Sexl Physik 8, Schulbuch

59 | Lexikon: Klima In der Meteorologie versteht man unter Klima die statistischen Eigenschaften von meteorologischen Elementen wie Tem- peratur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit, Winde etc. gemittelt über 30 Jahre. 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Temperaturschwankungen in °C (vom Durchschnitt 1961-1990) -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 Temperaturabweichungen in °C (vom Durchschnitt 1961-1990) Schwankungen der Erdoberflächentemperatur während ... ... der vergangenen 140 Jahre (global) ... der vergangenen 1000 Jahre (Nordhalbkugel) direkte Temperaturen Proxydaten direkte Temperaturen Proxydaten 59.1 Mittlere Globaltemperaturen der letzten 140 bzw. 1000 Jahre. Die Angaben vor ca. 1850 stammen aus indirekten Messungen („Proxydaten“, z. B. Eisbohrkernen, Baumrin- gen). Zwischen 1880 und 2012 stieg die mitt- lere globale Temperatur um 0,85° C (Quelle: Intergovernmental Panel on Climate Change, Summary for Policy Makers, IPCC 2014) Kohlenstoffdioxid (CO ) Methan (CH ) Distickstoffmonoxid (N O) 2 4 2 400 350 300 250 CO (ppm), N O (ppb) 2 2 0 500 1000 1500 2000 Jahr 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 CH (ppb) 4 59.2 Verlauf der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Bis zur industriellen Revo- lution schwankte die Konzentration zwischen 180 und 280 ppm (parts per million). Innerhalb der letzten 200 Jahre ist die Konzentration auf 390 ppm (2011) gestiegen. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts könnten Konzentrationen über 650 ppm erreicht werden. Prognostiziert wird auch ein starker Anstieg der Treibhausga- se Methan und N 2 O. (Quelle: IPCC 2007) Untersuche, überlege, forsche: Klimadaten 59.1 Die NASA erfasst über Satelliten globale Messwerte zu Temperatur, Wasserdampf, Niederschlägen, Vegetation usw. und deren Wechsel über die Jahreszeiten hinweg. Was sagen uns diese Grafiken über den Klimawandel? (Entsprechenden Links dazu findest du unter physikplus.oebv.at .) 2.2 Berechnung der Temperatur der Erde Unsere Erde bekommt ihre Energie praktisch vollständig von der Sonne. Wir wol- len berechnen, wie viel Energie wir von der Sonne erhalten. Nach dem Stefan-Boltzmann’schen Gesetz (siehe S. 64) strahlt jeder Quadratmeter Sonnenoberfläche bei T = 5800 K mit einer Leistung von P = σ T 4 = 5,67·10 –8 ·(5800) 4 W = 64,2 MW. Bei einer Sonnenoberfläche von A = 6,2·10 18 m 2 beträgt die Leuchtkraft der Sonne, das ist die gesamte Strahlungsleistung der Sonne (s. S. 117), daher P = 6,2·10 18 m 2 ·64,2·10 6 W/m 2 = 4·10 26 W. Die Abstrahlung erfolgt gleichmäßig in alle Raumrichtungen. Dividieren wir die Leuchtkraft der Sonne durch die Oberfläche einer Kugel, die den Radius der Erd- bahn (1,5·10 11 m) hat, erhalten wir den senkrecht auf 1 m 2 der Erdatmosphäre auf- fallenden Energiestrom, das sind rund 1400 W/m 2 . Dieser Wert heißt Solarkon- stante. Etwa 30 % des von der Sonne einfallenden Energiestroms werden von den Wolken, von Eis- und Wasserflächen direkt in den Weltraum reflektiert. Am Erdbo- den werden demzufolge im Mittel etwa 1000 W/m 2 gemessen. Über den gesamten Querschnitt π R E 2 der Erde beträgt der einfallende Energie- strom P E = π R E 2 ·1000 W. Aufgrund des Stefan-Boltzmann’schen Gesetzes strahlt die gesamte Erdoberfläche 4 π R E 2 Temperaturstrahlung mit der mittleren Erdtemperatur T E ab. Es gilt daher: 4 π R E 2 · σ T E 4 = π R E 2 ·1000 W/m 2 . Daraus ergibt sich T E = 258 K = – 15 °C . Damit wäre die Erde ein zu Eis erstarrter Planet. Im Gegensatz zum errechneten Wert hat unsere Erde eine mittlere Tempe- ratur von + 15 °C . Der Grund ist, dass wir in unserer Abschätzung einen wichtigen Faktor nicht berücksichtigt haben: die Atmosphäre der Erde und den natürlichen Treibhauseffekt. 2.3 Der Treibhauseffekt Die Erde erhält ihre Energie von der Sonne in Form eines breiten Spektrums elek- tromagnetischer Strahlung. Wie die Grafik 60.3 zeigt, wird ein Teil der Ener- gie von der Atmosphäre ins Weltall reflektiert, ein Teil wird von der Atmosphäre absorbiert, ein Teil gelangt zur Erdoberfläche und wird dort absorbiert oder (von Wasser- und Eisflächen) reflektiert. Die absorbierte Energie wird von der Erde in Form von Infrarotstrahlung wieder emittiert und trifft wieder auf die Atmosphä- re. Diese enthält Gase, insbesondere Wasserdampf und CO 2 , die das von der Erde emittierte Infrarot praktisch vollständig absorbieren, ähnlich wie das Glasdach ei- nes Treibhauses. Wie die Erde gibt auch die Atmosphäre diese Strahlung in Form von Wärmestrahlung (Infrarot) wieder ab. Die Gasmoleküle der Atmosphäre emit- tieren die Strahlung aber nun in alle Richtungen: Die Hälfte wird in den Welt- raum abgestrahlt, die andere Hälfte wieder zur Erde. Dieser Betrag kommt nun zur durchgelassenen Strahlung hinzu und bewirkt eine Erwärmung der Erde. Da der Energiestrom im Kreis zwischen Atmosphäre und Erde läuft, bleibt die dadurch verursachte Erwärmung der Erde konstant. Man bezeichnet diesen Effekt als na- türlichen Treibhauseffekt . Der Treibhauseffekt besteht seit vielen Milliarden Jah- ren. Ohne den Treibhauseffekt wäre Leben auf der Erde nicht möglich. N r zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv