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Lehramtsstudent
Anmeldungsdatum: 11.03.2018
Beiträge: 77
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 Lehramtsstudent Verfasst am: 25. Okt 2018 23:51 Titel: Klimaphysik |
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Hallo,
Es wurde mir zum Thema "Physik des menschengemachten Klimawandels" folgende PDF empfohlen, die ich heute angefangen habe zu lesen: https://www.mpimet.mpg.de/fileadmin/grafik/presse/FAQs/BRPromet2802.pdf
Ich würde mich sehr über Hilfe zu meinen Fragen freuen:
1. | Zitat: | | Für das Klimasystem der Erde mit Temperaturen zwischen etwa 200 und 300 K erweist sich der Wellenlängenbereich von 0.1 bis 100 μm als energetisch relevant. Bei den Wellenlängen unterhalb von 3 μm überwiegt dabei die Einstrahlung von Sonnenlicht. |
(Seite 2)
Inwiefern ist er relevant? Geht man dabei von einer (wärmestrahlenden) Emission des Luft-Gasgemisch oder der Erde selbst aus?
Wie genau ist das mit der Sonne gemeint? Ist damit gemeint, dass unterhalb von 3 μm die Planckkurve für die Sonnentemperatur höhere Leistungsdichten gibt als die Erde (bzw. Luft-Gasgemisch)?
2. | Zitat: | | Da die am Übergang beteiligten Energiezustände durch die Gesetze der Quantenmechanik in engen Grenzen festgelegt sind, ist die für jeden Übergang nötige Photonenenergie fast gleich, so dass im Spektrum bei der der Übergangsenergie entsprechenden Wellenlänge eine schmale Spektrallinie erscheint. |
(Seite 3)
Das verstehe ich nicht: Die Energiezustände sind doch insofern festgelegt, als dass es die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Quants/Elektrons gibt, wobei die Energiegrenze insofern begrenzt ist, als dass man von der Transmissionswahrscheinlichkeit im Coulomb-Potential des Atomkerns spricht; richtig? Falls richtig: Wie kann dann die nötige Photonenenergie fast gleich sein? Je nach Energieniveau ist doch auch die Energiedifferenz ΔE = hν unterschiedlich, oder nicht?
Warum kann man so allgemein sagen, dass man es mit schmalen Spektrallinien zu tun hat? Die Breite hängt doch von der Natürlichen Linienbreite ab, die gegeben ist durch Δω = 1/τ, mit ω für die Kreisfrequenz und τ für den Einstein-Koeffizienten. Ist letzterer also sehr ähnlich bei der Materie, um die es hier in diesem Kontext geht?
3. | Zitat: | | Da sich aber die Erdatmosphäre nicht im thermischen Gleichgewicht befindet, sind die Besetzungszahlen der angeregten Energieniveaus aufgrund reiner Strahlungsanregung kleiner als bei einer Boltzmann-Verteilung und daher würde auch die aus einem Volumen emittierte Energie von der Planckfunktion abweichen. |
(Seite 4)
Warum müssen die Besetzungszahlen kleiner sein? Wenn die Atmosphäre z.B. Wärme aufnimmt/sich erwärmt, müsste dann nicht die Besetzungszahl steigen?
4. | Zitat: | Im Allgemeinen sind sicherlich die Vertikalprofile von Temperatur und Absorberdichte für die Höhen- und Frequenzabhängigkeit der Strahlungsübertragung in der Atmosphäre wichtig.
Zum einfacheren Verständnis der Ursachen für den dargestellten Strahldichteverlauf kann
aber durchaus auch die simple Lösung der SÜG [Strahlungsübertragungsgleichung, Anm. d. Verf.] für den besonders einfachen Fall einer homogenen Schicht ohne externe Quellen (also ohne Sonnenstrahlung) dienen:
L = LBe^(-δ) + B(1-e^(-δ)), mit δ = kρs
Hierbei ist das dimensionslose Produkt aus dem wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten k, der Materialdichte und der Schichtdicke durch die sogenannte (ebenfalls wellenlängenabhängige) optische Dicke δ ersetzt. Für große und kleine Werte dieses dimensionslosen Dickeparameters ergeben sich sehr einfache Grenzwerte für diese Lösung.
