Klima im Wandel - Institut für Physik

Sommeruniversität - GRAZ IN SPACE
Montag, 6.9.2004
Klima im Wandel
Das Klimasystem der Erde
Ein einfaches Klimamodell
Klimaschwankungen
Globaler Klimawandel
Klimabeobachtung
mit Satelliten
Ulrich Foelsche
Institutsbereich Geophysik, Astrophysik und Meteorologie (IGAM)
Institut für Physik, Universität Graz
[email protected]
Klima 01
Das Klimasystem der Erde
Hydrosphäre
Kryosphäre
Interaktion
zw. Hydro- u.
Atmosphäre
Atmosphäre
Biosphäre
Lithosphäre
Klima = mittlerer Zustand des
Klimasystems
Klima 02
Das Klimasystem der Erde
Das Klimasystem der Erde wird in Untersysteme bzw. Sphären unterteilt (von
denen aber nicht alle sphärisch sind). Das Klimageschehen spielt sich zwar in erster
Linie in der Atmosphäre ab, es wird aber von allen anderen Sphären beeinflusst.
Die Hydrosphäre beinhaltet z.B. Ozeane, Flüsse, Seen und den globale
Wasserkreislauf, die Kryosphäre Landeis, Meereis und Schnee. Zusätzlich zu den
Sphären auf der vorigen Folie verwendet man auch noch häufig den Begriff
Pedosphäre um den Einfluß des Bodens getrennt zu beschreiben, sowie den Begriff
Anthroposphäre (das sind wir).
Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Sphären, gespickt mit positiven
und negativen Rückkoppelungen, machen das Klimasystem der Erde zu einem
ausgesprochen komplexen System. Das El Niño Phänomen ist beispielsweise eine
interne Schwingung des gekoppelten Systems Ozean-Atmosphäre.
c
Man kann sich das Klimasystem als eine gigantische Wärmekraftmaschine
vorstellen, die ihre Energie von der Sonne bezieht. Dabei werden unter anderem
Luft- und Meersströmungen angetrieben, die versuchen, die Unterschiede der
Sonneneinstrahlung zwischen Äquator und Pol auszugleichen.
Klima 03
Strahlungsbilanz
Terrestrische Ausstrahlung
Solare Einstrahlung
c
Die Oberflächentemperatur auf der Erde wird durch die (ausgeglichene) Strahlungsbilanz
bestimmt. Global gilt:
Einstrahlung = Ausstrahlung
Klima 04
Ein ganz einfaches Klimamodell
Wir werden nun ein ganz einfaches Klimamodell bauen, und
zwar ein Nulldimensionales Energiebilanzmodell (Erde als
Punkt). Dazu brauchen wir einige Zutaten:
(1) Das elektromagnetische Spektrum (links).
(2) Das Wiensche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien 1893)
λ max
2898 µm K
=
T
λmax = Wellenlänge, bei der das Maximum der Energie
abgestrahlt wird.
Je höher die Temperatur, desto kleiner die Wellenlänge.
Sonne:
Erde:
λmax = 0.5 µm Sichtbares Licht
λmax = 10 µm Thermisches Infrarot
Klima 05
Solare Einstrahlung
Einstrahlung
(3) Die Solarkonstante (S)
S = 1366 W/m 2
Damit ist die Energie gemeint, die pro Sekunde
außerhalb der Erdatmosphäre senkrecht auf
eine Fläche von 1 m2 trifft (und das noch in der
mittleren Entfernung der Erde von der Sonne).
Im Mittel trifft auf jeden m2 der Erdoberfläche aber nur 1/4 davon (entsprechend dem
Verhältnis Querschnittsfläche der Erde – Erdoberfläche).
Die „Solarkonstante“ ist außerdem nicht konstant! Die beobachtete Schwankung während
des ~11-jährigen Sonnzyklus beträgt allerdings nur etwa ± 0.1%. Über Jahrhunderte sind die
Schwankungen etwas größer (~ 0.3%). Im Laufe der Erdgeschichte hat die Solarkonstante
sogar kräftig zugenommen, Vor 4.5 Milliarden Jahren hatte sie nur etwa 70% des heutigen
Wertes. Dieser Anstieg ist aber sehr, sehr langsam.
