UI12 Wädenswil Metrologie FS13
Metrologie
Metrologie
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Cartes-fiches
Konvektion
löst Gewitter aus; =auftriebsbedingte
Aufwinde; verursacht durch
labilisierte Luftschichtung
Energiequelle Sonne (Energie)
Energieabgabe in Form von
elektromagnetischen Wellen, die kein
Medium brauchen, um sich
fortzupflanzen (können auch durch
Vakuum gehen); Im Innern 15 Mio Kelvin,
aussen 6000 Kelvin; Plasmaausbrüche
verursachen Nordlicht durch Partikel, die
in Richtung Erde fliegen
Solarkonstante
= Strahlungsfluss (Strahlungsenergie pro
Flächen- und Zeiteinheit)von der Sonne
an der Obergrenze der Erdatmosphäre
beträgt im Jahresmittel 1370J
s
m2 = 1370 W
m2; bezogen auf die Erdoberfläche sind
das 342 W
m2
Sonnenflecken
viele Flecken: aktive Sonne, gr.
Energieabgabe; wenige Flecken:
ruhige Sonne, red. Energieabgabe;
Sonnenzyklus im Schnitt 11 Jahre;
ungewöhnlich langanhaltend ruhige
Sonne seit Mitte 2007
Leuchtkraftverlauf der Sonne
Leuchtkraft- und Temperaturverlauf
hatten eine 75 % Korrelation ausser
bei vulkanischer Aktivität und
überproportionaler
Temperaturanstieg im Vergl. zur
Leuchtkraft seit der Industrialisierung
(ab dann nur noch 30% korrelation)
Wellenlänge
Frequenz des Sonnenlichts
für die emittierte Strahlung gilt die
Beziehung, dass
Lichtgeschwindigkeit=Wellenlänge*Frequenz
=>je kleiner die Wellenlänge, desto höher
die Frequenz (=Mass für die Aggressivität /
Energieladung der Strahlung); von Ultraviolett
(0.1) bis Infrarot-Strahlung (1000); das
blaue Licht wird am meisten gestreut =>
Himmel blau
Strahlungsgesetz: Stefan-Boltzmann-
Gesetz
besagt, dass die gesamte
Strahlungsenergie eines schwarzen
Körpers über alle Wellenlängen der 4.
Potenz der Temperatur proportional
ist! E (abgestr. Gesamtenergie)=
Strahlungsgesetz: Wiensche
Verschiebungsgesetz
T*ℷmax=konstant, T=Temperatur des
Strahlers {in Kelvin},
ℷmax=Wellenlänge des Maximums;
gibt den Zusammenhang zwischen
der Temp. und der Wellenlänge der
maximalen Strahlungsintensität
wieder!
Rayleigh - Streuung
ℷ⁴, Iℷ=Streuungsintensität bei Wellenlänge ℷ; Streuung an
Luftmolekülen, die deutlich kleiner sind als die
Lichtwellenlängen => darum Streuung in alle
Richtungen; weil die Streuung stark von der 4. Potenz
der Wellenlänge abhängt, wird blaues Licht viel stärker
gestreut als rotes (je kleiner die Wellenlänge, umso
stärker die Streuung)=> darum Himmel blau; am
Morgen+Abend erscheint er uns rot, weil der
Unterschied in der Intensität der versch. Wellenlängen
umso grösser ist, je länger der Weg des Lichtes durch
die Atmosphärenschichten ist
Streuung (blau, rot, allg)
weil die Streuung stark von der 4. Potenz(Rayleigh),
resp. 1.3 Potenz (Mie) der Wellenlänge abhängt, wird
blaues Licht viel stärker gestreut als rotes (je kleiner die
Wellenlänge, umso stärker die Streuung und umso
stärker die jeweilige Farbe)=> darum Himmel blau; am
Morgen+Abend erscheint er uns rot, weil der
Unterschied in der Intensität der versch. Wellenlängen
umso grösser ist, je länger der Weg des Lichtes durch
die Atmosphärenschichten ist (Streuung spielt k(l)eine
(re) Rolle); blaues Licht so stark gestreut, dass man es
kaum noch sieht
roter Sonnenaufgang
untergang
Meterologie Klimatologie — Strahlung
roter Sonnenaufgang =
Schlechtwetterzeichen: trockene Luft ist
im Osten=> sie war schon bei uns=> ev.
kommt feuchte Luft hinterher; roter
Sonnenuntergang = Schönwetterzeichen:
Wetter kommt von Westen=> rote
trockene Luft kommt noch bei uns
vorbei; je trockener die Luft um so
"kitschiger" die rote Farbe
Mie-Streuung
(ℷ^1.3), Iℷ=Streuungsintensität bei Wellenlänge ℷ;
Streuung an Dunst-Partikeln, Aerosolen, Staub, die
grösser sind als die Lichtwellenlänge; Streuung erfolgt
mit zunehmender Teilchengrösse immer mehr nach
vorne; hängt nur wenig von der Wellenlänge ab =>
Dunst ist desshalb farblos weisslich-grau; auf Grund der
starken Vorwärtsstreuung erscheint der dunstige
Himmel in Richtung Sonne deutlich heller als in der
entgegengesetzten Richtung (dort "sehen" wir v.a. die
Effekte der Rayleigh-Streuung)
Spektrale Energieverteilung der
Sonnenstrahlung
das grüne Licht hat die höchste
Strahlungsintensität und unser Auge reagiert
am empfindlichsten auf diesen
Wellenlängenbereich (wir können s. viele
versch. Grüntöne unterscheiden); für die
Absorption des sichtbaren Bereichs ist v.a.
O3 und O2 verantwortlich; für Infrarot
Wasserdampf; ein gr. Teil der Strahlung
kommt nie an, weil es vom Ozon absorbiert
wird
Jahreszeitliche Bestrahlung und
Weglänge
Neigung der Erde zur Sonne entscheidend
(=Einstrahlungswinkel), weil dies einen
enormen Einfluss auf die Energie pro
Flächeneinheit hat; Abstand zur Sonne spielt
praktisch keine Rolle; Weglänge: bis zu den
Polen haben die Sonnenstahlen einen
längeren Weg (umso kleiner die Energie)
durch die Atmosphäre im Gegensatz zum
Äquator (egal, ob sommer oder winter)
Strahlungs- und Energieflüsse
von der kurzwelligen Strahlung wird 35% ins
Weltall zurückgestrahlt, 15% bleiben in der
Atmosphäre, ca. 50% wird von der Erdoberfl.
absorbiert; Terrestrische Strahlung
(langwellig): 20% Abstrahlung der Erde direkt
ins Weltall (und 30% der Erde in die
Atmosphäre durch Verdunstung/Konvektion)
die Atmosphäre gibt wiederum 35 % ins
Weltall ab
Globalstrahlung
Summe aus der kurzwelligen direkten
(=erreicht direkt den Boden)
Sonnenstrahlung und der kurzwelligen
diffusen Himmelsstrahlung (=wurde erst
von Luftmolekülen, Wassertröpfchen u.
Aerosolen gestreut); mittlere
Globalstrahlung ist am Äquator am
höchsten
Höhenabhängige Gegenstrahlung
die Gegenstrahlung nimmt mit zunehmender
Höhe ab, weil der Luftdruck abnimmt und
somit auch der Wasserdampfgehalt;
Gegenstrahlung = von der Erde abgestrahlte
langwellige Strahlen werden von
Wasserdampfmolekülen reflektiert und zur
Erde zurück geschickt; (Treibhauseffekt
kleiner in grössen Höhen ?)
Albedo α
reflektierter zu einfallender kurzwelligen
Strahlung {in %} = Kurzwelliges (solares)
Reflexionsvermögen; z.B. reiner Neuschnee:
α=75-90%, Meer, See (durch Turbulenz
+Wellengang wird Strahlung eingefangen):
α=6-12%, Asphalt: α=5-10%,
Beton:α=10-35% =>Beton
umweltfreundlicher :-); Albedo an den Polen
am höchsten, auf dem Meer am tiefsten
Strahlungsbilanz Q der Erdoberfläche
Q= 102 W
m2 im Mittel (Jahreszeit- und
Breitenabhängig); (Breitenmittel: Bei
Äquator einen Überschuss und an
den Polen ein Defizit, weil dort
Ausstrahlung grösser als
Einstrahlung)
Globales Wassertransportsystem
Grafik Strahlung Folie 24
Wind Definition, Richtung, Geschwindigkeit
Def: Luftströmung in der Atmosphäre. zu
berücksichtigen sind Windrichtung und
Geschwindigkeit!; Richt: Angabe in Grad
oder Himmelsrichtung, Benennung nach
Richtung aus der der Wind KOMMT;
Geschw: Angabe in Beaufort, Knoten (1
Seemeile/h), m
s, km
h;
Isotachen
Linien gleicher Windgeschwindigkeit
Windmessung
auf möglichst freiem Feld, 10 m über
Boden; den MITTLEREN Wind (=
Durchschnitt der letzten 10 min) und die
Windböen (=Sekundenwind) werden
gemessen
Wie entsteht Wind?
Wind entsteht durch Druckunterschiede
(=Druckgradient), fliesst vom höheren zum
tieferen Druck, kein Druckgefälle = kein
Wind; bei Druckgradient entsteht eine
Gradientkraft (P): Druck auf Meereshöhe
muss genommen werden, um P zu
berechnen, P=(P₂-P₁)
L, L=Länge, P₂=höherer Druck,
P₁=niedrigerer Druck
Coriolis Kraft (C)
der zum niedrigeren Druck hinwehende
Wind wird nach rechts abgelenkt (auf
Nordhalbkugel); C ist abhängig von der
Windgeschwindigkeit und von der
geografischen Breite (am Äquator C=0)
Geostrophischer Wind (v)
Gleichgewicht zwischen Gradientkraft und
Corioliskraft (=geostrophisches
Gleichgewicht); weht Isobarenparallel; gute
Näherung für die Winde in der freien
Troposphäre (=ungestört in höheren
Luftschichten), wenn die Isobaren nicht
stark gekrümmt sind; C ist rechtwinklig zur
Bewegungsrichtung des Geostrophischen
Windes;
Geostrophischer Wind einzeichnen,
Geschwindigkeit
1) Druckgradiente suchen 2)
Gradientrichtung einzeichnen 3) Ablenkung
nach rechts einzeichnen (vom höheren
Druck ausgesehen) 4) Geostr. Wind
Isobarenparallel in der Richtung der
Ablenkung einzeichnen; je näher die
Isobaren zusammen sind, umso stärkerer
Geostrophischer Wind herrscht
Wind am Boden
Wind am Boden fliesst NICHT geostropisch,
weil durch Reibung abgelenkt wird; über
Land: Ablenkung ≈ 30°,
Geschwindigkeitsreduktion ≈ 50%; über
Meer: Ablenkung≈10°,
Geschwindigkeitsreduktion ≈ 30%;
Reibungsschicht: 1000-1500 m über Grund
Einfluss der Reibung bei Bodenwind (4),
Wohin wird Bodenluft abgelenkt?
1) vermindert Geschwindigkeit 2)
Corioliskraft wird kleiner => 3) v wird in
Richtung P abgelenkt => Luft wird zum
TIEF HIN abgelenkt
Böigkeit des Windes (Ursache, Ausmass)
durch die Rauhigkeit der Oberfläche is die
Reibung in der bodennahen Schicht stark
erhöht => Windböen; Böen können den
mittleren Wind bis zu 50% übersteigen
Küstenkonvergenz
verursacht Wolkenfelder am Meer auf
Grund der unterschiedlichen Reibung über
Land und Wasser: die schnelle Luft wird
aufgestaut und muss aufsteigen
(=>Wolkenbildung), weil die Luft über dem
Land sehr stark abgebremst wird
Talwind
wind vom Tal; am Tag erwärmt sich die Luft
an den Berghängen, sie steigt auf und zieht
neue Luft nach; Talwind deutlich stärker als
Bergwind; sehr ausgeprägt bei Flachdruckund
Hochdrucklagen
Bergwind
in der Nacht: bodennahe Luft an den
Berghängen kühlt sich ab, diese Luft ist
dichter als die Umgebungsluft => sie sinkt
in die Täler und fliesst aus den Tälern
heraus; s. ausgeprägt bei Hoch- &
Flachdrucklagen
Windfluss im Tief
Luft fliesst INS Tief, Ablenkung nach Rechts
durch Corioliseffekt => Drehung im
Gegenuhrzeigersinn; vertikale
Luftströmung: aufsteigende Luft, die sich
abkühlt, Wasserdampf kondensiert =>
Wolkenbildung
Windfluss im Hoch
Luft fliesst AUS dem Hoch, Ablenkung nach
Rechts => Drehung im Uhrzeigersinn;
vertikale Luftströmung: es ist Subsidenz
vorhanden (=absinkende Luft erwärmt sich,
Wasser verdunstet, Wolken lösen sich auf)
Jet Stream = Strahlstrom (Def)
kräftige Windströmung mit über 60 kt (≈
110 km/h); einige 100 km breit, mehrere
1000 km lang; v.a. in der oberen
Troposphäre
Luftmasse Def
Luftvolumen über grösserem Gebiet mit
ähnlichen Eigenschaften (v.a. Feuchtigkeit,
Temp., Herkunft); Unterschiede zwischen
Luftmassen durchschn. 10 - 15° C; KEINE
fliessenden Übergänge; in der
Übergangszone bilden sich Fronten auf
Grund des Temp. unterschiedes auf engem
Raum
Jet Stream - Entstehung
entsteht an Luftmassengrenzen; z.B. beim
Zusammentreffen von polarer Kaltluft und
subtropischer Warmluft => Polarfrontjet;
am Boden führt dieses Zusammentreffen zu
Warm- und Kaltfronten;