Bei geringer optischer Dicke nimmt wegen der linearen Näherung des Exponentialterms ( e^(-δ) ≈ 1- δ für δ << 1) der atmosphärische Anteil der emittierten Strahlung linear mit der optischen Dicke zu (L ≈ δB, wenn LB = 0). Das bedeutet, dass sich bei Verdopplung z.B. der Absorbermasse auch die aus der Schicht emittierte Strahldichte verdoppelt. Daher ist eine der zentralen Befürchtungen beim Treibhausproblem, dass durch Zunahme der Treibhausgase die Strahlung gerade in den Bereichen kleiner Absorptionskoeffizienten (schwache Banden und Linienflügel) proportional zur Erhöhung des Säulengehaltes (= ρs) in der Atmosphäre zunimmt und sich die Einstrahlung zum Erdboden verstärkt. |
(Seite 6)
Hier gibt es sicherlich viel zu fragen … ich würde mal behaupten, dass integrale Differentialgleichungen nicht gerade zum Grundständigen Studium gehören, zumal ich auch noch einiges nachzuholen habe … aber es scheint ja wichtig zu sein, diesen Teil zu verstehen.
Erste Frage hierzu: Warum wird gerade so ein Augenmerk auf die Bereiche mit geringer optischer Tiefe gelegt? Der erste Term wirkt doch nicht negativ, d.h. würde die Abstrahlung sogar noch erhöhen, oder nicht?
Zweite Frage: Hier wird doch thermisches Gleichgewicht vorausgesetzt, oder? Denn sonst wäre geringe optische Tiefe nicht unbedingt mit geringer Abstrahlung gleichzusetzen, oder?
…… Klimaphysik scheint mir eher ein Thema für M.Sc.-Studiengänge zu sein… finde es einerseits hoch spannend, wie nun endlich die sonst nur so abstrakten Konzepte der Atomphysik usw. zur Anwendung kommen, andererseits verstehe ich noch zu wenig von den Grundlagen … |
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Ich
Anmeldungsdatum: 11.05.2006
Beiträge: 913
Wohnort: Mintraching
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| Ich Verfasst am: 26. Okt 2018 10:31 Titel: Re: Klimaphysik |
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| Lehramtsstudent hat Folgendes geschrieben: | | Inwiefern ist er relevant? |
Weil ganz offensichtlich mehr als 99% der Leistung in dieses Band fällt.
| Zitat: | | Geht man dabei von einer (wärmestrahlenden) Emission des Luft-Gasgemisch oder der Erde selbst aus? |
Das ist für diese Aussage egal.
| Zitat: | | Wie genau ist das mit der Sonne gemeint? Ist damit gemeint, dass unterhalb von 3 μm die Planckkurve für die Sonnentemperatur höhere Leistungsdichten gibt als die Erde (bzw. Luft-Gasgemisch)? |
Die Leistungsdichte wird schon bei 4,5 µm höher, also gehe ich davon aus, dass da auch noch der halbkugelige Formfaktor der Erdoberfläche berücksichtigt ist.
| Zitat: | | Das verstehe ich nicht [..] |
Die Autoren wollen hier nur sagen, dass es Absorptions- und Emissionslinien gibt, ganz ohne weitere Details. Die kommen später.
| Zitat: | | Warum müssen die Besetzungszahlen kleiner sein? Wenn die Atmosphäre z.B. Wärme aufnimmt/sich erwärmt, müsste dann nicht die Besetzungszahl steigen? |
Wei der Abschnitt mit "Die Eigenemission von atmosphärischen Schichten ..." beginnt, und vorher schon klargestellt wurde, dass in diesem Spektralband die Sonne nichts zu melden hat.
