Physik (Fragen zum Themenkomplex "Energie und Klimawandel")

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Inhaltsverzeichnis

Energie + Klimawandel

  • Fragen zum Themenkomplex "Energie und Klimawandel":

Energiedifferenz Δ E versus Jahreszeiten

Die JahreszeitenWikipedia-logo.png ergeben sich aus der Umlaufbahn der Erde. Die in der - unten zitierten - Publikation von Jones et. al. zu findende Grafik (Seite 24;Figure 7) legt nahe, die Lufttemperatur (in erster Näherung) via trigonometrischer FunktionWikipedia-logo.png - grafisch - darzustellen.

Fragezeichen.gif   Frage
  1. Wie groß ist die (absorbierte) Sonnenstrahlungsleistung PA im Sommer?
  2. Wie groß ist die (absorbierte) Sonnenstrahlungsleistung PA im Winter?
  3. Δ PA = ...


[...] Infolge der Bahnexzentrizität schwankt der Abstand zur Erde jahresperiodisch zwischen 147,1 · 106 km und 152,1 · 106 km. Mit ihm schwankt die Bestrahlungsstärke auf der Erde zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m². Im Perihel liegt der Wert somit ca. 3,4 % oberhalb und im Aphel ca. 3,3 % unterhalb des Jahresmittels. [...]

de:WP:Solarkonstante (in der Version vom 21. Februar 2010 um 01:44 Uhr)
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Solarkonstante&oldid=70944864 

W-Logo.gif Solarkonstante, Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, 21. Februar 2010 um 01:44 Uhr - Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar; zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. Siehe die Nutzungsbedingungen für Einzelheiten. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Wir wissen
  • Die aus der unterschiedlichen Bestrahlungsstärke resultierende Energiedifferenz (Δ E) korrespondiert mit der entsprechenden - auf der Erde von uns Menschen wahrgenommenen - Temperaturdifferenz (Sommer versus Winter).
  1. Nach Jones et. al. (vgl. Grafik; a.a.O.) beträgt diese Temperaturdifferenz auf der Nordhalbkugel rund 13 °C
    1. Mittelwert: 14.6 °C in the Northern HemisphereWikipedia-logo.png (NH)
    2. Temperatur-Minimum (Januar) + 8 °C
    3. Temperatur-Maximum (Juli) ca. + 21 °C
  2. Südhalbkugel
    1. Mittelwert: 13.4 °C for the Southern Hemisphere (SH).
    2. Temperatur-Minimum ...
    3. Temperatur-Maximum ...
  3. globaler Mittelwert (Lufttemperatur): 14,0 °C
    1. Temperatur-Minimum (im Januar): 12,2 °C
    2. Temperatur-Maximum (im July): 15,9 °C
Figure 7 shows the annual cycle of temperatures in the two hemispheres and the globe. The magnitudeW-Logo.gif(English) of the hemispheric seasonal cycle is 13.1 °C in the NH and 5.7 °C in the SH. [...] SUMMARY [...] Our main conclusions are as follows:

1. Annual global surface temperatures warmed by 0.57 °C over the period 1861–1997 and by 0.62 °C over 1901–1997. Over both periods the warming was slightly greater in the SH than in the NH. [...]



  • Die Energiedifferenz Δ E = ...
Gesucht ist ...
Lösung
  • (Δ E)/2 = ...
Die Grafik "Figure 7" zeigt: LufttemperaturWikipedia-logo.png als Funktion der Zeit
... wobei gilt: Δ E ~ Delta TLuft (Lufttemperatur)
Jahreszeiten99 DE2.jpg
Temperatur-Niveau
1.) Blau = Minimum (Winter)
2.) Grün = Mittleres Niveau (Frühlung / Herbst)
3.)Rot = Maximum (Sommer)
Berechnet auf der Basis der von Jones et. al. publizierten Daten:
Mittelwert: 14.6 °C in the Northern Hemisphere (NH) [...] The magnitude of the hemispheric seasonal cycle is 13.1 °C in the NH [...].
Grafik "Lufttemperatur im jahreszeitlichen Verlauf":

Seite 24 von 28 der PDF-Datei, Figure 7: Periode = 1 Jahr (Frequenz = ca. 31,7 nano-Hertz)
in: P. D. Jones et. al.: SURFACE AIR TEMPERATURE AND ITS CHANGES OVER THE PAST 150 YEARS

Sonnenstrahlungsleistung (Differenz PA im Sommer vs. PA im Winter)

ständig absorbierte StrahlungsleistungWikipedia-logo.png:
PA Mittelwert 122.000 TW
Quelle: Hans H. Brand, Klimawandel, Kohlendioxid und die Energiebilanz unserer Erde (PDF-Datei, 4 Seiten)
PA im Sommer (103,5 % des Mittelwerts) 126.270 TW
PA im Winter (96,5 % des Mittelwerts) 117.730 TW
Differenz PA (Sommer) - PA (Winter) 8.540 TW
Weltenergie"verbrauch" pro Jahr (von der Menschheit letztlich als „Abwärme“ produziert) 14 TW
Weltenergie"verbrauch" pro Jahr (14 TW) = 0,1639 % von Δ PA

Auf der Basis der in der obigen Tabelle zusammengefassten Daten wollen wir abschätzen,
wie sich der Weltenergie"verbrauch" auf die globale Lufttemperatur auswirkt.

