3. vorlesung klimaanalysebeamte.freepage.de/vorticity/vorl_ss_2007_03.pdf · 15. (maniak, u. 1997)...
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1.
Potsdam Institut für Klimafolgenforschung
3. VorlesungKlimaanalyse
NiederschlagSonnenscheindauer/Strahlung
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2.
Niederschlag
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3.
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4.
NiederschlagInformation: a) Art der Erscheinung
b) Intensität der Erscheinung (in vielen Fällen)
Einteilung: nach Aggregatzustand
- flüssig- fest
nach Art der Bildung
- advektiv- konvektiv = fallend
- abgesetzt
Intensitäten:
- leicht, mäßig, stark- mit oder ohne Unterbrechungen- in Kombination mit anderen Erscheinungen (z. B. Gewitter)
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5.
NiederschlagUnter Niederschlag versteht man allgemein das aus der Atmosphäre ausgeschiedene Wasser, das zuvor von der gasförmigen Phase (Wasserdampf) in die flüssige oder feste Phase übergegangen ist. In der Meteorologie unterscheidet man zwischen abgesetzten (Tau, Reif, etc.) und fallenden Niederschlägen (Regen, Schnee, Hagel, u.a.):
Abgesetzter Niederschlag: Unmittelbare Kondensation bzw. Sublimation des Wasserdampfes an oder nahe der Erdoberfläche
• Flüssige Formen: Tau (Kondensation), Taubeschlag
• Feste Formen: Reif (Kondensation), Frostbeschlag
Fallender Niederschlag: Mittelbare Kondensation bzw. Sublimation in der freien Atmosphäre, Niederschlag aus Wolken
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6.
1. Flüssige Formen
Kurz und heftig als Schauer; langanhaltend und gleichmäßig als Landregen
0,5 - 5,0Regen
Geringe Intensität, gleichmäßig fallend0,1 - 0,5
Sprühregen (Nieseln)
Intensität / FallartTropfen-durchmesser(mm)
Bezeichnung
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7.
2. Feste Formen
Eiskugeln oder Klumpen, große Hagelkörner haben einen Schalenaufbau durch mehrmaliges Auf- und Absteigen in der Wolke
5 - 50Hagel
Sehr kleine Eiskristalle bei Windstille und klarem Himmel, durch Sublimation des Wasserdampfes
sehr kleinEisnadeln
Gefrorene Regentropfen, durchsichtig, um 0 °C< 5Eiskörner
Halbdurchsichtige Bällchen mit weißem trüben Kern, von klarer Eisschicht umgeben, um 0 °C
1 – 5Frostgraupel
Schneeähnlich, meist kegelförmig oder abgerundet, um 0 °C
< 5Reifgraupel
Undurchsichtige weiße Körner aus Schneekristallen mit raureifartigem Überzug, meist platt oder länglich, unter 0 °C
< 1Schneegriesel
Sechsstrahlige Sternchen, unter 0 °C>= 10Schneeflocke
Sechseckige Plättchen, Prismen, unter 0 °C1 – 5Schneekristall
Gestalt, EntstehungstemperaturDurchmesser (mm)
Bezeichnung
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8.
Raureif Quelle: Karlsruher Wolkenatlas
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9.
Tau Quelle: Karlsruher Wolkenatlas
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10.
Schnee Quelle: Karlsruher Wolkenatlas
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11.
Hagel Quelle: Karlsruher Wolkenatlas
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12.
Schauer Quelle: Karlsruher Wolkenatlas
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13.
Gewitterschauer Quelle: Karlsruher Wolkenatlas
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14.
Advektiver und konvektiver Niederschlag
• Advektive Niederschläge (horizontale Luftbewegung > vertikale Luftbewegung) bilden großflächige Niederschlagsgebiete mit geringen bis mäßigen Intensitäten aber lang anhaltender Regendauer (D bzw. TN)
• Konvektive Niederschläge (vertikale Luftbewegung > horizontale Luftbewegung) führen zu Starkregen
• Unterscheidungskriterium nach Wussow: Starkregen wird als Regen bezeichnet, dessen Niederschlagshöhe N [mm] und Regendauer D [min] folgende Mindestbedingung erfüllt:
• Interzeption: Vorgang, bei dem der auf die vegetationsbedeckte Erdoberfläche fallende Niederschlag von der Vegetationsdecke aufgenommen wird
(Maniak, U. 1997)
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15.
(Maniak, U. 1997)
Niederschlagsmessung
• Hauptmessgröße des Niederschlages ist Menge/Zeiteinheit, d.h. die Höhe des Niederschlages der den Boden bedecken würde, wenn kein Niederschlag abfließt, versickert oder verdunstet wird in l/m² Bodenfläche angegeben
• 1 l/m² = 1 mm Niederschlagshöhe
• Angabe der Niederschlagsintensität PI oder iN [mm/h], der Niederschlagsdauer TN oder D und der Zeitpunkte des Einsetzens des Niederschlages und des Niederschlagsendes
• Traditionelle Niederschlagsmessung über Sammelgefäße
• Aufstellungsort der Messgeräte: unbeeinflusst von der Umgebung, d.h. in zwei- bis vierfacher Höhe von Hindernissen entfernt
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16.
Niederschlagshöhen hN [mm]:
Niederschlagshöhe am Boden, wenn nichts versickert oder verdunstet
hN – Angaben auch für Wasserinhalt einer Schneedecke üblich (d.h. Messung nach Auftauen im Auffanggefäß und zusätzlich Messen der Schneehöhen im Freien an der Station)
hN – Angabe erfordert zugehörige Zeitspanne, in der hN aufgetreten ist.
Niederschlagsintensität iN [mm/h]:
Messung des Niederschlags (N)
iN = hN / ∆t [mm/h]iN = hN / ∆t [mm/h]
[hN] = 1 mm = 1 Liter/m² = 1 l/m²[hN] = 1 mm = 1 Liter/m² = 1 l/m²
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17.
HydroSkript: http://www.hydroskript.de/html/_index.html
HELLMANN-Niederschlagsmessgerät
• Hellmann-Niederschlagsmessgerät: Dieser nicht registrierende Totalisator ist einfach aufgebaut. Der "Hellmann" ist ein wichtiges und weit verbreitetes Messgerät.
• Er besteht im wesentlichen aus einem Auffangtopf mit einer Grundfläche von 200 cm².
• Problematisch sind die großen Messfehler (20-100 %!) wegen kleiner Referenzfläche, Verdunstungs- und Spritzwassereinfluss, Schneehauben, Windeinfluss sowie Benetzungseinfluss (Messung erst ab bestimmtem Volumen) und Fehlern im Gefäß.
• Außerdem stören Inhomogenitäten in der Umgebung, z.B. bei Astwuchs, Hochhausbau. Das Gerät eignet sich nur für "Alltagsklimatologie".
• Im Hochgebirge beträgt die Auffangfläche 500 cm², zusätzlich sind hier Gefrier- (CaCl) und Verdunstungsschutz (Paraffinöl) sowie Windschutz nötig.
• Zeitliche Auftragung über Schreiber (Zylinder mit Schwimmer und Schreibarm, Trommel)
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18.
Niederschlagsmesser nach Hellmann
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19.
• Auffangtrichter und Sammelgefäß durch Stahlgehäuse vor Sonneneinstrahlung geschützt
• Zubehör:- Schneekreuz als
Aufsatz im Winter- Messzylinder
HELLMANN-Niederschlagsmessgerät
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20.
Messung des Niederschlags (N)Messgeräte für Regen und Schnee (Pluviometer):
Prinzip der Messung: Auffangen des Niederschlages mit Gefäß bestimmter Auffangfläche, meist 200 cm²
Geräte: Regenmesser, NiederschlagsmesserHellmannscher Regenmesser
Geeignet für kurzfristigeMessungen z.B. tägl. Messungdurch tägl. Bestimmen derN-Menge mit Messglas.Bei Ablesung feststellbardie seit der letzten Messung gefallene N-Höhe
Messergebnis:Niederschlagshöhe hNzwischen zwei Ablesungen
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21.
Regenschreiber
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22.
Ombrograph (Regenschreiber)
HydroSkript: http://www.hydroskript.de/html/_index.html
SelbstschreibenderNiederschlagsmesser
Ombrograph
(nach DRACOS 1980)
A: Auffangtrichter
B: Messgerät
C: Schwimmer
D: Saugheber
E: Schreibtrommel mit innenliegendem Uhrwerk
F: Auffangfläche
G: Schreibfeder
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23.
Messung des Niederschlags (N)Geräte: Regenschreiber, Niederschlagsschreiber
selbstregistrierender Regenmesser→ kontinuierliche Messungen
Registrierung der Niederschlagsmenge über Schwimmer (3) in Sammelgefäß (2),Abhebern (4) bei Vollfüllung und Fortsetzen der Registrierung (5, 6) auf neuem Nivau.
Messergebnis:N-Summenlinie aufPapierstreifen (Diagramm)
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24.
Messung des Niederschlags (N)
Geräte: Totalisator wie Regenmesser, aber mit größerem Sammelgefäß für Langzeitregistrierung→ langfristige Messungen (Monat, Jahr)
Erforderlich im unwegsamen Gelände, z.B. Gebirge. Aufstellhöhe meist 5-6 m wegen Bewuchs und Schneetiefe.
Auffangfläche ebenfalls 200 cm², aber auch 500 cm² möglich.
Messergebnis: Niederschlagshöhe hNzwischen zwei Ablesungen
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25.
Messung des Niederschlags (N)Geräte: Andere Hellmann-Messgeräte, Wippe
und Tropfenzählerselbstregistrierender Regenmesser→ kontinuierliche Messungen
Registrierung der Niederschlagsmenge über Wippe (1) und eine Lichtschranke (3) oder Magnetschalter (3)
Messergebnis: Diskrete Niederschlagshöhe oderSummenlinie in digitalerForm
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26.
Quelle: DWD
Niederschlagsmessungmit Radar
Im Rahmen des Großprojektes Messnetz 2000 soll das Niederschlagsmessnetz des Deutschen Wetterdienstes (DWD) ausgedünnt und die bisher zumeist verwendeten konventionellen durch automatische Messstationen ersetzt werden. Die Ausdünnung soll zum einen aus Kostengründen erfolgen. Zum anderen steht mit der Niederschlagsmessung mittels Radar eine Methode zur Verfügung, die im Gegensatz zu herkömmlichen Messungen mit so genannten Hellmann-Regenmessern den Niederschlag nicht nur für einzelne Punkte (die Auffangfläche bei einem „Hellmann“ beträgt 200 cm² bei einer Stationsentfernung von ca. 10 bis 20 km) sondern flächenhaft erfassen kann.
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27.
Quelle: DWD
Allerdings kann durch Radar die Niederschlagshöhe am Boden nicht direkt gemessen werden. Die an Regentropfen reflektierten Radarimpulse liefern nur eine flächenhafte Verteilung der Stärke der Radarechos. Da die Stärke der Rückstreuung von der Größe und der Menge der Regentropfen abhängt, kann über empirische Beziehungen sowie Korrekturverfahren die Niederschlagshöhe berechnet werden. Das Aneichen der Radardaten geschieht mittels der Niederschlagsmessungen am Boden. Der Radarverbund des DWD umfasst 16 Radarstandorte, die eine weitgehende Abdeckung des Bundesgebiets gewährleisten.
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28.
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29.
Fehlerquellen
(nach J.C. Rodda 1968)
Schematische Darstellung der Fehlerquellen bei der Erfassung desmeteorologischen und hydrologischen Niederschlags
Schematische Darstellung der Fehlerquellen bei der Erfassung desmeteorologischen und hydrologischen Niederschlags
Regen:Tropfendurchmesser,Intensität, Dauer
Wind:Geschwindigkeit, Richtung
Regenmesser:Form, Höhe über Grund,Material, Farbe,Auffangfläche
AufgefangenerNiederschlag
Schätzwert desNiederschlags aneinem Punkt
Turbulenz
Wirbel
Spritzwasser
Topographie des Gebietes
Aufstellung des Regenmessers
Fehler im Gefäß:Neigung, Undichtigkeit, Adhäsion, Verdunstung,Kondensation, Spritzwasser
Fehler der Messung
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30.
Extreme bzw.
Spannbreiteder
Niederschlagsereignisse
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31.
Dürre im südlichen Afrika
German Competence Network forResearch to Combat Desertification, 2000
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32.
Überschwemmungen in Mittel- und Südchina, Schäden der Überflutung 1998 30 Mrd. US$
Münchener Rück, topics 2000
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33.
Düsseldorf am Rhein im Sommer 2003www.lvz-online.de
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34.
2. Niederschlag
192913299 mmLloroKolumbien
19098636 mmBellenden KerQueenslandAustralien
1860/6126461 mmCherrapunjiIndienAsien
1970/7131100 mm(Schnee)Paradise(Mt. Rainier)USA
Amerika
193210287 mmDebundschaKamerunAfrika
1970
1981
3503,1 mm
788,8 mm
Balderschwang(Allgäu)Potsdam
Deutschland
04.08.18814648 mmCrkviceKroatien
Europa
AnmerkungWertOrtLandKontinent
HÖCHSTE JAHRESSUMMEN
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35.
Kroatische Insellandschaft
© Croatian National Tourist Board
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36.
Der Mount Cameroon
Klimadiagramm Douala(Nahe Debundscha)
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37.
Jahressummen des Niederschlags in Indien
Klimadiagramm Cherrapunji
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38.
Geographische LageBellenden Ker
Bellenden Ker Range
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39.
3. Sonstige Niederschlagsextreme
1970/7131100 mmParadise(Mt. Rainier)USAAmerika
Juli 1954
Juli 1907
777 mm
202.3 mm
Oberreute (Bodensee)
PotsdamDeutschlandEuropa
02.04.1944
1969/70
8300 mm
700 mm
Zugspitze
PotsdamDeutschlandEuropa
HÖCHSTE SCHNEEDECKE
1970/719300 mmCherrapunjiIndienAsien
HÖCHSTE MONATLICHE NIEDERSCHLAGSSUMME
12.08.2002
08.08.1978
312.0 mm
105.7 mm
Zinnwald
PotsdamDeutschlandEuropa
15.03.-16.03.19521870 mmCilaosLa ReunionAfrika
AnmerkungWertOrtLandKontinent
HÖCHSTE 24STÜNDIGE NIEDERSCHLAGSSUMME
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40.
La Reunion
KlimadiagrammeSaint Denis/Reunion
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41.
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42.
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43.
Geographische Lagedes Mount Rainier
Der Mount Rainier
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44.
MaximaleSchneehöhe
Gewittertage pro Jahr
Längste Niederschlags-periode (Schnee)
Längste Trockenperiode
Höchste Tagessummedes Niederschlags
Längste Kälteperiode(TMax < 0 °C)
Längste Hitzeperiode (TMax > 30 °C)
TMin
TMax
Wetterextreme in Potsdam
39.1 °C 09.08.1992
-26.8 °C 11.02.1929
15 Tage23.07. -
06.08.1969
105.7 mm 08.08.1978
70 cm 06.03.1970
37 Tage21.01. -
26.02.1947
32 Tage19.09. -
20.10.1949
33 Tage02.02. -
06.03.1970
45 Tage 1990
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45.
Hagelkorn, München, 12.07.1984
Hagelschicht, München, 12.07.1984
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46.
Schwere Unwetter und Hagel USA 2001
www
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47.
Schwere Unwetter und Hagel USA 2001
www
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48.
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49.
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50.
Sonnenscheindauer
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51.
Sonnenscheinautograph (Campell-Stokes)
Der Sonnenscheinautograph ist ein Messgerät zur Bestimmung derSonnenscheindauer. Er besteht aus einer Glaskugel, die wie ein Brennglasfunktioniert, und einer Halterung hinter der Kugel, in der ein Papierstreifeneingelegt wird. Bei Sonnenschein brennt der gebündelte Strahl der Sonnedann eine Spur, die sogenannte Brennspur, ins Papier. Dieser wird dannausgewertet, in dem man auf dem Papierstreifen die Länge der Brennspuranhand der aufgetragenen Zeitskala misst.
Maßeinheiten:
- Stunden und Minuten- Zehntelstunden- Prozent in Bezug zur astronomisch möglichen Sonnenscheindauer
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52.
Campell-Stokes für die Messung der Sonnenscheindauer
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53.
Messung der Sonnenscheindauer
Häckel, H. (1999)
Markasub Ag, (2003)
Sonnenscheinautograph
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54.
Sonnenscheinautograph (Campell-Stokes)
Messfehler bzw. Ursachen für Inhomogenitäten:
- Tau auf der Kugel- Verschmutzung der Kugel- Nasser Papierstreifen (Regen, Tau, Reif)- Wechsel der Papierart- Veränderung der Horizontbedeckung (Bewuchs, Bebauung)
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55.
Strahlung und Strahlungsgesetze
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56.
Strahlung
• Unter Strahlung versteht man:
• den Energietransport in Form von elektromagnetischen Wellen (elektromagnetische Strahlung), oder
• den Fluß schnell bewegter Teilchen (Teilchenstrahlung, Korpuskularstrahlung).
• Die Teilchenstrahlung aus Ionen, Elektronen, Protonen und Neutronen ist nur in der oberen Atmosphäre (Thermosphäre und Ionosphäre) von Bedeutung.
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57.
• Erde und Atmosphäre absorbieren ständig solare Strahlung und emittieren ihre eigene Strahlung in den Weltraum.
• Über einen längeren Zeitraum entsprechen sich die absorbierte und die emittierte Strahlung fast ganz genau:
• Das System Erde-Atmosphäre befindet sich nahezu vollständig im Strahlungsgleichgewicht.
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58.
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59.
Wichtigkeit der Strahlung
• Der Energietransport durch Strahlung ist von Bedeutung für
• den Energieaustausch zwischen der Atmosphäre und der Erdoberfläche
• den Energieaustausch zwischen den verschiedenen Schichten der Atmosphäre
• Wichtige chemische Reaktionen in der Atmosphäre laufen nur ab, wenn elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge vorhanden ist.
• ein Beispiel ist die Ozonbildung in der Stratosphäre
• ein anderes Beispiel ist die Photosynthesereaktion
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60.
Optische Auswirkungder Strahlung
• Im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung entsteht
• das Himmelsblau,
• das Erscheinungsbild der Wolken
• die Sichtweite usw.
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61.
Frequenz – Wellenlänge Beziehung
• Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strahlung ist gleich der Lichtgeschwindigkeit c*.
• Die Frequenz ν und Wellenlänge λ sind durch folgende Beziehung verknüpft.
• Je kleiner die Wellenlänge der Strahlung, desto höher ist also die Energie W der Photonen.
h – Plancksches Wirkungsquantum: 6.62612 x 10-34 J s
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62.
Normierte Schwarzkörperspektren für die Sonne und die Erde
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63.
Stefan-Boltzmannsches GesetzWenn man
integriert über alle Wellenlängen, erhält man die von einem schwarzen Körper pro Zeit- und Flächeneinheit emittierte Strahlungsenergie
Stefan-BoltzmannschesGesetz
Stefan-Boltzmann-Konstante
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64.
Kurzwellige Nettostrahlung
Qk = Energiegewinn der Erdoberfläche
durch
Sonneneinstrahlung
D = Direkte Sonnenstrahlung
H = Diffuse Himmelsstrahlung
R = Rückstrahlung der Erdoberfläche
G = Globalstrahlung = D + H
Qk = D + H - R
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65.
Unterscheidung von kurzwelliger und langwelliger
Strahlung
Geringfügige Wärmewirkung auf der Haut
großer Teil im sichtbaren Bereich
Sinneswahr-nehmung
Fast immer negativ
Nur positivEnergiebilanz
Zu vernachlässigen
Von 0 bis 100%Albedo irdischer Flächen
Erdoberfläche, Atmosphäre
ausschließl. Sonne
Quelle
LangwelligKurzwellig
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66.
Definitionvon Strahlungsgrößen
• Zur Beschreibung der Strahlung werden (verwirrend) viele Größen verwendet.
• Die Definitionen der Strahlungsgrößen sind in den nächsten Bildern zusammengefasst.
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67.
Strahlungsenergie Q
• Radiant energy
• Einheit J = Ws
• Menge der emittierten, transmittierten oder absorbierten Strahlungsenergie.
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68.
Strahlungsfluss, Strahlungsleistung Φ
• Radiant flux
• Einheit W
• Pro Zeiteinheit emittierte, transmittierte oder absorbierte Strahlungsenergie.
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69.
Strahlungsflussdicht E
• Radiant flux density
• Einheit Wm−2
• Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit ein Flächenelement durchquert.
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70.
Bestrahlung H
• radiant exposure
• Einheit Jm−2
• Summe der Strahlungsenergie, die in einem bestimmten Zeitraum auf ein Flächenelement einfällt.
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71.
Strahlungsmessung
• Zur Messung der Strahlungsintensität gibt es mehrere Methoden:
• Pyrheliometern
• Pyranometern
• In Pyrheliometern wird die einfallende direkte Sonnenstrahlung von geschwärzten Empfangsflächen absorbiert.
• Die dabei produzierte Strahlungswärme führt zu einer Temperaturerhöhung des Strahlungsempfängers, die mit Thermoelementen gemessen wird.
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72.
• Das Pyranometer zur Messung der Globalstrahlung (Summe aus direkter, gestreuter und an der Erdoberfläche reflektierter Sonnenstrahlung) besteht aus einer geschwärzten Säule mit hintereinander geschalteten Thermoelementen.
• Die geschwärzten Empfangsflächen der aktivierten Lötstellen absorbieren die einfallende Strahlung und erwärmen sich gegenüber den „kalten“ Lötstellen.
• Die Temperaturdifferenzen erzeugen Thermospannungen, die ein Maß für die empfangene Strahlung sind.
• Eine halbkugelförmige Glashaube schützt die Messfühler gegen Witterungseinflüsse.
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73.
Ein Aktinometer dient der Messung derStrahlungsintensitaet der direkten und der diffusenHimmelsstrahlung, also der kurzwelligenStrahlungsanteile des Sonnenlichtes. Prinzip derMessung ist die Erwärmung einer schwarzen Fläche(im physikalischen Sinne eines schwarzen Körpers) durch die Absorption der einfallenden Strahlung. Dabei wird meist die Erwärmungsrate im Verhältnis zueinem unbestrahlten Geräteteil gesetzt bzw. es wirdeine Thermospannung abgegriffen. Man erhält überdiese relative Messmethode dann den Wert dersolaren bzw. diffusen Strahlungsintensität. Absolute Messgeräte (d.h. nicht relative) sind hingegen die sogenannten Pyrheliometer.
Das Albedometer dient der Messung derGlobalstrahlungsintensität im Bereich von etwa 300 ... 3000 nm Wellenlänge, zur Feststellung des Reflexionsvermögens (Albedo) des Bodens sowie zurBerechnung der kurzwelligen Strahlungsbilanz.
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74.
Strahlungsthermometer ist ein Strahlungsmessgerät zurTemperaturbestimmung. Dabei wird die Wärmeabstrahlung eines Körpers in einembestimmten Spektralbereich gemessen. Über das Planck’sche Strahlungsgesetz wird dann auf seine Temperatur zurückgerechnet. Vorteil derStrahlungsthermometer ist, dass man keinen direktenKontakt zum Objekt braucht. Die gebräuchlichsteForm ist das Infrarotthermometer.
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75.
xxxIR-Strahlungsthermometer
xoberer und unterer
x xxStrahlungsbilanzmesser
xxxPyrgeometer
xoberer und unterer
xxAlbedometer
xxxPyranometer
xxxAktinometer
xxxPyrheliometer
Halbraum gerichtetkurzw. langw.absolut relativ
ÖffnungswinkelWellenlängeGerätetypMessgerät
Einteilung der Strahlungsmessgeräte
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76.
Pyranometer
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77.
Pyranometer
1) Schaltplatine; 2) Thermosäule; 3) Glasdom; 4) Metallgehäuse;5) Kabelverschraubung; 6) Signalkabel; 7) Niveaustellschraube;8) Gummiring; 9) Verschlusskappe; 10) Anschlussblock für Kabel;11) Nivellierlibelle
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78.
Messung der StrahlungPyranometer
Quelle: Häckel, H. (1999)
Solarimeter messen nur diekurzwellige Strahlung
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79.
Strahlungsbilanzmesser
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80.
Strahlungsmessung
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81.
Pyrheliometer
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82.
Energiehaushalt der Erde (in %)
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83.
Globalstrahlung 1983-1992
Global-Horizontal-Strahlung (1983-1992)Eingangsdaten: ECMWF, ERA15 G. Czisch, ISET / IPP, 2000
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84.
Globale Verteilung der Nettostrahlung
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85.
Ende