Mikroklimatologie by Atsumu Ohmura & Andreas Roesch

1. Mikroklimatologieby Atsumu Ohmura & Andreas Roesch

2. Zuerst das Administrative… • Büro: CHN-Gebäude, N-Stock, N16.3 • Bitte fragen, wenn etwas nicht klar ist • Vorlesung mit Powerpoint (Versuchsphase) • Vorlesung fällt am 6. Dezember aus (Verschiebedatum?) • Vorlesungsnotizen und weitere Unterlagen können runtergeladen werden via ftp cui.ethz.ch (Username: anonymous, PW: emailadresse) cd /pub_read/aroesch (in den richtigen Ordner wechseln) ls (listet Inhalt auf) get <filename> (holt entsprechendes File auf den eigenen Rechner) quit (Verlassen der ftp-Umgebung) ODER: Zuschicken per Email (=> Angabe der Emailadresse zwingend)

3. Inhalt der Vorlesung: 1 Einleitung 2 Strahlungsbilanz und Prozesse 3 Strahlungsgesetze in der Atmosphäre ------------------------------------------------------- 4 Turbulenter Transport in der Atmosphäre 5 Wärmeleitung im Boden 6 Kurzwellige Einstrahlung auf geneigte Flächen

5. Motivation • Globale Temperatur hängt von der Strahlungsbilanz ab • Wetter und Klima werden durch die Strahlungsflüsse stark beeinflusst • Veränderungen in der Atmosphäre (z.B. CO2-Anstieg oder Aerosolemission durch Waldbrände) ändern Strahlungsbilanz -> Klimaänderung

6. Solarkonstante S Strahlungsfluss der Sonnenstrahlung am Oberrand der Atmosphäre bei einem “durchschnittlichen Abstand Sonne-Erde (149.6 . 106 km) S = 1368 Wm-2 99.99% der Intensität wird durch Wellenlängen zwischen 0.2 mm und 25mm beigesteuert. Die Oberfläche der Sonne strahlt mit einer Leistung von P=63 MW/m2 -> in einer Stunde wird die Energie von E=Pt=63 000 kWh abgestrahlt (entspricht etwa dem Energieinhalt von 6300 Litern Heizöl -> 1 Jahr lang 3 konventionelle Einfamilienhäuser beheizbar).

8. Kurzwellige Sonneneinstrahlung an der Atmosphärenobergrenze im Verlaufe des Jahres für unterschiedliche Breitenkreise (Wm-2) Zürich

9. Elektromagnetisches Spektrum Zunehmende Energie E (=hn), d.h. zunehmende Frequenz, l=c/n) Maximale Ausstrahlung der Erdoberfäche (l≈10mm) Langwellige Mittelwellen Kurzwellen Ultrakurzwellen weich Röntgenstrahl. hart Netzfrequenzen Tonfrequenzen Mikrowellen Infrarotstrahlung Sekundäre Höhenstrahlung Gammastrahlung Ultraviolette strahlung Maximale Ausstrahlung der Erdoberfläche l≈0.5mm

10. Einteilung der kurzwelligen Strahlung • (nach Wellenlängenbereichen) • Ultraviolette (UV) Strahlung • UV-C 0.20-0.28 mm (vollständig von O3 absorbiert) • UV-B 0.28-0.32 mm (gefährlich -> Hautkrebs) • UV-A 0.32-0.40 mm (Hautbräunung, Stärkung des Immunsystems) Sichtbare Strahlung 0.40-0.74 mm Nahes Infrarot IR-A 0.74-1.4 mm IR-B 1.4-4.0 mm

11. Einteilung der Strahlung (nach Ursprung) • Kurzwellige Strahlung (Quelle: Sonne, Wellenlänge < 4mm) • Weitere Unterteilung in • Direkte Strahlung • Diffuse Strahlung • Reflektierte Strahlung Langwellige Strahlung (Quelle: Erde/ Atmosphäre, Wellenlänge > 4mm) • Weitere Unterteilung in • langwellige Ausstrahlung • langwellige Einstrahlung

12. 90N 90N 90N 0 30S 60S 90S

18. Absorption, Streuung & Emission

19. Streuung Unter Streuung versteht man in der Physik allgemein die Ablenkung eines Objekts durch Wechselwirkung mit einem lokalen anderen Objekt (Streuzentrum). Beispiele sind die Streuung von Licht an Atomen oder Feinstaub, oder von Elektronen an anderen Elektronen. Man unterscheidet zwischen elastischer und inelastischer Streuung. Bei elastischer Streuung ist die Summe der kinetischen Energien nach den Stoß gleich groß wie vorher, während sie sich bei inelastischen Streuungen ändert. Die Länge der Pfeile bezeichnen die Intensität des gestreuten Lichts Die Beziehung zwischen Streuwinkel und Lichtintensität heisst Phasenfunktion Molekül Lichtstrahl

20. Spezialfälle der Streuung Elektromagnetische Welle - Elementarteilchen * Thomson-Streuung: elastische elektromagnetische Streuung an (quasi)freien Elektronen. * Compton-Streuung: Wie Thomson-Streuung, aber inelastisch, d.h. mit Übertragung von Energie. Elektromagnetische Welle - Materie * Rayleigh-Streuung: elastische (keine Energieübertragung) elektromagnetische Streuung an Objekten, die kleiner sind als deren Wellenlänge, auch Dipolstreuung. * Mie-Streuung: Elektromagnetische Streuung an Objekten in der Größenordung der Wellenlänge, auch Lorenz-Mie-Streuung * Raman-Streuung: inelastische Streuung an Atomen, Molekülen oder Festkörpern. Materie - Materie * Rutherford-Streuung: Alphateilchen an Festkörper * Neutronenstreuung: Neutron an Festkörper * Elektronenbeugung: Elektron an Festkörper

21. Absorption • Der Begriff Absorption (lat.: absorptio bzw. absorbere = ab-, (auf-)saugen) bezeichnet im Allgemeinen das Aufsaugen, das In-sich-Aufnehmen von etwas. Absorbieren bedeutet aufnehmen, und zwar Aufnehmen von Energie • Moleküle können nur Strahlungsteilchen (Photonen) mit einer Energie (hn) aufnehmen, falls ein höherer Zustand des Moleküls gerade um hn energiereicher ist als sein momentaner Zustand. Da nur diskrete Aenderungen der Energie des Moleküls möglich sind, spricht man von selektiver Absorption (d.h. nur bei bestimmten Wellenlängen) -> vgl. Analogon “Minigolfanlage”

22. Absorption (ff) Die absorbierten Photonen können verschiedeneEnergie-änderungen (aber jeweils nur in diskreten Schritten) im Atom oder Molekül bewirken. • Übergang eines Elektrons in eine äussere Bahn (Bohr’sches Modell, siehe z.B. Bohr'sches Atommodell oder Bohr'sches Modell II). Verursacht durch g-Strahlung, Röntgenstrahlung, UV und sichtbare Strahlung. • Zunahme der Vibration, verursacht durch nahes Infrarot und thermische Strahlung. • Selten: Drehung eines asymmetrischen Moleküls -> Änderung des magnetischen Drehmoments, welches gemäss der Quanten-mechanik nur diskrete Werte annehmen kann. Verursacht durch thermisches Infrarot und Mikrowellen.

23. Methan Stickstoffdioxid Ganze Atmosphäre

24. Sonnenspektrum und Absorptionsbänder Sonnenspektrum ausserhalb Atmosphäre Sonnenspektrum auf Meereshöhe (wolkenlos) sdt j Y W c The solar spectrum. The upper graph is for radiation outside the atmosphere; the lower graph is for radiation received at the earth's surface under a clear sky. Absorption bands by gases in the atmosphere are indicated by chemical formulas.

25. Emission Als Emission (von lat. emittere = aussenden) bezeichnet man in der Physik zumeist die Aussendung von sichtbarem Licht und anderen elektromagnetischen Wellen, oft auch allgemeiner die Aussendung von atomaren oder subatomaren Teilchen (insbesondere in der Kern- und Teilchenphysik). In der Akustik spricht man auch von Schallemissionen. Seltener ist in der Physik auch von Gas-, Staub- oder Schadstoffemissionen die Rede (vor allem in der Astronomie und Umweltphysik).

26. Klassifikation Spontane Emission Ein Teil der Atome (oder Moleküle, Ionen) befinde sich im angeregten Zustand 2. Ohne eine äußere Beeinflussung kehren sie spontan in den Grundzustand 1 nach einer mittleren Verweildauer t zurück. Spontane Übergänge können natürlich nur von höheren zu tieferen Energieniveaus stattfinden und nicht umgekehrt. induzierte Emission Befindet sich ein Atom (Molekül, Ion) im oberen Niveau E2 so kann es unter Einwirkung eines äusseren Strahlungsfeldes vom Niveau E2 in das Niveau E1 übergehen unter stimulierter Emission eines Photons der Energie hn = E2-E1. Bsp.: Laserlicht

27. Höherer Energiezustand E2 hn=E2-E1 -> Emission Niedrigerer Energiezustand E1

29. Klassifikation (nach Entstehungsart) Thermische Emission Aussendung von Strahlung eines kontinuierlichen Spektrums aufgrund Wärmebewegung der Atome. Spektralverteilung abhängig von absoluter Temperatur und Absorptionseigenschaften. Ideal schwarzer Körper -> Planck’sches Gesetz. Emission durch freie Atome/Moleküle Emissionslinien=klar definierte einzelne Spektrallinien (induziert durch Elektronenübergänge). Emission von Radiowellen Induziert durch elektrische Wechselströme (bspw. in Sendeantennen von Funk- und Radiostationen), da beschleunigte elektrisch geladene Teilchen elektromagnetische Wellen aussenden. Emission von Teilchen z.B. radioaktiver Zerfall: Emission von Elektronen-> b-Strahlung, Heliumkernen (a-Strahlung), Positronen, Neutronen, Neutrinos.

