Ein Energiehaushalt ist nur mit definierter Grenze eindeutig.
„Atmosphärischer Energiehaushalt“ kann unterschiedliche Systeme meinen. Drei Grenzen sind meteorologisch besonders wichtig:
Netto-Strahlung, fühlbare Wärme, latente Wärme und Boden-/Speicherfluss.
Strahlungsheizung der Atmosphäre plus turbulente Flüsse von unten und Energie-Transportkonvergenz.
Aufgenommene Sonnenstrahlung gegen ausgehende langwellige Strahlung.
Ein Fluss, der für ein System Verlust ist, kann für das benachbarte System Gewinn sein. Darum wird die Vorzeichenkonvention in jedem Bilanzmodell explizit festgelegt.
Netto-Strahlung wird auf turbulente, Boden- und Speicherflüsse verteilt.
Mit einer gebräuchlichen Konvention, bei der Rn die verfügbare Netto-Strahlung an der Oberfläche bezeichnet und H sowie LE nach oben in die Atmosphäre positiv sind:
Dabei ist H der fühlbare Wärmefluss, LE der latente Energiefluss durch Verdunstung beziehungsweise Kondensation, G der Energiefluss in den Untergrund und Ssfc die Zunahme des Oberflächenspeichers. Die genaue Vorzeichenkonvention für G muss in Mess- und Modellprodukten immer mitgelesen werden.
LE transportiert Energie mit einem Phasenwechsel des Wassers. Deshalb kann der atmosphärische Energiehaushalt ab M03 nicht mehr unabhängig vom Wasserhaushalt behandelt werden.
Für die Luftsäule addieren sich Strahlung, turbulente Flüsse und Transportkonvergenz.
Wir verwenden für dieses Kapitel eine einfache, explizite Säulenbilanz. Jeder Term ist positiv, wenn er der atmosphärischen Säule Energie zuführt:
Qrad ist die Netto-Strahlungsheizung der Atmosphäre, H und LE kommen von der Oberfläche, und CE ist die Konvergenz des horizontalen beziehungsweise großskaligen Energietransports. Positive Konvergenz bringt Energie in die betrachtete Säule; Divergenz entspricht CE < 0.
Für das Gesamtsystem Erde zählt am TOA nur Strahlung.
Am Oberrand der Atmosphäre gibt es im klassischen globalen Energiebudget keine turbulenten Wärmeflüsse in den Weltraum. Die zentrale Bilanz lautet:
ASR ist die absorbierte kurzwellige Sonnenstrahlung, OLR die ausgehende langwellige Wärmestrahlung. NTOA > 0 bedeutet Energieaufnahme des Erdsystems, NTOA < 0 Energieverlust.
Global und über lange Zeiträume muss ein stationäres Klima NTOA ≈ 0 erfüllen. Regional und kurzfristig können große Abweichungen auftreten; Atmosphäre und Ozean transportieren Energie zwischen Überschuss- und Defizitregionen.
Vier Flüsse bestimmen den Speicherterm der Luftsäule.
Im Lab sind alle Flüsse positiv in die atmosphärische Säule. Aus Qrad, H, LE und Transportkonvergenz CE entsteht der Netto-Speicherterm. Mit der Säulenmasse ps/g wird zusätzlich eine äquivalente trockene Temperaturtendenz berechnet. Diese ist eine Diagnose — keine vollständige reale Temperaturvorhersage.
Der Speicherterm ist das Resultat der Bilanz.
Ein häufiger Denkfehler ist, den Speicherterm wie einen fünften unabhängigen Fluss zu behandeln. Tatsächlich ist
Ist die Summe null, kann sich der betrachtete Energiespeicher im Mittel nicht ändern. Ist sie positiv, nimmt E zu; bei negativer Summe nimmt E ab. Welche Zustandsgröße darauf reagiert, hängt davon ab, in welchen Reservoirs die Energie gespeichert wird.
Lokaler Strahlungsüberschuss muss nicht lokal gespeichert werden.
Atmosphäre und Ozean transportieren Energie horizontal. Deshalb kann eine Region dauerhaft mehr Strahlungsenergie aufnehmen als abgeben und dennoch keinen unbegrenzten Speicheranstieg zeigen: Energiedivergenz exportiert den Überschuss.
Positive CE bedeutet Transportkonvergenz, negative CE Divergenz. Vertikale Transporte erscheinen je nach Systemgrenze etwa als turbulente H-/LE-Flüsse oder als interne Umverteilung innerhalb einer Säule.
Vier Bilanzfehler, die später teuer werden.
Nein. Das Vorzeichen hängt von Systemgrenze und Konvention ab. In diesem Kapitel ist H positiv in die atmosphärische Säule.
Nein. Der Speicherterm ist die zeitliche Folge der Summe aller Grenzflüsse.
Nein. Diese Flüsse wirken innerhalb des Erdsystems; über die TOA-Grenze wird Energie praktisch radiativ ausgetauscht.
Nein. Es ist eine trockene Wärmekapazitäts-Äquivalenz. Reale Energie kann auch in Feuchte, Lage-, Bewegungs- oder anderen Reservoirs landen.
Thermodynamik wird zur Bilanz eines gekoppelten Atmosphärensystems.
Oberfläche, Säule und TOA haben unterschiedliche Bilanzterme.
Rn verteilt sich auf H, LE, G und Speicherung.
Qrad + H + LE + CE bestimmt die Energieänderung der Atmosphäre.
ASR − OLR bestimmt den Strahlungsgewinn des gesamten Erdsystems.
Konvergenz und Divergenz koppeln regionale Energiebilanzen.
Zustand → Prozess → Paket → Säule: die thermodynamische Kette ist vollständig.
Cross-References
Als nächster Schritt wird die trockene Thermodynamik um Wasserdampf, Phasenwechsel, latente Wärme und feuchte Prozesse erweitert.