Wolken modellieren

Wolkenformationen und ihre Verwandlungen auf bilddigitalem Weg zu simulieren und in klimatologische Studien zu integrieren, ist eine der komplexesten Aufgaben der aktuellen Umweltphysik. Die Schwierigkeit erklärt sich zum einen sicherlich aus der Konturlosigkeit der nebulösen Gebilde - ihre formale Instabilität und dynamische Prozessualität widerspricht und widersetzt sich der Prognosetätigkeit der Meteorologen bzw. Klimatologen. Immer wieder stellt sich dabei die Frage nach der Codier- und Fixierbarkeit der diffusen Formverläufe, nach der Umrissbildung und Bestimmung eines prinzipiell ungeklärten Figur-Grund-Verhältnisses. Im Folgenden soll die Problemstellung komplexer Simulationstechniken auf klimatologische Bildgebungsverfahren angewandt werden. ..

Atmosphärenbedingte Erhöhungen der solaren Einstrahlung

In dieser Arbeit wird der Einfluss der bewölkten Atmosphäre auf die solaren Einstrahlung am Boden untersucht. Die zugrundeliegenden Messkampagnen wurden im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit des Leibniz - Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) mit dem Institut für Medizinische Klimatologie der Universität Kiel in den Sommern 2004 und 2005 auf der Nordseeinsel Sylt durchgeführt. Dabei wurde der Wolkenkamera-Prototyp des IFM-GEOMAR zur Erfassung der Wolken verwendet. Zur Bestimmung der Güte der Bedeckungsgradbestimmungen aus den Kamerbildern wurden Vergleiche mit synoptischen Beobachtungen des Deutschen Wetterdienstes DWD vom nahegelegenen Flughafen Sylt angestellt, sowie für die Kampagne 2005 mit einem neuen Verfahren, dem APCADA-Algorithmus nach Dürr und Philipona (2004). Die Übereinstimmung der aus den Kamerabildern resultierenden Bedeckungsrade mit den synoptischen Beobachtungen beträgt 72(85) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Verglichen mit den Beobachtungen unterschätzt APCADA die Bedeckungsgrade in 47 % aller Fälle mit Übereinstimmung von 60(74) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Für Fälle ohne hohe Wolken, die APCADA nicht erkennen kann, erreicht APCADA deutlich bessere Übereinstimmungen mit 73(90) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Diese Ergebnisse sind etwas schlechter als die Resultate von Dürr und Philipona (2004). Insgesamt ergeben also die Bedeckungsgrade aus den Kamerabildern, zumindest tagsüber, die bessere Wolkenklimatologie. Dank der zeitlich hochaufgelösten Strahlungsmessungen konnten Strahlungserhöhungen im Sichtbaren von maximal 522 W/m2 gegenüber der theoretischen Referenzstrahlung bei wolkenfreiem Himmel festgestellt werden, der zur Zeit größte international veröffentlichte Wert. Erhöhungen > 400 W/m2 treten, wie Fallstudien zeigen, bei recht unterschiedlichen Bedeckungssituationen auf. Die Dauer solcher Erhöhungen ist abhängig von deren Stärke und beträgt maximal 20 Sekunden für Erhöhungen > 400 W/m2 und 140 Sekunden für Erhöhungen > 200 W/m2. Selbst über längere Zeiträume (1h) gemittelt ergeben sich noch Erhöhungen von 50 W/m2. Im hautwirksamen UV-Bereich (Er-UV) treten zeitgleich Erhöhungen auf, maximal wurden 32 mW/m2 gemessen. Die relative Erhöhungen sind indess deutlich geringer als im Sichtbaren, maximal 59 % gegenüber 82 %. Diese Werte treten aber fast nur bei tiefstehender Sonne auf, wo die Gefahr für die menschliche Haut (Sonnenbrand) gering ist. Im Mittel wurden die stärksten Erhöhungen sowohl im Sichtbaren als auch im Er-UV-Bereich bei fast komplett bedecktem Himmel, mit Altocumuluswolken nahe der Sonnenscheibe erreicht, sowie bei tiefstehenden Cumuluswolken (z.B. Estupinan et al., 1996). Abschließende Strahlungstransportrechnungen für bewölkte 3D-Atmosphären mit dem am IFM-GEOMAR entwickelten Modell GRIMALDI bestätigen die beobachtete Wellenlängenabhängigkeit der relativen Strahlungserhöhungen (siehe auch Lovengreen et al., 2005) und stimmen zumindest im Sichtbaren relativ gut mit den Messungen überein. Zudem wird deutlich, dass diffuse Streuung bei allen untersuchten Wellenlängen einen erkennbar stärkeren Anteil an Strahlungserhöhungen hat, als Reflexion an Wolkenseiten, was die Messergebnisse bereits vermuten ließen

Himmlische Mobilmachung. Zur Wolkentechnik in Hollywood

In der Gründerzeit der amerikanischen Filmindustrie gab es ein paar Jahre, in denen Hollywood geradezu im Raum schwelgte: in den Weiten der vielfältigen kalifornischen Landschaft und in den stetig wachsenden Ausmaßen der dort gebauten Kulissen, als deren Höhepunkt das Babylon-Set für D. W. Griffiths 'Intolerance' (USA 1916) gelten kann. Noch war das Zelluloid zu lichthungrig und die Scheinwerfer zu schwach, um die Aufnahmen vollständig in den ebenso begrenzten wie kontrollierbaren Innenraum der barackenhaften Filmstudios zu verlegen. Aber auch wenn die technische Entwicklung diesen Schritt bald ermöglichte, stand ihm das Verlangen des jungen Mediums entgegen, seine Eigenständigkeit gegenüber Kammerspielen des Theaters unter Beweis zu stellen. ..

Atmosphärenbedingte Erhöhungen der solaren Einstrahlung

In dieser Arbeit wird der Einfluss der bewölkten Atmosphäre auf die solaren Einstrahlung am Boden untersucht. Die zugrundeliegenden Messkampagnen wurden im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit des Leibniz - Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) mit dem Institut für Medizinische Klimatologie der Universität Kiel in den Sommern 2004 und 2005 auf der Nordseeinsel Sylt durchgeführt. Dabei wurde der Wolkenkamera-Prototyp des IFM-GEOMAR zur Erfassung der Wolken verwendet. Zur Bestimmung der Güte der Bedeckungsgradbestimmungen aus den Kamerbildern wurden Vergleiche mit synoptischen Beobachtungen des Deutschen Wetterdienstes DWD vom nahegelegenen Flughafen Sylt angestellt, sowie für die Kampagne 2005 mit einem neuen Verfahren, dem APCADA-Algorithmus nach Dürr und Philipona (2004). Die Übereinstimmung der aus den Kamerabildern resultierenden Bedeckungsrade mit den synoptischen Beobachtungen beträgt 72(85) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Verglichen mit den Beobachtungen unterschätzt APCADA die Bedeckungsgrade in 47 % aller Fälle mit Übereinstimmung von 60(74) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Für Fälle ohne hohe Wolken, die APCADA nicht erkennen kann, erreicht APCADA deutlich bessere Übereinstimmungen mit 73(90) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Diese Ergebnisse sind etwas schlechter als die Resultate von Dürr und Philipona (2004). Insgesamt ergeben also die Bedeckungsgrade aus den Kamerabildern, zumindest tagsüber, die bessere Wolkenklimatologie. Dank der zeitlich hochaufgelösten Strahlungsmessungen konnten Strahlungserhöhungen im Sichtbaren von maximal 522 W/m2 gegenüber der theoretischen Referenzstrahlung bei wolkenfreiem Himmel festgestellt werden, der zur Zeit größte international veröffentlichte Wert. Erhöhungen > 400 W/m2 treten, wie Fallstudien zeigen, bei recht unterschiedlichen Bedeckungssituationen auf. Die Dauer solcher Erhöhungen ist abhängig von deren Stärke und beträgt maximal 20 Sekunden für Erhöhungen > 400 W/m2 und 140 Sekunden für Erhöhungen > 200 W/m2. Selbst über längere Zeiträume (1h) gemittelt ergeben sich noch Erhöhungen von 50 W/m2. Im hautwirksamen UV-Bereich (Er-UV) treten zeitgleich Erhöhungen auf, maximal wurden 32 mW/m2 gemessen. Die relative Erhöhungen sind indess deutlich geringer als im Sichtbaren, maximal 59 % gegenüber 82 %. Diese Werte treten aber fast nur bei tiefstehender Sonne auf, wo die Gefahr für die menschliche Haut (Sonnenbrand) gering ist. Im Mittel wurden die stärksten Erhöhungen sowohl im Sichtbaren als auch im Er-UV-Bereich bei fast komplett bedecktem Himmel, mit Altocumuluswolken nahe der Sonnenscheibe erreicht, sowie bei tiefstehenden Cumuluswolken (z.B. Estupinan et al., 1996). Abschließende Strahlungstransportrechnungen für bewölkte 3D-Atmosphären mit dem am IFM-GEOMAR entwickelten Modell GRIMALDI bestätigen die beobachtete Wellenlängenabhängigkeit der relativen Strahlungserhöhungen (siehe auch Lovengreen et al., 2005) und stimmen zumindest im Sichtbaren relativ gut mit den Messungen überein. Zudem wird deutlich, dass diffuse Streuung bei allen untersuchten Wellenlängen einen erkennbar stärkeren Anteil an Strahlungserhöhungen hat, als Reflexion an Wolkenseiten, was die Messergebnisse bereits vermuten ließen

