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All main topics / Klimatologie / Klima

Klima 04 Wasserdampf und alles andere (65 Cards)

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Wasser

• Wasser kommt in allen 3 Phasen in Atmosphäre vor

• Wasserdampf ist bedeutendes natürliches Treibhausgas

• Phasenübergänge des H2O setzen große Mengen an Energie um

• Wasserdampf hat eine geringere Molmasse und folglich (bei sonst
gleichen Bedingungen) eine geringere Dichte als trockene Luft
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Feuchtemaße
• relative Feuchte rF

• Wasserdampfdruck e

• Sättigungsdampfdruck des Wassers e*

• spezifische Feuchte q

• Taupunkt-Temperatur T d

• virtuelle Temperatur T vv

• Wasserdampf – Mischungsverhältnis r
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Wasserdampf – Mischungsverhältnis r
Masse Wasserdampf / Masse trockener Luft
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virtuelle Temperatur T vv
Temperatur, die trockene Luft bei konstantem Druck annehmen müsste, um dieselbe (geringere) Dichte zu haben wie die feuchte Luftmasse mit Temperatur T
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Taupunkt-Temperatur T d
die Taupunkt-Temperatur T d ist diejenige Temperatur, auf die eine gegebene Luftmasse mit gegebener Feuchte abgekühlt werden muss, bis Kondensation eintritt
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spezifische Feuchte q
Masse Wasserdampf / Masse feuchter Luft
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Sättigungsdampfdruck des Wassers e*
   -> Magnus-Formel
   -> flüssigförmige und dampfförmige Phasen befinden sich im Gleichgewicht
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Wasserdampfdruck e
steigt bei Erhöhung der Temperatur



   ->In einem offenen Topf siedet erhitztes Wasser dann, wenn sein Dampfdruck den Luftdruck der Umgebung übersteigt
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relative Feuchte rF
Verhältnis des aktuellen Wasserdampfdrucks zum Sättigungsdampfdruck
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Wind
... in der Atmosphäre wird vor allem durch Druckgradienten
angetrieben angetrieben.

in erster Linie werden horizontale Winde betrachtet.

horizontale Druckunterschiede sind in der Größenordnung
1/1000 der vertikalen Druckunterschiede

1 Knoten = 1 kn = 1 Seemeile / h = 1.852 km h -1 = 0.514 m s -1

Die Windstärke wird auch in Beaufort B angegeben: Die Windstärke wird auch in Beaufort B angegeben:
1 m s -1 = 0.836 ·B 2/3 (Näherungsformel)
   -> von 0 bis 17

In Wetterkarten wir diese Notation verwendet:
½ Strich entspricht 5 kn
1 Dreieck entspricht 50 kn
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Navier-Stokes-Gleichung
besteht aus:
Druckgradientenbeschleunigung
Erdbeschleunigung
Reibung
Coriolis

1. Sonderform: geostrophischer Wind:
keine vertikale Bewegung
außerhalb des Einflusses der bodennahen Reibung

   -> kann man aus Wetterkarte (mit Druckfeld) berechnen!


2. Sonderform: statische Atmosphäre:
es findet keine Bewegung statt
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Polarfront
Grenzbereich zwischen den entgegengesetzt fließenden Luftmassen  der polaren Kaltluft und der subtropischen Warmluft

- klimatische Front
- trennt zwei Hauptluftmassen
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Okklusion
Vorgang in einem dynamischen Tiefdruckgebiet, bei dem dessen Warmsektor (Bereich zwischen Warm- und Kaltfront  in einem Tiefdruckgebiet)  durch Vereinigung zweier Fronten vom Boden gehoben wird
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Warmfront
-Wettererscheinung  im Zusammenhang mit einem Tiefdruckgebiet
-Warme Luftmassen gleiten auf die in Zugrichtung vor ihnen liegenden schwereren kalten Luftmassen auf
- Wetterereignisse sind in der Regel ruhiger als an Kaltfronten
- Im Bereich der aufgleitenden warmen Luftmassen bilden sich erst Cirruswolken, gefolgt von Cirrostratus-, Altostratus- und dann Nimbostratuswolken
- in der Regel gleichmäßiger und langanhaltender Landregen beginnt, wenn die Sonne durch den Altostratus vollständig verdeckt wird
- Mäßiger oder starker Regen fällt dann aus dem Nimbostratus
- Im Sommer auch: Warmlufteinschubgewitter
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Kaltfront
- Wettererscheinung  im Zusammenhang mit einem Tiefdruckgebiet
- Kaltluft bewegt sich hier in Richtung der Warmluft
- durch die Kaltfront ergibt sich im Normalfall eine Abkühlung in allen Höhen der Luftschichten
- man unterscheidet aber auch Fronten, bei denen es nur in höheren Luftschichten zur Abkühlung kommt -> Höhenkaltfront
- weiterhin kann es im Winter vorkommen, dass die bodennahe ausgekühlte Luftmasse durch etwas mildere maritime Kaltluft ersetzt wird -> wir wärmer an bodennahen Schichten
    ->maskierte Kaltfront
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Jet (Jetstream)
Ein Jetstream (engl. jet stream) oder Strahlstrom ist ein schmales Starkwindband im Bereich der oberen Troposphäre  bis zur Stratosphäre.[1] Jetstreams bilden sich infolge globaler Ausgleichsbewegungen zwischen verschiedenen Temperaturregionen bzw. Hoch- und Tiefdruckgebieten und stellen die stärksten natürlich auftretenden Winde dar, wobei sie im Vergleich zu anderen Wetterphänomenen sehr verlässlich und stabil in ihrem Auftreten sind. Allgemeiner definiert handelt es sich um atmosphärische Windbänder mit einer nahezu horizontalen Strömungsachse (Jetachse) und Windgeschwindigkeiten von bis zu 150 m/s (540 km/h), wobei die Windgeschwindigkeit – sowohl vertikal als auch horizontal – mit zunehmender Entfernung zum Strömungszentrum rasch abfällt. Sie gehören näherungsweise zur Gruppe der geostrophischen Winde, bei welchen ein Gleichgewicht zwischen Druckgradient- und Corioliskraft  herrscht.
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Isobaren
Linien gleichen Luftdrucks über NN. An deren Verlauf
erkennt man Hoch- und Tiefddruckgebiete, Hochdruckkeile
und Tröge. Aus den Isobaren kann man direkt Richtung und Geschwindigkeit des geostrophischen Windes ableiten.
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Fronten
Gebiete, in denen der horizontale Luftdruckgradient deutlich
größer ist als in der Umgebung. Eingezeichnet sind Linien
des Maximums des Gradienten
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Großwetterlage
Wetterlagen  über einem Großraum, die sich während eines mehrtägigen Zeitraumes nicht wesentlich verändern.

    * zonale Zirkulationsform: Folgt einer glatten West-Ost-Strömung zwischen einem hochreichenden subtropischen Hochdruckgebiet in Normallage über dem Nordatlantik  und einem hochreichenden Tiefdruckgebiet im subpolaren Raum – Typische Beispiele: Westlagen

    * gemischte Zirkulationsform: Die antizyklonalen Steuerungszentren sind gegenüber den Westlagen nordwärts bis etwa 50° Breite verschoben – Beispiele: Südwestlagen (Steuerungszentrum Osteuropa), Nordwestlagen (Steuerungszentrum Ostatlantik), Hoch Mitteleuropa (als Zentrum), einschlieslich Tief Mitteleuropa

    * meridionale Zirkulationsform: Stationäre, blockierende Hochdruckgebiete zwischen 50° und 65° Breite – Typisch: Nordlagen, Südlagen, Ostlagen, sowie Troglagen mit nordsüdlicher Achsenrichtung, Nordost- und Südostlagen
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Wolkenfamilien
Stockwerk Polargebiete mitlere Breiten Tropen  
hohe Wolken 3-8 5-13 6-18 km
mittelhohe Wolken 2-4 2-7 2-8 km
tiefe Wolken 0-2 0-2 0-2 km


und: Wolken mit großer vertikaler Ausdehnung
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Wolken - Klassifizierung
Familie
Gattung
Art
Unterart
(Sonderform)
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Wolkengattungswörter
Cirrus / Cirro (Vorsilbe) = Franse

Cumulus / Cumulo = Haufen

Stratus / Strato = Schicht

Alto = hohe(r)

Nimbus / Nimbo = Regen
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Wolkengattungen
10 Stück

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statische Grundgleichung
Sonderform der Navier -  Stokes - Gleichung

beschreibt das Gleichgewicht der Druckgradientkraft, die eine Luftmasse nach oben drückt und der
Schwerkraft, die es nach unten drückt.
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ideale Gasgleichung
beschreibt das Verhalten und die Eigenschaften eines idealen Gases exakt. Sie vereint alle experimentellen Einzelergebnisse und die hieraus abgeleiteten Gasgesetze  zu einer allgemeingültigen Zustandsgleichung.


???
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Dalton
Partialdrücke einzelner Gase addieren sich in einem Gasgemisch zu dem gesamten Druck.

In anderen Worten:
Der Partialdruck eines Gases ist unabhängig von der Präsenz anderer Gase

   -> Druck einer feuchten Luftmasse lässt sich als die Summe des Partialdrucks trockener Luft und des Wasserdampfdrucks darstellen
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hypsometrische Grundgleichung
Beziehung zwischen Druck und Höhe in einer Atmosphäre mit beliebigem Temperaturverlauf berechnen können


   -> für Aufbau des thermodynamischen Diagrammpapiers
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Thermodynamisches Diagrammpapier
spezielle, den Erfordernissen der synoptischen Meteorologie angepasste Hilfsmittel, mit denen sich die per TEMP  ermittelten Messgrößen der Radiosondenaufstiege - Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchte und Wind  - anschaulich darstellen und rasch auswerten lassen. Die auf den Messwerten basierende Kurvenscharen stellen den augenblicklichen Zustand der Atmosphäre dar und werden deshalb Zustandskurven genannt.
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Adiabatischer Temperaturgradient
- entspricht der Temperaturänderung, die ein sich vertikal bewegendes Luftpaket erfährt, ohne Wärmeenergie mit der Umgebung auszutauschen.

Man unterscheidet den trockenadiabatischen Temperaturgradienten (1 Kelvin pro 100 m Höhendifferenz und den feuchtadiabatischen Temperaturgradienten (rund 0,5 Kelvin pro 100 m Höhendifferenz).
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Föhn
Bezeichnung für die beim Überströmen von Gebirgen im Lee (vom Wind abgewandte Seite eines Hindernisses)  auftretenden abwärts gerichteten Vertikalbewegungen, die mit deutlichem Lufttemperaturanstieg und zumeist mit Wolkenauflösung einhergehen.
Auf der Luvseite der Gebirge kommt es dabei zu aufwärts gerichteter Vertikalbewegung, die vorwiegend mit Wolken- und Niederschlagsbildung verbunden ist - Staueffekt im Luv  der Gebirge. Föhn ist Ergebnis eines dynamisch-thermodynamischen Prozesses, dessen Ursachen und Einflussgrößen sowie Erscheinungsformen sehr vielfältig sind.
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potenzielle Temperatur
ist die Temperatur, die ein Luftpaket annimmt, wenn es in einem
adiabatischen Prozess auf einen Druck von 1000 hPa gebracht wird
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adiabatischer Prozess
adiabatische Prozesse, mit vertikalen Bewegungen verbundene Vorgänge in der Atmosphäre, bei denen sich in einem als isoliert angenommenen Luftpaket physikalische Eigenschaften, wie z.B. Temperatur, Druck, Dichte oder Feuchtigkeit ändern, ohne dass zwischen dem Luftpaket und der Umgebungsluft oder der Erdoberfläche ein Wärmeaustausch stattfindet.
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Klimazeugen
aktuelle Meßwerte  -  Thermometer, Regenmesser
historische Daten  -  Dokumente
Holzanalysen  -  Jahresringe
Seen, Sümpfe  -  Pollen, Küstenlinien, Makrofossilien
Polareis  -  Isotope
irdische Ablagerungen  -  Merkmale der Eiszeiten
Ozeansedimente  -  Plankton + Isotope
Sedimentgesteine  -  Lithologie + Fossilien, Riffe
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Elemente der Erdumlaufbahn die das Klima beeinflussen
a) Abweichung von der Kreisbahn
b) Präzession
c) Neigung
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natürlicher Treibhauseffekt beträgt etwa
33 K
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Die wichtigsten Treibhausgase
CO2   7K Beitrag zum Treibhauseffekt
CH4   0,8K     -> Methan (Spurengas)
N2O   1,5K     -> Lachgas (Spurengas)
trop. O3   2,4K
CFC-11   -
SF6  -
H2O   21K     ->wichtigstes!!!
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IPCC-Prognose fürTemperatur und Meeresspiegel
Temperatur:
bester Fall (B1): 1,1 - 2,9 °C
schlimmster Fall (A1FI): 2,4 - 6-4 °C

Meeresspiegel:
bester Fall: 0,18 - 0,38 m
schlimmster Fall: 0,26 - 0,59 m
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IPCC-Entwicklungsszenarien
A1: schnelles Wachstum, Globalisierung der Entwicklung
A1FI: starke Nutzung fossiler Energien
A1T: starke Nutzung nicht-fossiler Energien
A1B: Banlance zwischen den beiden
A2: schnelles Wachstum mit Fokus auf regionaler Entwicklung
B1: strikte Ressourcenschonung, Globalisierung der Entwicklung
B2: strikte Ressourcenschonung mit Fokus auf regionaler Entwicklung
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Eis – Albedo - Rückkopplung
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Wasserdampf - Rückkopplung
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Eis - Akkumulation - Rückkopplung
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Strahlung - Wolken - Rückkopplung
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Klimaklassifikationen
mathematisch: strikt nach Breitenkreisen

Hydrologisch: humides Klima( N=V), arides (N<Vpot), nivales (S>A)

diverse Index – Klassifikationen

genetisch

effektive nach Köppen (bekannteste):
   -> 5 Klimazonen, 11 Klimatypen , Klimauntertypen
        1. Buchstabe, ...                       , ...
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Unterschied maritimes und kontinentales Klima
maritim: ausgeglichene Temperaturverhältnisse

kontinental: größere Temperaturamplitude


hervorgerufen durch:

1. höhere Wärmekapazität des Wassers
2. Konvektion im Wasserkörper

weiterer Einflussfaktor:
   geringere Albedo der Wasseroberflächen
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Tageszeitenklima
in Bergen und Tropen

Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht ist größer als der zwischen Sommer und Winter

-> H-Klimate

-> geringe Variabilität der Sonnenscheindauer: Tage und Nächte nahezu gleichlang
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globale Ozeane
- 70 % der Erdoberfläche
- 97 % des Wassers
- verantwortlich für 40 % des Wärmetransportes von den äquatorialen zu den polaren Regionen
- Speicher in vielen biogeochemischen Zyklen, zb CO2
- Salinität: 35 %
- pH-Wert: ungefär 8
- Gefrierpunkt = ca -2°C
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Bewegung im Ozean
Strömungen im Ozean werden angetrieben durch:
- Wind
- horizontale Druckgradienten
   -> aufgebaut durch Dichteunterschiede
      --> entstehen durch Salinität und Temperatur

hinzu kommen:

- Coriolis-"Kraft"
  -> Eckmann - Spirale
- Einfluss der Tide im Schwerefeld zwischen Erde, Mond und Sonne
- Einfluss der Reibung
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Bedeutung einzelner Spurengase ergibt sich aus:
•   Konzentration
Beispiel SO 2 : In geringen Mischungsverhältnissen von einigen ppt ist SO2 nahezu ubiquitär vorhanden und völlig „unschädlich“. In hohen Mischungsverhältnisen von einigen ppm ist es ein giftiges Gas und durch seine Folgereaktionen sehr bedeutendens Umweltproblem.
•   Lebensdauer – Reaktivität
Beispiel: OH-Radikale: Lebensdauer im Sekundenbereich
Beispiel: N 2 O hat eine Lebensdauer von einigen 10ern von Jahren und ist auch deshalb so klimawirksam
•   Toxizität
Beispiel: Gasförmiges Quecksilber (Hg) ist ein sehr giftiges Gas
•   Verteilung zwischen den Phasen
Beispiel: NH 3 wird als Gas emittiert; durch seine Reaktion zur Partikelphase trägt es wesentlich zur Bildung der Partikelphase in der Atmosphäre bei
•   Klimawirksamkeit (Strahlungseigenschaften allgemein)
Beispiele: CO 2 , CH 4 , N 2 O, FCKW
•   Bedeutung in den Elementkreisläufen
Beispiel: NOx / PAN
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wichtige Spurengase
- Schwefel in oxidierter Form
- Stickoxide
- reaktive flüchtige Kohlenwasserstoffe
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Smog
London-Typ:
- smoke + fog
- CO, SO2
- Winter
- morgends
- 0 - 4 °C
- Luftfeuchte > 85 %
- Windgeschw < 1 m pro s
- größte Ausprägung um 1900

Los Angeles-Typ:
- Photosmog
- CO, NOx, O3
- Sommer
- abends
- 24 - 33 °C
- Luftfeuchte ungefär 70 %
- Windgeschw < 3 m pro s
- größte Ausprägung 1990er
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Schwefel
•  die Oxidation von SO 2 zu H 2 SO 4 in der Atmosphäre ist mit der Produktion von Säure verbunden
   -> tragen zu etwa 50 % der Bildung saurer NIederschläge bei

•  H 2 SO 4 ist an der Produktion von Partikelmaterial wesentlich
beteiligt
•  SO 2 ist in hohen Konzentrationen direkt toxisch wirksam


Natürliche Quellen
6 % Vulkane (SO 2 )
19 % Ozeane (biogen, DMS)
29 % Ozeane (Gischt, SO 4 )

Anthropogene Quellen
27 % Kohleverbrennung (SO 2 )
14 % Ölverbrennung (SO 2 )
5 % Industrielle Prozesse (SO 2 )
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Stickoxide
„Stickoxide“   = „Stickstoffmonoxid“ +  „Stickstoffdioxid“


- Säure -> 50 % der Bildung von sauren Regen
- NO2 Vorläufer für ildung von tropischen Ozon
- in hohen Konzentrationen direkt toxisch wirksam

Quellen am Boden:
- Verbrennung fossiler Energieträger
- Verbrennung von Biomasse
- Emissionen aus Böden

Atmosphärische Quellen:
Oxidation von NH3
Gewitter
Flugzeugabgase
Input aus Stratospäre
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Partikel in der Atmosphäre
die Atmosphäre ist ein Aerosol, d.h. eine Gasphase mit
darin dispergierten Partikeln, den sogenannten
Aerosolpartikeln
Partikel sind von großer Bedeutung in der Atmosphäre weil:
•  sie als Kondensationskerne für Wolkentropfen dienen
(bzw. Wolkentropfen sind)
•  sie am Strahlungstransfer in der Atmosphäre sehr wesentlich beteiligt sind
•  sie an Stoffflüssen erheblich beteiligt sind
•  sie toxisch wirken können

kleine Partikel:   < 2 µm
Sulfat, Nitrat und so
Tage bis Wochen

große Partikel:   > 2 µm
Gesteinsmaterial und so
Minuten bis Tage
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Einfluss des Erdbodens auf die Atmosphäre
Grenzschicht: Teil der Atmospäre, der direkt innerhalb von 1 Stunde auf Einflüsse des Bodens reagiert

Einflüsse:

Austausch von Strahlung und Wärme
Bodenreibung beinflußt Windfeld
vertikaler Fluss von Wasser (flüssig, gasförmig)
Deposition von Gasen und Partikeln
Enmission von Gasen und Partikeln
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Strahlungsbilanz


-> die langwellige Einstrahlung ist meist kleiner als die langwellige Ausstrahlung

-> die Strahlungsbilanz ist meist tagsüber positiv und nachts negativ

Nacht
-> negative Strahlungsbilanz führt zu Abkühlung des Bodens
> die bodennahe Luft wird auch abgekühlt
> es bildet sich eine bodennahe Inversion, die sehr stabil geschichtet ist

Tag
-> positive Strahlungsbilanz heizt den Boden auf
>die bodennahe Luft wird auch erwärmt
> es ensteht statische Instabilität
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Grenzschichtentwicklung im Tagesverlauf
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Wolken: Definition, Enstehung
Wolken sind Aerosole, deren Partikel wässrige Lösungen sind.
Nebel ist eine auf dem Boden „aufliegende“ Wolke.
Eine Wolke ensteht durch:
•    Isobare Abkühlung, v.a. „Strahlungsnebel“
•    adiabatische Abkühlung, bei Hebungsprozessen
•    Mischung wasserdampfgesättigter Luftmassen unterschiedlicher Mischung wasserdampfgesättigter Luftmassen unterschiedlicher
Temperatur
In jedem Fall wird die Taupunkt – Temperatur unterschritten bzw. die  j
relative Luftfeuchte angehoben auf Werte nahe 100 %.
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Bildung von Niederschlag
Aus Aerosolpartikeln, die durch Anlagerung von Wasser quellen,
werden zunächst Wolkentropfen. 
Wolken-Partikel können ggfs. so weit anwachsen, dass sie zum
Niederschlag kommen.

Beachte:
1. In Mitteleuropa muss dafür die Eisphase durchschritten
werden.
2. reines Anwachsen durch Kondensation führt normalerweise
nicht zu Regentropfen, Koagulation ist notwendig

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El Niño
der Schub nach Westen kommt nahezu zum Erliegen. Über dem zentralen der Schub nach Westen kommt nahezu zum Erliegen. Über dem zentralen und östlichen Pazifik liegt wärmeres Oberflächenwasser. Dies führt zu intensiven Niederschlägen in diesem Bereich. In SE Asien und im Norden und Osten Australiens herrscht Niederschlagsmangel und Osten Australiens herrscht Niederschlagsmangel
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Walker - Zirkulation
- zum Äquator parallel
- keine Corioliskraft da direkt über Äquator


im Rahmen der Walker-Zirkulation wird im tropischen Pazifik durch den Antrieb der Passat – Winde oberflächennahes Ozeanwasser nach Westen (Asien) geschoben. Die Luft ist dort warm und es verdampft viel Wasser in die Atmosphäre. Es kommt es zu Konvektion und zu heftigen Niederschlägen.
Vor der Küste S-Amerikas liegt kaltes Auftriebswasser Vor der Küste S-Amerikas liegt kaltes Auftriebswasser
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Southern Oscillation
Die „Southern Oscillation“  (SO) ist die Differenz des Luftdrucks in Tahiti minus Luftdruck in Darwin Differenz des Luftdrucks in Tahiti minus Luftdruck in Darwin.
Sie beschreibt die Fluktuationen und Intensität der Walker – Zirkulation.
Ein positiver SOI indiziert starke Passate.
Ein negativer SOI indiziert El Niño – Bedingungen. 
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Land- und Seewind in der Nacht
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Land-  und Seewind am Tag
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Berg - und Talwind
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Stadtklima
- Versiegelung der Oberflächen:
Niederschlagswasser fließt zum großen Teil unterirdisch ab
die Oberflächen selbst speichern kein Wasser
es wird weniger Energie für die Verdunstung von Wasser verwendet von der eingestrahlten Energie steht folglich mehr für die Erwärmung der Oberflächen (und Luft) zur Verfügung

- Wärmeleitfähigkeit der Oberflächen:
Die Wärmeleitfähigkeit der Oberflächen ist relativ groß. Die Baumasse speichert tagsüber viel Wärmeenergie. Nachts wird diese Wärmeenergie wieder abgestrahlt.

- hohe Baustrukturen
nachts abgestrahlte Wärmeenergie wird an den vertikalen
Baustrukturen z.T. noch einmal absorbiert. Dadurch verbleibt ein Teil der abgestrahlten Wärme im System die aerodynamische Rauhigkeit verändert sich die Ausbildung einer mächtigeren Grenzschicht wird begünstigt
Flashcard set info:
Author: Tschorsch
Main topic: Klimatologie
Topic: Klima
Published: 19.04.2010
 
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