Klima 06
Reflexion
Einstrahlung
(4) Die Albedo (A)
Nur ein Teil der Sonnenstrahlung wird aber auch tatsächlich von der
Erdoberfläche aufgenommen (absorbiert). Die Albedo bezeichnet
den Anteil der Strahlung, der reflektiert wird. Die Albedo hängt
von den Oberflächeneigenschaften des Materials ab. Besonders viel
Strahlung reflektieren (dichte) Wolken und (frischer) Schnee. Die
gesamte Erde reflektiert 31% der Sonnenstrahlung, also A = 0.31.
Oberfläche
Albedo
Wolken
Neuschnee (3)
Gletscher
Meereis
Gestein (2)
Wälder (1)
Wasser
Planetare Albedo
45-90%
75-95%
20-45%
30-40%
10-40%
5-20%
5-10%
31%
Klima 07
Terrestrische Ausstrahlung
Ausstrahlung
(5) Das Stefan Boltzmann Gesetz (Joseph Stefan, 1878 und
Ludwig Boltzmann, 1884)
Q = ε σ T4
σ = 5.6704 · 10-8 Wm-2K-4 Stefan Boltzmann Konstante (die
ε = Emissionsvermögen
ist wirklich konstant).
Schwarzer Körper:
ε=1
Erde:
ε = 0.95
Die Strahlungsleistung Q steigt mit der vierten
Potenz der Temperatur T. Also für Sonne und
Erde: ~20fache Temperatur – ~160 000fache
Strahlungsleistung (Fläche unter den beiden
Kurven im Diagramm, man beachte die
logarithmische Darstellung).
Klima 08
Ein Problem
Kurzwellige Einstrahlung = Langwellige Ausstrahlung
Damit liefert unser Energiebilanzmodell
eine mittlere Oberflächentemperatur von –16°C
(statt +15°C). Das ist (auch für ein einfaches Modell) falsch.
S
(1 − A ) = ε σ T 4
4
Klima 09
Treibhauseffekt
Die infrarotaktiven
Treibhausgase verhindern, dass die vom
Boden ausgehende IR
Strahlung das System
komplett verlässt.
Was haben wir nicht beachtet? – Die Atmosphäre!
Sie ist zwar für sichtbares Licht (fast) durchsichtig, aber
nicht für Infrarot. In unserem Modell wird der Einfluß der
Treibhausgase durch die Transmissivität τIR „parametrisiert“.
S
(1 − A ) = τ IR ε σ T 4
4
Klima 10
Temperatur der Erdoberfläche
• Die beobachtete mittlere Oberflächentemperatur beträgt
T = + 15°C
Wenn wir für unseren Parameter τIR den „richtigen“ Wert 0.634 wählen, erhalten wir eine
Temperatur von +15.1°C.
• Ohne Atmosphäre oder nur N2 und O2 (τIR = 1) erhalten wir
T = – 16.0°C
Auf einer Erde ohne Treibhausgase gäbe es allerdings auch weder Wolken noch
Schnee, dadurch wäre die Albedo viel geringer.
• Ohne Atmosphäre mit realistischer Albedo (A = 0.15)
T = – 2.0°C
• Ohne Atmosphäre mit der Albedo des Mondes (A = 0.11)
T = + 0.9°C
• „Schwache junge Sonne“ (τIR = 1, S = 0.7·S0, A = 0.15)
T = – 25.3°C
Der natürliche Treibhauseffekt führt also zu einer Erwärmung um etwa 17°C, dafür sind
verantwortlich:
Alle Treibhausgase haben übrigens drei oder mehr Atome.
H2O
62%
(Rotations-Schwingungsbanden). Beim anthropogenen
CO2
22%
Treibhauseffekt ist CO2 am wichtigsten.
O
7%
3
N2O
CH4
Rest
4%
3%
2%
Um einen Temperaturanstieg von 0.6°C (wie im 20. Jhdt.)
ohne Treibhausgase zu erklären, müsste man die Solarkonstante um 12 W/m2 erhöhen.