| Zitat: | | Erste Frage hierzu: Warum wird gerade so ein Augenmerk auf die Bereiche mit geringer optischer Tiefe gelegt? |
Weil die Bereiche mit großer optischer Tiefe eh schon gesättigt sind, da macht eine Erhöhung der Konzentration der Treibhausgase keinen Unterschied.
| Zitat: | | Zweite Frage: Hier wird doch thermisches Gleichgewicht vorausgesetzt, oder? Denn sonst wäre geringe optische Tiefe nicht unbedingt mit geringer Abstrahlung gleichzusetzen, oder? |
Dass ein solches zumindest in den unteren 50 km annähernd herrscht, wurde auf S. 4 dargestellt. |
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 26. Okt 2018 18:56 Titel: Re: Klimaphysik |
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| Ich hat Folgendes geschrieben: | | Zitat: | | Warum wird gerade so ein Augenmerk auf die Bereiche mit geringer optischer Tiefe gelegt? |
Weil die Bereiche mit großer optischer Tiefe eh schon gesättigt sind, da macht eine Erhöhung der Konzentration der Treibhausgase keinen Unterschied. |
Das macht durchaus einen Unterschied:
1. Mit abnehmender Eindringtiefe muss die Strahlung im Berich der gesättigten Banden immer höher in die Atmosphäre klettern, bis sie endlich ins All entweichen kann. Weil es in dem Bereich, in dem das passiert, nach oben hin immer kälter wird, verringert sich dadurch die Intensität der Abtrahlung. Damit im stationären Zustand trotzdem genauso viel abgeschrahlt wird, wie von der Sonne rein kommt, muss die Erdoberfläche wärmer werden.
2. Mit abnehmender Eindringtiefe kommt die Rückstrahlung aus immer tieferen Atmosphärenschichten, weil sie von weiter oben nicht mehr bis zum Boden durchdringt. Weil die Atmosphäre nach unten hin wärmer wird, steigt damit auch die Intensität der Rückstrahlung. Das führt zu genau der Erwärmung, die zum Erreichen des neuen stationären Zustandes notwendig ist. |
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Ich
Anmeldungsdatum: 11.05.2006
Beiträge: 913
Wohnort: Mintraching
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| Ich Verfasst am: 26. Okt 2018 22:51 Titel: |
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Das ist nur die Verbesserung einer ohnehon schon sehr guten Isolation. Dieser Effekt ist deutlich kleiner als die Änderung der Rückstrahlung bei geringer optischer Dichte. Ich zitiere aus S.7.:
| Zitat: | | In diesen Zentren gilt daher die Näherung mit starker Absorption bei der die gesamte Strahlung aus der Atmosphäre kommt. Eine weitere Erhöhung der Absorbermenge bewirkt hier nichts mehr. |
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 28. Okt 2018 21:05 Titel: |
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| Ich hat Folgendes geschrieben: | | Das ist nur die Verbesserung einer ohnehon schon sehr guten Isolation. |
Das gilt für den gesamten anthropogenen Treibhauseffekt. Dass eine Erhöhung der Absorbermenge in den gesättigten Banden nichts mehr bewirkt glaube ich erst wenn ich eine entsprechende Rechnung sehe. |
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Ich
Anmeldungsdatum: 11.05.2006
Beiträge: 913
Wohnort: Mintraching
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| Ich Verfasst am: 28. Okt 2018 21:26 Titel: |
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Und die soll ich jetzt für dich raussuchen, oder warum schreibst du das? Wenn die Behauptung im Paper falsch ist, kannst du diese Berechnungen sicher selbst finden oder anstellen. Dann wäre es gut, wenn du das Ergebnis deiner Recherche hier mitteilst, damit niemand Falschinformationen aufsitzt. |
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