Physikalische Grenzen des Austauschs zwischen Landoberfläche und Atmosphäre

Axel Kleidon
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena

Der Austausch von Energie und Wasser zwischen der Landoberfläche und der unteren Atmosphäre ist eng mit dem Verdunstungsfluss verbunden und wird von zahlreichen Faktoren wie atmosphärischen Bedingungen und Vegetationseigenschaften beeinflusst.  Dieser Vortrag beschreibt diesen Austausch durch die Betrachtung der physikalischen Grenzen, die den Energie- und Massenaustausch im System Boden-Vegetation-Atmosphäre begrenzen. Hierbei spielt insbesondere der zweite Hauptsatz der Thermodynamik eine entscheidende Rolle, da er zusätzlich den Austausch einschränkt indem er Grenzen für lokal erzeugte, vertikale Luftbewegung setzt.  Dabei werden die turbulenten Flüsse von fühlbarer und latenter Wärme als das Resultat einer konvektiven Wärmekraftmaschine in der atmosphärischen Grenzschicht beschrieben, die durch die Absorption von Solarstrahlung an der Oberfläche angetrieben wird. Die thermodynamische Grenze dieser Wärmekraftmaschine wird dabei maßgeblich durch die starke Wechselwirkung mit dem treibenden Temperaturunterschied zwischen warmer Oberfläche und kühler Atmosphäre geprägt. Der Vergleich mit Beobachtungen zeigt, dass dieser Ansatz den turbulenten Austausch an klimatologisch unterschiedlichen Standorten sehr gut beschreiben kann.  Thermodynamische Grenzen stellen somit eine wichtige Randbedingung dar, die die Dynamik von Erdsystemprozessen begrenzen. Sie bieten einen Ansatz reduzierter Komplexität, der das Verhalten von stark gekoppelten Erdsystemen beschreiben kann.  Weitere Möglichkeiten der Anwendung der Thermodynamik auf hydrologische Systeme im breiteren Rahmen werden aufgezeigt.