Klima 11
Ungleiche Geschwister
....................................... ....................
....................................... ....................
....................................... ....................
...........................................................
Venus Mittlerer Radius 6051 km
Entweichgeschw. 10.4 km/s
CO2 Atmosphäre
90 bar Bodendruck
Treibhauseffekt ~ 400°C
Erde Mittlerer Radius 6371 km
Entweichgeschw. 11.2 km/s
N2 - O2 Atmosphäre
1 bar Bodendruck
Treibhauseffekt ~ 17°C
Mars Mittlerer Radius 3390 km
Entweichgeschw. 5.0 km/s
CO2 Atmosphäre
0.006 bar Bodendruck
Treibhauseffekt ~ 4°C
Klima 12
Etwas realistischer
Die wirkliche Welt ist natürlich etwas komplizierter als unser nulldimensionales Modell
(Quelle: Kiehl and Trenberth, 1997), aber im Prinzip stimmt es gar nicht schlecht (Für
Details haben wir ohnehin zu wenig Zeit).
Klima 13
Strahlungsbilanz – Jahresgang
Netto-Kurzwellenstrahlung
Netto-Strahlung
Netto-Langwellenstrahlung
Netto-Kurzwellenstrahlung = KWabwärts – KWaufwärts
Netto-Langwellenstrahlung = LWabwärts – LWaufwärts
Netto-Strahlung = Netto-KW – Netto-LW
Klima 14
Klimaänderungen
In unserem Modell gibt es immerhin drei Möglichkeiten das Klima, und damit die
Oberflächentemperatur der Erde zu ändern, für alle drei gibt es auch Beispiele in der
Erdgeschichte.
• Änderung der Solarkonstante
„Kleine Eiszeit“. Anstieg der Temperatur zu Beginn des 20. Jhdts (zumindest teilweise).
• Änderung der Albedo
Abkühlung nach explosiven Vulkanausbrüchen durch Schwefelsäure-Aerosole in der
Stratosphäre. „Impaktwinter“ nach Asteroideneinschlag an der Kreide/Tertiär Grenze.
• Änderung der Treibhausgaskonzentration
Anthropogener Treibhauseffekt, Supertreibhaus an der Paläozen/Eozän Grenze.
Außerdem können wir, wenigstens qualitativ einige Rückkoppelungen im Klimasystem
verstehen. Positive Rückkoppelungen verstärken die ursprüngliche Störung, negative
Rückkoppelungen stabilisieren das Klima.
Klima 15
Sonnenaktivität und Klima
Die Zahl der Sonnenflecken variiert in einem
Zyklus von etwa 11 Jahren. Während des
Maunder Minimums von 1645 bis 1715
wurden kaum Flecken beobachtet, zur gleichen
Zeit war ein Höhepunkt der „Kleinen Eiszeit“.
In Zeiten geringer Aktivität hat die Sonne wenig oder gar
keine Flecken (links oben). Mit zunehmender Aktivität steigt
die Zahl der Flecken (rechts oben). Besonders deutlich sieht
man die Aktivitätsschwankungen in der Spektrallinie von
12fach ionisiertem Eisen (unten, entspricht ~ 1 Mio.°C).
Klima 16
Abkühlung nach Vulkanausbrüche
Aus der Dicke und der
Dichte von Jahresringen
kann (z.B. bei Eichen in der
Nähe der Baumgrenze) auf
die Temperatur geschlossen
werden. Die kältesten Jahre
der letzten 6 Jahrhunderte
korrelieren mit den größten
Vulkanausbrüchen (z.B.
dem des Tambora, 1815).
Klima 17
Abkühlung nach Vulkanausbrüche
Beim Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen
(1991) gelangten etwa 21 Millionen Tonnen Schwefel in
die Stratosphäre, das führte im darauffolgenden Jahr zu
einer weltweiten Abkühlung um bis zu 0.5°C. Für die
Eisbären in Churchill/Kanada war es ein gutes Jahr. Die
besonders „gut besetzte“ Generation, die in diesem Jahr
geboren wurde, bezeichnet man als Pinatubo-Bären.
Klima 18
Supertreibhaus vor 55 Mio. Jahren
Ein Beispiel für unsere Zukunft?
An der Grenze zwischen Paläozän und Eozän vor 55 Millionen Jahren „kippte“
der Ozean, große Bereiche der Tiefsee wurden zu lebensfeindlichen Zonen. Die
Kontinente machten eine biologische Revolution durch: In der Arktis lebten
Alligatoren und Schildkröten (auf Ellesmere Island, 75°N), in Kamtschatka gab
es Palmen. Im Mittel war es etwa 7°C wärmer als heute.
Auslöser dieser Umwälzungen war offenbar die Freisetzung gewaltiger
Methanmengen aus Methanhydraten am Meeresgrund. Innerhalb von nur wenigen
Jahrtausenden entwichen 1200 bis 2000 Milliarden Tonnen des Treibhausgases
Methan in Ozean und Atmosphäre und wurden teilweise zu Kohlendioxid oxidiert.
Ein Temperaturschock war die Folge. Die Naturkatastrophe bahnte sich innerhalb
von höchstens tausend Jahren (vielleicht auch weniger) an und erreichte nach
dreißigtausend Jahren ihren Höhepunkt. Erst weitere 120 000 Jahre später hatte
sich das Klima durch die angekurbelte Produktivität im Ozean (und die damit
verbundene CO2 Aufnahe) erholt und auf einem neuen Gleichgewicht eingependelt.
Klima 19
Methanhydrate am Meeresgrund
Methanhydrat - am Meeresboden
Methanhydrate – brennendes Eis. In Gashydraten bilden Wassermoleküle dodekaedrische Eis-Käfige (Struktur links oben), in
denen Gasmoleküle eingeschlossen sind. 1 m3 Methanhydrat
enthält mehr als 160 m3 gasförmiges Methan. Durch den hohen
Gasgehalt ist das Eis brennbar, es zerfällt in Wasser.
bildet beim Zerfallen Methangas - an
der Wasseroberfläche
Klima 20
Supertreibhaus am Ende des Paläozäns
Abrupte Erwärmung des Ozeans um etwa 7°C an der
Paläozön/Eozän Grenze, (a) überliefert im 18O-Gehalt
von verschiedenen Foraminiferenarten (Tiefsee,
Thermokline, Oberfläche). (b) extreme Abnahme des
Gehalts an 13C in den Kalkschalen der (gleichen)
Foraminiferen. (c) biogenes Bariumsulfat (Schwerspat)
als Indikator für einen dramatischen Anstieg der
biologischen Produktivität im Ozean, der zu einer
Verringerung des CO2 Gehaltes der Atmosphäre und
damit zu einem Rückgang der Temperaturen führte.
Schematische Darstellung der Prozesse
an der P/E Grenze. Erwärmung - Zerfall
von Methanhydrat - Freisetzung von
Methan – z.T. oxidiert zu CO2 –
Verstärkung des Treibhauseffektes –
„Biologische Pumpe“
Klima 21
Rückkoppelungen
Hier ist Wasser besonders wichtig, da es auf der Erde als Gas, als Flüssigkeit und in fester
Form (mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften) vorkommen kann.
• Eis–Albedo–Rückkoppelung (positiv)
Temperatur nimmt ab ⇒ Schnee/Eisbedeckung nimmt zu ⇒ Albedo nimmt zu ⇒
Temperatur nimmt weiter ab.
• Wasserdampf–Rückkoppelung (positiv)
Temperatur nimmt zu ⇒ Wasserdampfgehalt der Atmosphäre nimmt zu ⇒
Treibhauseffekt nimmt zu ⇒ Temperatur nimmt weiter zu.
• Wolken–Rückkoppelung für tiefe Wolken (negativ)
Temperatur nimmt zu ⇒ Wasserdampfgehalt der Atmosphäre nimmt zu ⇒
Bewölkung nimmt zu ⇒ Albedo nimmt zu ⇒ Temperatur nimmt ab.