Stift.gif   Aufgabe

Berechne, um wie viel °C die Lufttemperatur infolge des Weltenergie"verbrauchs"

  1. bis zum Jahr 2100 (in den kommenden 100 Jahren) steigen wird,
  2. in den vergangenen 100 Jahren gestiegen ist.
Differenz Strahlungsleistung (Sommer vs. Winter): Δ PA = 8.540 TW korrespondierend Δ T: rund 15 °C
(Jones et. al., a.a.O.: magnitude NH = 13.1 °C.)
Temperatur-Änderung pro 1 TW 0,001756 °C
Weltenergie"verbrauch" im Verlauf von 10 Jahren (lineare Projektion)
Randbedingung ist die Annahme, dass die vernutzte Energie zu 100 % in Wärmeenergie umgewandelt wird.
140 TW
Weltenergie"verbrauch" im Verlauf von 100 Jahren (lineare Projektion) 1.400 TW
PROGNOSE: Temperaturerhöhung bis 2100 infolge des Weltenergie"verbrauchs" + 2,46 °C
→ Klimawandel#Weltklimabericht_2007

Globales Klima (Definition bzw. Formel)

Globales\;Klima \approx mittlere\;Sonnenstrahlungsleistung \; P_\mathrm{A} \;+ \; \sin \left( {\alpha \cdot \pi \over 180} \right) \;\cdot\; \left( \frac{P_\mathrm{A\;Perihel} - P_\mathrm{A\;Aphel}} {2} \right)

\alpha \;= \; Winkel\;auf\;der\;Erdumlaufbahn\;um\;das\;Zentralgestirn\;Sonne

  • Anfang der Umlaufbahn = 21. März d. J. (astronomischer Frühling) => α = 0°
Abweichung von der mittleren Sonnenstrahlungsleistung jahreszeitlicher Temperaturverlauf
Datenpunkte: jeweils der 21. des Monats.
* sonnenfernster Punkt = Aphel (ca. 5. Juli) => Nordsommer/Südwinter
sonnennächster Punkt = Perihel (3. Januar) => Nordwinter/Südsommer
Kurvenverlauf berechnet auf Basis der von Jones et. al. publizierten Daten (Mittelwerte + Magnitude).

Folgende HypotheseWikipedia-logo.png stelle ich zur Diskussion:

  • (A) - Die mittlere Lufttemperatur SATM ist - im "Strahlungsgleichgewicht" - abhängig von
    1. der mittleren Sonnenstrahlungsleistung PA sowie
    2. der innerhalb der Biosphäre (des Systems Erde) wirkenden "Abwärme" (infolge der Energie-Vernutzung "freigesetzte" Wärme-Energie).
  • (B) - Der (infolge der Welt-Energie-Vernutzung) - zu erwartende - Temperatur-Shift kann berechnet (abgeschätzt) werden
auf der Basis von empirischen Daten (vgl. Grafiken) - und zwar:
  1. mittels Dreisatz (Verhältnis der jeweiligen maximalen Amplituden Amax), weil
    • Delta SA ~ Delta T.
  2. Auf die o.a. Weise lässt sich - gegebenenfalls - dieser anthropogene Einfluss auf die mittlere Lufttemperatur SATM berechnen - und zwar separat:
    1. sowohl für die Nordhalbkugel (NH)
    2. als auch für die Südhalbkugel (SH).
  • (C) - Den oben angesprochenen Temperatur-Shift (= sogenannte „globale Erwärmung“) könnte eine dreidimensionale Aufbereitung der von Jones et. al. verwendeten Rohdaten beweisen (3-D-Achse: zu den einzelnen Rohdaten gehörende Jahreszahlen).
  • (D) - Bzgl. des mit diesen Jahreszahlen (tttt) - korrelierenden - Primäenergie"verbrauchs" wäre zu bedenken resp. rechnerisch zu berücksichtigen, inwieweit eine Umwandlung in die Energieform Wärme-Energie tatsächlich erfolgte.
  • (E) - Sollte in Abhängigkeit von der Zeit - zwischen 1750 bis heute (2010) - ein „Temperatur-Shift“ bzgl. der mittleren Lufttemperatur SATM (auf Basis der Daten) erkennbar sein, dann lässt ein Blick in die Dampfdruckkurve von Wasser Rückschlüsse zu auf den – jeweils korrespondierenden (Temperatur T ~ LuftfeuchtigkeitWikipedia-logo.png)globalen WasserdampfWikipedia-logo.pnggehalt in der Atmosphäre, das ist: die sogenannte "Latente Wärme" - genauer:
die in dieser Form in der Atmosphäre gespeicherte WärmemengeWikipedia-logo.png QGLOBAL. (= "Kennziffer" für die globale Erwämung)
  • (F) - Weil die Änderung des Kohlenstoffdioxid-GehaltsWikipedia-logo.png (in der Atmosphäre) \Delta \;\chiWikipedia-logo.pngCO2(Luft) direkt proportional ist (vgl. Reaktionsgleichung nebst Hess’scher Wärmesatz) der entsprechenden Änderung der Wärmemenge Δ Qfossile-Energie, ist davon auszugehen, dass die Änderung des Wasserdampfgehalts der Atmosphäre - zumindest in Form eines unteren Eckwerts (!)auch auf diesem Wege ermittelt (berechnet) werden kann.

Gruß:. --Sandra Burger 11:50, 4. Mär. 2010 (UTC)

Hab ich das richtig verstanden? - Treibhauseffekt

Fragezeichen.gif   Frage
(I) Kein Treibhauseffekt (Himmelskörper ohne Atmosphäre)
  • Größere Extremwerte (AmplitudeWikipedia-logo.png) beim - tageszeitlichen - Temperaturverlauf bei Himmelskörper ohne Atmosphäre?
(Vgl. rote Kurve. - Periode = 24 Stunden bzw. 1 Tag)
→ Erde#Tag und Nacht / Jahreszeiten
(II) Treibhauseffekt (Himmelskörper MIT Atmosphäre)
  1. ...
  2. ...
  • Der "Treibhauseffekt" hat zur Folge - so jedenfalls die entsprechende Literatur:
(vgl. Bildungswiki "Klimawandel" (HBS): Treibhauseffekt)
  1. eine vertikale Verschiebung (Y-Achse) um +33 °C
    von -18 °C (= fiktive - "Gleichgewichtstemperatur ohne Atmosphäre")
    auf einen Wert von +14 °C ("mittlere Lufttemperatur gemäß Jones, a.a.O.)
  2. ...
  • Erläuterung zum Koordinatensytem: Y-Achse = Temperatur / x-Achse = Zeit
Prinzip Temperatur-Verlauf ohne mit Atmosphäre.jpg

Hab ich das richtig verstanden? Intensität versus Abstand von der Strahlungsquelle

[...] Strahlt eine Punktquelle, beispielsweise eine Schallquelle, Energie in drei Dimensionen aus und gibt es keinen Energieverlust, dann fällt die Intensität mit dem Abstand r vom Objekt mit 1/r^2 ab: [...]

