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| 1 | Strahlung und Energie in dem System Atmosphäre/Erdoberfläche | 1 |
| 1.1 | Einige Grundlagen | 2 |
| 1.1.1 | Die Erde als Planet | 2 |
| 1.1.2 | Die Gesetze der thermischen Strahlung | 5 |
| 1.1.3 | Grundlagen der Strahlungsübertragung | 7 |
| 1.1.4 | Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre | 14 |
| 1.2 | Die solare Einstrahlung | 19 |
| 1.2.1 | Das globale Bild der Umsätze solarer Strahlung | 19 |
| 1.2.2 | Absorption, Streuung und spektrale Verteilung | 25 |
| 1.3 | Terrestrische Strahlung | 42 |
| 1.3.1 | Das globale Bild; der Treibhauseffekt | 43 |
| 1.3.2 | Emission und Absorption terrestrischer Strahlung | 45 |
| 1.3.3 Strahlungsübertragung, Strahlungsflüsse, | ||
| Strahlungskühlung | 49 | |
| 1.4 | Strahlungs-und Energiebilanzen | 53 |
| 1.4.1 | Die Strahlungsbilanz der Erdoberfläche | 54 |
| 1.4.2 Gesamtbilanz des Systems von Atmosphäre | ||
| und Erdoberfläche | 55 | |
| 1.5 | Temperaturen der bodennahen Luft | 60 |
| Literatur | 63 | |
| 2 | Die vertikale Struktur der Atmosphäre | 65 |
| 2.1 | Die Druckabnahme mit der Höhe | 65 |
| 2.2 | Das vertikale Temperaturprofil der Atmosphäre | 71 |
| 2.2.1 Der trocken-adiabatische Temperaturgradient | ||
| und der Begriff der potentiellen Temperatur | 72 | |
| 2.2.2 | Der feucht-adiabatische Temperaturgradient | 76 |
| 2.2.3 | Temperaturgradienten in der Nähe der Erdoberfläche | 80 |
| 2.2.4 Das atmosphärische Temperaturprofil | ||
| als Ganzes und der damit verbundene | ||
| „Stockwerk"-Aufbau der Atmosphäre | 81 | |
| 2.3 | Schichtungsstabilität | 87 |
| 2.3.1 Einige qualitative Überlegungen zur | ||
| Schichtungsstabilitätund zur Bildung | ||
| von Inversionen | 88 | |
| 2.3.2 Quantitative Formulierung eines | ||
| Stabilitätsmaßes; Brunt-Väisälä-Schwingungen | ||
| und Schwerewellen | 91 | |
| 2.3.3 Effekte bei konvektiv-turbulenter | ||
| Durchmischung und bei kollektiver Hebung | ||
| und Senkung der Luft | 93 | |
| 2.3.4 | Feuchtlabilität und Äquivalenttemperatur | 95 |
| Literatur | 97 | |
| 3 | Atmosphärische Dynamik | 99 |
| 3.1 | Kräfte in der Atmosphäre und die allgemeine Bewegungsgleichung | 99 |
| 3.1.1 Gradient- und Coriolis-Kraft und der | ||
| geostrophische Wind | 100 | |
| 3.1.2 | Bewegung unter dem Einfluß von Reibungskräften | 104 |
| 3.1.3 | Der Einfluß der Schwerkraft; das Geopotential | 109 |
| 3.1.4 | Die allgemeine Bewegungsgleichung | 111 |
| 3.1.5 DieKontinuitätsgleichung; Konvergenzen und | ||
| Divergenzen | 114 | |
| 3.2 | Die Erhaltung der Wirbelstärke („Vorticity") | 117 |
| 3.2.1 | Vorticity und Vorticity-Gleichung | 118 |
| 3.2.2 | Potentielle Vorticity | 122 |
| 3.2.3 Beschleunigung und Windfelder als Folge | ||
| horizontaler Temperaturgefälle. Barotrope und | ||
| barokline Schichtung. Thermischer Wind | 129 | |
| 3.3 Bodenreibung und spezielle Dynamik der bodennahen | ||
| Luftschichten | 135 | |
| Literatur | 141 | |
