Der Strahlungstransport (ST) in hoher Vegetation kann unter bestimmten Voraussetzungen analytisch beschrieben werden. Es sollen sogenannte Zweistrom-Modelle zur Simulation des spektralen aktinischen Flusses (AF) sowie der Photolyseraten (PR) verschiedener Spezies in Vegetation eingesetzt werden. Unter Vorgabe von Vegetationseigenschaften (Blattstreuung, Blattnormalenverteilung, Blattflächendichte etc.) können verschiedene Zweistrom-Verfahren eingeführt werden, die den Strahlungstransport vertikal aufgelöst modellieren. Dabei führt für den untersuchten Laub-Mischwald (hauptsächlich Buchen) bereits die einfache Annahme rein horizontal ausgerichteter Blätter (rein vertikale Blattnormalen) zum Erfolg: Der gemessene abwärtsgerichtete spektrale AF kann zufriedenstellend reproduziert werden, sofern bedeutsame Vegetationslücken im Kronenbereich unberücksichtigt bleiben, durch die diffuses und direktes Licht ohne Wechselwirkung mit der Vegetation zum Waldboden vordringen kann, um so den unteren Vegetationsbereich zu erhellen. / The radiation transfer in vegetation can be desribed analytically if certain assumptions are introduced. So-called two-stream methods for the simulation of the actinic flux (AF) and photolysis rates (PR) of several species in vegetation are considered. By the input of vegetation properties (leaf scattering, leaf normal distribution, leaf area density etc.) variants of two-stream methods can be introduced, which model the vertically resolved radiation field. In the case of a deciduous forest the assumption of only horizontal oriented leaves (only vertical leaf normals) already leads to good results: The measured downward spectral AF can be reproduced satisfactorily as long as significant gaps in the vegetation canopy can be left out of consideration which directly lead to an illumination of the lower layers of the vegetation.

No description available.

In diesem Beitrag werden Ansätze beschrieben, wie man aus flugzeuggetragenen Messungen von Eigenschaften atmosphärischer Extingenten die für Strahlungstransportrechnungen notwendigen Größen und Parameter rekonstruieren kann. Angewendet wird das Programm zur ersten Auswertung für bezüglich der Strahlung verschiedene atmosphärische Situationen. Die Daten hierzu wurden auf der ersten Messkampagne des Projektes INSPECTRO gesammelt. Es zeigt sich für den Fall einer Atmosphäre mit stratiformer Bewölkung eine gute Übereinstimmung mit den Messungen. Eine genaue Berechnung der Extinktion durchWolken mittels Tropfenspektren bringt derzeit keine Vorteile gegenüber einer einfachen Parametrisierung. Für den Fall eines durchbrochenen Wolkenfeldes ergeben sich lokal große Unterschiede zwischen Simulation und Messung. Dennoch läßt sich zeigen, daß die gemessenen und berechneten Felder des aktinischen Flusses einander sehr ähnliche statistische Eigenschaften haben. / In this article some methods to reconstruct an artificial three-dimensional atmosphere from flight measurement data are described. The artificial atmosphere shall accurately represent the scattering properties of the real atmosphere, that are necessary to perform radiative transfer simulations. The method is applied to conduct a preliminary analysis of several atmospheric situations corresponding to different sets of radiative properties. The analyzed measurement data was collected during the first measurement campaign within the INSPECTRO project. In the case of an atmosphere containing a stratiform cloud layer, the measurements and simulation results are in very good agreement. A more accurate calculation of the extinction of radiation within the clouds by way of accounting for measured droplet spectra does momentarily not lead to an improvement in comparison with the simple parameterization method. In the case of a broken cloud field the significant local discrepancies between the measurement data and simulation results are to be noted. Nevertheless it can be shown that the statistical properties of the measured and calculated actinic flux fields resemble each other very closely.

The effects of water vapor and carbon dioxide on temperature and heat transfer in the troposphere layer, which is less than the altitude of 10 km, in the atmosphere are presented in this work. Accounting for realistic temperature- and pressure- or concentration-dependent radiative properties, this work systematically evaluates heat transfer encountered in atmosphere. For simplicity, the heat transfer is assumed to be one-dimensional and pure conduction and radiation modes. The solar irradiation penetrates through the atmosphere within its short wavelength range near around visible range between 0.4-0.7 £gm, and absorbed and reflected by the earth ground with a gray body property. The ground emits radiation in longwave range. Water vapor is transparent to longwave range 8-12 £gm and absorbed in five long wavelength bands centered at 71, 6.3, 2.7, 1.87, 1.38 £gm, whereas carbon dioxide is absorbed in four long wavelength bands centered at 15, 4.3, 2.7 and 2.0 £gm. The computed results quantitatively show that water vapor and carbon dioxide are the most important factors affecting temperature difference around 2 Celsius degrees.