W-Logo.gif Intensität (Physik), Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, 12:05, 22. Jan. 2010 - Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar; zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. Siehe die Nutzungsbedingungen für Einzelheiten. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

  • Bezüglich der Strahlungsintensität der Sonne steht - demgegenüber - in der de:WP (vgl. Jahreszeit#Allgemeines):
[...] Der im Jahresverlauf leicht veränderliche Abstand der Erde von der Sonne ist nicht die Ursache für die Jahreszeiten. Er macht lediglich die Südwinter etwas strenger und die Nordwinter etwas milder als sie bei kreisförmiger Erdbahn wären. Die Erde ist nämlich im Nordwinter an ihrem sonnennächsten Punkt (PerihelWikipedia-logo.png, ca. 3. Januar), während sie im Südwinter etwas weiter von der Sonne entfernt ist (AphelWikipedia-logo.png, ca. 5. Juli). Stattdessen liegt der Grund für die Jahreszeiten im Winkel und der Dauer der Sonneneinstrahlung. Für Mitteldeutschland (geographische Breite 50°) beträgt der Winkel im Sommer 63,5° und die Sonnenscheindauer 16-17 Stunden, im Winter sind es hingegen 7-8 Stunden bei einem Winkel von 16,5°. [...]

W-Logo.gif Jahreszeit, Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, 07:57, 22. Feb. 2010 - Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar; zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. Siehe die Nutzungsbedingungen für Einzelheiten. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Kurvenverlauf berechnet auf Basis der von Jones et. al. publizierten Daten (Mittelwerte + Magnitude).
Datenpunkte: jeweils der 21. des Monats.

Die Intensität der Strahlung müsste doch eigentlich schwächer werden, wenn die Entfernung eines Objekts zur Strahlungsquelle zunimmt (Das kennt jeder aus dem Alltag: ist das GrillgutWikipedia-logo.png vom Infrarotgrill zu weit weg, dann wird es nicht gegart.)
@ Stephan: Wieso hat die Entfernung der Erde zur Sonne - quasi - (lt. wikipedia) KEINEN Einfluss auf den jahreszeitlichen Temperaturverlauf? Kannst Du - als Physiker - mir das bitte mal ("kurz und knackig") erklären? Liebe Grüße:. --Sandra Burger 06:59, 5. Mär. 2010 (UTC)

P.S.: Wenn die mit der Entfernung - abnehmende - Intensität der Sonnenstrahlung für den - globalen - jahreszeitlichen Temperaturverlauf - angeblich - keine Rolle spielt, wie sind DANN die von Jones et. al. publizierten Mess-Daten (!) zu "interpretieren"?
  • Theorie:
    1. Intensitäts-Maximum Imax bei Abstands-Minimum rmin
    2. Intensitäts-Minimum Imin bei Abstands-Maximun rmax
  • Praxis: ==> vgl. Mess-Werte von Jones et. al.
  • Astronomie:
    1. sonnennächster Punkt = Perihel (3. Januar) ==> Nordwinter / Südsommer
    2. sonnenfernster Punkt = Aphel (ca. 5. Juli) ==> Nordsommer / Südwinter
Im Januar (am sonnennächsten Punkt) wird jedoch ein - globales - Temperatur-MINIMUM gemessen
und im Juli - am sonnenfernsten Punkt - ein globales Temperatur-Maximum???
Das passt irgendwie nicht zusammen: das stellt sozusagen die "Schul-Physik" auf den Kopf ...
Herzliche Grüße:. --Sandra Burger 09:52, 6. Mär. 2010 (UTC)

Hallo, Sandra! Zu Deiner Frage: Ja, das hast Du völlig richtig verstanden. Ist die Entfernung geringer, so ist die Strahlungsmenge, die auf der Erde ankommt, größer, der Zusammenhang ist 1/r², d.h. wäre die Erde doppelt so nah an der Sonne, wäre die Einstrahlung 4 mal so groß. Da hast Du völlig recht. In der Tat ist es verwunderlich, dass die Global-Temperatur bei Sonnennähe geringer als bei Sonnenferne ist. Die Zusammenhänge sind offenbar so komplex, dass man nicht von einfachen Ursache ( = Sonneneinstrahlung ) auf die Wirkung ( gemessene Durchschnittstagestemperatur ) schliessen kann. Das Erste, was mir auffällt, ist die Asymetrie der Temperaturverläufe von Nord- und Südhalbkugel. eine Erklärung dafür könnte sein, dass es auf der Nordhalbkugel mehr Landmassen gibt als auf der Südhalbkugel. Bestrahlst Du z.B. Eisen und Wasser mit der selben Wärmestrahlung, so kannst Du nach einem Tag sicher feststellen, dass das Eisen eine höhere Temperatur als das Wasser hat. Das liegt an der Verdunstung des Wassers, denn beim Verdunsten wird sehr viel Energie entnommen, das restliche Wasser ist und bleibt mit Sicherheit unter 100 Grad Celsius, während bei intensiver Betrahlung das Eisen heißer als 100 Grad werden könnte. Eine zweite Ursache sind die Rückstrahl-Effekte in den Weltraum, und wenn diese auf der Südhalbkugel größer sind ( z.B. ist die Antarktis sehr groß und strahlt, weil sie weiß ist, sehr viel sichtbares Licht einfach wieder in den Weltraum zurück, ohne, dass diese Energie in Wärme verwandelt wird; ein ähnliches Prinzip versuchen die Leute, die die Gletscher retten wollen, auch: sie wollen weiße Planen über die Gletscher legen, die das Sonnenlicht praktisch vollständig wieder reflektieren, und so den Gletscher nicht erwärmen ). Der nächste Effekt ist, dass die Einstrahlung zu einer Temperaturzunahme führt, und nicht sofort zu höherer Temperatur. Ich meine damit: So, wie man langsam schwung holt, um einen Berg heraufzufahren, aber beim Schwungholen nicht mal einen Meter höher gekommen ist, so könnte auch die Temperatur in Sonnennähe zwar zunehmen, aber bei diesem Zunahmevorgang muss möglicherweise auch gewartet werden, bis sich die Zunahme in einen Absolutwert der Temperatur verwandelt. Dabei können z.B. verzögernde Effekte wie Schneeschmelze, Wolkenbildungen usw. eine Rolle spielen. Du wolltest es noch kurz und knackig: Die Schaukel. Man holt Schwung auf der linken Seite, bewegt sich dabei aber anstatt nach oben: nach UNTEN! Erst wenn man rechts oben ankommt ist man höher geschaukelt, als man links im höchsten Punkt war. Das dauert aber eine halbe Schwingungsdauer.

