Upload
gundula-schicker
View
103
Download
0
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
METSWN Organisation, 2nd half
1
8 30. November Radiation introduction (UL)
9 7. December EM Spectrum; Reflection and refraction (SC)
10 14. December Thermal emission and Transmission (SC)
11 11. January Gas absorption (SC)
12 18. January Heating rates (Exercises, KE)
13 25. January Radiative transfer; Scattering (SC)
14 1. February RT Exercise and summary (UL)
Klausurtermin!
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 2
Content
1. Introduction
2. Properties of electro-magnetic radiation
3. Electromagnetic Spectrum
4. Reflection and Refraction
5. Radiative properties of natural surfaces
6. Thermal emission
7. Atmospheric transmission
8. Atmospheric emission
9. Absorption atmospheric gases
10. Broadband fluxes and heating rates (cloud free)
11. Radiative transfer with scattering
12. Scattering and absorption by particels
13. Radiative transfer with multiple scattering
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Lernziele
3
Mathematische Beschreibung der atmosphärischen Transmission(Beer-Lambert, optische Dicke, Dämpfung (dB), verschiedeneAusdrücke für den Extinktionskoeffizienten..)
Bei welchen Wellenlängen ist die Transmission der Atmosphärebesonders hoch/niedrig?
Wie hängt die wolkenoptische Dicke mit dem Flüssigwassergehaltund dem Teilchenradius zusammen?
7. Atmosphärische Transmission
τ = 1 (Neper) entspricht Reduktion auf 37 %, bzw. 4.3 dB
Streueffizienz ca. 2!
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Lernziele
4
Beschreibung des Strahlungstransports mittels derSchwarzschild-Schuster Gleichung
Nutzung der optischen Dicke als Vertikalkoordinate und Interpretation der Terme der Strahlungstransportgleichung
Definition und Aussage von Wichtungsfunktionen
Interpretation von spektral hochaufgelösten Messungender Strahldichte vom Boden und vom Satellit
8. Atmosphärische Emission
z Wichtungs-funktion
optisch dünnoptisch dick
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Emission im Infrarot mittels Spektrometer
5
Bodengebundene Messung Richtung Zenit
Planckkurve
Was sieht man hier
Was absorbiert
hier?
Woherkommen die
Linien?
Fensterbereich
Woher kommt das Signal?
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 6
Wo wurde vom Satelliten gemessen?
Tropischer Westpazifik
südlicherIrak
Antarktis
Sahara
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Lernziele
7
Wie funktioniert die Absorption durch Gase in der Atmosphäre?
Welche Eigenschaften der Moleküle bestimmen wo im elektromagnetischen Spektrum die Absorption auftritt?
Durch welche Prozesse werden Absorptionslinien verbreitert und was ist die Form der verbreiterten Linie?
9. Absorption atmosphärischer Gase
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 8
Dipolmomente
Damit ein Molekül mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken kann muss es ein magnetisches oder ein elektrisches Dipolmoment besitzen.
Externes magnetisches oder elektrisches Feld muss ein Drehmoment auf das Molekül ausüben!
Homonukleare Moleküle wie O2 und N2 haben wegen ihrer symmetrischenLadungsverteilung (positiv und negativ) kein permanentes Dipolmoment!
Heteronukleare zweiatomige Moleküle wie CO haben generell ein permanentes Dipolmoment!
Alle drei- oder mehratomigen Moleküle (Ausnahme CO2 und CH4) haben einpermanentes Dipolmoment durch die verschiedenen Asymmetrien in ihrer Struktur Monoatomare Bestandteile wie Argon haben keine Rotationsübergänge
Molekularer Stickstoff N2 hat weder elektrisches noch magnetisches Dipolmoment keine Rotationsübergänge
Molek. Sauerstoff O2 hat magnetisches Dipolmoment Übergänge 60&118 GHz
Kohlendioxid CO2 und Methan CH4 haben normalerweise keine Dipolmomente jedoch können Vibrationsbewegungen Symmetrie aufbrechen
Alle anderen wichtigen atmosphärischen Gase haben Rotationsübergänge
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 9
Vibrations- und Rotationsübergänge
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 10
Vibrationsübergänge
Molekurer Verbund ist nicht starr sondern federartig. Für kleine Auslenkungen r-r‘ gilt:
Harmonischer Oszillator mit Resonanzfrequenz
Im quantenmechanischen Limit ist die aktuelle Vibrationsfrequenz gequantelt Vibrationsquantenzahl n
k Federkonstante v‘ Resonanzfrequenz
Zusammenhang mit der Energie Vibrationsübergang Δν=±N verursacht eine
Energieänderung
Übergangsfrequenzen sind Vielfache derResonanzfrequenz des harmonischen Oszillators
Vibrationsprozesse stellen kleine Auslenkungen der Atome aus ihrer Gleichgewichtslage dar.
