• Einleitung

• Astronomische Grundlagen, Strahlung und Energiebilanz

• Statik und Thermodynamik der Atmosphäre

• Strömungslehre

• Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre

• Grenzschicht-, Stadtklimatologie / Gebirgsmeteorologie

• Klimadynamik

2

Einführung

2.1

Umlaufbahn der Erde

2.1.1

Elemente der Erdbahn

2.1.2

Einstrahlung Solstitien

2.1.3

Einstrahlung Äquinoktien

2.2

Strahlungsspektrum

2.3

Strahlungsgesetze

2.3.1

Lambert'sches Gesetz

2.3.2

Planck'sches Strahlungsgesetz

2.3.3

Wien'sches Verschiebungsgesetz

2.3.4

Stefan-Boltzmann'sches Gesetz

2.3.5

Kirchhoff'sches Gesetz

2.4

Solare Einstrahlung und terrestrische Ausstrahlung

2.4.1

Ein- und Ausstrahlung

2.5

Strahlungs- und Energiebilanz

2.5.1

Strahlungsbilanz

2.5.2

Energiebilanz

2 Einführung

Die Sonne ist der eigentliche "Motor" des Erdenergiesystems. Vor allem in ihrer Photosphäre gibt sie die im Sonneninneren durch Kernfusion erzeugte Energie in einem mehr oder weniger konstanten Fluss elektromagnetischer Wellenenergie von L = 3.9*1026 J*s^-1 ab. Es kann angenommen werden, dass dieser Fluss noch 5 - 6 Mrd. Jahre andauert. Das Erdsystem bildet ein dynamisches Gleichgewicht zwischen eingestrahlter, kurzwelliger Sonnenstrahlung und abgestrahlter langwelliger Wärmestrahlung.

Der solare Energiestrom an der Oberfläche der Atmosphäre ist durch die Form- und Bahnelemente der Erde bestimmt (solares Klima). Diese unterliegen nur in Skalen von 10^4 bis 10^5 Jahren grösseren Schwankungen. Dieser Energiestrom wird durch die Atmosphäre (vor allem Wolken) und durch die Erdoberfläche (Albedo) mannigfaltig modifiziert (globales bis lokales Klima).

Wenn wir zunächst die Strahlungsbilanz als Grundpfeiler der Energiebilanz verstehen wollen, so müssen wir uns mit einigen grundlegenden Strahlungsgesetzen beschäftigen: Aus geometrischen Überlegungen wird das Lambert-Gesetz über die Modifikation der Einstrahlung als Funktion der Sonnenhöhe abgeleitet. Grundlegend für viele Überlegungen ist das Planck`sche Strahlungsgesetz, welches die Berechnung der von Wellenlänge und Körpertemperatur abhängigen Energie der Schwarzkörperstrahlung erlaubt. Über das Planck`sche Strahlungsgesetz lässt sich dann die Wellenlänge einer maximalen Ausstrahlung eines Schwarzkörpers berechnen, welche bei Überlegungen zum Sonne - Erde - System eine wichtige Rolle spielt (Wien’sches Verschiebungsgesetz). Über das bekannte Stefan-Boltzmann’sche Gesetz kann die gesamte, temperaturabhängige Ausstrahlung eines nun nicht mehr schwarzen, sondern grauen Körpers berechnet werden, wobei das Emissionsvermögen dieses Graukörpers mit dem Kirchhoff’schen Gesetz zusätzlich definiert werden muss. Für die gesamte Einstrahlung an der Erdoberfläche sowie für die Ausstrahlung der Erde ist es schliesslich wichtig, die Absorptionsbanden der wichtigsten, in der Atmosphäre vorkommenden Gase zu kennen.

In Form eines Übersichtsschemas wird die mittlere Strahlungs- und Energiebilanz der Erde dargestellt (Figur 1.7). Fast ein Drittel der Nettoeinstrahlung von 342 W·m^-2 wird sogleich reflektiert. Die restliche Strahlungsenergie wird im Erdsystem (Boden – Atmosphäre) umgesetzt. Mit den gewonnenen Grundkenntnissen kann nun die Strahlungs- und Energiebilanz für die Erdoberfläche formuliert werden.