Wäre die Erde die ganze Zeit über 100/1350 höherer Einstrahlung ausgesetzt, so hätte das
mit Sicherheit eine um einige Grad höhere globale Jahresdurchschnittstemperatur zur Folge.
Das wären 7,4 Prozent, und das könnte sich  ( analog zu der Rechnung, die ich oben schon 
mal gemacht habe ) maximal 7,4% mal 300Kelvin=22Grad Kelvin, also 22 Grad Celsius auswirken.
Das wäre so viel, dass wir pratkisch überall Wüste hätten. Haben wir ein Glück, dass sich die
Erde in der genau richtigen Entfernung befindet!

Viele Grüße, --DrStephanBalk 18:39, 6. Mär. 2010 (UTC)

Hi Stephan, vielen Dank für die ausführliche Antwort.
Die Asymetrie der Temperaturverläufe von Nord- und Südhalbkugel bildet m. E. - exakt - das ab, was der Theorie nach zu erwarten ist (vgl. Abbildungen):
  1. Im Juli "steht" die Sonne - etwas mehr/schräg - über der Nordhalbkugel (deshalb: Tmax für NH und Tmin für SH),
  2. im Dezember hingegen befindet sich die Sonne - etwas mehr/schräg - unter der Südhalbkugel, so dass für SH ein Temperaturmaximum Tmax resultiert, während für die Nordhalbkugel - die der Sonne abgewandt ist - ein TemperaturminimumTmin verzeichnet wird.
  • Sommersonnenwende (21. Juni) / Wintersonnenwende (21./22. Dezember)
Ekliptik mit vier Sonnen-Standorten und Himmelskoordinaten
Vgl. de:WP: Schiefe_der_EkliptikWikipedia-logo.png
Oberfäche aus Perspektive der Lichtquelle (Punktstrahler im KoordinatenursprungWikipedia-logo.png)
Die Tageslänge am 21. Juni auf verschiedenen Breitenkreisen
Vgl. de:WP: SonnenwendeWikipedia-logo.png
Ich könnte mir sogar vorstellen, dass man aus dem Temperaturverlauf (vgl. Grafik von Jones et. al.) die Neigung der Erdachse EkliptikWikipedia-logo.png (Winkel) - näherungsweise - berechnen kann, denn die TagundnachtgleichenWikipedia-logo.png (dann steht die Sonne senkrecht über dem Äquator der Erde) sind - ebenfalls - als markante Punkte in der Grafik zu erkennen: die Oberflächen von NH und SH erhalten - dann - jeweils 50 % der Sonnenstrahlungsleistung PA.
Beste Grüße:. --Sandra Burger 22:44, 6. Mär. 2010 (UTC)
P.S. (1): Kann man mit dem Programm GeoGebra durch Eingabe der Ortskoordinaten (Kugelmittelpunkt: x = ...; y = ...; z = ... ) und Eingabe des Kugel-Radius r eine Grafik wie "Datei:Kugel-Bewegung im Raum" (Bild-Mitte) generieren?
P.S. (2): Jones et al. nennen in ihrer Publikation folgende Werte:
  1. magnitude SH = 5,7 °C
  2. manitude NH = 13,1 °C
Der QuotientWikipedia-logo.png aus magnitude SH / magnitude NH = 0,4351
Wenn dieser Wert das BogenmaßWikipedia-logo.png für ε (ErdneigungWikipedia-logo.png) wäre, dann resultiert als Winkel: 24,9°. Gruß:. --Sandra Burger 10:19, 7. Mär. 2010 (UTC)

Hallo, Sandra! Hier kommst Du stark in den Bereich der Astronomie und Erdkunde, und ich bin ja Physiker. Trotzdem versuche ich, zu folgen. Die Neigung der Erdachse ( die Erde ist wie ein Kreisel, die Achse ist zum Polarstern ausgerichtet ) gegenüber der Senkrechten zur Erdbahn um die Sonne ( die Bahn der Erde verläuft in einer Ebene um die Sonne, die Bahn selbst ist elliptisch mit der Sonne in einem Brennpunkt der Ellipse ) ist etwa 23,44 Grad. Diesen Winkel kann man aber geometrisch messen und braucht dazu keine Sonneneinstrahlungsdaten. Richtig ist, was Du sagst, dass die Sonneneinstrahlungsleistung an der NH und SH zu den Zeitpunkten der Tag- und Nachtgleichen genau gleich ist, d.h. 50%. Die Graphik "Oberfäche aus Perspektive der Lichtquelle" habe ich nicht ganz verstanden, es soll ja eine dreidimensionale Graphik sein, wahrscheinlich die gleichzeitige Darstellung der von der Sonne beschienenen Nordhalbkugel und Südhalbkugel in Abhängikeit von der Zeit?

Guten Abend Stephan!
  • Bzgl. der Graphik "Oberfäche aus Perspektive der Lichtquelle" ist Deine Interpretation zutreffend. - Vielleicht kennst Du ja eine Software, mit deren Hilfe eine dementsprechende 3-D-Grafik BESSER dargestellt werden kann (vgl. oben: mein Anliegen in PS 1).
  • Meine Fragen/"Statements" in diesem Diskussionsabschnitt haben - primär - zum Ziel, den von Jones et al. aufgezeigten - jahreszeitlichen - Temperaturverlauf zu verstehen. Insofern versuche ich, hier in unserem "Privatgespräch" (das Dich hoffentlich nicht "nervt") den Einfluss diverser Parameter zu diskutieren (in der Hoffnung, dass es gelingen könnte, einen mathematischen TermWikipedia-logo.png zu entwickeln, der den REALEN Temperaturverlauf - zumindest näherungsweise - beschreibt.
Es ging und geht mir - demzufolge - nicht darum, ε aus den "Sonnen-Einstrahlungsdaten" zu berechnen, sondern um Folgendes: in einer entsprechenden FormelWikipedia-logo.png müsste ε als Variable "auftauchen", denn FAKT ist,
  1. dass ε das Verhältnis der Oberfläche NH zur Oberfläche SH bestimmt,
  2. dass ε sich im Jahresverlauf - aus Perspektive der Strahlungsquelle - periodisch ändert.
Noch nicht ganz klar ist mir, in welcher Weise der tageszeitliche Verlauf (die Rotation der Erde um die eigene Achse) mathematisch zu "fassen" ist.
Herzliche Grüße:. --Sandra Burger 23:35, 7. Mär. 2010 (UTC)