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 11
Mehratomige Moleküle
Petty Fig. 9.4
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Vibrationsübergänge N gekoppelte Atome besitzen 3N Freiheitsgrade.
Da jeweils 3 Freiheitsgrade auf die Gesamttranslation und die Gesamtrotation entfallen, gibt es insgesamt 3N-6 Vibrationsfreiheitsgrade.
Jeder Bewegungsmode entspricht einer klassischen Frequenz ‘.
Die Gesamtvibrationsenergie eines Moleküls ergibt sich mit:
E = (n1 + 1/2) h1 + ... + (n3N-6 + 1/2) h3N-6 mit ni=0,1,2,...
12
Sind alle Vibrationsquantenzahlen ni=0 liegt der Grundzustand vor.
Die Anzahl und die Stärke der Energielevel hängt von der molekularen Struktur,(Anzahl und Art der Atome, molekulare Geometrie und Stärke der Verbindungen) ab.
Fundamentalschwingungen kennzeichnen Übergänge vom Grundzustand zu einem Zustand bei dem nur ein ni gleich eins ist. Die korrespondierenden Frequenzen sind 1, 2,.., i.
Oberschwingungen bezeichnen Übergänge vom Grundzustand zu einem Zustand bei dem nur ein ni größer gleich 2 ist und alle anderen gleich null. Die korrespondierenden Frequenzen sind 21, 22,.., 2i.
Alle anderen Übergänge sind Kombinationsschwingungen der Obigen.
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Vibrationsprozesse: H2O
Das Wassermolekül besteht aus drei Atomen (N=3) und hat somit 3 Schwingungsfreiheitsgrade und drei klassische Frequenzen νi, die den Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 entsprechen
Eine Kombinationsschwingung ist z.B. ν2 + ν3 deren Wellenlänge sich mit1/λ = 1/λ3 + 1/λ2 zu 1.87 μm ergibt.
Ein Beispiel für eine Oberschwingung ist 2ν3, die einer Wellenlänge von 1.4 μm entspricht.
13
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 14
Vibrations-Rotationsübergänge
Vibrationübergänge sind mit stärkeren Energien verbunden als Rotationsübergänge Absorbtionslinien bei höheren Frequenzen (thermisches und nahes IR)
Vibrations- und Rotations-übergänge treten oft simultan auf
kombinierter Effekt führt zu leicht höheren (oder niedrig.) Frequenzen als reine Vibrationsübergänge!
Aufsplitten des Vibrations-übergangs in eine Serie naheliegender separater Linien
reine VibrationΔJ = 0
ΔJ = -1 ΔJ = 1 Petty Fig. 9.3
Rotationsübergänge haben im Gegensatz zu Vibrationsübergängen
keine gleichmässigen Abstände
n
n
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 15
Elektronenübergänge
n
n
Petty Fig. 9.5
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 16
Linienformen
Natürliche VerbreiterungHeisenberg‘sche Unschärfe durchbegrenzte Lebenszeit Δt eines Energiezustandes
vernachlässigbar
DopplerverbreiterungZufallsbewegung der Moleküleführt zur Frequenzverschiebungdominant in Mesosphäre
DruckverbreiterungKollisionen unterbrechen natürlicheÜbergängedominant in Tropo- und Stratosphäre
Petty Fig. 9.6
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 17
Linienbeschreibung
LinienpositionMittenfrequenz ν0
Linienform Funktion, die vom Abstand der Frequenz zu Linienmitte abhängtNormierung auf 1:
Linienstärke S
σ Absorptionsquerschnitt pro Molek.α1/2 HalbwertsbreiteS Linienstärkeν0 Mittenfrequenz
ν0
S
typischerweise symmetrischeLinienformen!
