Energie und das globale Klima: Natur, Mensch und Technik - Forschungszentrum Jülich
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Energie und das globale Klima:
Natur, Mensch und Technik
5. Stunde – Strahlung und Treibhauseffekt
Christoph Buchal
Forschungszentrum Jülich
und Universität zu Köln
Köln, 16.5.2018, Sommer 2018
PDFs der Folien: Buchal FZJ, Lectures c.buchal@fz-juelich.de
Universität zu Köln
Bitte kommen Sie (ev. nach der Vorlesung) zu mir:
Seminarvortrag: a. Photovoltaik für Entwicklungsländer
b. Methanhydrat
Ich habe noch etwas für Sie
Universität zu Köln
WICHTIG !
Credit Points:
1. Teilnahme an der Vorlesung mit Unterschrift
und ein Prüfungsgespräch von 10 min 3 CP
2. Teilnahme am Seminar nach der Vorlesung
und ein eigener Vortrag 1,5 CP
Insgesamt können Sie also 4,5 CP erwerben
Das SEMINAR findet statt nach der Vorlesung, hier im Hörsaal:
Seminarthemen u.a.:
Plattentektonik Fracking Geothermie Ozeane
Photosynthese Ozon Brennstoffzellen
Methanhydrat Wärmepumpe Therm. Kraftwerke
PV (f. Entwicklungsländer)
Universität zu Köln
Wie kommt das Wetter zustande ?
kompressible Luft, Adiabaten
Ballonaufstieg, Innere Energie sinkt wg. Arbeitsleistung
p(h) = p(0) exp(h/8 km)
Für trockene Luft (ohne Wolken):
T(h): dT/dh = -1K / 100m (es wird in der Höhe kälter)
Wasser: Kondensation, dann
dT/dh =~ - 0,6 K / 100m (es wird langsamer kälter)
EINSTRAHLUNG von Sonnenenergie …
Universität zu Köln
Hurrikane, Zyklon, Taifun: Energiereiche Wärmekraftmaschine Wassertemp. >26,5°C Energietransport: Meer – Oberfläche - Verdampfung – Kondensation – Regen – Sturm Corioliskraft, deshalb Nie am Äquator
• Nur Regen
Wer hat die Luft von 20°C auf 27,5 °C aufgeheizt ? Sonne ? • Föhnsturm im Puschlav – Tal, Höhendiff ~1500 m, 5°C … > 20°C
Unser Wetter seit Samstag: Einbruch polarer Kaltluft
ANHEBUNG TIEF WOLKEN REGEN ABSINKEN HOCH KLAR, SONNIG TROCKEN Universität zu Köln
3 Heizschichten: Thermosphäre in der Ionosphäre „Aurora borealis“ „Vakuum 10-8mbar, ISS“ keine kinetische Gastheorie-Temp. … 1700 °C ((VIDEO !)) Stratosphäre „Ozonschicht“ ERDBODEN ! Am effektivsten !
Hadley – Zelle, Höhen-T … Boden-H Boden: H und T sind trivial, Wind strömt von H nach T Warmluftschichtung: die geringere Dichte warmer Luft bewirkt die Isobaren und die Strömung in der Höhe
Zelle, Luftmasse, Hoch, Tief, Jet durch Coriolis
Köln: 50° 51´ Nord
• Konvergenz !Isobaren und Windpfeile für Sommer- Hoch bei uns • Tief links liegen lassen, … Hoch dagegen rechts (hier: Blockierendes Hoch)
Feucht Trocken (H) Feucht (T) Trocken (H) Feucht
Jetstream Film zeigen
Rein geostrophisch
Nach rechts abgelenkte
Höhenwinde (Nordhalbkugel)
bis 300 km/h
Verwirbelt durch
hohe Gebirge
chaotisch
Wirbel bilden H, T,
(nicht thermisch!)
• Viele „Erklärungen“ auch in Youtube, JetstreamsUnsere (fast alleinige) Energiequelle: 150 Mio km entfernt
Erde:
6 x 1024 kg
x 300
Jupiter:
2 x 1027 kg
x 1000
Sonne:
2 x 1030 kg
• Jupiter (fast eine Sonne) ist unser Katastrophenschützer (m = 317 Erdmassen)Treibhauseffekt Erde: 33 K Unser Mond: 0 K Venus: run away, Mars: zu klein für Atmosphäre
• Aus: Chemie über den Wolken, R.Zellner et al.
