Klimasysteme 2018, Übungsaufgaben 2 - Aufgabe 1 a Betrachten Sie einen nassen und einen trockenen Sandkasten. Die Sonne geht auf und scheint auf ...
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Klimasysteme 2018, Übungsaufgaben 2
Aufgabe 1
a) Betrachten Sie einen nassen und einen trockenen Sandkasten. Die Sonne geht auf und scheint auf die
beiden Sandkasten. Welcher erwärmt sich schneller? Warum?
We examine two sandboxes where one of them is wet and the other one is dry. The sun is rising and
shining on both sandboxes. Which one is warming faster? What is the reason for the faster warming?
b) Was hat das obige Beispiel mit der Klimaänderung zu tun? Welche Rolle spielt die Bodenfeuchte in der
Erwärmung? Erklären Sie kurz.
Can you place the example above into the context of global climate change? What is the role of soil
moisture in the warming? Explain.
c) Die Netto Strahlungsbilanz an der Oberfläche beträgt an einem Ort 100 W/m2, die Bowen Ration ist 2/3,
das System ist im Gleichgewicht. Wie gross ist der latente Wärmefluss?
Wie gross ist die Verdunstungsrate in mm/Tag? Beachte dass 2.5E6 J benötigt werden um 1 kg Wasser
zu verdampfen.
The surface net radiation at a particular location adds up to 100 W/m2, the Bowen Ratio is 2/3 and the
system is assumed to be in equilibrium. How large is the latent heat flux?
What is the rate of evaporation in mm/day? Take into account that 2.5E6 J are required to evaporate 1
kg of water.
Aufgabe 2
Nehmen Sie als Schätzung an, dass sich die globale Atmosphäre über die letzten 50 Jahre um 0.6°C, und
der Ozean sich um 0.03°C erwärmt hat. Die Wärmekapazität von Wasser ist 4284 J/kg°C, der Radius der
Erde ist 6378 km, und die mittlere Tiefe des Ozeans ist 3711 m. Die Wärmekapazität der Atmosphäre
entspricht einer Schicht von 3 m des Ozeans (für eine Meeresbedeckung von 70% der Erdoberfläche).
As an estimate, assume that the global atmosphere has warmed by 0.6°C over the last 50 years, and the
ocean has warmed by 0.03°C. The heat capacity of water is 4284 J/kg°C, the radius of the earth is 6378 km,
and the average depth of the ocean is 3711 m. The heat capacity of the atmosphere corresponds to a layer
of 3 m of the ocean (assuming 70% of the earth is covered by water).
a) Wie viel Energie wurde in den letzten 50 Jahre von der Atmosphäre aufgenommen? Wie viel vom
Ozean?
How much energy was taken up by the atmosphere over the last 50 years? How much by the ocean?
b) Skizzieren Sie die vertikale Verteilung der Temperatur für den globalen Ozean (mittlere Tiefe 3711 m),
und geben Sie ungefähre Werte für die Oberfläche und den tiefen Ozean an. Skizzieren Sie ebenfalls
die Verteilung der Erwärmung als Funktion der Tiefe.
Sketch the distribution of temperature versus depth in the global ocean (average depth of 3711 m), with
approximate values at the surface and the bottom. Sketch also the distribution of the warming signal
versus depth.
c) Wasser wärmer als 4°C dehnt sich aus, wenn es erwärmt wird, und führt zu einem Anstieg des
Meeresspiegels. Für eine fixe Energiezunahme, ist die Ausdehnung dieselbe wenn die Erwärmung im
tiefen Ozean geschieht, wie wenn sie nahe der Oberfläche geschieht? Falls nicht, in welchem Fall ist
sie grösser und warum?
Water above about 4°C expands when it is warmed, leading to sea level rise when the ocean is
warmed. For a fixed energy input, is the expansion the same whether the warming occurs in the deep
ocean or near the surface ocean? If not, in which case is the expansion larger and why?Aufgabe 3
a) Was verstehen Sie unter "Gross Primary Production" und "Net Primary Production"?
b) Wie schätzen Sie den Nettoaustausch von CO2 in produktiven Graslandsystemen im Jahresmittel?
