. - **Stratosphäre (ca. 12–50 km):** - Enthält die Ozonschicht, die schädliche UV-Strahlung absorbiert. - Die vertikale Durchmischung ist hier geringer, was zu stabileren Temperaturverläufen führt. - **Mesosphäre und Thermosphäre (über ca. 50 km):** - Diese Schichten sind dünner und spielen vor allem in technischen und physikalischen Anwendungen (z. B. Satellitenkommunikation) eine Rolle. - **Tropopause:** - Die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre, die in den Tropen höher und in Polarregionen niedriger liegt. --- ## 5. Strahlung und der globale Energiehaushalt ### 5.1. Grundlagen der Strahlung - **Elektromagnetische Strahlung:** - Besitzt sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter. - Transportiert Energie und Impuls, wobei die Eigenschaften durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden. - Im Vakuum erreicht Strahlung die höchstmögliche Geschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit). - **Wechselwirkungen:** fi fi fl fl ff  - **Absorption:** Energie wird vom Material aufgenommen (z. B. Erwärmung, photochemische Prozesse). - **Emission:** Ein Körper gibt Strahlung ab, abhängig von seiner Temperatur. - **Re exion:** Strahlung wird zurückgeworfen (z. B. an glatten Ober ächen). - **Transmission:** Strahlung passiert einen Körper ungehindert. - **Streuung:** Strahlung wird in verschiedene Richtungen umgelenkt. ### 5.2. Modelle und Gesetze der Strahlung - **Schwarzer Körper:** - Ein idealisierter Körper, der sämtliche eintre ende Strahlung absorbiert. - Dient als Modell für theoretische Betrachtungen der thermischen Strahlung. - **Plancksches Strahlungsgesetz:** - Beschreibt die spektrale Verteilung der von einem schwarzen Körper abgestrahlten Energie in Abhängigkeit von Temperatur und Wellenlänge. - Erklärt, warum heiße Körper (z. B. die Sonne bei ca. 6000 K) überwiegend im kurzwelligen Bereich abstrahlen und kältere Körper (z. B. die Erde bei ca. 288 K) im langwelligen Infrarot. - **Stefan-Boltzmann-Gesetz:** - Formuliert die Beziehung \( E = \sigma T^4 \), wonach die gesamte abgestrahlte Leistung eines Körpers proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur ist. - Kleine Temperaturänderungen führen somit zu signi kanten Unterschieden in der abgestrahlten Energie. - **Kirchho sches Gesetz:** - Stellt den Zusammenhang zwischen Absorptionsvermögen und Emissionsvermögen her: Ein Körper, der in einem bestimmten Wellenlängenbereich schlecht absorbiert, emittiert auch weniger in diesem Bereich. ### 5.3. Solare versus terrestrische Strahlung - **Solare (kurzwellige) Strahlung:** - Umfasst UV-Strahlung, sichtbares Licht und nahes Infrarot. - Die Solarkonstante beträgt etwa 1370 W/m²; aufgrund der Geometrie und des Einfallswinkels erreicht im Durchschnitt an der Erdober äche etwa 342 W/m² ein. - **Terrestrische (langwellige) Strahlung:** - Die Erde strahlt im Infrarotbereich ab, da ihre Temperatur deutlich niedriger ist als die der Sonne. - Der Teil der langwelligen Strahlung, der durch das „atmosphärische Fenster“ ungehindert ins All entweicht, ist entscheidend für die Energiebilanz der Erde. ### 5.4. Albedo und Treibhause ekt - **Albedo:** - Beschreibt das Verhältnis der re ektierten zur eintre enden solaren Strahlung. - Natürliche Ober ächen (wie Eis, Schnee oder Wolken) haben hohe Albedo-Werte, während dunkle Ober ächen (z. B. Wälder oder Ozeane) geringere Werte besitzen. - Der globale Durchschnitt liegt bei ca. 30 %. - **Treibhause ekt:** - **Natürlicher Treibhause ekt:** - Treibhausgase (z. B. Wasserdampf, Kohlendioxid) absorbieren einen Teil der langwelligen Wärmestrahlung und senden sie als Gegenstrahlung