Ok. Dann mal zur Präzision unserer Diskussion: Wir müssen unterscheiden zwischen der sonnenbeschienenen Fläche am jeweiligen Datum auf der NH und SH, und der Lichtenergie, die auf diese Fläche während eines Tages fällt. Welches von beiden möchtest Du darstellen? Denn wenn eine Fläche von der Sonne nur ganz flach bestrahlt wird, hat das weniger Effekt als wenn die Sonne in Äquatornähe senkrecht herunter scheint. Der Winkel des Flächenstückes zur Sonne geht also mit einem Faktor cos(Winkel) einher. Z.B.: ist der Winkel 60 Grad zwischen der Senkrechten auf der Ebene und der Sonnenrichtung, so ist cos(60Grad) =0.5 und damit kommt auf 1 Quadratmeter nur halb so viel Energie wie wenn die Sonne senkrecht auf die Fläche scheint. Ich würde daher nicht die Fläche darstellen, sondern die auf die jeweilige Halbkugel treffende Lichtenergie pro Tag. Was meinst Du?

Präzision unserer Diskussion - das ist ein gutes Stichwort: ich würde zunächst - so wie Du es auch vorschlägst - differenzieren in Nordhalbkugel (NH) und Südhalbkugel (SH). Wie Du weiter oben schon aufgezeigt hast, unterscheiden sich die Halbkugeln bzgl. der Wasser-und Landmassen-Verteilung. - Wenn man sich die Grafik von Jones et al. anschaut, genauer: dort die Kurven für NH und SH, dann denk ich persönlich sofort an diesen Kurvenverlauf (vgl.Grafik) ... Ein derartiger Kurvenverlauf taucht im Physik-Unterricht im Zusammenhang mit der FederspannungWikipedia-logo.png auf. Ich könnte mir vorstellen, dass der - für NH und SH unterschiedliche - Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre (in vergleichbarer Weise) mittels einer "Federkonstanten"Wikipedia-logo.png DH2O-Gehalt (SH) bzw. DH2O-Gehalt (NH) in einer entsprechenden Funktionsgleichung zu berücksichtigen sind. Mit den besten Grüßen:. --Sandra Burger 13:26, 10. Mär. 2010 (UTC)

Globale Temperatur TGLOBAL (Modell-Versuch und physikalische Gesetzmäßigkeiten)

Salü Stephan, überprüfst Du bitte mal, ob die folgenden Aussagen zutreffen? - Für Deine dementsprechende Korrektur-Bemerkung ("trifft zu" / "trifft NICHT zu") und ggf. zusätzliche Statements von Deiner Seite hab ich in der folgenden Tabelle eine 2. Spalte eingerichtet. Schon mal vielen Dank im Voraus. Herzliche Grüße:. --Sandra Burger 12:09, 11. Mär. 2010 (UTC)

Globale Temperatur TGLOBAL
Für die Temperatur von WasserWikipedia-logo.png (H2O) gelten folgende physikalischen Gesetzmäßigkeiten:
  1. Delta TH2O (liquid) ~ Delta E
    Delta E = zugeführte Energiemenge
  2. Delta TH2O (liquid) ~ 1 / Delta M H2O (liquid)
Delta M H2O (liquid)= Masse des mit der Energiemenge E zu erhitzenden Wassers
→ Wasser - spezifische WärmekapazitätWikipedia-logo.png
trifft beides zu.

Hallo, Sandra! Du möchtest also ein mathematisches Modell für die Temperaturverläufe auf der NH und SH haben. Natürlich geht darin auch das Epsilon ein. Die Temperaturmodelle sind aber ungeheuer komplex, wie gesagt, spielt die Wolkenbildung dabei eine große Rolle, und auch Winde sind nicht zu unterschätzen. Die Wasserbewegung (hier z.B. der Golfstrom) spielt auch mit (wenn ich mich recht erinnere ist die Leistung des Golfstroms (d.h. die Wärmemenge, die er pro Sekunde zu uns transportiert) etwa so hoch wie 10000 Atomkraftwerke, ohne ihn hätten wir hier in Europa das Klima wie in Kanada , d.h. die hälfte des Jahres wären die Wasserstraßen zugefroren). Ein dynamisches Modell enthält immer Zuflüsse und Abflüsse der Zustandsgrößen (d.h. mathematisch: die Ableitung der Zustandsfunktionen bestimmt die Entwicklung der Zustandsfunktion) Eine mögliche Software wäre: DYNASIS. http://code.google.com/p/dynasys/ Darin ergeben sich dann sogenannte BEHÄLTER für die Wärmeenergie von Wasser und Land auf den Halbkugeln, sowie die Luft und die Wolken. Die Wärmetransporte von Wasser zum Land und umgekehrt werden durch den Wind geregelt, und dann gibt es ja noch den Golfstrom (s.o.), d.h. Wärmetransporte vom Äquatorbereich in Richtung Pol. Die Beschattung der Erde durch die Wolken sieht zunächst so aus, als ob dann die Temperatur sinken würde, das ist aber nicht so, denn die Wolken reflektieren die Strahlung, die von der warmen Erde eigentlich in den Weltraum gehen würde. Auch hier spielt der Grad der Wolkenbedeckung eine Rolle. Bei der Einstrahlung geht , wie Du es schon angedeutet hast, der Winkel epsilon ein, wohl in sinusform. All diese Details sind sehr zeitaufwändig zu untersuchen, das gibt kein einfaches Modell, wenn es etwas taugen soll. Die Wettervorhersage arbeitet ja täglich daran, dennoch können sie kaum über ein halbes Jahr im Voraus die Temperatur vorhersagen. Schau Dir die Satellitenbilder einmal an, wie die Wolken sich verteilen und sich bewegen, und z.T. auflösen!