| 4 | Die atmosphärische Zirkulation | 143 |
| 4.1 | Globale Zirkulationsmuster | 143 |
| 4.2 | Die Zone der Westwinddrift | 148 |
| 4.2.1 | Barotrope und barokline Wellen | 148 |
| 4.2.2 | Fronten | 155 |
| 4.2.3 | Zyklonen und Antizyklonen in der Westwinddriftzone | 159 |
| 4.3 | Weitere Details der globalen Zirkulation | 169 |
| 4.3.1 | Passate, Hadley-Zelle und Subtropenjet | 169 |
| 4.3.2 | Zeitliche und räumliche Variationen der Strömungsmuster | 172 |
| 4.3.3 | El Niño/Southern Oscillations („ENSO") | 178 |
| 4.3.4 Einige Charakteristika der stratosphärischen | ||
| Zirkulation und des Austauschs zwischen | ||
| Stratosphäre und Troposphäre | 185 | |
| 4.4 | Einige Anmerkungen zu kleinräumigen thermischen Zirkulationen | 191 |
| Literatur | 193 | |
| 5 | Niederschlag, Wasserkreislauf, Klimazonen | 195 |
| 5.1 | Mikrophysik der Kondensation und der Niederschlagsbildung | 195 |
| 5.1.1 | Die homogene Kondensation | 197 |
| 5.1.2 | Heterogene Kondensation | 203 |
| 5.1.3 | Die weitere Entwicklung des Niederschlags | 208 |
| 5.2 | Der globale Wasserkreislauf; Niederschlags- und Klimazonen | 219 |
| 5.2.1 | Der Kreislauf von Verdunstung und Niederschlag | 220 |
| 5.2.2 Klimazonenund regionale Verteilung von | ||
| Niederschlag und Verdunstung | 223 | |
| 5.3 Auswaschen atmosphärischer Spurenstoffe durch den | ||
| Niederschlag | 230 | |
| 5.3.1 | Auswaschen von Aerosolpartikeln | 231 |
| 5.3.2 | Auswaschen von Gasen durch den Niederschlag | 236 |
| 5.4 | Grundlagender Hydrometeorologie mit stabilen Isotopen | 242 |
| 5.4.1 | Isotopentrennung bei der Verdunstung | 242 |
| 5.4.2 | Einfache Kondensationsmodelle | 248 |
| 5.4.3 | Stabile Isotope in der Natur | 252 |
| Literatur | 257 | |
| 6 | Diffusion und Turbulenz | 261 |
| 6.1 | Molekulare Diffusion | 262 |
| 6.1.1 Ein- und dreidimensionale Zufallsbewegung | ||
| als Idealtyp einer Diffusion | 263 | |
| 6.1.2 | Diffusive Flüsse skalarer und vektorieller Beimengungen | 270 |
| 6.1.3 | Die Diffusionsgleichung | 275 |
| 6.2 | Grundlagen der Turbulenz | 282 |
| 6.3 | Die Beschreibung der turbulenten Bewegung | 286 |
| 6.3.1 | Energiedichtespektren („power spectra") | 287 |
| 6.3.2 | Autokorrel ationen | 290 |
| 6.3.3 Größenordnung der horizontalen und vertikalen | ||
| Fluktuationen | 293 | |
| 6.4 | Turbulente Diffusion | 296 |
| 6.4.1 Quadratisch gemittelte Verschiebung und das | ||
| Theorem von Taylor | 298 | |
| 6.4.2 Das Konzept der korrelierten Fluktuationen | ||
| als allgemeiner Ansatz für turbulent-diffusive | ||
| Flüsse und die hieraus folgende Transportgleichung | 302 | |
| 6.4.3 | Der Gradientansatz für die turbulente Diffusion | 307 |
| 6.4.4 Die frei diffundierende Beimengungswölke | ||
| und die K ~ a4y/3-Beziehung | 315 | |
| 6.5 | Empirische Bestimmung der Diffusionsparameter | 322 |
| Literatur | 326 | |
| Dynamik der bodennahen Luftschichten; Diffusion und | ||
| Austausch in Bodennähe | 329 | |
| 7.1 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei | ||