Betrachte dazu folgende Abbildung. Es handelt sich um Messungen der Assimilation (d.h. der
Photosynthese) und der Ecosystemrespiration (autotroph und heterotroph), die im Jahr 2004 im
Schweizer Mittelland durchgeführt wurden. Negative, bzw. positive Werte bedeuten, dass das System
CO2 von der Atmosphäre aufnimmt, bzw. an die Atmosphäre abgibt. Die Einheiten sind [kg C ha-1 d-1].
c) Stellt das Graslandökosystem in diesem Beispiel eine Senke oder Quelle von atmosphärischem CO2
dar?
Aufgabe 4
a) Die Atmosphäre ist in grosser Höhe sehr kalt. Warum kommen im Ozean keine Temperaturen deutlich
unter 2°C vor?
At high altitude the atmosphere is very cold. Why do temperatures significantly below 2°C not occur in
the ocean?
b) Die Albedo von Wasser verändert sich stark mit dem Einstrahlungswinkel. Warum wird der
Sonnenstand mit Zunahme der Bewölkung unwichtiger für die Albedo?
The albedo of water varies strongly with the angle of the incoming radiation. Why does the position of
the sun become less important with increasing cloudiness?
c) Weder im Nordpazifik noch im Mittelmeer gibt es Tiefenwasserbildung. Erklären Sie die
unterschiedlichen Gründe.
There is no deepwater formation in the North Pacific and in the Mediterranean Sea. Explain the different
reasons.
Aufgabe 5
Nehmen Sie als Schätzung an, dass sich die globale Atmosphäre über die letzten 50 Jahre um 0.6°C, und
der Ozean sich um 0.03°C erwärmt hat. Die Wärmekapazität von Wasser ist 4284 J/kgK, der Radius der
Erde ist 6378 km, und die mittlere Tiefe des Ozeans ist 3711 m. Die Wärmekapazität der Atmosphäre
entspricht einer Schicht von 3 m des Ozeans (für eine Meeresbedeckung von 70% der Erdoberfläche).
As an estimate, assume that the global atmosphere has warmed by 0.6°C over the last 50 years, and the
ocean has warmed by 0.03°C. The heat capacity of water is 4284 J/kgK, the radius of the earth is 6378 km,
and the average depth of the ocean is 3711 m. The heat capacity of the atmosphere corresponds to a layer
of 3 m of the ocean (assuming 70% of the earth is covered by water).
a) Wie viel Energie wurde in den letzten 50 Jahre von der Atmosphäre aufgenommen? Wie viel vom
Ozean?
How much energy was taken up by the atmosphere over the last 50 years? How much by the ocean?
2b) Skizzieren Sie die vertikale Verteilung der Temperatur für den globalen Ozean (mittlere Tiefe 3711 m),
und geben Sie ungefähre Werte für die Oberfläche und den tiefen Ozean an. Skizzieren Sie ebenfalls
die Verteilung der Erwärmung als Funktion der Tiefe.
Sketch the distribution of temperature versus depth in the global ocean (average depth of 3711 m), with
approximate values at the surface and the bottom. Sketch also the distribution of the warming signal
versus depth.
c) Wasser wärmer als 4°C dehnt sich aus, wenn es erwärmt wird, und führt zu einem Anstieg des
Meeresspiegels. Für eine fixe Energiezunahme, ist die Ausdehnung dieselbe wenn die Erwärmung im
tiefen Ozean geschieht, wie wenn sie nahe der Oberfläche geschieht? Falls nicht, in welchem Fall ist
sie grösser und warum?
Water above about 4°C expands when it is warmed, leading to sea level rise when the ocean is
warmed. For a fixed energy input, is the expansion the same whether the warming occurs in the deep
ocean or near the surface ocean? If not, in which case is the expansion larger and why?
Aufgabe 6
a) In welcher Wellenlänge strahlt ein Stern maximal, wenn er eine Temperatur von 50'000 K hat?
At which wavelength is the intensity of the radiation at its maximum if a star has a temperature of 50'000
K?
b) Welche Art von Strahlung ist das?
What type of radiation is this?
c) Warum kann man aufgrund des Absorptionsspektrums auf die Elementverteilung des Sterns
schliessen?
Why is it possible to make a conclusion on the elemental distribution of a star when looking at the
absorption spectrum?
d) Was ist das Problem wenn man das Absorptionsspektrum eines Sterns hier auf der Erde analysieren
will?
What is the difficulty if one wants to analyze the absorption spectrum of a star on the surface of the
earth?