The effects of water vapor and carbon dioxide on temperature and heat transfer in the troposphere layer, which is less than the altitude of 10 km, in the atmosphere are presented in this work. Accounting for realistic temperature- and pressure- or concentration-dependent radiative properties, this work systematically evaluates heat transfer encountered in atmosphere. For simplicity, the heat transfer is assumed to be one-dimensional and pure conduction and radiation modes. The solar irradiation penetrates through the atmosphere within its short wavelength range near around visible range between 0.4-0.7 £gm , and absorbed and reflected by the earth ground with a black body property. The ground emits radiation in longwave range. Water vapor is transparent to longwave range 8-12 £gm , whereas carbon dioxide is absorbed in three long wavelength bands centered at 15, 10.4 and 9.4 £gm , respectively. The computed results quantitatively show that water vapor and carbon dioxide are the most important factors affecting temperature difference around 2 and 5 Celsius degrees.

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In diesem Beitrag werden Ansätze beschrieben, wie man aus flugzeuggetragenen Messungen von Eigenschaften atmosphärischer Extingenten die für Strahlungstransportrechnungen notwendigen Größen und Parameter rekonstruieren kann. Angewendet wird das Programm zur ersten Auswertung für bezüglich der Strahlung verschiedene atmosphärische Situationen. Die Daten hierzu wurden auf der ersten Messkampagne des Projektes INSPECTRO gesammelt. Es zeigt sich für den Fall einer Atmosphäre mit stratiformer Bewölkung eine gute Übereinstimmung mit den Messungen. Eine genaue Berechnung der Extinktion durchWolken mittels Tropfenspektren bringt derzeit keine Vorteile gegenüber einer einfachen Parametrisierung. Für den Fall eines durchbrochenen Wolkenfeldes ergeben sich lokal große Unterschiede zwischen Simulation und Messung. Dennoch läßt sich zeigen, daß die gemessenen und berechneten Felder des aktinischen Flusses einander sehr ähnliche statistische Eigenschaften haben. / In this article some methods to reconstruct an artificial three-dimensional atmosphere from flight measurement data are described. The artificial atmosphere shall accurately represent the scattering properties of the real atmosphere, that are necessary to perform radiative transfer simulations. The method is applied to conduct a preliminary analysis of several atmospheric situations corresponding to different sets of radiative properties. The analyzed measurement data was collected during the first measurement campaign within the INSPECTRO project. In the case of an atmosphere containing a stratiform cloud layer, the measurements and simulation results are in very good agreement. A more accurate calculation of the extinction of radiation within the clouds by way of accounting for measured droplet spectra does momentarily not lead to an improvement in comparison with the simple parameterization method. In the case of a broken cloud field the significant local discrepancies between the measurement data and simulation results are to be noted. Nevertheless it can be shown that the statistical properties of the measured and calculated actinic flux fields resemble each other very closely.

Der Strahlungstransport (ST) in hoher Vegetation kann unter bestimmten Voraussetzungen analytisch beschrieben werden. Es sollen sogenannte Zweistrom-Modelle zur Simulation des spektralen aktinischen Flusses (AF) sowie der Photolyseraten (PR) verschiedener Spezies in Vegetation eingesetzt werden. Unter Vorgabe von Vegetationseigenschaften (Blattstreuung, Blattnormalenverteilung, Blattflächendichte etc.) können verschiedene Zweistrom-Verfahren eingeführt werden, die den Strahlungstransport vertikal aufgelöst modellieren. Dabei führt für den untersuchten Laub-Mischwald (hauptsächlich Buchen) bereits die einfache Annahme rein horizontal ausgerichteter Blätter (rein vertikale Blattnormalen) zum Erfolg: Der gemessene abwärtsgerichtete spektrale AF kann zufriedenstellend reproduziert werden, sofern bedeutsame Vegetationslücken im Kronenbereich unberücksichtigt bleiben, durch die diffuses und direktes Licht ohne Wechselwirkung mit der Vegetation zum Waldboden vordringen kann, um so den unteren Vegetationsbereich zu erhellen. / The radiation transfer in vegetation can be desribed analytically if certain assumptions are introduced. So-called two-stream methods for the simulation of the actinic flux (AF) and photolysis rates (PR) of several species in vegetation are considered. By the input of vegetation properties (leaf scattering, leaf normal distribution, leaf area density etc.) variants of two-stream methods can be introduced, which model the vertically resolved radiation field. In the case of a deciduous forest the assumption of only horizontal oriented leaves (only vertical leaf normals) already leads to good results: The measured downward spectral AF can be reproduced satisfactorily as long as significant gaps in the vegetation canopy can be left out of consideration which directly lead to an illumination of the lower layers of the vegetation.