Halbwertsbreite definiert, wann Linienamplitude auf Hälfte abgefallen ist:
Petty Fig. 9.6
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 18
Linienformen
Gasmoleküle sind in konstanter Bewegung
Temperatur ist Maß für die mittlere kinetische Energie
statistische Verteilung der Geschwindig-keit in Richtung s entsprechend Maxwell-Boltzmann Verteilung
Dopplerverschiebung
m Masse des Moleküls (=M/Na)kB Boltzmann-Konstanteνs Geschwindigkeit in Richtung sν0 Standardabweichung von vs
mit
Doppler-Halbwertsbreite
Petty Fig. 9.7
gleiches Sund gleiches α
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Druckverbreiterung
19
bei dichter Atmosphäre kollidieren Moleküle sehr häufig
Kollision beeinflusst gerade absorbierendesbzw. emittierendes Molekül Druckverbreiterung
verschiedene Erklärungsmodelle, üblicher-weise Lorentz-Linienform
αL Lorentz-Halbwertsbreiteα0 Referenzmessung im Labor
bei T0, p0
n empirischer Exponentν0 Mittenfrequenz
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Linienverbreiterung
20
Probleme mit Lorentz-Modell1) entfernte Flanken2) nur gültig bei αL<<ν0
1. führt zu Problemen bei bei der Beschreibung der Absorption in „Fenstern“durch Akkumulierung vieler Linienbeiträge
2. bedeutet, dass Absorption bei Frequenz ν=0 nicht 0 wäre. Problem bei niedrigen Frequenzen (Mikrowellen) van Vleck-Weisskopf Linienform(asymmetrisch)
Petty Fig. 9.8
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Linienverbreiterung
21
Doppler- und Druckverbreiterungtreten in jeder Höhe auf
Dopplerverbreiterung hat bei gleichem αD und αLmehr Beiträge nahe der Linienmitte
Voigt Linienform berücksichtigtsowohl Doppler- als auch Druckverbreiterung
Im Mikrowellenbereich dominiertDruckverbreiterung bis ca. 0.1h Pa
Petty Fig. 9.9
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Kontinuumsabsorption (nicht-resonant)
22
Photodissoziation- Aufbrechen eines Moleküles in 2 Teile- Bindungsenergie des Moleküls legt Dissoziationspotential fest
nur Frequenzen darüber können absorbiert werden überschüssige Energie wird in kinetische umgesetzt
sehr wichtig in der Stratosphäre
Photoionisation- Produktion von positiv geladenem Ion und freiem, negativ geladenem Ion, z.B.- Ionisierungspotential i.a. höher als Dissoziationspotential
immer UV-Strahlung (oder Röntgen und Gamma Strahlung) notwendig nur in der hohen Atmosphäre wichtig (Bildung Ionosphäre!)
- Ionisierungspotentiale angeregter Atome/Moleküle sind niedriger Strahlung mit längeren Wellenlängen kann genutzt werden
Kontinumsabsorption durch Wasserdampf
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Kontinuumsabsorption - Wasserdampf
23
Signifikante Kontinuumsabsorption im Infrarot- und Mikrowellenbereich.