Aufgabe 7
Betrachten Sie die folgende Darstellung der globalen Energiebilanz.
Consider the following representation of the global energy balance.
a) Geben Sie drei Gründe an, warum Wasserdampf für die globale Energiebilanz wichtig ist. Hinweis: in
welchen der in Abbildung 2 skizzierten Prozessen spielt Wasserdampf eine Schlüsselrolle?
Gives three reasons why water vapor is important in terms of the global energy balance. Hint: in which
of the processes portrayed in Figure 2 does water vapour play a key role?
2
b) Die langwellige Rückstrahlung beträgt 324 W/m . Wie hoch ist die entsprechende Emissionstemperatur,
unter der Annahme dass der Emissionskoeffizient der Atmosphäre im globalen Mittel 0.85 beträgt?
2
The longwave atmospheric back-radiation amounts to 324 W/m . Assuming that the emission coefficient
of the atmosphere is equal to 0.85 in the global average, what is the corresponding emission
temperature?
c) Welcher Höhe in der Atmosphäre entspricht diese Temperatur? Nehmen Sie einen linearen
Tempraturverlauf mit einem Temperaturgefälle (die Abnahme der Temperatur mit der Höhe) von -
0.0065°C/m an. Die globale mittlere Oberflächentemperatur beträgt 15° C.
3To which height in the atmosphere does this temperature correspond? Assume a linear temperature
profile with a lapse rate (the rate at which temperature decreases with height) for the standard
atmosphere of -0.0065°C m-1. The global average surface temperature is 15° C.
d) Erklären Sie kurz die Prozesse, welche die atmosphärische Rückstrahlung verursachen?
Explain briefly the processes causing the atmospheric back-radiation?
Abbildung 2: Globale Energiebilanz der Atmosphäre und der Erdoberfläche
Figure 2: Global energy balance of the atmosphere and Earth’s surface
Aufgabe 8
a) Betrachten Sie einen vertikal stabil geschichteten Ozean. Dann vermischen sich zwei Wassermassen
an der Oberfläche und das vermischte Wasser sinkt. Wie ist das möglich?
Consider a vertically stable stratification in the ocean. Then two water masses at the surface mix and
the new water mass is sinking. How is that possible?
b) Eine bestimmte Menge Energie wärmt den Ozean nahe der Oberfläche. In einem zweiten Fall wärmt
dieselbe Menge den tiefen Ozean auf. Was geschieht mit dem globalen Meeresspiegel in den beiden
Fällen? Warum?
A certain amount of energy is used to heat the ocean near the surface. In a second case the same
amount of energy is used to heat the deep ocean. What happens to global sea level in the two cases?
Why?
c) Wie würden sich Temperatur und Niederschlag in Europa verändern, wenn die thermohaline Zirkulation
abstellen würde? Warum?
How would we expect temperature and precipitation in Europe to change, if the thermohaline circulation
were to shut down? Why?
d) Der Golfstrom wird oft mit der thermohalinen Zirkulation gleichgesetzt. Der Ozeanograph Carl Wunsch
sagte jedoch vor einigen Jahre, dass der Golfstrom nicht abstellt so lange die Erde sich dreht. Erklären
Sie dieses Argument.
The Gulf stream and the thermohaline circulation are often considered to be the same thing. The
oceanographer Carl Wunsch however said a few years ago that the Gulf stream would not stop as long
as the Earth rotates. Explain this argument.
4Aufgabe 9
Folgende Abbildung zeigt die Korrelation zwischen Temperatur und Evapotranspiration.
The following figure shows the correlation between temperature and evapotranspiration.
a) Warum ist die Korrelation zwischen Temperatur und Evapotranspiration über der Region A negativ und
über der Region B positiv?
Why is the correlation between temperature and evapotranspiration in region A negative and in B
positive?
b) Untenstehende Abbildung zeigt die Temperaturverteilung für die Region B mit dem Mittelwert µ und
Varianz σ. Extremereignisse sind definiert als diejenigen ausserhalb des Bereiches der mit roten Linien
eingegrenzt ist. Nehmen Sie an, dass die Varianz σ konstant ist. Wie verändert sich diese
Temperaturverteilung durch eine Erwärmung? Wie verändern sich die Extremereignisse bzw. die
Wahrscheinlichkeit für Extremereignisse? Skizzieren Sie und beschreiben Sie qualitativ.