Salü Stephan, kurze Rückfrage:
Ich tendiere dazu, die (der Grafik von Jones et al. zu entnehmenden) Temperatur-Änderungen (Delta TSAT)
ausschließlich - unter anderem auch - zurückzuführen auf die Änderung der Intensität ISonnenstrahlung.
Gibt es dagegen - aus der Sicht des Physikers - (wie auch immer begründete) Einwände?
Besten Gruß:. --Sandra Burger 21:48, 17. Mär. 2010 (UTC)
Hallo, Sandra, in dem simpelsten Modell ist natürlich die Temperaturänderung gleich der Differenz aus Sonneneinstrahlung und Wärmeabstrahlung. Also auch die Abstrahlung spielt eine Rolle.
Aber, wie ich schon sagte, gibt es Puffer, wie das Wasser der Ozeane, das die Wärme langsam aufnimmt, so dass eine Verzögerung, die Physiker sagen: Phasenverschiebung , möglich ist.
Und ich sagte ja auch, dass die Wolkenbildung sehr stark in die Abstrahlung mit eingeht. Viele Wolken bedeuten geringere Abstrahlung (z.B. nur noch 80 Prozent der ursprünglichen Einstrahlung aufgrund der Wolken-Reflektion in den Weltraum, aber 140 Prozent der Reflektion der von der Erdoberflächeausgehenden Wärmestrahlung zurückreflektiert auf die Erde, macht eine Überkompensation aus.
Ich bin ja kein Klimatologe. Die Energiebilanzen müssen immer stimmen, das weiss ich immerhin. -Problematisch in der mathematischen Behandlung sind solche inneren Parameter wie Puffer (Wasser) und Wolkenbildungen. Mehr kann ich Dir dabei leider nicht helfen.

Servus Stephan, darf ich Dich nochmal in Anspruch nehmen?

  • Verständnis-Frage (II)
BILD • Gummi-Ente auf Wasser (Option "Wasserteilchen zeigen" ankreuzen):
Animation (erstellt von C. Wolfseher mit GeoGebra): Wasserwellen - einfaches Modell

Die Höhen-Differenz (Wellenberg – Wellental) betrage 50 cm.

  • Darf ich die von der Gummi-Ente durchlaufene Höhen-Änderung darstellen durch Addition der Kreisfunktion
  1. Wasser-Teilchen vor der Gummi-Ente (sin WTVOR) plus
  2. Wasser-Teilchen nach der Gummi-Ente (sin WTNACH)
  • Damit die Kurven in der grafischen Darstellung zu unterscheiden sind, wähle ich als Faktor nicht Delta h/2 (das wären 25 cm), sondern ungleiche Teile (30 cm + 20 cm).
Delta h = sin WTVOR * 30 cm + sin WTNACH * 20 cm
Korrektur: Delta h = sin WTVOR * 15 cm + sin WTNACH * 10 cm

Darf ich in der o. a. Weise Delta h berechnen bzw. darstellen? Liebe Grüße:. --Sandra Burger 11:41, 18. Mär. 2010 (UTC)

Hallo, Sandra!
Wenn die Amplitude 25cm ist, dann ist die Höhe der Gummiente gegeben durch
25cm * sin(Wt), wobei W die Winkelgeschwindigkeit ist, d.h. 2*Pi/Schwingunsdauer und t die Zeit.
Von Minimum zu Maximum sind es dann von -25cm bis +25cm also 50cm.
Lediglich die Kontur der Wasserlinie ist keine Sinuskurve, da die Ente sich nicht nur
nach oben und unten, sondern auch zur Seite bewegt. Wenn man die Bewegung der Wasserteilchen einblendet, dann erkennt man, dass sie sich so wie die Ente bewegen. Die Wasserteilchen bewegen sich auf Kreisbahnen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit.
Du arbeitest immer noch an der Sinus-förmigen Darstellung der Klima-Daten?
Hi Stephan, (o je, das seh ich erst jetzt ... peinlich, wenn man - wie ich - eine einfache Kopfrechenaufgabe derart versemmelt: für das Splitten darf ich selbstverständlich nur Delta h /4 nehmen!) wenn das "Splitten" der Wellenbewegung in der oben beschriebenen Weise "erlaubt" ist, dann gelingt es, die Grafik von Jones et al. (prinzipiell resp. in einfacher Weise) zu simulieren. Besten Gruß:. --Sandra Burger 18:06, 18. Mär. 2010 (UTC)
Hallo Stephan, enthalten die folgenden - prinzipiellen - Überlegungen einen "Denkfehler"? --Sandra Burger 11:49, 19. Mär. 2010 (UTC)
  • Logische Vorüberlegungen (kurze "Skizze" zur Simulationsgrafik):
  1. Die Grafik von Jones et al. (beinhaltet alle REALEN Einflussfaktoren) und stellt dar:
    Die Temperatur T von einem Gas-Gemisch (LuftWikipedia-logo.png) in Abhängikeit von der Energiezufuhr ISonnenstrahlung
    1. der Effekt von ISonnenstrahlung wird - um den realen Gegebenheiten Rechnung zu tragen - "gesplittet" in Qx ...
    2. ... und Qy ("Pufferwirkung" durch Ozeane etc. pp.)
  2. Die Energie-Menge "Qx" (langwellige Wärmestrahlung), die das Gasgemisch erwärmt, wird beeinflusst durch den Remissionsgrad der Oberfläche
    1. NH => Land; Asphalt; Blätter etc. → Remissionsgrad = ... (↑)
    2. SH => Wasser → Remissionsgrad = ... (↓)
  3. Unberücksichtigt bleibt (derzeit noch:) ... Qy ("Pufferwirkung" durch Ozeane etc.)
  4. Phasenverschiebung um 180° zwischen Imax (NH) vs. Imax (SH)
  • Somit folgt für T (NH):

T\;(NH)\approx mittlere\;Temperatur \; T \;+ \; \sin \left( {\alpha \cdot \pi \over 180} \right) \;\cdot\; \left( \frac{Qx} {2} \;\cdot\; Remissionsgrad_{NH} \right)