Zwei mögliche Erklärungen:
Beiträge entfernter Linien- Lorenztheorie ist unzureichend bei weit entfernten Linienflanken- Summation über Beiträge sehr vieler weit entfernt liegender Linien
H2O Cluster:- Wassermoleküle üben aufeinander anziehende Kräfte auf
relativ leichte Kondensation- zeitweilige Bildung von Molekül-Klustern
Dimer (2 Moleküle), Trimer (3 Moleküle)..- wesentlich komplexere Vibrations- und Rotationsübergänge im Vergleich zu einzelnem Moleküle
wesentlich verschmiertere Übergänge über weiten Wellenlängenbereich
Evtl. Kombination aus beiden Prozessen
Volumenextinktionskoeffizient der Kontinuumabsorption is ungefähr prop. zumQuadrat der Wasserdampfdichte! Wichtig in unterer Troposphäre
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Absorption - Anwendungen
24
zweiatomiges Molekül ist weniger komplex
nur eine Rotations- und eine Vibrations-quantenzahl
Petty Fig. 9.10
reine Rotation
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Absorption - Anwendungen
25 Atmosphärische Strahlung, Susanne Crewell, SS 2008
Verbesserte Absorptionsmodelle seit 1990 durch Vergleich von Messungen und Theorie D. Turner
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Absorption – Anwendungen CO2
26
Petty Fig. 9.12 und 9.13
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
10. Breitbandige Flüsse und Erwärmungsraten
solar terrestrisch
Divergenz der Strahlungsflüsse in der Atmosphäre führt zu Erwärmung bzw. Abkühlung
Absorption kann durch Datenbanken über Linienabsorption (Linienposition, -stärke und Halbwertsbreite) beschrieben werden, ist aber sehr komplex
HITRAN'2004 Database (Version 13.0) http://cfa-www.harvard.edu/HITRAN/enthält 2,713,968 Spektrallinien für 39 verschiedene Moleküle
27
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
10. Erwärmungsraten und breitbandige Flüsse
28
zuerst „Line-by-line“ Berechnung (für jede ν)
Achtung: monochromatisch bei
Wellenzahl ν nicht-streuende Atmosphäre plan-parallele Atmosphäre keine extraterrestrische Quelle
mit Transmission optischer Dicke Wichtungsfunktion
μ cos Zenitwinkelβa,v Absorptionskoeffizient [m-1] ν Wellenzahl [cm-1]
Kenntnis von βav(z) und T(z)
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Berechnung des Absorptionskoeffizienten
29
Summe von Linien- und Kontinuumsbeiträgen von N Gasen und M Absorptionslinien
Einfluss der Höhe z: durch Abhängigkeit von Temperatur T(z), Druck p(z) und Dichte des Bestandteils ρi(z)
mit Kenntnis der Linienparameter für eine bestimmte Wellenzahl ν lassen sich für jede Höhe die auf bzw. abwärts gerichteten Strahldichten berechnen
Berechnung des Strahlungstransports Linie für Linie (Line by Line = LBL)alle Beiträge benachbarter Linien (Abbruch!) werden berücksichtigt
Si,j Linienstärkefi,j Linienformka Massenabsorptionsquerschnitt [m2/kg]ρi Dichte Gas νi,j Mittenfrequenz von Gas i der Linie j
Für Fernerkundungsanwendungen(diskrete Frequenzen) meist
ausreichend
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Monochromatischer Fluss
30
Berechnung des breitbandigen Nettoflusses in jeder Höhe z LBL Rechnungen für
- große Zahl monochromatischer Wellenzahlen - moderate Zahl von Höhen z
Flussberechnungen sind millionenfach rechenzeitintensiver als Strahldichte-Berechnungen
Heizraten müssen berechnet werden in- Global Circulation Models (GCM)- Numerical Weather Prediction (NWP) models für jeden Punkt der Erdkugel in regulären Zeitabständen für die verschiedenen Atmosphärenzustände
Lösung:- Bandenmodelle
- K-Verteilung
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Problem:
31
Wie bestimmt man die breitbandige Transmission?- abhängig von den Profilen der relevanten Gase
N=1
N=4
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
k-Verteilungsmethode
effiziente, flexible Methode zur Integration über komplexes Spektralintervall
wesentlich gröbere Diskretisierung und somit Reduktion der Rechenzeit möglich
auch möglich bei Streuung
Petty, Fig.10.5
32
gleicher Wert von k taucht mehrfach auf Sortierung nach der Größe des Absorptionskoeffizienten k Aufteilung in Bereich g[0,1] ergibt neue, leicht integrierbare Funktion k(g)
