Das Klima im Computer

1. Das Klima im Computer André Paul

2. Übersicht • Physikalischen Grundlagen des Klimas • Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung • Treibhauseffekt • Einfache Klimamodelle • Planet X • Ergebnisse realitätsnaher Klimamodelle

3. Land Vegetation Ozean Atmosphäre Eis From Apollo 17 flight, 7 December 1972

4. Klimamodell

5. Sonne Natürlicher Antrieb

6. Erde Wie ist ihre Antwort?

7. Modellbildung • Mathematische Beschreibung • Parametrisierung Entweder • Analytische Lösung oder • Diskretisierung • Numerische Lösung

8. Solarkonstante • Strahlungsflussdichte in einem bestimmten Abstand von der Sonne • Im mittleren Abstand der Erde von der Sonne (d = 1.496x1011 m): (Wert nach Hartmann 1994)

9. Ein kugelförmiger Planet blendet aus dem Strahlungsfluss der Sonne gerade die Schattenfläche aus [Abbildung 2.2 aus Hartmann (1994)].

10. Entspricht ungefähr 6 Glühlampen je 60 Watt, die eine Fläche von einem Quadratmeter bescheinen Sonneneinstrahlung • Sonneneinstrahlung für die Erde:

11. Reflektierte Sonnenstrahlung Reflektierte Sonneneinstrahlung Erde

12. Ozean Meereis Schmelzwasser Landeis

13. Wieviel Sonnenstrahlung wird reflektiert? • Wasser: 5-20% • Feuchter, dunkler Boden: 5-15% • Trockener Boden, Wüste: 20-35% • Meereis ohne Schnee: 25-40% • Trockener Neuschnee: 70-90%

14. Reflexionsvermögen oder “Albedo” (“Wie weiß ist die Erde?”) • Die Erdoberfläche reflektiert im Mittel rund 30% der Sonnenstrahlung:

15. Was passiert mit der Erdoberfläche? Reflektierte Sonneneinstrahlung 0.3 Erde

16. Wärmestrahlung Wärmestrahlung Herdplatte Temperatur Ts

17. Je höher die Temperatur Ts, desto größer die Wärmestrahlung . Herdplatte Temperatur Ts

18. Wärmestrahlung Temperatur T s Das Gesetz von Stefan-Boltzmann: mit der Stefan-Boltzmann- Konstante Tsist die “absolute Temperatur” in K:

19. Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Erde

20. Sonnenstrahlung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Erde

21. Wie warm wird die Erdoberfläche? Sonneneinstrahlung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Temperaturänderung?

22. Beispiele: Wasser - cp= 4182 J kg-1 K-1, Boden, anorg. Material - cp~ 733 J kg-1 K-1 • Hängt ab von • von der Wärmekapazität der Erdoberfläche • von der Zeitdauer, während der die Energiebilanz positiv ist.

23. Mathematische Gleichung

24. Parametrisierung • Vereinfachte Darstellung komplexer Prozesse

25. Diskretisierung Zeitliche Diskretisierung: “Euler vorwärts” oder “Forward in Time (FT)”

26. Numerische Lösung • Algorithmus in einer Programmiersprache formulieren

27. Planet X • Aufgabe 1: Berechne den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur mit dem Klimamodell planet_x. • Schreibe deine Einstellungen und Beobachtungen. • Verändere die “Ozeantiefe” zum Beispiel zwischen 10 und 120 m. Wie ändert sich der zeitliche Verlauf? Wie ändert sich die Endtemperatur? • Verändere die “planetare Albedo” zwischen 0.058 (Merkur) und 0.71 (Venus). Wie ändert sich die Endtemperatur? • Du kannst auch noch mit Zeitschritt, Laufzeit und Anfangstemperatur experimentieren.

28. Die gemessene Oberflächentemperatur für die Erde ist ungefähr 15°C. • Warum ist der Planet X so kalt? • Was muss er tun, damit ihm wärmer wird?