30. Difference between scattering and reflection Scattering occurs whenever a photon hits a small obstacle without being absorbed Reflection occurs whenever a photon encounters larger objects like the surface of the Earth without being absorbed

31. Oberflächenalbedo: reflektierte kurzw. Strahlung/ einfallende kurzw. Strahlung

32. Strahlungsbilanz

33. Solar radiation - without clouds TOA incoming solar radiation Raleigh scattering Atmospheric absorption Surface reflection

34. Solar radiation - with clouds Planetary albedo (30) 20 6 4 100 (342 Wm-2) Raleigh scattering Cloud reflection Atmospheric absorption (16) (H20, dust, ozone) Mie scatter reflected by surface Cloud absorption (4) Multiple reflection Surface reflection Absorbed by the surface: 51

38. Strahlungsgesetze

39. Geschichtliche Entwicklung 1760: Beer’sches oder Bouguer’sche Gesetz Änderung des Strahlungsflusses durch Absorption und Streuung 1860: Begriff schwarzer Körper (Körper absorbiert alle einfallende Strahlung) 1868: Gesetz von Kirchhoff Quotient der Emission und des Absorptionskoeffizienten ist für eine bestimmte Wellenlänge nur eine Funktion der Temperatur 1879: Gesetz von Stefan Experimentell: der Strahlungsflusses von einem schwaren Körper ist proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur 1884: Gesetz von Stefan wird durch L. Boltzmann theoretisch bestätigt. 1900: Planck’sches Gesetz gibt die Funktion aus dem Gesetz von Kirchhoff explizit an 1906: Schwarzschild’sche Gleichung Strahlungsänderung bei einem Medium, das emittiert und gleichzeitig absorbiert (ohne Streuung) -> langwellige Strahlung in der Atmosphäre

40. Schwarzer Körper • idealisiertes Gedankenmodell der Physik. • Realisierung (angenähert): Hohlkugel oder geschlossener hohler Zylinder mit geschwärzter und aufgerauhter Oberfläche und einem winzigem Loch • Grundlage für - theoretische Betrachtungen - Referenz für praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung. • Begriffsentstehung • Der Begriff "schwarzer Körper" wurde 1862 von Gustav Kirchhoff geprägt. • Eigenschaften • nimmt auftreffende elektromagnetische Strahlung vollständig auf (Absorption). • Gibt aufgrund seiner thermischen Energie (Temperatur) Strahlung einer bestimmten spektralen Verteilung ab (Emission). • Keine Reflektion, keine Streuung, keine Transmission • In der Realität können diese Eigenschaften nur annähernd auftreten (Bsp.: Weltall)

41. Eigenschaften realer Strahler Es gilt für alle Körper: A+T+R =1

42. Beer’sches Gesetz

43. Einige Definition Extinktion: Abschwächung elektromagnetischer Strahlung beim Durchgang durch Materie Die Extinktion hat i.a. zwei Beiträge: Absorption und Streuung Die Extinktion wird durch den Extinktionskoeffizienten kl beschrieben kl = k(l) = ka(l)+ks(l), wobei ka(l) Absorptionskoeffizient ks(l) Streukoeffizient l Wellenlänge Der Extinktionskoeffizient gibt die Extinktion der Strahlung pro Längenheit an (für eine Dichte von 1 kgm-3) -> Einheit= [Länge]/[Dichte]=[m2/kg]. Sämtliche Koeffizienten sind von der Wellenlänge l der Strahlung abhängig.

44. Einige Definition (ff) Transmission: Durchlässigkeit eines Mediums.

45. Einige Definition (ff) Optische Luftmassem= secq=1/cos(q) , q = Zenithwinkel der Sonne Refraktion und Kugelgestalt der Erde sind hier vernachlässigt. Für q>70o genauere Approximationen verwenden, z.B. (Kasten, 1966)

46. Beer’sche Gesetz Il0 0 Il dz dI=-Ilrkldz (1) z Il-Ilrkldz Integration von (1) mit den Randbedingungen Il=Il0 bei z=0 und Il=Il bei z=z ergibt

47. Beer’sche Gesetz (ff) Il0 0 Il q dI=-Ilrklm dz (1) dz mdz z Il-Ilrklmdz m = optische Masse ≈ 1/cos(q)=secq

49. Gesetz von Kirchhoff

50. Kirchhoff’sches Gesetz • Unter der Annahme des thermodynamischen Gleichgewichts müssen der Absorptionskoeffizient kl und das Emissionsvermögen el gleich sein • Für einen schwarzen Körper ist die Absorption und Emission maximal: