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Bewirkt der Klimawandel eine Verschiebung der Jahreszeiten?

Hausarbeit 2016 26 Seiten

Geowissenschaften / Geographie - Allgemeines, Grundlagen

Leseprobe

Inhalt

Abbildungsverzeichnis:

1. Einleitung

2. Erdbahnparameter
2.1 Exzentrizität
2.2 Obliquität
2.3 Präzision

3. Das solare Klima
3.1 Berechnung des solaren Klimas
3.2 Auswirkungen des solaren Klimas auf die Jahreszeiten

4. Spektrale Energieverteilung

5. Atmosphäre
5.1 Ozonschicht

6. Strahlungsgesetze
6.1 Planck‘sche Strahlungsgesetz
6.2 Stefan-Boltzmann Gesetz
6.3 Wien‘sches Verschiebungsgesetz

7. Energietransporte
7.1 Absorption
7.2 Reflexion
7.3 Streuung

8. Strahlungshaushalt und Wärmehaushalt

9. Natürlicher und anthropogener Klimawandel

10. Fazit

11. Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1 Erdbahnparameter und ihre Zyklen in den letzten 1000 Millionen Jahren

Abbildung 2 Abhängigkeit der Strahlungsintensität vom Einfallswinkel

Abbildung 3 Strahlungsdaten Villach

Abbildung 4 Tagessummen der Sonnenausstrahlung inc. Tabelle

Abbildung 5 Intensität der Sonnenstrahlung

Abbildung 6 Rechts: Vertikalgliederung der Atmosphäre nach thermischen Kriterien; links Größenvergleich mit der festen Erde

Abbildung 7 Planck’schesStrahlungsgesetz

Abbildung 8 Stefan-Boltzmann Gesetz

Abbildung 9 Wien’sche Verschiebungsgesetz

Abbildung 10 Globalstrahlung

Abbildung 11 Atmosphärische Extinktion der Sonnenstrahlung

Abbildung 12 Kurzwellige Strahlungsbilanz

Abbildung 13 Langwellige Strahlungsbilanz

Abbildung 14 Strahlungsbilanz

1. Einleitung

In den letzten Jahren ist das öffentliche Interesse an der Erforschung des Klimas deutlich gewachsen. Insbesondere der anthropogene Teilaspekt des Klimas ist in den Fokus gerückt, da es vielfältige Auswirkungen des dadurch in Gang gesetzten Klimawandels gibt. Im Zuge des Klimawandels entstehen enorme Risiken für die Zukunft, aber auch für die Gegenwart, sei es für die Agrarwirtschaft, den Tourismus, aber auch Gefahren von extremen Naturkatastrophen bereiten den Menschen große Sorgen.

Der Klimawandel an sich ist ein hochaktuelles und ein ausgeprägtes interdisziplinäres Objekt der Forschung. Das Wort Klima kommt aus dem Griechischen und bedeutet „ich neige“, gemeint dabei ist aber die Sonne (vgl. Hüpfer/ Kuttler ,2006, S.238.) Die Sonne ist der Mittelpunkt unseres Sonnensystems. Sie strahlt ihre Energie nach außen in das Weltall zu uns auf die Erde, welche der Ausgang für das Leben und das Klima auf unseren Planeten ist. Ein wichtiges Klimaelement, welches von der Sonne ausgeht, ist die Strahlung. Man unterscheidet kurzwellige Strahlung von der langwelligen Strahlung, sowie die terrestrische Strahlung. Bevor diese Energie auf die Erde trifft muss sie die Atmosphäre durchqueren (vgl.Weischet/Endlicher ,2008, S.74). Barry & Chorley nennen vier Faktoren, die die an der Atmosphärenoberfläche eintreffende Energie, beeinflussen. Einer dieser Faktoren ist die solare Ausstrahlungsmenge, welche die Entfernung der Sonne zur Erde, die Höhe des Sonnenstandes und die Tageslänge, die eine entscheidende Rolle für die Jahreszeiten spielt, beschreibt. Die Sonne strahlt relativ gleichmäßig auf die Erde. Ungefähr die Hälfte der Sonnenstrahlen treffen ca. 1370 Wm² im rechten Winkel die Obergrenze der Atmosphäre der Erde, dieser Wert wird als Solarkonstante (SO) bezeichnet (vgl. Barry & Chorley 2003: S. 32). Wenn man sich dieses Schema vorstellt, wirkt die Erde von der Sonne aus wie eine Scheibe. Da zu jedem Zeitpunkt eine Hälfte der Erdkugel der Sonne abgewandt ist und die eingetroffene Strahlung aufgrund der Abflachung der Erdkugel in Richtung Pole nur am Äquator mit voller Intensität ankommt, muss man die Solarkonstante vierteln (1370 Wm² / 4), um die Energie auf die Kugelfläche aufzuteilen. Diese rund 342 Wm² stellen nun die gemittelte Energie dar, die dem System Erde für verschiedene Prozesse, wie zum Beispiel die Photosynthese, aber auch Energiegewinnung, zur Verfügung steht (vgl. Weischet 1988: S. 32). Nicht alle Bereiche der Erde werden dabei gleichmäßig von der Sonne erfasst. Die Strahlung trifft unterschiedliche Zonen der Erde verschieden lang (Bestrahlungsdauer) und jeweils in einem anderen Winkel (Einstrahlungswinkel). Diese beiden Parameter sind abhängig von der Drehung der Erde selbst, wobei zu beachten ist, dass die Erdachse um 23,5° geneigt ist (vgl. Gebhardt et al. 2007: S. 198). Aufgrund der genannten Tatsachen, muss der Strahlungshaushalt, welcher die abwärts und aufwärts gerichteten Strahlungsflüsse in der Atmosphäre und deren Änderungen durch Reflexion, Streuung, Absorption und Emission beschreibt, berechnet werden (Weischet/Endlicher 2013: S.166). Dieser hat wiederum Auswirkungen auf das Klima und den Energiehaushalt. Besonders der Klimawandel kann die Zusammensetzung der Atmosphäre verändern. In weiterer Folge verändert sich möglicherweise der Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde. Dabei stellt sich die Frage, ob es durch eine mögliche Erhöhung dieser Haushalte in Folge des Klimawandels zu einer Verschiebung der Jahreszeiten kommen könnte?

In meinem Bericht möchte ich nun versuchen diese Frage zu beantworten. Dabei werde ich Tatsachen, welche das Klima immer beeinflussen, sowie auch menschliche Faktoren, die zum Klimawandel beitragen können, in den Fokus nehmen. Grundvoraussetzung für die Beantwortung der Forschungsfrage ist aber auch eine Vielzahl von physikalischen Grundlagen, die ebenfalls zu erwähnen sind.

2. Erdbahnparameter

Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne unterliegt leichten Schwankungen, die als Erdbahnparameter bezeichnet werden (Weischet/ Endlicher 2008: S.23). Dieses Geschehen verläuft allerdings nicht immer gleichmäßig ab, da es viele Schwankungen durch die Anziehungskräfte anderer Planeten und des Mondes gibt. Die Schwankungen sind langfristige Änderungen und treten in verschiedenen Zeitabschnitten zwischen 10.000 und 100.000 Jahren auf. Sie können die Ursache für längerfristige Klimaänderungen sein und zu einer Abkühlung oder Erwärmung führen. Erdbahnparameter beziehen sich nur auf das Zusammenspiel von Sonne und Erde, denn die Erde verändert ihre Neigung und ihre Umlaufbahn. Dadurch verändert sich die Sonnenstrahlungsintensität auf der Erde. Um eine solide Basis für meine Arbeit zu schaffen, möchte ich diese nun erklären (vgl. Lohnmann 2002: o.S.).

2.1 Exzentrizität

Unter der Exzentrizität (e) eines Planeten versteht man die Abweichung seiner Planentenbahn von einer exakten Kreisbahn, die eine Exzentrizität von 0 hat. Eine Ellipse mit einer Exzentrizität nahe 1 ist dagegen sehr langgezogen - im Extremfall mit e = 1 hätte der Himmelskörper die Form einer Geraden. Die Exzentrizität der Erdbahn beträgt gegenwärtig etwa 0,0167. Etwa alle 100.00 Jahre verändert sich die Exzentrizität. Dadurch gibt es jedes Jahr einen sonnennächsten und einen sonnenfernsten Punkt. Am 2. Januar befinden wir uns am nächsten der Sonne mit einem Abstand von ca. 147 Millionen Kilometer, dieser Zeitpunkt wird als Perihel bezeichnet. Bereits am 3. Juli befindet sich die Erde rund 152,5 Millionen Kilometer entfernt der Sonne, diesen Punkt nennt man Aphel. Über einen Zeitraum von mehreren zehnttausend Jahren wirkt sich die Exzentrizität auf die Temperaturentwicklung der Erde aus. Aber auch auf die Länge der Jahreszeiten hat sie eine entscheidende Rolle. Aufgrund des Kepler‘schen Gesetzes, welches die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten für die Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne beschreibt, bewegt sich die Erde schneller, je näher sie der Sonne ist. Der Unterschied zwischen Perihel und Aphel beträgt ungefähr 1km s-1 (vgl. Weischet/Endlicher 2008: S.23ff).

2.2 Obliquität

Die Obiliquität beschreibt wie die Erdachse gegenüber der Senkrechten zur Erdbahn gekippt ist, wodurch die nördliche Hemisphäre im Sommer der Sonne zugewandt ist. Zur gleichen Zeit ist die südliche Hemisphäre der Sonne abgewandt und befindet sich im Winter. Die Erdachse steht heutzutage in einem Winkel von 23,4° zur Senkrechten der Erdbahn. Somit befindet sich der Himmelsäquator ebenfalls in einem Winkel von 23,4° zur Ekliptik. Dieser Winkel unterliegt allerdings Schwankungen zwischen etwa 21,8°-24,4°. Diese Zahlen ändern sich aber nur ungefähr alle 40.000 Jahre und können somit eine Ursache für das Eiszeitalter gewesen sein. Die Obliquität hat einen Effekt von ca. 20 W/m2 der Solarkonstante bei 50 °N (vgl. Weischet/ Endlicher 2008: S.23ff).

2.3 Präzision

Unter Präzision versteht man, wenn sich die Erdachse auf Grund der Anziehungskraft von Mond und Sonne gegen den Uhrzeigersinn um die Senkrechte der Erdbahn dreht (vgl. Bertelsmann, 2008: S.577). Der Vorgang der Präzision tritt in einer Periode von etwa 23.000 Jahren auf. Somit verändert sich langsam die jahreszeitliche Lage der Erde auf der Erdbahn. Die Präzision führt also dazu, dass im Perihel einmal der Nordwinter und einmal der Nordsommer liegen können. Sie hat einen Effekt von 70 bis 100 W/m2 der Solarkonstanten bei 50 °N (vgl. Kasang 2012: o.S.).Vor ungefähr 11.000 Jahren war der Perihelstand im Nordsommer und die damit einhergehende Strahlung auf der Nordhemisphäre ein Grund für das Abtauen der Eisfläche bei Island und somit der Beendigung der letzten Eiszeit (vgl. Weischet/ Endlicher 2008: S.23ff).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Erdbahnparameter und ihre Zyklen in den letzten 1000 Millionen Jahren

(Quelle: http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/upload/Erd bahnparameter.jpg, zuletzt aufgerufen am 20.08.16)

3. Das solare Klima

Die Sonne ist der primäre Motor des Klimas auf der Erde. Dreh- und Angelpunkt ist die abgebende Strahlung, ohne die sämtliches organisches Leben auf der Erde nicht möglich wäre. Der Energie- und Strahlungshaushalt der Atmosphäre setzt die eintreffende Strahlung in räumliche Strukturen um, die sich in den verscheiden Klimazonen wiederspiegeln. Die Sonne ist ein riesiger Gasball mit einem Durchmesser von ca. 696.000 km. Ihre Energie, welche in Joule gemessen wird, gelangt in Form von elektromagnetischer Strahlung auf die Erde. Die Gesamtenergiedichte wird in W/m² gemessen. Die Grundgröße zur Berechnung des solaren Klimas ist die Solarkonstante, sie wird meist als I0 bezeichnet (vgl. Weischet/ Endlicher 2008: S.32ff & Schönwies 2013: S109ff). Die Werte für diese Konstante schwanken aufgrund Messunsicherheiten zwischen 1373 W/m² und 1366 W/m² (Kraus 2001:S108ff).

3.1 Berechnung des solaren Klimas

Laut Definition von Weischet ist das solare Klima der Erde der im tages- und jahresperiodischen Gang der Einheitsfläche auf der Horizontebene von Orten unterschiedlicher geographischer Breite unter Abstraktion der Atmosphäre die zur Verfügung gestellte Strahlungsenergiemenge (vgl.Weischet/ Endlicher 2008: S.33). In der Abbildung 2 ist ein Beispiel für die Berechnung eines bestimmten Sonnenstandes zwischen einfallender Sonnenstrahlung und Horizontalebene dargestellt. Auf die Fläche a1 *b trifft die Strahlung senkrecht auf. Bei dieser Fläche fließt die Solarkonstante I0 ein. Durch die gesamte Fläche fließt jedoch I0* a1 *b. Auf die Horizontebene verteilt sich die gleiche Menge auf eine größere Fläche a*b. Folglich muss die Strahlungsmenge pro cm² und Minuten kleiner werden. Nach Gesetzen der Geometrie ist a1 /a der Sinus des Winkels hm. Die Genauere Ableitung kann man in der Literatur von Weischet und Endlicher auf Seite 34 nachlesen. Daher ergibt sich die Formel I = J0 ∗ sin hm (vgl.Weischet/ Endlicher 2008: S.32ff & Schönwiese 2013: S.110ff. & Blühtgen/ Weischet 1980: S.81ff).

Zusammengefasst kann man also sagen, dass durch die angenäherte Kugelgestalt der Erde, Sonnenstrahlen zu jedem Zeitpunkt an genau einem Ort senkrecht auf die Erdoberfläche treffen. Je steiler der Einfallwinkel α der Sonnenstrahlen, desto größer ist die Menge der einstrahlenden Energie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Abhängigkeit der Strahlungsintensität vom Einfallswinkel (Quelle:Weischet, Endlicher 2008, S.34)

Wenn man nun für einen bestimmten Ort, siehe Abbildung 3, jede Minute der Einstrahlungszeit die Sonnenhöhe kennt, kann man die auftreffende Strahlungsmenge aus der Summe für alle Minuten des Tages die Gesamtmenge pro Tag berechnen und in weiterer Folge auch die Gesamtenergiemenge für ein Jahr. Die Sonnenhöhe und Einstrahlungszeit ändern sich mit der Erdrotation und Erdrevolution tages- bzw. jahresperiodisch (vgl. Weischet/ Endlicher 2008: S.34 & Schönwiese 2013: S.110ff).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Strahlungsdaten Villach

(Quelle: Eigene Grafik erstellt in: http://www.bmwfw.gv.at/EnergieUndBergbau/klimadatenrechner/Seiten/ZurBerechnung.aspx)

3.2 Auswirkungen des solaren Klimas auf die Jahreszeiten

Auch die Jahreszeiten sind unterscheidbar durch die unterschiedliche Energieeinstrahlung der Sonne, auf die ich hier noch kurz mit Hilfe der Abbildung 4 eingehen möchte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Tagessummen der Sonnenausstrahlung inkl. Tabelle (Quelle: Barth 2002 S.38)

Am 21.6. (Punkt 1) beginnt auf der Nordhalbkugel der Sommer, d.h. hier befindet sich auch der längste Tag. Daher ist auch die Energieeinstrahlung auf der Nordhemisphäre maximal, da die Sonne hier am längsten scheint. Die Breitenkreise auf der Nordhalbkugel werden mehr als die Hälfte von der Sonne während des Tages bestrahlt, da sie schräg zur Sonne stehen. Richtung Nordpol wird der Bestrahlungsanteil immer länger, bis hin zum Polartag, wo 24 Stunden die Sonne scheint. Auf der Südhalbkugel ist Winterbeginn und der Südpol ist komplett im Dunkeln (Polarnacht). Bei den Äquinoktien (= Tag- und Nachtgleichen) trifft die Sonne alle Breitenkreise senkrecht. Daraus resultiert, dass wir 12 Stunden Tag bzw. Nacht haben. Das Energiemaximum ist am Äquator und nimmt in Richtung Pole hin ab. Im Punkt 3 bekommt die Nordhalbkugel am wenigsten Energie zugeführt, die Verhältnisse sind umgekehrt als im Punkt 1 beschrieben. Laut Tabelle ist hier die Einstrahlung pro cm² und Tag mit 1185 cal am höchsten, da die Erde hier der Sonne am nächsten ist (Perihel). Aufgrund der eben genannten Strahlungsunterschiede kann man Polargebiete, Mittelbreiten und Tropen voneinander unterschieden (vgl. Barth, 2002, S. 39 - S. 41). Während des Sommersolstitiums weist das Polargebiet auf der entsprechenden Hemisphäre ein bedeutendes Strahlungsmaximum auf, das in den Tropen nie erreicht wird. Doch bereits nach nur etwa zwei bis drei Monaten ist die Energiezufuhr wieder Null und der Überschuss von etwa 20% wird zu einem Mangel von etwa 50%. Generell ist das solare Klima in den Tropen aufgrund konstanterer Solarstrahlung stabiler, Richtung Pole nehmen die Werte ab (vgl. Weischet 1988: S. 36)

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Details

Seiten
26
Jahr
2016
ISBN (eBook)
9783668442283
ISBN (Buch)
9783668442290
Dateigröße
1.3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v359332
Institution / Hochschule
Alpen-Adria-Universität Klagenfurt – Geographie und Regionalforschung
Note
1.8
Schlagworte
Klima Erderwärmung Wetter Atmosphäre

Autor

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