Nachgerechnet: Mittlere Temperatur Deutschlands • Trends der letzten 60 Jahre | Axel Kleidon

Wie hat sich das Temperaturen in Deutschland in den letzten 60 Jahren verändert? In diesem Kommentarcheck des Videos “Thermodynamik • Temperatur: Unterschiede & Änderungen” auf “Urknall, Weltall und das Leben” analysiert Axel Kleidon unter anderem die mittleren Temperaturen und deren Trends in Deutschland über die letzten 60 Jahre.

Blogpost zu Wolken/Einstrahlung:
https://www.meteoschweiz.admin.ch/ueber-uns/meteoschweiz-blog/de/2024/05/warum-nimmt-sonneneinstrahlung-in-europa-seit-1980-zu.html

atmosphärische Gegenstrahlung
https://esd.copernicus.org/articles/14/1363/2023/

Thermodynamik • Temperatur: Unterschiede & Änderungen:

willkommen zu videowissen und einem neuen Video mit Fragen zum Kraftwerk Erde diesmal gehen wir auf die temperaturdynamik ein und konkret fragen wir uns was die Temperaturen in Deutschland eigentlich bestimmt und die Trends in Temperaturen erklären kann eine der ersten Fragen ging um die den den Trend in der Bewölkung also warum hat sich die Bewölkung in Deutschland verändert bzw warum hat die Sonneneinstrahlung Oberfläche zugenommen ja da gibt’s zwei Gründe zum einen haben die ihre Sole abgenommen also Teilchen die Licht streuen und zum anderen ist die Bevölkerung zurückgegangen und gerade rechtzeitig zum Video sozusagen erschien auch dieser Blogbeitrag hier vom Schweizer Wetterdienst wo es genau um diese Frage geht warum nimmt die Sonneneinstrahlung in Europa seit Mitte der 1980er Jahre zu und da ist es noch mal ausführlicher dargelegt warum diese Trends und wie man das auseinanderrechnet also eben diese aerosoleneffekte und wolkeneffekte und inklusive weiterführender Informationen wir verlinken diese Blog Beitrag unten in der Videobeschreibung dann gab es noch Kommentare zu dem Unterschied zwischen Temperaturen im Ozean und im Meer und da hieß es na ja das Meer verdunstet mehr und so weiter und da muss ich sagen ne ne Moment nicht ganz so also da ganz so einfach ist das nicht also im Prinzip kann Land sogar wesentlich mehr verdunsten als das Meer und der eigentliche Unterschied ist wirklich dass Sonnenlicht im Meer anders absorbiert wird und zwar weil Wasser transparent ist dringt das Sonnenlicht ein es wird absorbiert in den oberen 20 30 40 50 m und dadurch führt das nicht wirklich also füht das nur zuer ganz schwachen Erwärmung weil eben die wärmeekapazität von Wasser so hoch ist während an der Landoberfläche da dringt das Sonn nicht gar nicht in den Boden ein ich meine im Prinzip hat Boden auch eine hohe Wärmekapazität aber das Sonnenlicht trinkt nicht ein sondern wird an der Oberfläche absorbiert führt zu einer starken Erwärmung und die erwärmte Luft nah der Oberfläche steigt auf es entsteht Auftrieb und damit wird Wärme in die Atmosphäre gebracht und das sieht man also sehr schön am Tagesgang was mit der eingestrahlten Energie von der Sonne passiert und das habe ich hier in dieser Folie zusammengefasst hier sieht man also auf der linken Seite einen typischen Tagesgang vom januar 2018 der ist gemessen im Amazonas mittendrin von einem Kollegen hier von mir hier aus unserem Institut von dem atomessturm an dem unseren Institut beteiligt ist und was man hier sieht in rot ist die Kurve von absorbierter Solarstrahlung das habe ich hier in rot RS genannt also das was einstrahlt und wirklich auch absorbiert wird und auch dargestellt ist hier blau gepunktet die Verdunstung und H also die derensibelwärmefluss ist hier in orange dargestellt und die netto langweilige Strahlung ist hier in die LE dargestellt und da sieht man dass ganz typisch um 6 Uhr geht da die Sonne auf dann nimmt die Solarstrahlung zu und abends um 6 Uhr geht die Sonne unter und entsprechend ist die Solarstrahlung wieder neull zum Vergleich habe ich hier rechts auch Messung dargestellt von einem die über einem großen See der USA den Lake ay meine ich ist das gemessen worden sind da sieht man auch die Solarstrahlung hier gemessen in rot R ist das war fast wolkenfreier Tag kann man sehen an der Form die Einstrahlung ist etwa die gleiche sieht man hier die Skala links und rechts sind ETW die gleiche aber was man sieht ist dass diese turbulenten Wärmeflüsse also hier auch wieder die Verdunstung in blau gestrichelt und Orange die der sensible Wärmefluss die sind wesentlich kleiner und über Tag und Nacht verteilt und das liegt eben daran dass der See die solarstollung aufnimmt und die Temperatur sich kaum erwärmt während des Tages sondern das praktisch wegpuffert und deswegen ist die Dynamik wie die Energiebilanz agiert über Land und über Meer ganz unterschiedlich deswegen wird eben die Temperatur über Land eben stark durch diese turbulenten Wärmeflüsse na ja über Meer auch we über wird das sehr stark durch diese turalenten Wärmeflüsse geprägt also dann gab es als nächste Frage noch eine Frage ob man das nicht auch alles ein bisschen besser quantifizieren kann also auch ein bisschen mehr rechnen und da dachte ich okay ich zeig mal ein Beispiel und als Beispiel dachte ich nhmlich eine Folie aus einer Vorlesung die ich halte zum Klima was ich hier zeige ist letztendlich wie man die Mitteltemperatur die Jahresmitteltemperatur in Deutschland bestimmen kann und was man dafür braucht ist hier in der Folie dargestellt wir haben zum einen hier einen Therm in der Mitte das ist die Energiebilanz der Oberfläche wir haben die Erwärmung durch Solarstrahlung hier links der Therm mit dem RS und dann kommt auch noch die Albedo mit rein wir haben die atmosphärische Gegenstrahlung das sind die beiden strahlungsterme die erwärmen und dann haben wir die Kühlung durch Emission und die Kühlung durch die turbulenten Wärmeflüsse gut und daraus kann man die Temperatur bestimmen nämlich aus dieser Abstrahlung sig t hoch 4 kann man dann auflösen nach Temperatur ich habe das jetzt ein bisschen anders mal gemacht um zu zeigen von der Plausibilität her dass man damit die Mitteltemperatur in Deutschland recht gut bestimmen kann ich habe hier mal rechts oben eine Karte aus Satellitendaten von der Solarstrahlung über Deutschland das was an der Oberfläche eintrifft ist im Jahresmittel ungefähr Größenordnung 120 Watt pro quadratmeer das ist die Zahl die ich hier Links angegeben habe und dann gibt es eben diese atmosphärische Gegenstrahlung und das ist ein Term der denke ich häufig unterschätzt wird das ist eben das was die Atmosphäre emitiert in Richtung Oberfläche und da sehen wir dass das ein ganz gewaltigen Beitrag leistet und zwar hier das ist auch aus dem satellitenpukt was relativ grob aufgelöst ist deswegen sieht man da nicht viel röumliche Details aus dem Datensatz der nennt sich von NASA der heiß Seris das die atmosphärische Gegenstrahlung da sehen wir dass die typische Größenordnung in der Größenordnung von 310 Watt pro Quadratmeter ist also fast zwei dreimal so groß wie die absorbierte Solarstrahlung also haben wir dass die Erwärmung ist geprägt durch 120 Watt pro quadratmer an Solarstrahlung und 310 Watt pro quadratmer an atmosphärischer Gegenstrahlung im Mittel wird das bilanziert durch die Emission und durch die Luftbewegung die Emission wenn wir also eine mittlere Temperatur Annehmen von 11° Celsius müssen wir jetzt umrechnen Kelvin um das dann in das Stefan bolzmann Gesetz einzusetzen dann kommen auf etwa 370 Watt pro quadr die emittiert werden und der Rest geht in Luftbewegung auf das sind die 60 Watt pro quadr das kann man also dann wenn man das zusammenfasst also die Erwärmung durch Strahlung dann kommen wir da drauf dass das also ungefähr 120 Watt pro quadrater ist die Erwärmung durch Solarstrahlung wenn wir die langwelligen Beiträge nehmen also die atmosphärische Gegenstrahlung und das was die Oberfläche ausstrahlt dann ergibt es eine nettokühlung von von 60 Watt pro quadr und die nettokühlung durch die turbulenten Wärmeflüsse sind auch noch mal 60 wat pro quadr und