| neutraler Temperaturschichtung | 329 | |
| 7.1.1 | Das logarithmische Windprofil | 330 |
| 7.1.2 | Der Einfluß wechselnder Bodenreibung | 337 |
| 7.2 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei | ||
| thermisch nichtneutraler Schichtung | 342 | |
| 7.2.1 Kenngrößen zur Parametrisierung | ||
| labilisierender oder stabilisierender Auftriebskräfte | 343 | |
| 7.2.2 | Zusammenhang zwischen Flüssen und Gradienten | 350 |
| 7.2.3 Der Einfluß von Wasserdampf auf die Stabilität | ||
| bzw. Labilität | 355 | |
| 7.2.4 | Freie Konvektion | 358 |
| 7.3 Transport skalarer Beimengungen zur | ||
| Erdoberfläche hin bzw. von der Erdoberfläche weg; | ||
| Transferwiderstände und Transfergeschwindigkeiten | 361 | |
| 7.3.1 | Transferwiderstand und Transfergeschwindigkeit | 362 |
| 7.3.2 | Bulk-Transferkoeffizienten | 368 |
| 7.3.3 Modelle für den Transferwiderstand | ||
| und die Transfergeschwindigkeit skalarer | ||
| Beimengungen in der laminar-viskosen Unterschicht | 370 | |
| 7.3.4 | Gasaustausch zwischen Luft und Wasser | 377 |
| 7.3.5 | Trockene Deposition von Aerosolpartikeln | 382 |
| 7.4 Einige Anmerkungen zum Anschluß an die | ||
| Ekman-Schicht und an die äußere Atmosphäre | 387 | |
| Literatur | 391 | |
| Atmosphärische Spurengase | 393 | |
| 8.1 | Überblick | 395 |
| 8.1.1 | Radikalchemie | 395 |
| 8.1.2 | Heterogene Reaktionen | 397 |
| 8.1.3 Reaktionsgeschwindigkeiten und | ||
| atmosphärische Lebensdauer | 398 | |
| 8.2 | Wichtige chemische Reaktionszyklen in der Atmosphäre | 402 |
| 8.2.1 | Ozon in der Stratosphäre | 403 |
| 8.2.2 | Ozon-Produktion und -Verteilung | 403 |
| 8.2.3 | Abbau-Reaktionen | 404 |
| 8.2.4 | Das „Ozon-Loch" | 412 |
| 8.2.5 | Vulkanische Einflüsse auf die Ozonschicht | 418 |
| 8.2.6 | Globale Ozonabnahme | 419 |
| 8.3 | Ozonchemie in der Troposphäre | 422 |
| 8.3.1 | Photochemische Smog-Bildung | 424 |
| 8.3.2 | Oxidationskapazität der Atmosphäre | 427 |
| 8.4 | Kohlendioxid | 428 |
| 8.4.1 | Übersicht | 428 |
| 8.4.2 | Der säkulare C02-Anstieg | 434 |
| 8.4.3 | Kohlendioxid im Ozean | 438 |
| 8.4.4 | Einfluß ozeanischer Karbonatsedimente | 444 |
| 8.5 | Kreisläufe weiterer atmosphärischer Spurengase | 446 |
| 8.5.1 | CH4 und CO | 448 |
| 8.5.2 | Schwefelverbindungen | 451 |
| 8.5.3 | Stickstoffverbindungen | 453 |
| 8.5.4 | Halogenverbindungen | 455 |
| Literatur | 456 | |
| 9 | Aerosole | 463 |
| 9.1 | Entstehung und Lebenslauf atmosphärischer Aerosole | 463 |
| 9.1.1 | Aerosolproduktion: Nukleation und Dispersion | 464 |
| 9.1.2 Lebenslauf troposphärischer Aerosole; | ||
| Größenverteilungen | 473 | |
| 9.1.3 | Globale Aerosolquellen; Häufigkeit chemischer Elemente | 481 |
| 9.2 | Grundzüge der Aerosoldynamik | 486 |
| 9.2.1 | Reibungskräfte | 487 |
| 9.2.2 | Thermische Diffusion und thermische Koagulation | 493 |
| 9.3 | Stratosphärische Aerosole | 502 |
| 9.4 Troposphärische Aerosole und atmosphärischer | ||
| Strahlungshaushalt | 510 | |