The figure below shows the temperature distribution for region B with a mean µ and variance σ.
Extreme events are defined as those outside the range marked with the red lines. Assume that the
variance σ is constant. How does the distribution change with a warming trend? How do the extreme
events and their probability change? Sketch below and describe qualitatively.
Aufgabe 10
a) Welche Grösse wird zu Rate gezogen, um herauszufinden ob eine Strömung laminar oder turbulent ist?
To find out if a flow is laminar or turbulent, which quantity can you consider?
b) Der Wind bläst mit 5 m/s und wir befinden uns auf der Höhe eines Busches, 1 Meter über dem Boden.
Die Viskosität ist 10-5 m2/s. Herrscht hier laminare oder turbulente Strömung? Warum?
The wind blows with 5 m/s and we are at the height of a 1 meter shrub, the viscosity is 10-5 m2/s. Do
we have a laminar or a turbulent flow? Why?
5c) Es herrscht Nebel in Zürich. Was kann man über die vertikale Verteilung der potentiellen Temperatur
aussagen? Was kann man über die relative Feuchte unter der Nebelgrenze (im Nebel) aussagen?
Begründen Sie kurz.
We have fog in Zurich. What can you say about the vertical distribution of potential temperature? What
can you say about the relative humidity below the upper boundary of the fog? Explain briefly.
Aufgabe 11
Nennen Sie 2 Gründe warum die Kryosphäre für das globale Klimasystem relevant ist.
Give two reasons why the cryosphere is relevant for the global climate system.
Aufgabe 12
a) Sonnenstrahlen treffen auf eine horizontale Fläche. Der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und
der Vertikalen (normal zur Ebene) in Medium 1 beträgt 50 Grad. Im Medium 2 beträgt der Winkel
zwischen dem weggehenden Strahl und dem Lot 35 Grad. Was ist der Brechungsindex des zweiten
Mediums wenn der Brechungsindex des ersten Mediums 1.29 ist?
Rays from the sun hit a horizontal plane. The angle between the incoming ray and the vertical (normal
to the plane) is 50 degrees in medium 1. The angle between the outgoing ray and the vertical in
medium 2 is 35 degrees. The refractive index of medium 1 is 1.29. Calculate the refractive index of
medium 2.
b) Wird die Oberflächenalbedo von Wasser am Mittag am Äquator unter mehr Wolken grösser oder
kleiner? Begründen Sie kurz.
At noon at the equator, is the surface albedo of water increasing or decreasing with more clouds?
Explain briefly.
c) Nehmen wir an, dass der Gefrierpunkt von Wasser bei –15° C liegt. Die restlichen atmosphärischen
Grössen werden nicht verändert. Wie und wo ändert sich die Oberflächen-Nettostrahlung stark? Wie
ändert sich die Temperatur global?
Assume that the freezing point of water is at –15°C. All other atmospheric parameters are unchanged.
Where and in what way is the net surface radiation changing strongly? How does this affect the global
temperature?
Aufgabe 13
Die globalen Ozeane sind vom energetischen Standpunkt her eine der Schlüsselgrössen welche das globale
Klima beeinflussen. Sie sind massgebend für die Speicherung, Verteilung und das Freisetzen von Energie.
The global oceans are from an energy point of view one of the key components affecting global climate.
They are most important for long-term storage, transport and release of energy.
a) Der grösste Anteil des Tiefenwassers, welches das Globale Förderband (thermohaline Zirkulation)
antreibt, entsteht in den polaren Regionen der südhemisphärischen Ozeane und dem Nord Atlantik.
Warum wird im Nordpazifik kein Tiefenwasser produziert? Führen Sie zwei Gründe an.
Most deep water driving the global conveyer belt (thermohaline circulation) is produced in the polar
Southern Hemisphere Oceans and the North Atlantic. Why is there no production of deep water in the
North Pacific? Give two reasons.
b) Wird die Produktion von Tiefenwasser, bzw. die Thermohaline Zirkulation im Nordatlantik durch den
Klimawandel tendenziell verstärkt oder abgeschwächt?
Would climate change tend to increase or decrease the North Atlantic deepwater formation or
thermohaline circulation respectively? Name two of the main mechanisms?
