Einführung in die Meteorologie I

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Clemens Simmer

Einführung

in die Meteorologie I

- Teil IV: Meteorologische

Zustandsvariablen -

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Gliederung der Vorlesung

0 Allgemeines I Einführung

II Zusammensetzung und Aufbau der Atmosphäre III Strahlung

IV Die atmosphärischen Zustandsvariablen V Thermodynamik der Atmosphäre

--- VI Dynamik der Atmosphäre

VII Atmosphärische Grenzschicht

VIII Synoptische Meteorologie

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3 IV Die atmosphärischen Zustandsvariablen

IV.1 Luftdruck

IV.2 Windgeschwindigkeit IV.3 Temperatur

IV.4 Feuchte

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IV.4 Feuchte

1. Bedeutung der Feuchte 2. Feuchtemaße

3. Temperatur- und Feuchtefelder nahe am Erdboden

4. Feuchtemessung

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5 Bedeutung der Luftfeuchte (1)

• Die Feuchte oder Luftfeuchte bezeichnet den Gehalt der Luft an gasförmigem Wasserdampf.

• Wasser ist der einzige Stoff, der unter Erdoberflächenbedingungen in drei Phasen vorkommt.

• Durch seine Phasenübergänge trägt Wasserdampf die Energie, die zu seiner Verdunstung bzw. zum Schmelzen von Eis benötigt werden in sich, die latente Wärme.

Quelle: Bauer u. a. 2002, S. 89

• Beim Kondensieren von

Wasserdampf zu Wasser und beim Gefrieren von Wasser zu Eis wird diese latente Wärme wieder

freigesetzt.

• Bei Sublimation bzw. Deposition wird die latente Wärme von beiden Phasenübergängen benötigt bzw.

wieder freigesetzt.

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Bedeutung der Luftfeuchte (2)

• Durch die möglichen Phasenübergänge ist insbesondere der Wasserdampftransport immer auch ein verdeckter (latenter) (Wärme-) Energietransport.

• Die Freisetzung latenter Wärme bei Kondensation, Deposition und Gefrieren ist ein wesentlicher Antrieb für viele atmosphärische Prozesse , z.B.

– Hadley-Zirkulation der Tropen – tropische Zyklonen (vorwiegend) – Zyklonen der Mittelbreiten (ca. 30%) – Gewitter (vorwiegend)

• Wasserdampf absorbiert solare Strahlung und trägt somit zur Strahlungserwärmung der Atmosphäre bei.

• Wichtiger ist jedoch seine Absorption und Emission langwelliger

Strahlung, die ihn zum wichtigstes Treibhausgas macht.

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7 Bedeutung der Luftfeuchte (3)

• Wasserdampf ist durch seine Quellen und Senken ein stark variabler Gasbestandteil der Atmosphäre mit lokal maximal 4 Volumenprozent (im Kochtopf 100%!), insgesamt aber nur 0,3%.

• PW (precipitable water = Gesamtwasserdampfgehalt in der Säule) beträgt im Mittel 25 kg/m

²

; das

entspricht also einer 25 mm hohen Wassersäule.

• Der Gesamtwasserdampf-

gehalt hat bedingt durch die Temperatur eine starke

breitenabhängige Ver-

teilung (durchgezogene Linie), die aber nicht mit der

Verteilung der Bewölkung

(gestrichelte Linie) korreliert.

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Globale Wasserdampfverteilung aus

Satellitenmessungen (Mikrowellen, IR-Fenster)

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9 Wasserdampftransporte (1)

480 37

71 1066

83 385 746

58 111

40

40 1176 92 425

Beobachtungen nach Baumgartner und Reichel, 1975

blau: mm/Jahr rot: W/m

²

schwarz: in 1000 km

³

/Jahr

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Wasserdampftransporte (2)

• Niederschlag und Verdunstung betragen im globalen Mittel jeweils grob ca. 1 m Wassersäule pro Jahr.

• Beide haben starke teils gegenläufige breitenabhängige

Verteilungen; hieraus folgt – wie bei der Temperaturverteilung - die Notwendigkeit von Horizontaltransporten zum Ausgleich, der analog zur Temperatur nur zum Teil durch die Meeres-

strömungen geleistet wird.

• Man erkennt u.a. deutlich das Füttern der Innertro- pischen Konvergenzzone

durch die Passate mit latenter Energie, die

aber offensichtlich auch

(aus Roedel (2000)

nach Sellers (1965))

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11 Wasserdampftransporte (3)

(andere Quellen mit Reservoiren)

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Übungen zu IV.4.1

1. Um wieviel würde sich die Atmosphärentemperatur erhöhen, wenn der gesamte Wasserdampf in der Atmosphäre unter konstantem Druck kondensieren würde?

Ansatz:

• HS mit Enthalpie bei konstantem Druck(c

_p

ΔT=Δq).

• Bei der freiwerdenden Kondensationswärme L  m (L~2.510

⁶

J/kg, m massenspezifischer Wasserdampfgehalt, also Masse Wasserdampf zu Masse Luft) sei m überall gleich.

• Bestimme m kann aus dem Verhältnis des Wasserdampfsäulen-

gewichts (kg/m

²

) zum Luftsäulengewicht.

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13 Zusatzübungen zu IV.4.1

1. Rechne die Reservoirmengen für Wasser für die Kompartimente Ozean, Land und Atmosphäre um in mittlere Höhen einer Wassersäule in Meter.

2. Weise nach, dass der Wasserdampf ca. 0,3 Gewichts-% der

Gesamtluftmasse ausmacht. Bestimme dazu zunächst die Masse einer

vertikalen Luftsäule (kg/m²) durch Integration der Dichte über die Höhe (und verwende dabei die statische Grundgleichung). Dann vergleiche den

erhaltenen Wert mit den angegebenen 25 kg/m² für Wasserdampf.