Klima 22
Eiszeiten und Wüsten
Die Eis–Albedo–Rückkoppelung ist prominent an der Entstehung von Eiszeiten beteiligt.
Ein Voraussetzung für Eiszeitalter ist offenbar, daß ein Kontinent über einem Pol liegt (so
wie die Antarktis heute, oder Afrika im Ordovizium – Saharavereisung).
Relativ kleine Schwankungen der Erdbahnparameter (die in unserem einfachen Modell
natürlich keinen Platz gehabt haben) können in dieser Situation durch die Eis–Albedo–
Rückkoppelung so verstärkt werden, daß sie zur Abfolge von Kaltzeiten und Warmzeiten
führen.
Diese Schwankungen von Erdachsenneigung und Form der Erdbahn, die MilankovicZyklen, führen zu einer Änderung der Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der
Erdoberfläche. Es gibt sie auch außerhalb von Eiszeitaltern, aber dann sind ihre klimatischen
Auswirkungen wesentlich geringer.
In niederen Breiten haben die Milankovic-Zyklen Einfluß auf die Intensität der Monsune.
Zu Zeiten intensiverer Monsunzirkulation war z.B. die Sahara keine Wüste, sondern eine
lebensfreundliche Savanne, ähnlich wie Ostafrika heute.
Klima 23
Die Milankovic – Zyklen
Änderung der Erdbahnparameter und damit der Sonnenstrahlung
(1) Schwankung der Bahnexzentrizität mit einer Periode von
etwa 100000 Jahren
(2) Änderung der Neigung der Erdachse mit einer Periode von
etwa 41000 Jahren
(3) Präzession der Äquinoktien mit einer Periode von ungefähr
21700 Jahren durch Präzession der Erdachse und Drehung
der Apsidenlinie (Rosettenbahn).
Apsidenlinie
Klima 24
Österreich in der letzten Kaltzeit
Inngletscher
Salzachgletscher
Murtal
Graz
Drautal
Klima 25
Klimawandel in der Sahara
In empfindlichen Regionen können schon kleine klimatische Änderungen große Wirkungen
haben. Nur noch wenig weist heute darauf hin, daß z.B. die Sahara noch vor vergleichsweise
kurzer Zeit ein Tierparadies war.
Seen wie der Ounianga Kebir im Tschad (rechts) werden von
Grundwasser genährt, das aus einer Zeit stammt, in der die Sahara
noch wesentlich feuchter war als heute (bis vor ~6 000 Jahren). In den
tiefen Schluchten im Ennedi Gebirge (links) gibt es vereinzelt
Becken die ganzjährig mit Wasser gefüllt sind („Gueltas“), hier
konnten sogar einige Krokodile überleben.
Klima 26
Klimawandel in der Sahara
Die uralten Zypressen in einer Felsschlucht im Tassili Gebirge
(Algerien) sind ebenfalls Zeugen der Zeit, in der die Sahara grün
war. Mittlerweile liegt der Grundwasserspiegel so tief, daß er nur
noch von den extrem langen Wurzeln der alten Bäume erreicht
wird. Die Zypressen können sich nicht mehr fortpflanzen, weil
die Wurzeln der jungen Pflanzen das Grundwasser nicht schnell
genug erreichen können. In der gesamten Sahara findet man
Felszeichnungen von Rinderherden, aber auch von Elefanten und
Giraffen (Niger, 7000 v.Chr.) aus dieser Zeit, in der die Sahara
wohl ähnlich aussah wie heute die Savannen Ostafrikas.
Klima 27
Globaler Temperaturanstieg
1998
2002
2003
2001
1995
Solarkonstante
1980
Im 20. Jhdt ist die globale Mitteltemperatur um 0.6°C gestiegen. Der
Anstieg der letzten ~25 Jahre ist ohne menschlichen Einfluss nicht erklärbar.
