Ringvorlesung „Planeten und Leben im Überblick“, TU Berlin, 28. Mai 2009 Ü Ringvorlesung „Planeten und Leben im Überblick“ Oberflächen ….. At hä D ik Wasser ….. Atmosphären: Dynamik Atmosphären: Chemie Atmosphären: Chemie Atmosphären: Klimaentwicklung Inneres ….. Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin
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¾At hä D ik Atmosphären: Dynamik - dlr.de · Sources of dynamical variability in the Earth‘s atmosphere I Dynamical aspects of the Earth‘s atmosphere Soucesodya ca aab y e
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Ringvorlesung „Planeten und Leben im Überblick“, TU Berlin, 28. Mai 2009
ÜRingvorlesung „Planeten und Leben im Überblick“
Oberflächen …..
At hä D ikWasser …..Atmosphären: DynamikAtmosphären: ChemieAtmosphären: Chemie
Atmosphären: Klimaentwicklungp gInneres …..
Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin
Ringvorlesung „Planeten und Leben im Überblick“, TU Berlin, 28. Mai 2009
Atmosphären: Dynamik
Dynamik und TransportprozesseDynamik und Transportprozesse in Planetenatmosphären
Prof Dr Ulrike LangematzProf. Dr. Ulrike LangematzInstitut für Meteorologie, Freie Universität Berlin
Dr. Lee GrenfellZentrum für Astronomie und Astrophysik, Technische Universität Berlin
Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin
Zentrum für Astronomie und Astrophysik, Technische Universität Berlin
D i l tDynamical aspects f ‘of the Earth‘s
atmosphere
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Dynamical aspects of the Earth‘s atmosphere
Differential solar heating1. The sun as energy source Differential solar heatingTemperature gradients
Dynamics
Factors affecting dynamics:• Orbital parameters
11-year Schwabe-Zyklus• Orbital parameters • Rotation of planet • Variability of energy input
0 1 %0.1 %Maunder Minimum
http://www.pmodwrc.ch/solar_const/solar_const.html1645-1715 Hoyt und Schatten, 1993, updated
2 Chemical composition of Earth‘s atmosphere
Dynamical aspects of the Earth‘s atmosphere
Substance Fraction [V%]
2. Chemical composition of Earth s atmosphere
Nitrogen (N2) 78,08
Oxygen (O2) 20,95
Argon (Ar) 0,93g ( ) ,
Carbondioxid (CO2) 0,033
Neon (Ne) (+ Noble gases) 90%
10%dry
Factors affecting dynamics:moist• chemical compositionJanuary, ppmv
Dynamical aspects of the Earth‘s atmosphere
Short wave solar heating ratedue to absorption by ozone and
Temperaturein °Cdue to absorption by ozone and
molecular oxygenin K/day
in C
January
KW
W
KK
K
Dynamical aspects of the Earth‘s atmosphere
1. Radiative equilibrium in the stratosphere in summer.
Zonal gemittelte Temperatur
2. zonally symmetric irradiance
→ 2-d approximation valid
1. Dynamical disturbances in the winter stratosphere and in the mesosphere
2. longitudinal dependence
→ 3-d dynamics
Theoretical concept of zonal mean background state with imposed
summer winter
Theoretical concept of zonal mean background state with imposed dynamical effects by wavelike disturbances
Temperature and zonal windDynamical aspects of the Earth‘s atmosphere
E
Temperature and zonal wind
January, zonal means
How does the corresponding zonal wind field look like?
W ESPARC climatology(http://sparc.sunysb.edu)
Polar night jet
With the assumption of geostrophic balance: WE
Polar night jet
Equilibrium between Coriolis force (due to Earth rotation) and pressure gradient force in the large scale):
W
Egradient force in the large scale):
Geostrophic wind:
u = −1/(ρf) δp/ δyu 1/(ρf) δp/ δy
Thermal wind:
δ /δ δT/δ
W W
δu/δz = ~ − δT/δy
Stratospheric mean circulationDynamical aspects of the Earth‘s atmosphere
Venus Express Missionhas updated knowledge in this region y-the Hadley cell extends only up to-60o THEN there is a double (dipole) vortex
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Venus e us
• Vertically overlappingcellscells
• Twin polar vortices• Superrotation ofatmosphere
Source: Ruslike 2007
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Venus has “superrotation”Venus has superrotation
wind slower near poles
St i d
E W Winds ~100ms-1 at
Strong windsat cloud topsin tropicsE W Winds 100ms-1 at
~60km 60 timesfaster than planet in tropics
Weak surfacewinds
p
tropicsi.e. SUPERROTATION
winds
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St di f V ’ S t tiStudies of Venus’ Superrotation
Problem – to simulate superrotation needs a mechanismto transfer angular momentum from surface to atmosphere.Difficult for models!!! Some examples of model studies:
• Hourdin et al (1992) – produced superrotation inHourdin et al. (1992) produced superrotation innon-forced LMD (French) GCM
•Del Genio et al. (1993) – superrotation from upper tropospherecloud radiative effect in GCM
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Titan
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Source: Cassini Source:Huygens
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Why study Titan’s atmosphere?
Only body in solar system other than Earth withOnly body in solar system other than Earth with thick (1.5 bar) nitrogen atmosphere
Conditions are thought to resemble the early Earth so understanding Titan could shed light on earthlike atmosphere development andearthlike atmosphere development and conditions favouring life
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Titan's atmosphereTitan s atmosphere
Surface T=94KSurface T 94KSurface P=1.5bar97% N23% CH4
Resembles EarlyResembles Early Earth
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Titan GCM Studies
(Superrotation in upper atmosphere)( p pp p )
Source: Samuelson (2002)
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Source: Samuelson (2002)
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Summary of atmospheric dynamical regimesy p y g
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Saturn’s Hexagonal Vortex at high Northern latitudes…g g
S CSource: Cassini
Feature is long-lived
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observed by Voyager and recently by Cassini
Jupiter’s global atmospheric dynamicsTemperature (K)Temperature (K)
Values oscillate with4 i d (Q i4-5 year period (QuasiQuadrennial Oscillation (QQO)
equator colder thanmid-lats!
(QQO)
Zonal Wind (u,ms-1)
mid-lats!
( )from thermal windrelation (i.e. u
proportional to dT/dlat)
Source:Fl t l (2004)
proportional to dT/dlat)strong jet
Flasar et al. (2004)Cassini data
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Jupiter’s hotspot at 1mbat 1mb
1mbHOTSPOT Purple = 160K
Red = 185KRed = 185K
SSource:Flasar et al. (2004)
Cassini data4mb
NO HOTSPOT
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O O S O
Atmospheric Transport on the Early Earthy
What do we know:
• Thick atmosphere (~1-10 bar)• High CO2 (~x100 present from sediment data)• ~30% weaker sun (stellar models) (but UV probably higher)
CO H H O CH f i d l t di• CO, H2, H2O, CH4 from previous model studies• Earth spun about 50% faster
Moon was up to 15 times closer• Moon was up to 15 times closer
ATMOSPHERE PROBABLY V DYNAMICALLY PERTURBED!!ATMOSPHERE PROBABLY V. DYNAMICALLY PERTURBED!!