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
k-Verteilungsmethode
Petty, Fig.10.5
Vorteil: macht keinen Annahmen über die Art der Linienverteilung Datenkompression
Problem: inhomogene Atmosphäre Korrelation verschiedener Druckniveaus
Rekonstruktion
Correlated-k Methode hat < 1% Fehler
33
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Anwendung: Berechnung von Heizraten
Netto-Strahlungsfluss ist der nettoaufwärtsgerichtete Strahlungsfluss [Wm-2]durch horizontale Fläche in Höhe z
Ist Fnet(z) größer als Fnet(z+Δz) kommt in der Schicht Δz zusätzliche Strahlungs-energie hinzu
Absorption und Erwärmung der Luftschicht
cp spez. Wärmekpazität bei konst. Druck = 1004 J kg-1 K-1
ρ Luftdichte [kg m-3]H Heizrate [K /Tag]
Strahlungsflussdivergenz
H> 0: ErwärmungH< 0: Abkühlung
34
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Berechnung von Heizraten
35
Berechnung der Netto-Strahlungsflüsse in jeder Höhe z mittels der bandgemittelten Transmission ti
Berechnung der Heizraten
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Berechnung von Heizraten
Netto Erwärmung/Abkühlung durch Austausch mit der Oberfläche
„Schwarzer“ Untergrund
da Ts meist>T(z) Erwärmung
Netto Erwärmung/Abkühlung durch Aus-tausch mit Obergrenze der Atmosphäre (TOA) Auskühlung in Weltraum *
*Bei solarer Strahlung ist B(z) =0 und Fi(∞) ist Quellterm
Strahlungsaustauschprozesse zwischen dem Höhenniveau z und allen anderen Schichten z‘. Signifikant bei- großen Temperaturunterschieden- starker Strahlungskopplung (2.te Abl.)
Austausch mit oberen SchichtenAustausch mit unteren SchichtenKühlung von oben wird meist durch Erwärmung von unten kompensiert
36
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Heizraten: Solare Strahlung
Petty, Fig.10.6
Standardatmosphären mit typischen Temperatur- und Feuchteprofilen für tropisch, mittl. Breiten, subarktisch und arktisch
Wasserdampf und Ozon sind die dominanten Absorber solarer Strahlung
Ozon dominiert die Stratosphäre mit H>2K/Tag(Ursache für die Existenz der Stratosphäre)
Wasserdampf hat höchste Konzentration in unterer Atmosphäre und führt zur Erwärmung bis 1.5 K/Tag
Kohlendioxid ist gleichmäßig durchmischt (Lebenszeit ca. 5 Jahre) und hat geringe Er-wärmungsrate von 0.05 K/Tag
37
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Heizraten: Solare Strahlung
Petty, Fig.10.7
Gesamtheizrate ergibt sich aus der Summe der einzelnen Komponenten
Bei niedrigeren Zenitwinkeln sind die Heizraten geringer
Im Fall von Wolken kommt es zu drastischen Änderungen
Nichtabsorbierte Sonnenstrahlung führt auch indirekt zur Erwärmung- Emission und Reabsorption langwelliger Strahlung- direkte Wärmeleitung der Oberfläche - Verdunstung an Oberfläche (latente Wärme)
38
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Heizraten: Langwellige Strahlung
Petty, Fig.10.8 Simultane Emission und Absorption
Absorption dominant ErwärmungEmission dominant Kühlung
Wasserdampf durch 6.3 μm Band und Bereich > 15 μm dominant. Stärkster Beitrag bis 3.5 K/Tag in unteren, feuchten Schichten. Relative Maxima durch zwei Bänder.
H2O Kontinuum ist sehr sensitiv zur Druckverbreiterung
CO2 Bande bei 15 μm ist so stark, dass sofort Absorption und wieder Emission auftritt. Nur im Bereich derTropopause Erwärmung durch Absorption.
Ozon führt zur signifikanten langwelligen Erwärmung der Stratosphäre durch die Absorption von aufwärtsgerichteter Strahlung bei 9.6 μm am unteren Rand der Ozonschicht
39
18. Januar 2013METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Heizraten: Langwellige Strahlung
40
Petty, Fig.10.9 In wolkenfreier Atmosphäre
unterscheiden sich verschiedene Regionen nur wenig durch unterschiedlicheTemperatur- und Feuchetprofile.
Langwellige Strahlung führtzur Abkühlung der Atmosphäre
In der Stratosphäre gleichen sich langwellige Kühlung und solare Erwärmung in etwa aus(keine anderen Energieaustauschprozesse)
Wolken und Aerosole verursachen starke Effekte bei den Heizraten sowohl im Langwelligen als auch im Solaren