  • Zum "Durchspielen" => folgende (von mir völlig willkürlich gewählte) Zahlenwerte
  1. Qx = 50
  2. Remissionsgrad NH = 0,29
  3. Remissionsgrad SH = 0,19
Hallo, Sandra!
Wenn man nur die Graphik mathematisch wiedergeben will, so ist der Temperaturverlauf für die Nordhalbkugel
TNH(t)=mittlereTemperatur+A1*sin(2Pi t/365)-A2*sin(2Pi t/365+Phasenverschiebung)
mit t=Zeitpunkt in Tagen, ab dem Frühlingspunkt ( 21.März ) und der Phasenverschiebung =0 der Einfachheit halber.
Damit die Graphik erzeugt wird, kann man A1=6,5Grad, mittlereTemperatur=14Grad, A2=0,5 Grad wählen.
Das Minuszeichen sorgt dafür, dass die Temperatur im Winter etwas höher ist, da die Entfernung zur Erde etwas
geringer ist. Insgesamt also ist die Graphik wiedergegeben durch
TNH(t)=14Grad+6,5Grad*sin(2Pi t/365)-0,5Grad*sin(2Pi t/365).
Bei der Südhalbkugel wäre demnach der umgekehrte Effekt durch die Entfernung zur Sonne zu erwarten, also
TSH(t)=14Grad-2,5Grad*sin(2Pi t/365)-0,5Grad*sin(2Pi t/365).
Dieses Mal haben die beiden Sinus-Terme das gleiche Vorzeichen und verstärken sich so.
Wenn man jetzt noch den Remissionsgrad mit hineinbringt, könnte man schon in die Nähe der wirklichen Prozesse kommen.
Allerdings ist 0,29/0,19 ungefähr 3/2, aber 6,5Grad/2,5Grad ist mehr als 3/2, also wird noch mehr als der Remissionsgrad nötig sein, um die Korrekturen dementsprechend einzubauen.
PS.: Vielen Dank auch für die Ergänzung der Lateiner-Seite zum Vokabellernen, ich hoffe die Klasse und der Lehrer freuen sich auch darüber.
--DrStephanBalk 08:47, 14. Apr. 2010 (UTC)


Lufttemperatur SATW-Logo.gif(English) bei mittlerem Abstand r = 14,0 °C

Bzgl. der globalen Wassermenge M H2O (global) finden wir folgende Angaben:

→ Wasser - WasserhemisphäreWikipedia-logo.png: Oberfläche: Global sind es 71 % Wasser und 29 % Land.
Hinweis:
Die von Jomes et al. publizierten Magnitudenwerte
⇒HIER (blauer Kasten: "Wir wissen").

lassen vermuten, dass dieses Verhältnis eine - gewichtige - Rolle spielt.

Fragezeichen.gif   Frage
Wie ist die Grafik von Jones et al. zu "lesen" resp. zu interpretieren?
Wenn ich Schüler wäre und die Aufgabe bekäme, mich zu dieser Grafik zu äußern ... nehmen wir mal an, ein Physik-Lehrer "bringt" einen derartigen Funktionsverlauf - während des Unterrichts - als "Test" ...
x-Achse [Einheitenname ] vs. y-Achse [Einheitenname] ...

Frage: „Was sehen wir?“

  • Dann würde ich meine Gedanken einem Physik-Lehrer darlegen wie folgt:
  1. Die Grafik zeigt die Temperatur von LuftWikipedia-logo.png, gemessen in 2 Meter Höhe über dem Erdboden.Wikipedia-logo.png
  2. Die gesamte globale Luftmasse = rund 5,148 · 1015 tWikipedia-logo.png
  3. Die spezifische Wärmekapazität von LuftWikipedia-logo.png:
    c_p = 1,005 kJ/(kg•K) = 0,279 kWh/(Tonne•K) (isobar)
  4. Aus diesen Angaben lässt sich errechnen, wie viel Energie benötigt wird, um die Temperatur der (gesamten !) globalen Luft-Masse um 1 °C zu erhöhen:
    = (isobar:) 1,43 · 1015 kWh = rund 1 500 Tera-Wattstunden (TWh)
  5. ...
  6. der WeltenergiebedarfWikipedia-logo.png beträgt: 107.000 Tera-Wattstunden (TWh) pro Jahr
  7. ...
(***MERK-SATZ***:) Zum Glück gibt's das Zum-Wiki! ;-)

Von Benutzer:DrStephanBalk eine
⇒Analogie:
(Wasserbehälter / Kondensator /Feder).

Nuvola apps edu science.png   Versuch

Low-Cost-Versuch zur Grafik

benötigte Materialien
  1. Zwei Gefäße, die sich bzgl der Farbe unterscheiden mit jweils 5 Liter Fassungsvermögen
    1. Gefäß Nr. 1: rote Farbe - wird gefüllt mit 2 Liter Wasser
    2. Gefäß Nr. 2: blaue Farbe - wird gefüllt mit 5 Liter Wasser
Versuchsablauf (Teil I)
  1. Das rote Gefäß wird im Verlauf von 1 Minute mit 3 Litern Wasser befüllt (für gleichmäßigen Wasserfluss sorgen) und anschließend - bei gleichem Wasserfluss - sogleich wieder auf das anfängliche Volumen entleert.
  2. Zeitgleich wird das blaue Gefäß - in gegenläufiger Weise (ergo ebenfalls im Verlauf von einer Minute) zunächst um 2 Liter entleert und anschließend wieder befüllt.
  • ...
Versuchsablauf (Teil II)
  • ...
Information icon.svg   Antwort

Als Terminus für diese Grafik schlage ich den Begriff

"Temperatur-Ortskurve (SATW-Logo.gif(English); Globus)"

vor, denn es gibt in der Analytischen ChemieWikipedia-logo.png einen ähnlichen Begriff: den Terminus "Absorptionsortskurve"[1] [2] [3] bzw. - zutreffender - Remissionsgrad-Ortskurve.[4]


Einzelnachweise

  1. Werner Baltes, Lothar W. Kroh: Schnellmethoden zur Beurteilung von Lebensmitteln und ihren Rohstoffen, Seite 130, Abb. 3.1-5
  2. Vgl. E. Stahl (1975): Katalytische Dehydrierung im Mikrogrammbereich
  3. Vgl. H. Jork: Vergleichende chromatographische untersuchungen bei s-Triazinen
  4. Georg Schwedt: Analytische Chemie • Grundlagen, Methoden und Praxis, Seite 403, Abb. 9.12
Fragezeichen.gif   Frage

Welche Schlussfolgerungen kann man daraus herleiten,
dass in der "Grenzfläche" »Erdatmosphäre«  in Abhängigkeit von der Intensität der Sonnenstrahlung (die ihrerseits bestimmt wird durch den Abstand r) Temperatur-Änderungen registriert werden?

