Aufgabe4 :

Abb 1 : Darstellung der Globalstrahlung und der reflektierten Globalstrahlung jeweils über dem Kronendach in 39m Höhe und unter dem Kronendach in 2m Höhe als gemittelte Tagesgänge

Als Globalstrahlung(G) wird die kurzwellige (0.25-3m m) bezeichnet, die auf der Erdoberfläche oder der Messhöhe registriert wird. Sie setzt sich aus diffuser Himmelsstrahlung (H,An Luftmolekülen,Wolken und Aerosolen gestreute) und direkter Sonneneinstrahlung(S) zusammen.

G = S + H

Ein Teil dieser eintreffenden Strahlung wird nicht absorbiert, sondern reflektiert. Die reflektierte Globalstrahlung ergibt sich aus

dem Reflektionsvermögen(R_kurz), dass zwischen 0-100% liegen kann und als Albedo bezeichnet wird. Helle Objekte besitzen eine hohe Albedo(A), dunkle eine niedrige.

R_kurz= (A/100) * G

Die Albedo addiert zum Absorptionskoeffizienten ergibt 100%.

Kurvenbeschreibung : Alle vier Kurven zeichnen sich durch einen Tagesgang von Sonnenauf- bis untergang aus. Das Maximum der kurzwelligen Strahlung ist bei Sonnenhöchststand, das Maximum der langwelligen Strahlung etwas versetzt von 12-14 Uhr da hier die höchsten Tageslufttemperaturen erreicht werden. Deutlich zu sehen ist, dass über dem Bestand ~10mal soviel kurzwellige Strahlung wie im Bestand ankommt. Die reflektierte Globalstrahlung ist negativ, da der abgebildete Betrag nach oben geht. Sie ist ebenfalls über dem Kronendach größer als unter. Dies betrachtet allerdings nur den absoluten Betrag dieser Größe. Um eine relative Einschätzung zu bekommen dient Abb. 2 :

Abb. 2 : Auftrag des Quotienten der Globalstrahlung aus 39 und 2m Höhe und dem Quotienten der reflektierten Globalstrahlung aus 39 und 2m Höhe.

Zu sehen ist, dass mittags G über dem Bestand 10 mal so groß ist. Gegen Morgen und Abend verschiebt sich dieses Verhältniss bis auf 14-15 mal soviel. Ursache dafür ist wahrscheinlich, dass je niedriger der Einfallswinkel der Strahlung ist, desto länger ist der Weg durch das absorbierende und reflektierende Kronendach und desto weniger Strahlung erreicht das Messgerät in 2m Höhe. Die extremen Randwerte dieses Graphen sind wahrscheinlich nicht aussagekräftig. (?Stationslage?)

Es fällt nun auf, dass mittags nur fünfmal soviel kurzwellige Strahlung über dem Bestand reflektiert wird, morgens und abends neunmal soviel. Es wird also anteilsmäßig weniger Globalstrahlung unter dem Bestand reflektiert als über dem Bestand. Dies genau drückt ja die Albedo aus. Sie kann aus dem jeweiligen Anteil der reflektierten Strahlung an der Gesamtstrahlung berechnet werden :

Abb.3 : Die ~Albedo des Kronendaches und der Bodenpoberfläche geschätzt aus den Messdaten aus 39 und 2m Höhe

In dieser Abbildung zeigt sich, dass die Albedo des Kronendachs niedriger ist, somit zwar mehr Strahlung im absoluten Bereich, jedoch weniger im relativen reflektiert wird als vom Erdboden. (Die extremen Randwerte sind nicht korrekt)

Abb. 4: Die atmosphärische Gegenstrahlung und die langwellige Emission

Die atmosphärische Gegenstrahlung (A) besteht aus langwelliger Strahlung (von Körpern die kälter als 300K sind ausgehend) von hauptsächlich Wolken, Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Emission bezeichnet die terrestrische langwellige Ausstrahlung. Die Emission in 39 und 2m verlaufen analog. Die Ausstrahlung ist in der Nacht etwas niedriger als am Tag. Analog könnte ein Lufttemperaturdiagramm dargestellt werden, da je wärmer es ist auch umso mehr abgestrahlt wird. (Bodentemperatur<->Lufttemperatur) Insgesamt sind die Schwankungen jedoch gering. Die atmosphärische Gegenstrahlung ist in 2m Höhe auch am Tag etwas höher, da hier das Kronendach, welches verantwortlich für diese Bilanz ist, etwas wärmer ist. In 39m Höhe jedoch ist die atmosphärische Gegenstrahlung allgemein etwas geringer, da die Temperaturen mit der Höhe abnehmen. Zu anderen ist tagsüber ein deutlicher Rückgang zu verzeichnen, mit dem niedrigsten Wert um 12 Uhr. Zu beachten ist hier, dass es sich um einen gemittelten Tagesgang handelt. Nun kann davon ausgegangen werden, daß im Mittel sich am Tage weniger Wolken in der Atmosphäre befinden als Nachts, da die Temperaturen am Tage in der Atmosphäre etwas höher sind, die rel. Feuchte damit niedriger.

Ist die Wolkendichte höher, steigt der Betrag der atmosphärischen Gegenstrahlung an. Um diese Schlussfolgerung zu überprüfen wäre es notwendig einen sonnigen mit einem wolkigen Tag zu vergleichen.

Abb. 5: gemittelter Tagesgang der Gesamtstrahlungsbilanz, der kurz- und langwelligen Strahlungsbilanz in 39m Höhe

Langwellige Starhlungsbilanz :

Kurzwellige Strahlungsbilanz :

Gesamtstrahlungsbilanz :

39m Höhe : Die kurzwellige Strahlungsbilanz ist von Sonnenunter- bis Sonnenaufgang so gut wie 0. Ihr Maximum erreicht sie mit Sonnenhöchststand um 12 Uhr. Die langwellige Strahlungsbilanz ist immer negativ, dass heißt das immer mehr abgestrahlt wird als durch Einstrahlung gewonnen wird. In der Nacht ist sie relativ konstant bei einem niedrigen Wert. Am Tag ist wieder eine mittäglicher Höhepunkt festzustellen, dessen Wert viermal so hoch ist. Praktisch heißt das, dass tagsüber relativ viel Energie durch langwellige Abstrahlung der Kronendachoberfläche verloren geht. Dies liegt daran, dass die Temperatur des Kronendaches relativ hoch ist, somit auch die langwellige Abstrahlung, während die atmosphärische Gegenstrahlung am Tage eher noch niedriger ist (Abb. 4).

Die Gesamtstrahlungsbilanz ist nun in der Nacht negativ. Energie wird wieder in den Weltraum abgestrahlt. Tagsüber ist sie positiv, da der Einfluß der kurzwelligen Strahlung überwiegt.

Abb. 6: gemittelter Tagesgang der Strahlungsbilanzen in 2m Höhe

Der Betrag der kurzwelligen Strahlung ist hier wesentlich geringer wie schon vorher gezeigt. In der Nacht ebenfalls fast Null, ein Maximum am Mittag. Anders die langwellige Strahlungsbilanz. Diese wird im Gegensatz zu vorher unter dem Bestandesdach nun sogar positiv, d.h. das die Strahlungsgewinne aus durchkommender atmosphärischer Gegenstrahlung und langwelliger Abstrahlung aus dem Kronenraum größer sind als die stattfindende Strahlungsemission. Vor allem gegen 21Uhr ist dieser Effekt zu beobachten. Abends hat der Kronenraum noch eine relativ hohe Temperatur durch den hohen Strahlungsgenuss am Tage. Diese Temperatur wird nun n der Nacht langsam auf den kühleren Boden "umverlagert" durch Strahlung, die ja nichts anderes ist als ein Temperaturausgleich unterschiedlich warmer Objekte. Am frühen Morgen ist die Strahlungsbilanz deshalb auch ausgeglichen. Die Krone konnte sich durch die Abstrahlung in die Atmosphäre und den Weltraum soweit abkühlen, dass sie und der Boden schließlich dieselbe Temperatur erreichen bzw. die Krone sich noch weiter abkühlt.

Am Tage dagegen ist die langwellige Strahlungsbilanz wieder negativ. Die Gesamtstrahlungsbilanz ist nun am Tag und in der Nacht positiv,

am Tage relativ nah an der kurzwelligen. In den Bereichen in denen noch kurzwellige Strahlung eintrifft und die langwellige Strahlungsbilanz bereits positiv ist, ist sie sogar größer als die kurzwellige.

Über die Zeit und die ganze Erde gemittelt muss die Gesamtstrahlungsbilanz allerdings Null oder falls zur Zeit eine Klimaerwärmung stattfindet leicht positiv sein.

Frage : Welche Größen sind relativ vom Wetter unabhängige Bestandesgrößen ?

Das Klima im Bestand unterliegt kleineren Schwankungen als das einer Freifläche. Die Emission ist relativ konstant, ebenso A.

Der kurzwellige Strahlungsempfang ist dagegen von der Wetterlage abhängig.

Frage : Wie lautet der Ansatz, um aus einigen der gemessenen Größen die Oberflächentemperatur der Krone und des Bodens zu berechnen?

Die Strahlung die von einem idealisierten, schwarzen Körper ausgeht ist nur von der Temeratur abhängig. Bei steigender Temperatur wird die Wellenlänge der am meisten emittierten Strahlung kürzer. Den einfachen Zusammenhang zwischen der Gesamtstrahlungsmenge und der Temperatur beschreibt das Stafan-Boltzmann-Gesetz.

Bei nichtmetallischen Emittern ist der Emissionskoeffizient ~1.

E=s *T^4

T = Temperatur in Kelvin

s = S.B.-Konstante

Nachdem T freigestellt ist, kann aus der emittierten Strahlung ein Rückschluss auf die Temperatur getroffen werden.

Leider funktioniert die Darstellung der Temperaturkurve noch nicht. (Formelfehler oder Einheitenfehler)

SAS-CODE:

/*libname flo2 "\\ufobi6\trans\ppoek\ueb4\";*/

/*data flo1.radf1;

set sas612.radf1;

run;

data flo1.radb1;

set sas612.radb1;

run;*/

/*gemessener Wert des Pyrannometers*/

/*Globalstrahlung 39 m Höhe*/

/*reflektierte Global 39m Höhe*/

/*Global 2m Höhe*/

/*reflektierte Global 2m Höhe*/

/*atmosphärische Gegenstrahlung*/

/*Emmision ?*/

/*atmosphärische Gegenstrahlung */

/*Emission 2m Höhe*/

/*kurzwellige Strahlungsbilanz*/

Qk_39=G_39+RG_39;

Qk_02=G_02+RG_02;

/*langwellige Strahlungsbilanz*/

Ql_39=A_39+E_39;

Ql_02=A_02+E_02;

/*Gesamtstrahlungsbilanz*/

Q_39=Qk_39+Ql_39;

Q_02=Qk_02+Ql_02;

* kurz- und langwellige sowie Gesamtstrahlung gegenüberstellen;

line Qk_39 Ql_39 Q_39 * Saszeit;

line Qk_02 Ql_02 Q_02 * Saszeit;

run;*/

* Albedo darstellen;

fit Qk_39=G_39;

fit Qk_02=G_02;

run;*/

*Transmissionkoeffizient;

fit G_02=G_39;

run;*/

*Tagesgänge erstellen;

line al_39 al_02 t * h;

run;*/

/* Umlenken der Grafikausgabe in eine gif Datei vor dem Aufruf von proc gplot*/

/*goptions device=gif733 gsfmode=REPLACE;

GOPTIONS FTEXT=complex HTEXT=1.2;*/

/* Vor jedem Aufruf von proc gplot muss der Ausgabename gesetzt werden:*/

/* Die ursprüngliche Ausgabe in den SAS-Grafikkatalog erreichen Sie durch:*/

/*goptions device=win;*/

/*goptions GACCESS='U:\ibrom\auf4\global_11.gif';*/

/*Grafikausgabe*/

/*Ungleich in Sas ?? div 0*/

divG = G_39 / G_02;

divRG = RG_39 / RG_02;

/*proc insight data=tagesgang2;run; */

/*Darstellung der Temperatur -> Stefan-Boltzmann

FEHLER */

/* Tabelle */

G_02 RG_02 QK_02 A_02 E_02 Ql_02;

/* eine Tab-separierte Tabelle als Datei ausgeben */