Wärme = Energieform
Fühlbare Wärme … ergibt Temperatur (Kelvin)
Latente Wärme … Energie, gespeichert in Zustand
z B in Form von Dampf,
der kondensieren kann
Wärmeleitung
Wärmetransport
Wärmestrahlung, Licht
Röntgenstrahlung, UV,
Radiowellen, Mikrowellen,
Universität zu Köln• Planckscher Strahler, Stefan-Boltzmann: Leistung ~ T hoch 4
Wärmestrahlung, Sättigung, Wasserdampf und CO2
IR-Absorption durch IR-Molekülschwingungen
(existieren nicht bei O2, N2)
100%: vollständige Absorption der IR-Strahlung, Sättigung
jedoch: Fenster bei 10 µm
Weiterer Anstieg (Verdopplung) der CO2- Konzentration
bewirkt immer weniger Erwärmung (3°C statt 8,6°C)
Universität zu Köln• Abstrahlung am Äquator am höchsten, aber an den Polen ...
Wärmetransport durch die Atmosphäre
Köln: 50° 51´ Nord
• Konvergenz !Wärmetransport
durch Meeresströmg
(Fußgängertempo)
2,7 m Wassertiefe
entspricht
Wärmekap.
kompletter
Atmosphäre
Universität zu KölnDer Treibhaus – Effekt (vereinfachtes
X Modell )
100 30 70
100 30 140 70
70 zu Köln
UniversitätSonne: hochwertige Photonen, MEHR als Wärme
H2O und CO2 und andere: + 33 °C
Erdoberfläche
Universität im Mittel 15 °C warm
zu Köln (Unser Mond: - 18°C)Bessere Isolierung → Abstrahlung sinkt → „Skintemperatur“ (Atmosphäre in 6 km) sinkt
SKIN -
Temp.:
-18°C
=
255 K
H2O: 2,6% 20°C; CO2: 0,04%= 400 ppm 8,6°C;
O3: 0,04 ppm 2,3°C; N2O: 0,32 ppm 1,3°C;
Erdoberfläche
CH4:zu1,8
Universität im Mittel
ppm
Köln 1°C 15 °C warm (Unser Mond: - 18°C)Aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaiaaaaa
Aa
Aaa
aa
• Energie: Lebensnotwendig … unser Alltag …. LuxusDrogeMärz 2017: 407,18 ppm
März 2016: 404,83 ppm
Anstieg nur ca 2 ppm / Jahr
Danke an den Ozean !
(Tragedy: Riding the tiger)
D: 2,5% → globales Vorbild entscheidend !
Universität zu Köln attraktiv, bezahlbar ?Atmosphäre: 400 ppm = 3200 Gt CO2 = 865 Gt C
Jährliche Emiss: ca. 36 Gt CO2 = 10 Gt C
CO2 gelöst in den Ozeanen: ca. 50 x mehr als in der Atmosphäre
Universität zu KölnDie letzten 10 000 Jahre • Kleine Eiszeit: 1500 - 1850
Kl. Eiszeit 1500 – 1850 (S. 134) Universität zu Köln
Speyer, 1027 – 1061, 1080 - 1106 • Mittelalterliche Warmzeit (Klima S. 134)
Universität zu Köln
Klima-Theorie: eigentlich sind nur 2 Zustände richtig stabil
Total vereist oder total ohne jedes Eis
• Albedo: 0,3 … 1Der ganz langsame Thermostat der Erde
Vulkane: 0,2 Gt CO2 / Jahr (z. Vgl.: derzeit sind 3200 Gt in der Luft)
Regen, Verwitterung: CO2 wird ausgewaschen, Kalkstein CaCO3 bildet sich (s.oben)
Tektonik schiebt Kalkstein in die Tiefe
es wird kälter
Eis, Schnee, Albedo … … … snowball earth
100 000 Jahre Vulkanismus … 20 000 Gt CO2 … starker TreibhauseffektThe Earth keeps going thru very unstable climate conditions …
Super- Chaos-
Climate
Universität zu KölnUniversität zu Köln
Brandrodungen
Nasse Felder (Reis) und Viehhaltung
Die Menschen roden und betreiben Ackerbau
Der Wunder sind allzu viele … ( Fangen wir wieder von vorne an: 13,7 Mrd Jahre, Sternenschrott, SuperNovae,.. ) Sonne: 150 Mio km; 5800 K; 4,6 Mrd Jahre alt Venus: run-away-Treibhaus Mars: zu klein, zun kalt Weltall: 2,7 K Mond: 255 K (= - 18°C) Wir: 288 K ( = 15°C) wg. 33 K Treibhauseffekt eine wundervolle, passende Temperatur für die 3 Phasen des Wasser
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