  • ...
  • ...
  • ...
 
  • Delta E ~ Delta ISonnenstrahlung
  • Delta ISonnenstrahlung ~ 1 / r2
  • Der Abstand r
kann dargestellt werden als eine Funktion der Zeit („Kreisbahn“ der Erde um die Sonne)
  1. Wir formulieren die entsprechende Funktionsgleichung(en) und
  2. stellen den Funktionsverlauf grafisch dar:
    BEACHTE: AnfangsphaseWikipedia-logo.png NH Anfangsphase SH
  • TH2O (liquid - GLOBAL) = ...
    TH2O (liquid - NH) = ...
    TH2O (liquid - SH) = ...
Nuvola apps edu science.png   Versuch
benötigte Materialien
  1. ein Heizstrahler
  2. ein - naturgetreues (Oberflächenstruktur) - Modell der Erde aus Ton
  3. reißfeste PVC-Folie o. ä., in die das Modell eingehüllt werden kann
  4. Zwei Wärme-Sensoren
  5. Schleif-Kontakte, die an einem der Pole des sich drehenden Modells angebracht werden
  6. ...
  7. Wasser
Versuchsbeschreibung
  • ...
Plausibilitätsprüfung Teilt man den GLOBUS in die zwei Hälften
  • NH (Nordhalbkugel) und
  • SH (Südhalbkugel),

dann verteilt sich die globale Wassermenge wie folgt auf die beiden Kugelhälften:

  1. Nordhalbkugel
    MH2O (NH) = ... ca. 30 Prozent???
  2. Südhalbkugel
    MH2O (SH) = ... ca. 70 Prozent???
  • M H2O (global) = ...

Grafische Darstellung (Zeitraum = 4 Jahre)

Intensität sowie Temperatur im Verlauf von 4 Jahren

Grafik (unten): jeder blaue Punkt markiert jeweils 1 Jahreszeit (Frühling / Sommer / Herbst / Winter).

Hi Stephan, die nebenstehende Grafik basiert auf den Daten von Jones et al. (DARSTELLUNG: Zeitraum = 4 Jahre; PeriodenWikipedia-logo.png-Dauer = 1 Jahr). Könntest Du bitte mal versuchen, ob Du mit Deiner Software eine "schönere" (anschaulichere) Grafik generieren kannst? Liebe Grüße:. --Sandra Burger 16:10, 9. Mär. 2010 (UTC)

P.S. (I): Die erforderlichen Daten findest Du
⇒HIER (blauer Kasten: "Wir wissen").
Besten Gruß:. --Sandra Burger 23:15, 9. Mär. 2010 (UTC)
P.S. (II): Mein Anliegen hat folgenden Hintergrund:
Dieser ⇒ GRAFIK ist zu entnehmen, dass das "Energie-Niveau" der "Erdkugel" (mit anderen Worten: die globale Temperatur) in Sonnen-Nähe höher sein muss als das Energie-Niveau, das sonnenfern gemessen wird. - Wenn mir kein Fehler unterlaufen ist, dann zeigt die Grafik von Jones:
  • Energie-Niveau (NH) ~ Energie-Niveau (GLOBAL)
  1. Das - eher prinzipielle (!) - Problem ist in meinen Augen, dass die Astronomie - wenn mich nicht alles täuscht - das Quartal "Nordwinter" = Winter (NH) dem Abstand r1 (= Sonnen-Nähe) zuordnet ...
  2. Und jetzt zu der wirklich wichtigen Frage: Wenn Du in Deiner Grafik auf der linken Seite eine Temperatur-Skala UND auf der rechten Seite für die Ordinaten-Achse "Intensität" die Einheit "Watt / m²" als Hilfs-Skalierung verwendest, dann kann man dem jahreszeitlichen Temperaturverlauf - innerhalb einer bestimmten "Fehlerbandbreite" - ABSOLUTE Werte für Delta I zuordnen. - In welcher Weise äußert "man" sich in der einschlägigen wissenschaftlichen Literatur (zur "Klima-Debatte") über das, was eigentlich sozusagen elementares Basiswissen im Fach Physik sein sollte? ... immer und immer wieder lese ich: " [...] an der Atmosphären-Grenze [...] "mittlere Sonnenstrahlungsleistung" 342 W/m² [...]" ... anscheinend hat "man" übersehen (oder vergessen?), dass die Änderung von I - schon außerhalb der Atmosphäre (!) - einem physikalischen Gesetz folgt.
  • Mit anderen Worten: Wie und in welcher Weise tragen die Klimaforscher dem physikalischen Gesetz ("Naturgesetz") Rechnung, dass - jedenfalls innerhalb jenes Temperatur-Intervalls, über das wir hier sprechen - aufgrund einer Änderung der Größe I - logischerweise (vgl. Jones et al.) - eine Änderung der Temperatur T erfolgt?
Liebe Grüße:. --Sandra Burger 11:36, 10. Mär. 2010 (UTC)
Hallo, Sandra!
Danke für die schnelle Mitarbeit (ZUM-Gadapedia-Kategorie erzeugt: Volumen), vielleicht kann ich ja auch wieder etwas als Gegenleistung tun, wenn es nicht zu aufwändig ist. Am 2. Juli mache ich eine Fortbildungsveranstaltung für Lehrer, bis dahin bin ich also ziemlich ausgebucht, aber danach hab ich wieder mehr Zeit. Viele Grüße, --DrStephanBalk 15:54, 19. Mai 2010 (UTC)
Hi Stephan, thxWikipedia-logo.png für die Nachricht. Auch ich bin derzeit "einigermaßen" ausgelastet.
Hinsichtlich der hier diskutierten Fragen warte ich - noch immer - auf die Beantwortung meiner diesbezüglichen Anfrage im Bildungwiki "Klimawandel" (vgl.:Diskussion:Lufttemperatur) ...
Liebe Grüße:. --Sandra Burger 16:38, 19. Mai 2010 (UTC)