29. Energiebilanz = Energiegewinn - Energiverlust Energieverlust Energiegewinn

30. Beispiel Treibhaus Energiebilanz = Energiegewinn - Energiverlust Energieverlust Energiegewinn

31. Treibhauseffekt Energiequelle Energieverlust Energiegewinn

32. Die Atmosphäre eines Planeten wirkt wie: • eine warme Decke • das Glasdach eines Treibhauses

33. Zusammensetzung der Atmosphäre • Was die Atmosphäre enthält: • Stickstoff (78%) • Sauerstoff (21%) • Wasserdampf (variabel) • Kohlendioxid (1990: 353 ppmv - Teile pro Million nach Volumen) • Methan (1990: 1.72 ppmv) • Welche Gase verursachen den Treibhauseffekt?

34. Wir müssen in das Modell des “Planeten X” eine Parametrisierung des Treibhauseffekts einbauen.

35. „Fensterstrahlung“ Ausstrahlung der Atmosphäre Sonneneinstrahlung Atmosphärentemperatur TA Gegenstrah-lung Reflektierte Sonnen-strahlung Wärmestrah-lung Oberflächentemperatur Ts

36. Planet X mit Treibhauseffekt • Aufgabe 2: Berechne die Oberflächen-und Atmosphärentemperatur mit dem Klimamodell planet_x mit eingestelltem Treibhauseffekt und • mit einem “Ausstrahlungsvermögen der Atmosphäre” von 77.5 % (0.775), • mit Werten für das Austrahlungsvermögen zwischen 0 und 100 % (1.0).

37. Planet X mit Treibhauseffekt • Um wieviel muss man das Austrahlungsvermögen vergrößern, um eine Erhöhung der Oberflächentemperatur von 15°C auf 18°C zu erreichen?

38. Geschichte des atmosphärischen Kohlendioxids Wert für 2006 = 381 Anstieg von 0.45% pro Jahr in jüngerer Vergangenheit Zunahme um 35% seit der industriellen Revolution CO2-Konzentration in Teile pro Million (ppm) vorindustrieller Wert = 275 Mauna Loa grönlandischer Eiskern Jahr Dennis Hartmann, University of Washington

39. Data from Petit,et al. (1999), and GISS (2003) Previous Warm Periods Previous Glacial Periods 2000 1990 1980 1970 1960 1750 Vostok, Antarctica Ice Core UW Atmospheric Sciences

40. Worauf geht der vom Menschen verursachte Treibhauseffekt zurück?

41. Was wir alles vergessen haben… Kiehl and Trenberth (1997)

42. Energy Flow in the Climate System UW Atmospheric Sciences

43. Was wir alles vergessen haben… Zum Beispiel: • Wärmetransport durch • die Winde • die Meeresströmungen • Eis-Albedo-Rückkopplung • Wolkenrückopplung.

44. Beobachtetes Druckfeld und Windfeld an der Erdoberfläche [Abb. 5.4a aus Kraus (2004)].

45. Falschfarbenbild der Meeresoberflächentemperatur im nordwestlichen Atlantischen Ozean zeigt Wirbel und Strommäander des Golfstroms an der nordamerikanischen Ostküste [s. Abb. 7.9 in Hartmann (1994)]

46. Rolle des Ozeans: Aufnahme, Transport und Freigabe von Wärme Tiefenwasser- bildung Einheiten sind „Sverdrups“ (Sv, Millionen Kubikmeter pro Sekunde). Beachte Absinken im Nordatlantischen Ozean [Tafel 4b aus Alley et al. (2003)].

47. Rückkopplungen im Klimasystem Eis-Albedo-Rückkopplung Erhöhe Temperatur Erhöhe solare Absorption Schmelze Eis Eis-Albedo-Rückopplungs- schleife Die Eis-Albedo-Rückkopplung verstärkt die Empfindlichkeit des Klimas um rund 30%. Dennis Hartmann, University of Washington

48. Wolkentypen

49. Beispiel für ein Bild aus dem „Karlsruher Wolkenatlas“ (www.wolkenatlas.de): Altocumulus, der sich in einer Höhe zwischen 6000 und 7000 befindet.

50. Rückkopplungen im Klimasystem Wolkenrückkopplung Erhöhe Temperatur Ändere Wolken Ändere Energiebilanz Wolkenrückopplungs- schleife Potentiell wichtig, aber weder Vorzeichen noch Betrag bekannt. ? Dennis Hartmann, University of Washington