Die Residualzirkulation entspricht der mittleren Massenzirkulation und beschreibt die im zonalen Mittel stattfindenden meridionalen Transportprozesse. Die Variationen der Residualzirkulation bestimmen gemeinsam mit dem anthropogen verursachten Ozonabbau die jährlichen Schwankungen der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling. In der vorliegenden Arbeit wird die Geschwindigkeit des arktischen Astes der Residualzirkulation aus atmosphärischen Daten gewonnen. Zu diesem Zweck wird das diabatische Absinken im Polarwirbel mit Hilfe von Trajektorienrechnungen bestimmt. Die vertikalen Bewegungen der Luftpakete können mit vertikalen Windfeldern oder entsprechend einem neuen Ansatz mit diabatischen Heizraten angetrieben werden. Die Eingabedaten stammen aus dem 45 Jahre langen Reanalyse-Datensatz des "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF). Außerdem kann für die Jahre ab 1984 die operationelle ECMWF-Analyse verwendet werden. Die Qualität und Robustheit der Heizraten- und Trajektorienrechnungen werden durch Sensitivitätsstudien und Vergleiche mit anderen Modellen untermauert. Anschließend werden umfangreiche Trajektorienensemble statistisch ausgewertet, um ein detailliertes, zeit- und höhenaufgelöstes Bild des diabatischen Absinkens zu ermitteln. In diesem Zusammenhang werden zwei Methoden entwickelt, um das Absinken gemittelt im Polarwirbel oder als Funktion der äquivalenten Breite zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass es notwendig ist den Lagrangeschen auf Trajektorienrechnungen basierenden Ansatz zu verfolgen, da die einfachen Eulerschen Mittel Abweichungen zu den Lagrangeschen Vertikalgeschwindigkeiten aufweisen. Das wirbelgemittelte Absinken wird für einzelne Winter mit dem beobachteten Absinken langlebiger Spurengase und anderen Modellstudien verglichen. Der Vergleich zeigt, dass das Absinken basierend auf den vertikalen Windfeldern der ECMWF-Datensätze den Nettoluftmassentransport durch die Residualzirkulation sehr stark überschätzt. Der neue Ansatz basierend auf den Heizraten ergibt hingegen realistische Ergebnisse und wird aus diesem Grund für alle Rechnungen verwendet. Es wird erstmalig eine Klimatologie des diabatischen Absinkens über einen fast fünf Jahrzehnte umfassenden Zeitraum erstellt. Die Klimatologie beinhaltet das vertikal und zeitlich aufgelöste diabatische Absinken gemittelt über den gesamten Polarwirbel und Informationen über die räumliche Struktur des vertikalen Absinkens. Die natürliche Jahr-zu-Jahr Variabilität des diabatischen Absinkens ist sehr stark ausgeprägt. Es wird gezeigt, dass zwischen der ECMWF-Zeitreihe des diabatischen Absinkens und der Zeitreihe aus einem unabhängig analysierten Temperaturdatensatz hohe Korrelationen bestehen. Erstmals wird der Einfluss von Transportprozessen auf die Ozongesamtsäule im arktischen Frühling direkt quantifiziert. Es wird gezeigt, dass die Jahr-zu-Jahr Variabilität der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling zu gleichen Anteilen durch die Variabilität der dynamischen Komponente und durch die Variabilität der chemischen Komponente beeinflusst wird. Die gefundenen Variabilitäten von diabatischem Absinken und Ozoneintrag in hohen Breiten werden mit der vertikalen Ausbreitung planetarer Wellen aus der Troposphäre in die Stratosphäre in Beziehung gesetzt. / Due to the variability of tropospheric wave activity, the strength of the residual circulation has a distinct seasonal cycle and significant year-to-year variability. The variability of the residual circulation causes interannual variations of the polar ozone layer in late winter and spring. A reverse domain filling trajectory model based on atmospheric data sets is used to calculate the strength and spatial structure of the polar branch of the residual circulation. The atmospheric data sets (ERA-40 and ECMWF Analysis) emerge from a combined analysis of Reanalysis data and a weather forecast model and are available for a time period of 47 years starting from September 1957. Two different approaches are used in the trajectory routine to calculate the vertical movement of air. The first approach is based on the vertical velocity given by "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF), a quantity that is derived from the divergence of the horizontal winds and that tends to be noisy. In the second approach a radiation transfer model is used to calculate the diabatic heating rates from the divergence of the net radiation flux. The derived descent from both methods is compared with measured tracer distributions from satellite data and Arctic field campaigns. The comparison shows that the second approach results in a much more realistic vertical transport. The method based on the diabatic heating rates is used to compile a climatology of the diabatic descent, averaged within the polar vortex for the Arctic winters 1957/58-2003/04. Furthermore, the climatology contains information regarding the spatial structure of the diabatic descent. The influence of the diabatic descent in the Arctic polar vortex on the total ozone column is calculated for the recent winters since 1990. It is shown that the interannual variability of the Arctic total ozone column is in equal shares caused by dynamical transport processes and by chemical ozone depletion.

Pour relever le défi énergétique du 21 ième siècle, une solution consiste à mettre au point des procédés solaires de production de vecteurs énergétiques par photosynthèse artificielle permettant la synthèse photo-catalytique de carburants solaires. L’obtention de performances cinétiques et énergétiques élevées pour ces procédés nécessite le développement d’outils de conception optimale tels des modèles de connaissance robustes et prédictifs considérant le transfert de rayonnement comme processus physique contrôlant le procédé à plusieurs échelles. Une chaine prédictive de modélisation, avec ses différents maillons, a donc été développée, mise en œuvre et validée sur une réaction modèle de photo-production d’hydrogène à partir d’une suspension de particules de CdS. Ainsi, à partir de leurs caractéristiques (taille, forme...) et de leurs propriétés optiques, les propriétés radiatives des particules, à savoir sections efficaces d’absorption, de diffusion et fonction de phase ont été calculées au moyen de la théorie de Lorenz-Mie et validées par des mesures de transmission sur un banc optique de précision. Ces paramètres ont ensuite été utilisés comme données d’entrée pour la résolution de l’équation de transfert radiatif, effectuée au moyen de la méthode de Monte Carlo. L’accord entre transmissions prédite et expérimentale, tenant compte éventuellement de la diffusion du rayonnement par les bulles d’hydrogène, est bon dans la bande spectrale absorbée. En parallèle, l’utilisation d’un équipement complet et d’une chaine d’acquisition de mesures autour d’un petit photoréacteur d’étude, pour lequel les densités de flux incidentes ont été validées par actinométrie, a permis d’obtenir des résultats expérimentaux de haute précision en photo-production d’hydrogène. Un premier modèle de couplage thermocinétique original a alors été formulé, validé après identification d’un seul paramètre agrégé, dont la réification sera abordée ultérieurement, et utilisé de façon prédictive avec succès. Ce travail ouvre de très nombreuses perspectives de recherche, il a ainsi permis de vérifier la possible transposition à la photosynthèse artificielle de la chaine prédictive de modélisation multi-échelles et donne des pistes quant à l’optimisation cinétique et énergétique des photo-procédés produisant des carburants solaires. / To address the energy challenge of the 21 st century, a solution is the development of solar processes for the production of energy vectors by artificial photosynthesis, in particular photocatalytic synthesis of solar fuels. However high kinetic and thermodynamic performances for these processes must be reached, this requires the development of tools for optimal design, including predictive knowledge models addressing radiative transfer that is the controlling physical process at different scales. A predictive multi-scale model has therefore been developed, implemented and validated on a simple reaction for hydrogen photo-production from CdS particle slurry. On the basis of their characteristics (size, shape, etc.) and their optical properties, the radiative properties of the particles, namely absorption and scattering cross sections and phase function, were calculated using the Lorenz-Mie theory and validated by measurements of transmittances on a high accuracy optical bench. These parameters were then used as input parameters to solve rigorously the radiative transfer equation with the Monte Carlo method. The agreement between predicted and experimental transmittance, taking into account light scattering by hydrogen bubbles, is good in the absorbed spectral band. In parallel, the use of complete experimental bench centered on a small photoreactor, where incident flux densities have been validated by actinometry, yielded high accuracy hydrogen photo-production results. A first and original model of thermokinetic coupling was then formulated and validated after identification of a single lumped parameter whose reification will be approached later and used predictively with success. This work opens up a large number of research prospects because it makes possible to transpose the predictive chain to artificial photosynthesis. This work provides also guidance on the kinetic and thermodynamic optimization of photo-processes producing solar fuels.