2003
Klima 28
Klimawandel – Anzeichen
Ein deutliches Anzeichen für den aktuellen Klimawandel ist der Rückgang der Gletscher in
den Hochgebirgen der Erde. Die Bilder zeigen die Pasterze, den längsten Gletscher der
Ostalpen. Links: 1938, rechts: 2003 (Quelle: www.gletscherarchiv.de). In Sommer 2003 hat
die Pasterze (Mittel über die gesamte Gletscherzunge) 6.5 m an Dicke verloren. In diesem
Fall kann man Klimawandel „hautnah“ erleben.
Klima 29
Klimawandel – Anzeichen
Seit 1850 (da gab es allerdings einen großen Gletschervorstoß) haben die Alpengletscher
mehr als 1/3 ihrer Fläche und mehr als die Hälfte ihres Volumens verloren. Im Bild ein
Querprofil der Pasterze (Quelle: G. K. Lieb, IfG, Uni-Graz).
Klima 30
Klimawandel – Anzeichen
Der Vernagtferner in den Ötztaler Alpen (Quelle: www.glaziologie.de).
Klima 30a
Klimawandel – Anzeichen
Der Vernagtferner in den Ötztaler Alpen (Quelle: www.glaziologie.de).
Klima 31
Klimawandel – Anzeichen?
Im März 2004 wurde der erste Hurrikan (Catarina) im Südatlantik beobachtet (o., Quelle:
NASA). Bis jetzt war es dort für die Entstehung von Hurrikans zu kalt. Vielleicht ist es nur
ein Zufall, aber die Zugbahn von Catarina verläuft genau dort, wo von Klimamodellen für das
Ende des 21. Jhdts. Hurrikans vorausgesagt werden (r.u., Quelle: UK Met Office).
Klima 32
Der Sommer 2003 in Europa
Links: Typisches Satellitenbild für den Sommer 2003 (SeaWiFS Satellit, NASA). Rechts:
Vergleich der Temperaturen im Juli 2003 mit denen im Juli 2001 (Terra Satellit, NASA).
Frankreich war (mit einigen tausend Todesopfern) von der Hitzewelle besonders stark
betroffen, hier betrug die Temperatur-Anomalie stellenweise mehr als +10°C. In weiten Teile
Osteuropas waren die Temperaturen allerdings niedriger als im Juli 2001.
Klima 33
Der Sommer 2003 in Paris
Durch die Hitzewelle im Sommer 2003 verursachte zusätzliche
Todesfälle in Paris (Quelle: WHO)
Klima 34
Simulation – Temperatur bis 2100
(a)
CO2 Emissionen
(b)
Szenarien
Temperaturänderung
Temperaturänderung [°C]
CO2 Emissionen [Gt C/Jahr]
Szenarien
Jahr
Quelle: IPCC, 2001
Alle Klimamodelle,
alle Szenarien
Mittel der Modelle,
alle Szenarien
Balken: Resultate der verschiedenen
Modelle für
ein Szenario,
2100
Jahr
Quelle: IPCC, 2001
Das Klima der Zukunft wird empfindlich von den zukünftigen Treibhausgasemissionen abhängen, diese wiederum
vom Wachstum der Wirtschaft und der Bevölkerung. Beides ist schwierig vorherzusagen. Es wurden daher über 30
verschiedene Emissions-Szenarien entwickelt (a), die man in mehrere „Familien“ einteilen kann. A1: starkes Wirtschaftswachstum, leichter Bevölkerungsrückgang ab ~2050. B1: rasche Entwicklung „sauberer“ Energien, leichter
Bevölkerungsrückgang. Auf Basis dieser Szenarien wurden Simulationen mit Klimamodellen gerechnet (b). Für das
Jahr 2100 ergibt sich eine Erwärmung um 1.4 bis 5.8°C gegenüber 1990. Schon der untere Wert ist damit wesentlich
höher als der Temperaturanstieg im 20. Jahrhundert (und vermutlich alle Klimaänderungen der letzten 10 000 Jahre).
Klima 35
Erwartete Konsequenzen - weltweit
Höhere Maximaltemperaturen, mehr heiße Tage und Hitzewellen:
• Verstärktes Auftreten von Sterbefällen und ernsthafter Krankheit bei älteren
Altersgruppen und städtischen Armen.
• Verschiebung von Touristenzielen.
• Zunehmendes Risiko von Schäden für eine Anzahl von Nutzpflanzen.
Höhere Minimaltemperaturen, weniger kalte Tage, Frosttage und Kältewellen:
• Ausgedehntere Verbreitung und Aktivität von einigen Schädlingen und
Krankheitsüberträgern
• Reduzierter Heizenergiebedarf
Intensivere Niederschlagsereignisse über vielen Gebieten. Dadurch bedingt:
• Zunehmende Überschwemmungs-, Erdrutsch-, Lawinen- und Murgangschäden.
• Zunehmende Bodenerosion.
Zunehmende Sommertrockenheit über den meisten innerkontinentalen Flächen
in den mittleren Breiten, verbunden mit dem Risiko von Dürren. Dadurch bedingt:
• Sinkende Ernteerträge.
• Sinkende Qualität und Quantität von Wasserressourcen.
• Steigendes Waldbrandrisiko.
Klima 36
Die Radio-Okkultations-Technik
Radio Signale
λ ≅ 20 cm
Sender
GPS
Galileo
Empfänger
CHAMP
Metop
Klima 37
Die Radio-Okkultations-Technik
Phasenwegsverlängerung
durch die Atmosphäre
~ 1 mm
~ 20 cm
~ 20 m
~ 1-2 km
Mesopause
Stratopause
Tropopause
Oberfläche
Dispersionsbeziehung
Phasenwegsmessung
Orbitinformation, Ionosphärenkorrektur
Brechungswinkelprofil
Abel Transformation
Refraktivitätsprofil
Dichte
Temperaturinformation
Hydrostatische Gleichung
Druck
Zustandsgleichung
Elektronendichte
Temperatur
Wasserdampf
Ionosphäre
Stratosphäre
Troposphäre
Untere/Mittlere
Troposphäre
Klima 38
Klimabeobachtung
Radio-Okkultationsmessungen liefern eine Kombintation aus:
• Hoher vertikaler Auflösung und hoher Genauigkeit.
• Langzeit-Stabilität und Selbst-Kalibrierung.
• Globaler Bedeckung, gleiche Dichte über Ozeanen und Kontinenten
• All-Wetter Tauglichkeit, Messungen bei Tag und Nacht.
Damit eignet sich diese Methode zur Beobachtung des Klimas und zur
Überwachung des atmosphärischen Klimawandels mit bisher nicht
erreichbarer Qualität.
Klima 39
Radio-Okkultation mit CHAMP
Seit März 2002 liefert der CHAMP Satellit kontinuierlich Radio-Okkultations-Daten,
die zur Klima-Beobachtung verwendet werden können (Quelle: GFZ, Potdsam).
Klima 40
Status von CHAMP
Seit März 2002 etwa 160 verwertbare
Okkultationen pro Tag (Quelle: GFZ).
Klima 41
Globale Klimatologien
Zonales Temperaturmittel CHAMP/IGAM
Zonales Temperaturmittel ECMWF
CHAMP – ECMWF Differenz
Schon mit RadioOkkultations-Daten
von einem einzigen
Satelliten (CHAMP)
können diese
Analysen deutlich
verbessert werden
Globale Analysen
des "European Centre
for Medium-Range
Weather Forecasts"
(ECMWF) beinhalten
alle „traditionellen“
Datenquellen.
Klima 42
Beobachtung von Klimawandel
In einer Simulationsstudie haben wir untersucht, ob es möglich ist, erwartete
Änderungen der mittleren Sommertemperatur bis 2025 mit einer kleinen
Konstellation von 6 Empfangssatelliten zu beobachten.
Resultate von Klimamodellen (links) lassen z.b. einen Temperaturanstieg von mehr
als 1°C in der oberen tropischen Troposphäre erwarten, wo OkkultationsKlimatologien vermutlich Fehler von weniger als 0.2°C haben werden (rechts).
Klima 43
Beobachtung von Klimawandel
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit