Atmosphäre - Teil Wernli

Cloud Condesation Nucleus = Kondensationskeim

in der Regel ein Radius von 0.1 mirkometer

flüssiges Wasser in der Atmosphäre welches kälter als 0° ist.

--> Je nach dem durch welches Aerosol (Kondensationskeim) das flüssige Wasser entstanden ist unterscheidet sich die Gefriertemperatur.

--> Viele Tröpfchen gefrieren erst bei -20 bis -25° C

Schon gefrorenes Wasser fängt beim Fallen unterkühltes WAsser auf welches sofort auch gefriert.

Kleiner: Beim Anheben wird das feuchte Luftpaket kälter, dadruch wird die Luft übersättigt und Wasserdampf kondensiert, was Wärme freisetzt!

Trockenadiabate (adiabate Temperaturänderung eines aufsteigenden, trockenen Luftpakets) ist anders als die Feuchtadiabate (adiabate Temperatur änderung eines aufsteigenden, wassergesättigten Luftpakets). Der Bereich zwischen diesen Beiden Linien wird bedingte Stabilität genannt, da je nach dem wie feucht ein Luftpaket ist kann es noch stabil sein oder eben nicht. Siehe grafik grauer bereich!

Temperaturänderung des Luftpakets:

Bei RH 60 Kann luftpaket als trocken angenommen werden. deshalb steigt es zuerst an der Trockenadiabate entlang auf (Aufstieg angetrieben zum Beispiel durch Wind).
irgendwann erreicht es allerdings 100% sättigung --> dann steigt es an der Feuchtadiabaten entlang auf (dazu die Feuchtadiabate paralell verschieben, siehe grafik). Je nach dem wie die Umgebungstemperatur (in grafik grüne linie) aussieht, überschreitet das aufsteigende Luftpaket plötzlich die Umgebungstemperatur, Luftpaket also wärmer --> Aufstieg wird stark beschleunigt, da wärmere Luft weniger dicht. --> es bilden sich grosse cumulonimbus gewitterwolken

- Corioliskraft

- Druckgradientenkraft!

Druckgradientenkraft ist die Kraft welche auf ein Luftpaket wirkt, die ausgehend von einem Gebiet mit hohem Luftdruck in Richtung eines Gebiets mit tiefem Luftdruck wirkt.

Korioliskraft ist eine Trägheitskraft und kommt daher zu stande, dass auf einem rotierenden System (z.B. der Erde die bahngeschwindigkeit nicht überall gleich ist. Wird z.B. Startet ein Luftpaket in einem Wind welcher genau richtung norden gerichtet ist am Äquator seinen weg, hat es dort eine gewisse bahngeschwindikeit mit der es sich in richtung der Rotation bewegt (zustätzlich zur nordwärtsgerichteten bewegung). je weiter gegen norden das paket kommt desto geringer ist die rotationsgeschwindigkeit der Umgebung. Das luftpaket behält allerdings seine ursprüngliche Rotationsgeschwindigkeit bei wodruch es langsam abgelenkt wird.

Nein Corioliskraft wirk nur in bewegten Systemen!

in der Atmosphäre gilt: \(\overrightarrow{F_p} \approx -\overrightarrow{F_c}\)  F_p= Druckgradientenkraft, F_c= Corioliskraft, leitet sich aus der Newtonschen Bewegungsgleichung ab

<-- diese gleichung wird Geostrophisches Gleichgewicht genannt. Sind F_c=F_p heben sich die beiden kräfte gegenseitig auf.

Für grossskalige Wettersysteme (hoch- und Tiefdruckgebiete) ausserhalb der Tropen gelten auch die beiden Kräfte (Druckgradienten- und Corioliskraft).

Aus dem Kräftegleichgewicht dieser Beiden (\(\overrightarrow{F_p} \approx -\overrightarrow{F_c}\)) ergibt sich eine Bedingung für den Wind. Dieser Wind führt zu dem perfekten Gleichgewicht dieser Kräfte und wird geostrophischer Wind genannt. Dieser Wind ist immer senktrecht zu den beiden Kräften und daher parallell mit den Isobaren (isobaren= linien mit konstantem Druck).

Je näher die Isobaren beieinander sind, desto stärker ist dieser wind. siehe grafik

Achtung: meine Antworten nicht aus der Vorlesung

1 ist richtig: vergleiche Trockenadiabate und Feuchtadiabate. Trockenadiabate isch falcher --> verliert also schneller an temperatur

2 ist falsch: bei einer Anhebung um 100 meter wird ein Luftpaket mit RH 50% noch nicht RH 100% erreicht haben. Erst dann wird durch das Kondensieren Wärme frei und beeinflusst die Temperatur.

3 ist falsch. Die Strahlungsleistung nimmt mit der 4. Potenz zur Temperatur zu. Das heisst bei einer Verdoppelung der Temperatur (*2) wird sich die Strahlungsleistung um das 16-fache erhöhen (2⁴)

4. Ist auch falsch: aus dem Plankschen gesetz kann herausgelesen werdne, dass die sonne bei dem Sichtbaren licht (Wellenlänge: 200-800 nm) am meisten Energie abstrahlt.

Norwegisches Modell: Es kommt zu einer Okklusion (zusammenfliesen der Warm und Kaltfront --> Temperaturdifferenzen sind klein. --> Polarfronttherie

Shapiro-Keyser Modell: Es kommt zu KEINER Okklusiont --> Theroie der Baroklinen Instabilität

Es gibt in jeder Hemisphäre eine erdumspannende Polarfront. Bei dieser Front treffen polare (kalte) und trophische (warme) Luftmassen aufeinander. Polarfront ist nicht durchgängig!

Polarfront kann instabil werden --> es bildet sich ein Knick in der Front (kalte luft nach süden warme eher nach Norden wodruch sich dann ein Zyklon bilden kann nach dem Norwegian Modell (mit Okklusion)

Die Warmluft wird auf die Kaltluft aufgehoben. Warmluft ist vollständig vom Boden abgehoben.

<-- info aus skript

= Tiefdruckgebiet

(Siehe auch Karte Baroklinität)

Siehe Grafik: Grafik auf der x-Achse von 0° (Äquator) nach 90° (Pol) auf der y-Achse die Höhe der Luftsäule.

Die Linke Grafik stellt die Situation dar, welche durch die Sonne verursacht wird. Luft an den Polen am Boden ist am schwersten (da sehr kalt und am Boden doch hoher Luftdruck), Luft über dem Boden am Äquator ist deutlich leichter, da wärmer (--> Baroklinität). Gleichiges gilt mit zunehmender Höhe: Leichtere Luft steigt auf --> über dem Äquator die leichteste Luft in der höhe, über Pol ist die Luft auf gleicher höhe schwerer, da von der Sonne dort weniger Wärme

--> Dieses oben erklärte System ist jedoch instabil! Eigentlich müsste es wie in der Rechten Grafik geschichtet sein: kalte luft gleichmässig über dem Boden verteilt --> kein Temperaturgradient nach Norden! Der linke Zustand hat also eine höhere Potentielle Energie, der Rechte eine Tiefere --> das System versucht auszugleichen und wandelt während dessen die überschüssige potentielle Energie im Linken System in kinetsiche energie um! --> diese kinetische Energie führt zur Bildung von Hoch- bzw. Tiefdruckwirbeln damit das System ausgeglichener wird

--> Sonne macht diese ausgleichs-Reaktion wieder rückgängig und das ganze beginnt wieder von vorn --> Kreislauf

wichtig: linien auf der Grafik werden später erklärt

Schichten mit gleicher Temperatur und gleichem Druck liegen nicht paralell zu einander sondern schneiden sich an einem Punkt --> instabile Schichtung der Atmosphäre. Temperatur innerhalb der gleichen Druckschicht ändert sich ziemlich stark.

Anders gesagt: Barokline Zone ist eie Zone mit einem kontinuierlichen horizontalen Temperaturunterschied

vorallem in den mittleren Breiten gibt es eine Barokline Zone --> d.h. eine Zone mit einem Nord-Süd-Temperaturgradienten (siehe karte über baroklinität).

Die Baroklinität in dieser Zone ist an einigen Stellen grösser als an anderen (Temperaturgradient ist sehr steil!) --> sehr sehr sehr steiler Temperaturgradient = warm & kalt Front

Da die Barokline Zone instabil ist (siehe Karte barokline Instabiliät) können sich Zyklone bilden, welche meist durch einen Höhentrog angeregt werden

Er ensteht durch Mäandrierung des Jetstreams. Trägt zur Bildung von Zyklonen bei.

siehe grafik: orange= warme Luft, blau=kalte luft, Weiss= jetstream

Die Punkte in der linken und Rechten Grafik stellen die gemittelten Potentiale der jeweiligen luftschichten dar. Links ist die barokline Situation, welche durch die sonne erstellt wurde. Diese ist nicht stabil da die potentielle Energie relativ hoch ist. Rechts ist die Sitaution mit minimalster Potentieller energie.

Die linien stellen die Potentialsdifferenz dar --> diese diffrenz wird von links nach rechts ausgeglichen durch produktion von kinetischer energie --> =Wind --> die linie können also auch als Winde angeschaut werden

(meine Erklärung)
 

Jetstream ist ein isoliertes Maximum von Wind!

Jet stream liegt immer dort wo die isobaren Linien nahe beieinander sind! Zudem sieht man dass an den Windrichtungspfeilen!

Schlechte Darstellungen des Jetstreams!

--> jetstream ist transistent (d.h er entsteht und vergeht wieder). Zudem ist er nicht überall gleich intensiv! Verändert sich mit der Zit immer wieder.

--> Diese Darstellungen suggerieren dass der Jetstream weltumspannend ist: stimmt ebenfalls nicht, jetstream hat immer wieder löcher und ist selten erdumspannend.

--> bessere Abbildungen sind diese hier. Zeigen das Jetstream nicht regelmässig ist und Löcher hat

Jetstream entsteht immer dort wo es barokline Zonen hat. Dort ist nämlich gegeben dass mit der Höhe der Druck abnimmt, aber über warmen gebieten schneller als über kalten. Siehe Formel:

\(p(z)=p_0*e^{z/H}, H={{R_d*T}\over g}\) z= Höhe, p₀= Ausgangsdruck am Boden, R_d = Gaskonstante der Trockenen Luft = 287 J/(kg*K)

Somit entsteht ein Tiefrdruck und ein Hochdruckgebiet. Zwischen diesen sehr starken Gebieten bildet sich ein sehr starker geostrophischer wind aus --> = Jetstream! (meine erklärung)

Die Anfangsbedingungen werden gemessen und mit den physikalischen Gesetzen verrechnet, das ergibt dann die Wettervorhersage

Würde jemand zu einem gegebenen Zeitpunkt alle in der Natur wirkenden Kräfte und die Lage aller Dinge aus denen die Welt besteht kennen und diese mit einer Formel welche auch die Bewegungen aller Objekte, vom grössten Planeten bis zum kleinsten Atom beinhaltet, so könnte er in die Zukunft blicken und die Vergangenheit berechnen

klassische Mechanik für ein Fluid auf einer rotierenden Kugel:

• newtonsche Bewegungsgleichung
• Massenerhaltung
• 1. Hauptsatz der Thermodynamik
• Ideale Gasgleichung

--> Analystisch nicht lösbar -> nummerische Methoden vorhanden --> Anfangsbedingungen (Messwerte) einsetzen.

1. Die Atmosphäre muss durch ein diskretes Gitter approximiert werden --> nummerische Mathematik (Anfangsbedingungen!)
2. Anfangsbedingungen sind nicht genügend genau bekannt --> Chaos Ensemblevorhersagen
3. Die Rechenleistung ist beschränkt --> supercomputgin

horizontale Auflösung:

globales Klimamodell: 50-200 km rastergrösse

globales Wettervorhersagemodell ECMWF: ca. 20 km

Regionales Wettervorhersagemodell COSMO: 1-7 km

--> extrem viele Freiheitsgrade bei den Formeln in allen systemen

Bei sehr Komplexen, dynamischen, deterministischen Gleichungen reichen schon kleine Änderungen der Anfangsbedingungen aus um Grosse Änderungen des Resultats nachsich ziehen.

--> Der Anfangszustand ist nicht beliebig gut bekannt:

• Messstationen sind sehr ungleich verteilt: z.B. wenige Messtationen in den Ozeanen und auf der Südhalbkugel (siehe grafik)
• zudem kann es zu Messfehlern kommen

Diese beiden Punkte sind der Ansatzpunkt für das Chaos: kleine Fehler in den Anfangsbedingungen können zu grossen Vorhersagefehlern führen! --> schmetterlingseffekt

Wenn eine Stabile Luftshcicht über einer instabilen Luftschichtl iegt spricht man von Inversion