zurück zur Erdober äche. - Ohne diesen E ekt läge die Durchschnittstemperatur der Erde bei etwa –18 °C. - **Anthropogener Treibhause ekt:** - Durch den Menschen verstärkt sich dieser E ekt, da die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre ansteigt, was zu einer zusätzlichen Erwärmung führt. fl ff fl ff fl ff ff ff ff fl fl ff ff fi ff fl fl  --- ## 6. Thermische Zirkulation und lokale Luftbewegungen ### 6.1. Grundlagen der thermischen Zirkulation - **Di erenzielle Erwärmung:** - Land und Wasser besitzen unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wodurch sich diese Flächen unterschiedlich schnell erwärmen und abkühlen. - Dies führt zu Temperaturunterschieden und damit zu Druckunterschieden in der Atmosphäre. ### 6.2. Beispiele: Land-See-Wind - **Tagsüber (Seebrise):** - Das Land erwärmt sich schneller als das Meer. - Warme, aufsteigende Luft über dem Land erzeugt in Bodennähe einen relativen Hochdruck, während über dem kühleren Meer ein Tiefdruck entsteht. - Folge: Kühle Luft strömt vom Meer auf das Land. - **Nachts (Landwind):** - Das Land kühlt rascher ab als das Wasser, wodurch sich das Druckgefälle umkehrt. - Dadurch strömt Luft vom Land (nun relativ hohem Druck) zum Meer. ### 6.3. Geschlossene Konvektionskreisläufe - **Konvektion:** - Die Aufwärtsbewegung der warmen Luft und das Absinken der kühlen Luft bilden einen geschlossenen Kreislauf, der nicht nur lokale Wetterphänomene (z. B. Wolkenbildung, Schauer) beein usst, sondern auch zur großräumigen Verteilung von Wärme und Feuchtigkeit beiträgt. --- ## 7. Dynamik der Atmosphäre: Wind und Kräfte ### 7.1. Entstehung des Windes - **Druckgradientkraft:** - Luft bewegt sich grundsätzlich von Gebieten hohen Drucks zu Gebieten niedrigen Drucks, um Druckunterschiede auszugleichen. - Der Betrag des Druckgradienten (Di erenz des Luftdrucks über eine bestimmte Strecke) ist dabei der primäre Antrieb für die Luftbewegung. ### 7.2. Ein uss der Corioliskraft - **Ursprung und mathematische Beschreibung:** - Die Corioliskraft entsteht durch die Erdrotation und wirkt als Scheinkraft in rotierenden Bezugssystemen. - Formel: \[ F_C = 2 \omega m v \sin\varphi \] wobei - \( \omega \) die Winkelgeschwindigkeit der Erde (ca. 7,29 × 10⁻⁵ s⁻¹), - \( m \) die Masse der bewegten Luft, - \( v \) die Geschwindigkeit der Luftmasse und - \( \varphi \) die geographische Breite ist. - **Wirkung:** - Auf der Nordhalbkugel wird der Wind nach rechts abgelenkt, auf der Südhalbkugel nach links. ff fl fl ff  - Ohne Reibung würde der Wind nicht direkt von Hoch- zu Tiefdruckgebieten strömen, sondern entlang der Isobaren (Linien gleichen Luftdrucks) – dies bezeichnet man als geostrophischen Wind. ### 7.3. Geostrophischer und ageostrophischer Wind - **Geostrophischer Wind:** - Entsteht in der freien Atmosphäre (typisch oberhalb ca. 0,5–2 km), wenn ein Gleichgewicht zwischen der Druckgradientkraft und der Corioliskraft besteht. - Dieser Wind weht idealerweise parallel zu den Isobaren. - **Ein uss der Ober ächenreibung:** - In Bodennähe wirkt die Erdober äche als Reibungselement, das die Windgeschwindigkeit reduziert und dessen Richtung verändert. - Dadurch weicht der tatsächliche Wind (ageostrophischer Wind) vom idealen geostrophischen Gleichgewicht ab. - Die Stärke der Reibung hängt von der Ober ächenbescha enheit ab (z. B. gering über dem Meer, stärker über unebenem Gelände oder in Städten). - **Weitere dynamische Größen:** - **Rossby-Zahl:** - Eine dimensionslose Zahl, die angibt, wie stark die Corioliskraft im Vergleich zur Trägheit wirkt. Kleine Werte bedeuten einen starken Ein uss der Erdrotation. - **Zentrifugalkraft:** - Bei gekrümmten Luftströmungen (wie in Wirbelgebieten) muss auch die Zentrifugalkraft berücksichtigt werden, die zusammen mit den anderen Kräften das dynamische Gleichgewicht in Hoch- und Tiefdrucksystemen bestimmt. ### 7.4. Beschreibung und Messung des Windes - **Dreidimensionale Windkomponenten:** - \( u \) (zonale Komponente): Beschreibt den Wind in West-Ost-Richtung. - \( v \) (meridionale Komponente): Beschreibt den Wind in Nord-Süd-Richtung. - \( w \) (vertikale Komponente): Beschreibt Auf- und Abwinde – in der Regel deutlich schwächer als die horizontalen Komponenten. - **Einheiten und Skalen:** - Windgeschwindigkeit wird in m/s, km/h oder Knoten angegeben. - Die Beaufort-Skala wird genutzt, um Windstärken anhand visueller und physikalischer E ekte (wie Wellen, Bäume) einzuschätzen. - **Messinstrumente:** - **Schalensternanemometer:** Erfassen die Rotationsgeschwindigkeit eines sich drehenden Instruments, die proportional zur Windgeschwindigkeit ist. - **Ultraschallanemometer:** Messen die Zeit, die Schallwellen benötigen, um zwischen Sensoren übertragen zu werden, und ermitteln so Geschwindigkeit und Richtung. - **Phänomene wie Windböen:** - Windböen sind kurzzeitige, starke Windstöße, die durch instabile atmosphärische Zustände, thermische Di erenzen oder lokale Turbulenzen entstehen und häu g mit plötzlichen Richtungsänderungen einhergehen. --- ## 8. Weitere praktische Aspekte und Beispiele - **Globale Messungen und Beispiele:** - An manchen Orten, wie dem Brocken in Deutschland oder Tarifa in Spanien, werden sehr hohe Windgeschwindigkeiten gemessen. fl ff fl fl fl fl ff fi ff  - Beispiele aus der Meteorologie verdeutlichen, wie lokale und globale Prozesse (z. B. Druckgradienten, Corioliskraft) zusammenwirken, um das Wettergeschehen zu steuern. - **Bedeutung für Anwendungen:** - Ein detailliertes Verständnis der Klimatologie und atmosphärischen Dynamik ist nicht nur für die Wettervorhersage, sondern auch für die Planung in der Luftfahrt, den Schi sbetrieb und den Betrieb von Windenergieanlagen von großer Bedeutung. --- ## Zusammenfassung der Kernpunkte 1. **Wetter vs. Klima:** - Wetter ist der kurzfristige Zustand, während Klima langfristige statistische Eigenschaften der Atmosphäre beschreibt. 2. **Atmosphärische Struktur:** - Die Erdatmosphäre ist in mehrere Schichten unterteilt (Troposphäre, Stratosphäre, etc.), die jeweils unterschiedliche physikalische Prozesse beherbergen. - Die meisten meteorologischen Prozesse nden in der Troposphäre statt. 3. **Strahlung und Energiehaushalt:** - Die Erde empfängt kurzwellige Sonnenstrahlung und gibt langwellige Wärmestrahlung ab. - Gesetze wie das Plancksche und das Stefan-Boltzmann-Gesetz erklären die Abhängigkeit der abgestrahlten Energie von der Temperatur. - Der Treibhause ekt, verstärkt durch menschliche Aktivitäten, sorgt dafür, dass die Erde wärmer bleibt, als sie ohne diese Rückstrahlung wäre. 4. **Thermische Zirkulation:** - Unterschiedliche Erwärmung von Land und Wasser führt zu lokalen Druckunterschieden, die Windsysteme wie Seebrise und Landwind verursachen. - Diese Kreisläufe sind Ausdruck von Konvektion und spielen eine wichtige Rolle bei der Verteilung von Wärme und Feuchtigkeit. 5. **Dynamik der Atmosphäre und Wind:** - Der Wind wird primär durch den Druckgradienten angetrieben, wobei die Corioliskraft (bedingt durch die Erdrotation) dessen Richtung beein usst. - Ober ächenreibung modi ziert den idealen geostrophen Wind, was in der Realität zu ageostrophen Windverhältnissen führt. - Weitere Faktoren wie die Rossby-Zahl und Zentrifugalkraft ergänzen das Verständnis der atmosphärischen Dynamik. --- fl ff fi fi fl ff