Solare Strahlung und deren Parametrisierungen in polaren Regionen

Diese Diplom-Arbeit behandelt den Einfluss von Wolken und Meereis auf die solare und terrestrische Einstrahlung am Boden. Es werden unterschiedliche Parametrisierungen der solaren Einstrahlung auf reale Daten angewandt. Diese empirischen Daten, die unterschiedliche meteorologische Parameter beinhalten, wurden während den Polarstern Expeditionen ARK-XXIII/1 im Juni und Juli 2008 sowie ANT-XXV/2 im Dezember 2008 und Januar 2009 gewonnen. Ferner werden die Parametrisierungen mit der ebenfalls an Bord den Polarstern erzeugten Daten der letzten 14 Jahre verwendet. Es folgt ausserdem ein Vergleich der parametrisierten Flüsse mit der an Bord gemessenen solaren Einstrahlung. Vier Strahlungsparametrisierungen der kurzwelligen solaren Einstrahlung wurden ausgewählt. Drei von ihnen berechnen auf Grundlage derselben Parameter die solare kurzwellige Einstrahlung. Die Transmissivität der Atmosphäre wird aus dem Wasserdampfdruck am Boden und der Wolkenbedeckung abgeleitet \cite{Zillman72,Bennett82}. Die vierte Parametrisierung verwendet als zusätzliche Eingangsparameter die Albedo des Untergrundes und die optische Dicke der Wolken \cite{Shine84}. Es werden ausschließlich solche Tage betrachtet, die eindeutig mit einer hohen Bodenalbedo einhergehen, also Tage an denen sich das Forschungsschiff Polarstern in eisbedeckten Gewässern befand. Im wolkenfreien Fall ist eine systematische Unterschätzung der Parametrisierungen bezüglich der solaren Einstrahlung zu erkennen. Im bewölkten und im teilweise bewölkten Fall liegt der systematische Fehler bei den meisten Parametrisierungen um 100 W/m2 (ca. 20%). Unter Berücksichtigung der Bodenalbedo und der optischen Dicke der Wolken können die Fehler jedoch deutlich verringert werden. Neben den genannten werden vier weitere Parametrisierungen verwendet, die die langwellige nach unten gerichtete Strahlungsflussdichte parametrisieren. Diese hängen unterschiedlich von Temperatur, Wasserdampf und Wolkenbedeckungsgrad ab. Sowohl im bewölkten, als auch im unbewölkten Fall zeigt die Parametrisierung nach Zillman den kleinsten systematischen Fehler. Anders als die übrigen Parametrisierungen verwendet Zillman den Faktor des Bedeckungsgrades, der nichtlinear in seine Parametrisierung eingeht \cite{Zillman72}. Alle Parametrisierungen, mit Ausnahme der von Zillman, wurden speziell für Bedingungen im Meereis entwickelt. Zusätzlich zu den Parametrisierungen werden auch die Ausmaße der Strahlungserhöhungen bezüglich der solaren Einstrahlung bei einem unbewölkten Himmel während der beiden erwähnten Polarsternfahrten sowie aus den Daten, die innerhalb der letzten 14 Jahre an Bord von Polarstern gesammelt wurden, untersucht. Mit Hilfe von zeitlich hochaufgelösten Messungen, konnte während der Fahrt ANT-XXV/2 am 23.12.2008 die größte absolute Strahlungserhöhung mit 71,86% gemessen werden. Die Erhöhung erreichte mit 596 W/m2 einen Wert, der sogar über dem größten bisher veröffentlichten Wert von 537 W/m2 liegt \cite{Schade07}. %bekannte publizierte Erhöhung galt. Als Abschluß wird mit Hilfe eines Strahungstransportmodells untersucht, ob die Strahlungserhöhungen in den polaren Regionen mit Modellen vergleichbar sind. Das verwendete Modell basiert auf der Monte-Carlo-Methode, die ebenfalls kurz beschrieben wird. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Bodenalbedo, die optische Dicke der Wolken und auch der Sonnenstand wichtige Komponenten für die Strahlungserhöhungen sind. Eine höhere Bodenalbedo verstärkt das Rückstrahlvermögen und die Mehrfachreflexionen zwischen Boden und Wolkenunterkante. Eine größere optische Dicke der Wolken führt zu helleren Wolkenrändern, die ebenfalls die Reflexionen begünstigen. Ein tiefer Sonnenstand führt ebenso zu einer erhöhten solaren Einstrahlung, da dieselbe Menge an Strahlung auf einer größeren Fläche verteilt ist. Dadurch kann diese öfter gestreut werden und führt somit zu einer Erhöhung

Durchmusterung. Wieners Himmel

Norbert Wieners >Cybernetics> von 1948 geht aus von einem Vergleich zählender, durchmusternder Astronomie mit der neuen, statistikbasierten Meteorologie. Das Buch beginnt mit der ersten Strophe von >Weißt du vieviel Sternlein stehen<. ... Dieses Liedchen ist ein interessantes Thema für die Philosophie und die Geschichte der Wissenschaft, indem es zwei Wissenschaften nebeneinander stellt, die einerseits sich beide mit der Beobachtung des Himmels über uns beschäftigen, andererseits aber beinahe in jeder Beziehung höchst gegensätzlich sind. Die Astronomie ist die älteste der Wissenschaften, während die Meteorologie zu den jüngsten zählt, die erst anfangen, den Namen zu verdienen. ..

Wolken modellieren

Wolkenformationen und ihre Verwandlungen auf bilddigitalem Weg zu simulieren und in klimatologische Studien zu integrieren, ist eine der komplexesten Aufgaben der aktuellen Umweltphysik. Die Schwierigkeit erklärt sich zum einen sicherlich aus der Konturlosigkeit der nebulösen Gebilde - ihre formale Instabilität und dynamische Prozessualität widerspricht und widersetzt sich der Prognosetätigkeit der Meteorologen bzw. Klimatologen. Immer wieder stellt sich dabei die Frage nach der Codier- und Fixierbarkeit der diffusen Formverläufe, nach der Umrissbildung und Bestimmung eines prinzipiell ungeklärten Figur-Grund-Verhältnisses. Im Folgenden soll die Problemstellung komplexer Simulationstechniken auf klimatologische Bildgebungsverfahren angewandt werden. ..

Dirty Traffic and the Dark Pastoral in the Anthropocene: Narrating Refugees, Deforestation, Radiation, and Melting Ice

“Dirt is essentially disorder [....] Dirt offends against order,” asserts Mary Douglas in her 1966 anthropological text on “purity and pollution.” Dirt disturbs order; hence dirt is that which is disorderly and “out of place.” Similarly, according to Greg Garrard’s Ecocriticism (2012) the term pollution describes a cultural norm denoting something out of place: pollution, he writes, “does not name a substance or class of substances, but rather represents an implicit normative claim that too much of something is present in the environment, usually in the wrong place.” This definition of pollution and dirt as “something out of place,” however, is becoming increasingly difficult to maintain since industrial particulates now cover the entire surface of the Earth in a geologically traceable layer of anthropogenic substances. Pollution has no place but rather is everyplace, and functions like a form of “dirty traffic,” flowing through both biotic and abiotic cycles alike and entering virtually every organic body and cycle occurring in the biosphere (water, carbon, nitrogen, energy, etc.). We now measure amounts of anthropogenically generated or distributed toxins in our body – and the earth’s surfaces – rather than their presence or absence, and so we name our era the “Anthropocene,” the age of human influence on the geological body, and the planetary infusion by dirty traffic

Schleierwolken des Realen

In seinem XX. Seminar hat Jacques Lacan ein Modell vorgeschlagen, zu dem seine eigenen Erläuterungen relativ kryptisch blieben. An den Ecken eines Dreiecks sind die drei Kategorien des Symbolischen, des Imaginären und des Realen angeordnet, an den Seiten des Dreiecks finden sich drei Reste des Realen ... Die Wolke, so wie sie im Folgenden auftritt, lässt sich dem Kontinuum des Realen zuordnen, das im Symbolischen nicht aufgehen kann. Über die drei realen Reste wird es aber möglich, in einzelnen historischen Episoden Wolkeneffekter auszumachen und zu benennen. ..