6c) Nehmen Sie an die globalen Ozeane und die globale Atmosphäre werden uniform um 1 K erwärmt. Die
Wärmekapazität von Salzwasser ist 4284 J/kg*K, der Radius der Erde ist 6378 km und die
durchschnittliche Tiefe der Ozeane beträgt 3711 m. Die mittlere Dichte des Meerwassers ist 1.02
g/cm3, verwenden Sie ausserdem 70% Bedeckung als Schätzung für den Anteil der Ozeanoberfläche
an der Gesamtfläche der Erde. Die Wärmekapazität der Luft ist 1005 J/kg*K und ihre Spezifische
Masse ist 104 kg/m2.
Berechnen Sie den Prozentsatz der Energie welcher benötigt wird um die Temperatur der Atmosphäre
um 1 K zu erhöhen im Verhältnis zur Energie die für die Erwärmung des Ozeans um 1 K benötigt wird.
Assume that the global atmosphere and global oceans have warmed uniformly by 1 K. The heat
capacity of saltwater is 4284 J/kg*K, the radius of the earth is 6378 km, and the average depth of the
ocean is 3711 m. The mean density of the seawater is 1.02 g/cm3, also use 70% coverage as an
estimate for the ocean area. The heat capacity of air is 1005 J/kg*K and the specific mass is 104 kg/m2.
Calculate the percentage of energy used to heat the atmosphere by 1 K in relation to heat the oceans
by 1 K.
Aufgabe 14
Figur 1 zeigt dem atmosphärischen CO2 Gehalt, gemessen am Mauna Loa Observatorium, auf der Insel
Hawaii in einer Höhe von 3,440 Metern über dem Meer.
Figure 1 shows the atmospheric CO2 content measured at Mauna Loa Observatory, on the island of Hawaii
at an elevation of 3,440 meters above sea level.
a) Was hat zum langfristigen Anstieg von CO2 geführt?
What led to the long-term increase of CO2?
b) Wie erklären Sie die kurzfristigen Zu- und Abnahmen?
How do you explain the short-term up’s and down’s?
Aufgabe 15
a) Geben Sie je ein Beispiel für ein Klimavariabilitäts-Phänomen auf interannueller Zeitskala und eines auf
einer Zeitskala von zehntausenden von Jahren. Was sind die Antriebskräfte und relevanten Prozesse?
Give a prominent example of climate variability in interannual timescale and one on timescales of ten
thousands of years. What are the driving mechanisms and processes?
b) Würden Sie erwarten, dass man einen menschlichen Einfluss besser für ein Ereigniss mit einer
Rückkehrperiode mit einem Jahr erkennt oder für eines mit 10 Jahren? Warum?
Would you expect to detect a human influence more easily in an event with a return period of one year
or of 10 years? Why?
7Aufgabe 16
a) Nehmen wir an, wir könnten den Gefrierpunkt von Wasser um 5 Grad Celsius erhöhen. Wie ändern sich
die Strahlungsbilanz und die Temperatur global? Und was passiert in der Arktis?
Assume we could increase the freezing point of water by 5 degrees Celsius. How would the radiation
balance and temperature change globally? What would happen in the Arctic?
b) Sonnenstrahlen treffen auf eine horizontale Fläche, der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und
der Vertikalen (Lot, normal zur Ebene) beträgt 40 Grad. Im anderen Material beträgt der Winkel
zwischen dem weggehenden Strahl und dem Lot 30 Grad. Was ist der Brechungsindex des Materials
wenn der Brechungsindex von Luft eins ist?
Sunlight hits a horizontal surface, the angle between the incoming ray and the vertical (normal to the
surface) is 40 degrees relative. In the other material the outgoing ray encloses an angle of 30 degrees
relative to the vertical. What is the refraction index of the material if the refraction index of air is one?
Aufgabe 17
a) Was sind die Hauptantriebe der thermohalinen Zirkulation? Begründen Sie kurz.
What are the main driving mechanisms of the thermohaline circulation? Explain briefly.
b) Weshalb wird im Nordpazifik kein Tiefenwasser produziert? Nennen Sie die alle wichtigen Gründe.
What is the reason that in the northern Pacific no deep water is produced? Name all important effects.
c) Was wären die Auswirkungen für die Temperatur und den Niederschlag in Europa falls die thermohaline
Zirkulation stoppen würde? Begründen Sie kurz.
What are the consequences for temperature and precipitation in Europe if the thermohaline circulation
would stop? Explain briefly.
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