da sieht man das kam auch bei dieser maximalen Leistung so raus dass die turbulenten wärmflüsse ungefähr die Hälfte sind von der nettoerwärmung und die andere Hälfte geht eben über den langwelligen durch die langwellige Kühlung raus da sieht man um diese Energiebilanz erklären zu können braucht man eben diese starke atmosphärische Gegenstrahlung die eben sehr viel stärker ist als das was an Solarstrahlung reinkommt sonst könnte man die Temperatur die mittlere Temperatur Deutschlands gar nicht erklären dann gab das noch Fragen dazu dass also die Trends ja zum Teil recht also dass die Temp die Zeitreihen relativ variabel sind und man könnte das mit dem Klimawandel ja gar nicht so also nicht einfach so linear extrapolieren da dachte ich könnte man vielleicht auch noch mal ein bisschen drauf eingehen und zwar diese Unterscheidung zwischen Wetter und Klima und ich dachte als gutes Beispiel ich nehme einfach mal die temperaturbeobachtung aus Jena und zwar die vom Sommer also Juni Juli August da sind die einstrahlbedingungen durch Sonne relativ gleichmäßig weil wir halt im Sommer relativ ähnliche einstrahbedingung haben hier dargestellt sind eben die Temperaturverteilung also die Häufigkeitsverteilung von Messung von der tagesmitteltemperatur in verschiedenen Perioden Zeitperioden also hier einmal von 1961 bis 1999 in Blau in Rot von 1991 bis 2020 und und in lila das sind die letzten 5 Jahre von 2018 bis 2022 und wir sehen dass diese Verteilung die lassen sich ziemlich gut annähern durch diese gauskurven die auch in blau rot und lila dargestellt sind und diese Breite der gausverteilung das ist letztendlich das was wir als Wetter wahrnehmen das sind diese Schwankungen kommt mal kalte Luft aus dem Norden kommt bewölkte kommen Bewölkung auf oder scheint die Sonne dann ist es mal wärmer und dann kommen wieder Wolken dann ist es wieder kälter und so schwankt od schwappelt das Klima das Wetter Schwank schwappelt um diesen klimatologischen Mittelwert herum gleichzeitig sehen wir aber auch sehr klar dass ich diese Häufigkeitsverteilung nach rechts also Richtung Erwärmung verschoben haben und zwar kontinuierlich und relativ klar eben um in letzten 5 Jahren die waren 2,7° wärmer als das was diese klimatologische Referenzperiode von 1961 bis 1990 darstellt auf der anderen Seite ist die breite diese zwei Sigma der gausverteilung die ist immer noch wesentlich größer als die erwärmungstrends ja also die Wetterschwankungen sind halt einfach größer als das als dieser subtile Klimatrend den man über die Jahre beobachten kann diese Zunahme der Temperatur lässt sich eben dann doch ganz klar auf diese Zunahme der atmosphärischen Gegenstrahlung darstellen auch das können wir kurz in einem Beispiel nachrechnen ich habe dazu hier einfach mal Karten aus einer Schätzung der atmosphärischen Gegenstrahlung die auf einen Ansatz beruhen der Link für die Veröffentlichung dazu die ist auch in dem Beitrag unten verlinkt womit man diese atmosphärische Gegenstrahlung aus Beobachtungsdaten schätzen kann und das haben wir gemacht mit den Datensätzen vom Deutschen Wetterdienst und daraus eben eine Abschätzung für die atmosphärische Gegenstrahlung bekommen sowie der Änderung über die 30 Jahre also hier wieder links die klimatologische Referenzperiode von 1961 bis 1990 und rechts der Unterschied zwischen der Periode 91 bis 20 im Vergleich zur Referenzperiode und da sehen wir dass wieder das Mittel ist ungefähr 325 Watt pro quadrater und über die letzten 30 Jahre von 91 bis 2020 war diese atmosphärische Gegenstrahlung 3 bis 4 Watt pro quadr mehr das sieht erstmal überhaupt nicht viel aus das ist 1% ne also ist nicht nicht viel 1% aber jetzt können wir sehen und ausrechnen wie sich diese Zunahme der Gegenstrahlung in eine Zunahme der Temperatur niederschlägt das habe ich hier gemacht hier habe ich noch mal Zeitreihen dargestellt von Lufttemperatur und Wasserdampf vom Partialdruck des Wasserdampfs also hier sehen wir dass die Temperatur über die 60 Jahre zugenommen hat von 19 60 bis 2020 wir sehen die Zunahme des partialdrucks vom Wasserdampf also die Zunahme des Wassergehalts der Atmosphäre aus diesen beiden Größen kann man diese atmosphärische Gegenstrahlung ausrechnen als Schätzung sieht man das über 10 Jahre die ungefähr um 1,5 Watt pro quadratm zugenommen hat dann kann man auch die den bewirkungsgrad Schätzen der abgenommen hat und auch den Trend in der Solarstrahlung der hier eben halt auch ungefähr 1,6 Watt pro quadrater pro 10 nahre zugenommen hat und aus diesen Trends können wir jetzt gucken ob wir aus diesen strahlungstrends können wir jetzt gucken ob das zusammenpasst mit dem beobachteten temperaturtrend was wir dazu machen ist wir gehen wieder zurück auf die Energiebilanz sagen okay also wir machen eine kleine Vereinfachung damit das alles ein bisschen einfacher zu rechnen ist und zwar nehmen wir das Stefan bolzmann Gesetz her und linearisieren es das ist eine sogenannte torentwicklung das heißt wir sagen das sigσ T hoch 4 ist gleich eine Referenztemperatur hoch 4 plus eine linearisierungskonstante mal Delta t und dann kann man das Delta t relativ einfach ausrechnen und diese linearisierungskonstante die kann man ausrechnen mit dem mit der Referenztemperatur kommt man auf ungefähr 5,1 Watt pro quadratmeer pro Kelvin das heißt also wenn ich 1 Watt pro quadratmer mehr an Energie an der Oberfläche habe dann kann man mit dieser konstanten ausrechnen wie viel die Temperatur entsprechend zunimmt dann wissen wir also über 10 Jahre hat die atmosphärische Gegenstrahlung um 1,5 Watt pro quadratmer zugenommen die solare Strahlung hat um 1,6 wat pro quadrmeter zugenommen dann müssen wir es noch reduzieren mit der Albedo also 15% sagen wir mal ist reflektiert dann bleiben 1,4 Watt pro Quadratmeter übrig also das heißt pro 10 Jahre nimmt der strahlungsantrieb an der Oberfläche etwa um 3 Watt pro quadrater zu Hälfte Solar Hälfte durch atosärische Gegenstrahlung dann müssen wir noch berücksichtigen dass ungefähr die Hälfte in diese turbulenten Wärmeflüsse dadurch gekühlt wird das heißt nur die Hälfte von dem 3 Watt pro quadratmer geht in der Temperaturerwärmung und wenn wir dann also die 2,9 Watt pro quadratm Teilen durch die 2 x KR das sind also 10,3 dann kommen wir auf etwa 0,3 Kelvin Zunahme pro 10 Jahre und das passt eigentlich schon ziemlich gut mit dem beobachteten Trend von 0,35 Kelvin pro 10 Jahre ja das also mal als ein bisschen ähm eine Berechnung eine relativ einfache Schätzung wie man also den temperaturtrend der beobachtet worden ist durch die Zunahme an Gegenstrahlung und Solarstrahlung erklären kann wenn wir jetzt jetzt wieder auf diesen 30 Jahre Zeitraum gehen dann ist eben 0,3 x 3 ungefähr 1° und das sehen wir eben halt auch hier in den Häufigkeitsverteilung die verschieben sich haben sich in den in diesen zwei Zeiträumen die 30 Jahre voneinander entfernt sind eben ungefähr eben diese 1°ad erhöht ist ein bisschen mehr sind 1,3 oder jetzt wenn man ans Ende der 5 Jahres am Ende geht dann ist es eben halt entsprechend ein bisschen größer weil wir eben halt letztendlich eine Periode von 60 fast 60 Jahren haben damit haben wir auch gleich eine andere Frage bearbeitet nämlich es gab die Frage bezüglich was ist eigentlich die Trends in der Feuchte und ob das konsistent ist und da möchte ich noch mal wieder hier auf die Zeitreihen zurückgehen da können wir sehen dass eben die Feuchte in Form von dem Partialdruck von Wasserdampf der hat in der Tat zugenommen das also berechnet hier der Partialdruck aus der relativen Feuchte und der Temperatur Wetterstation Messen in der Regel relative Feuchte und das kann man dann mit mit Sättigungsdampfdruck und so weiter umrechnen in diesen Partialdruck und da sieht man es ist eine relativ kleine Änderung sind irgendwie Größenordnung 2% pro 10 Jahren die der Wasserdampfgehalt zugenommen hat in Deutschland man sieht auch Schwankung ne es ist nicht ganz gleichmäßig sondern geht schoppelt ein bisschen rum um den Trend aber es ist eine konsistente Zunahme die eben zu den Temperaturänderung aufpasst dann gab es noch eine Frage zu den Zeitreihen die die globalen Zeitreihen warum die bei 118 180 anfangen das hat mit Datenverfügbarkeit zu tun das hat keine tieferen Gründe dann gab es noch eine Frage oder einen Kommentar dazu bezüglich der Temperatur bezüglich der Art von Temperatur das ist etwas das habe ich so ganz salop üersprungen nämlich dass es natürlich sowohl eine kinetische Temperatur gibt also die letztendlich die die kinetische Energie der Moleküle misst die kinetische Temperatur und wir haben auf der anderen Seite die Strahlungstemperatur die über die strahlungsflüsse letztendlich definiert ist und die Annahme in der Klimatologie ist ganz häufig dass diese Temperaturen gleich sind ist in der Regel auch der Fall gerade da wo Klima relevant ist wenn wir also in hohe Atmosphärenschichten gehen dann kann es passieren dass diese Temperaturen nicht mehr gleich sind bzw wo die kinetische Temperatur auch gar nicht mehr definiert ist weil die Teilchen die Moleküle nicht häufig genug sich gegeneinander kollidieren dann gab es noch einen Kommentar zu der Rolle von Albedo oder Emissionen habe ich auch bin ich auch nicht näher drauf eingegangen also die strahlungsschlüsse über die ich gesprochen habe berücksichtigen in der Regel na Albedo wenn es in die Energiebilanz eingeht also mit anderen Worten nicht alles was eingestrahlt wird wird auch absorbiert sondern es gibt in der Regel gerade über Land werden etwa 15% typischerweise reflektiert kann auch mal ein bisschen mehr sein oder auch mal ein bisschen weniger dann bei der Emission gerade die Emission der Landoberfläche ist Regel relativ ähnlich zum schwarzen Körper also nahe eins allerdings ist es auch nicht immer so z.B bei Schnee kann das sein dass die Emissivität auch da drunter liegt und dann gab es auch noch ein Kommentar zur Entropie Bilanz auf die bin ich bislang auch noch nicht eingegangen wir haben jedenfalls nicht im Detail wir haben in der ersten Folge über den entropiebegriff gesprochen und dann sind wir eigentlich gleich in Leistung und Maximierung und so weiter gesprungen und ich dachte ich kann ja mal auch ein Diagramm zum entropiebudget geben also man kann das erzsystem auch bezüglich des entropiebudgets definieren oder beschreiben also es heißt Strahlung kommt rein mit der gewissen Entropie und dann gibt es Prozesse die eben die Entropie erhöhen also z.B eben die Streuung von Licht die zur Entropie führt oder die Absorption bei einer wesentlich kühleren Temperatur erzeugt Entropie das ist das was wir in der erst Folge haben wir das mit thermalisierung beschrieben also das ist der Prozess wo das Sonnenlicht was ja eine sehr hohe also charakteris die die Charakteristiken der sehr hohen emissionstemperatur beinhaltet auf die kühle Temperatur der Erde gebracht wird und dadurch eben sehr viel von der Nutzbarkeit verloren geht anders formuliert es wird sehr viel Entropie produziert ebenso wird Entropie produziert wenn Strahlung von der Oberfläche in der Atmosphäre absorbiert und reemitiert wird was ich wesentlich relevanter finde als Entropie und Entropie buudgets ist eben die Fähigkeit dass das erzsystem Arbeit verrichten kann und da haben wir ja eben genau über dieses Diagramm des Kraftwerks Erde gesprochen dass man eben halt aus Temperatur Unterschieden kann das Klimasystem Arbeit leisten kann Luftbewegung erzeugen und dadurch kommt dann auch der Wasserkreislauf zustande und so weiter oder Fotosynthese kann Arbeit verrichten indem es ungstrennung bewerkstelligt und dann das in chemische freie Energie anlegt oder eben die Fotovoltaik über die wir auch noch sprechen werden und mit dem bin ich glaube ich am Ende der Fragen aber wenn Sie weitere Fragen haben gerne hier in Kommentar noch hinzufügen und da können wir dann ein anderes Mal drauf eingehen