| Literatur | 515 | |
| 10 | Klima und Klimaveränderungen | 521 |
| 10.1 | Klimaänderungen in der Vergangenheit | 522 |
| 10.1.1 | Paläoklima | 522 |
| 10.1.2 | Klima seit der Industrialisierung | 532 |
| 10.2 Einfache Kenngrößen zur Beschreibung des | ||
| Klimawandels: Klimaantriebe und Klimasensitivität | 536 | |
| 10.2.1 | Verschiedene Definitionen für das Radiative Forcing | 541 |
| 10.2.2 | Übersicht über verschiedene Klimaantriebe | 545 |
| 10.2.3 Rückkopplungsmechanismen und | ||
| Klimasensitivität | 548 | |
| 10.2.4 Methoden zur Bestimmung der | ||
| Klimaempfindlichkeit | 556 | |
| 10.3 | Klimamodelle | 558 |
| 10.3.1 | Überblick | 558 |
| 10.3.2 Zirkulationsmodelle („general circulation | ||
| models", GCM) | 565 | |
| Literatur | 577 | |
| Sachverzeichnis | 581 | |
Sachverzeichnis
A
Absorption, von UV-Strahlung, 88
Absorptionsvermögen (f. therm. Strlg), 5
Absorptionswirkungsquerschnitt, 407
Absorption (v. Strahlung), 9
Koeffizient, 9, 10
von IR/Strahlung, 43, 45
von UV/Strahlung, 24
Wirkungsquerschnitt, 10
Aerosol, 482
Aerosolkreislauf, 486
Aerosolpartikel, 10, 11, 15, 16-17, 32, 40, 470, 549,553, 557
Aerosoloberflächenverteilung, 482
als Kondensationskeim, 202, 208, 211,213
Anzahldichteverteilung, 480
Bakterien, 477
Einfluß d. Luftfeuchte, 482
Einfluß a. d. troposph. Strahlung, 518,
552-553
Erzeugung, 469
externe Mischung, 489
Größenverteilungen, 480-481
hygroskopische, 482
in der Stratosphäre, 509
internen Mischung, 489
Massenverteilung, 480
Pilzsporen, 477
Quellen, 489-490
Volumenspektrum, 480
Aerosolprozessierung in Wolken, 483
Aggregation, 222
Air Mass Factor, 34
Aitken-Mode, 480
Akkomodationskoeffizient, 403
Akkretion, 221
Akkumulationsmode, 481
Aktivierungsenergie (b. d. Nukleation), 208
Albedo, 22
der Erdoberfläche, 22, 24
planetare, 22, 44, 60
Albedo-Rückkopplung, 558
Alleröd-Zeit, 536
Altithermum, 538
Ammoniak, 458, 470, 474
Anregungsenergie, 402
Anreicherungsfaktor (b. Aerosolen), 491
Antizyklone, 148, 163, 168, 172
AOGCM, 570, 572-574, 580
Aphel, 2, 20, 532
Äquivalenttemperatur, 97-99
Asymmetrie-Parameter, 29
Atmospheric Ocean General Circulation Model
(AOGCM), 570, 572-574, 580
Ausbreitungsklassen, 328, 331
Ausbreitungsparameter, 328-330, 332
Ausscheidung (von Aerosolen) nasse, 208, 486
trockene, 388, 487
Austausch-Modelle (f. Kohlendioxid), 450
Auswaschprozesse (durch d. Niederschlag) für Aerosole, 238
für Spurengase, 243
Autokorrelation (v. Geschwindigkeiten), 272, 292, 296
nach Euler, 296, 299
nach Lagrange, 296, 316
Zusammenhang mit Energiedichtespektren, 299
B
Background-Aerosole (Untergrund-A.), 485
Barokline Schichtung, 132, 134
Barometrische Höhenformel, 67, 69, 71-72
hydrostatische Begründung, 67
thermodyn ami sehe Begründung, 71
Barotrope Schichtung, 125
Bergeron-Findeisen-Prozeß, 215
W. Roedel, T. Wagner, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre, 4th ed., DOI 10.1007/978-3-642-15729-5, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
Sachverzeichnis
