Physik unserer Umwelt: die Atmosphäre
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| Language: | German |
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Berlin [u.a.]
Springer
2000
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| Edition: | 3., überarb. und aktualisierte Aufl. |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
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..................... 4
1.1.3 Grundlagen der Strahlungsübertragung.................... 6
1.1.4 Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre.................. 12
1Í2,
1.2.1 Das globale Bild der Umsätze solarer Strahlung............... 17
1.2.2 Absorption, Streuung und spektrale Verteilung............... 23
Ergänzung 1.1
Halbquantitative Behandlung der Rayleigh-Streuung........... 31
Ergänzung 1.2
Die praktische Sichtweite in der Atmosphäre................. 35
1.3 Terrestrische Strahlung................................ 38
1.3.1 Das globale Bild; der Treibhauseffekt...................... 39
1.3.2 Emission und Absorption terrestrischer Strahlung............. 41
1.3.3 Strahlungsübertragung, Strahlungsflüsse, Strahlungskühlung..... 45
1.4 Strahlungs- und Energiebilanzen......................... 49
1.4.1 Die Strahlungsbilanz der Erdoberfläche.................... 49
1.4.2 Gesamtbilanz des Systems von Atmosphäre
und Erdoberfläche................................... 51
1.5 Temperaturen der bodennahen Luft....................... 54
2 Die vertikale Struktur der Atmosphäre....................... 58
2.1 Die Druckabnahme mit der Höhe......................... 58
2.2 Das vertikale Temperaturprofil der Atmosphäre.............. 64
2.2.1 Der trocken-adiabatische Temperaturgradient;
der Begriff der potentiellen Temperatur
und deren Zusammenhang mit der Entropie................. 64
2.2.2 Der feucht-adiabatische Temperaturgradient................. 69
2.2.3 Temperaturgradienten in der Nähe der Erdoberfläche.......... 73
2.2.4 Das atmosphärische Temperaturprofil als Ganzes und der damit
verbundene „Stockwerk -Aufbau der Atmosphäre............. 75
2.3 Schichtungsstabilität.................................. 78
2.3.1 Einige qualitative Überlegungen zur Schichtungsstabilität
und zur Bildung von Inversionen......................... 78
2.3.2 Quantitative Formulierung eines Stabilitätsmaßes;
Brunt-
2.3.3 Effekte bei konvektiv-turbulenter Durchmischung
und bei kollektiver Hebung und Senkung der Luft............. 83
2.3.4 Feuchtlabilität und Äquivalenttemperatur................... 85
3 Atmosphärische Dynamik................................ 88
3.1 Kräfte in der Atmosphäre und die allgemeine Bewegungsgleichung. 88
3.1.1 Gradient- und Coriolis-Kraft und der geostrophische Wind...... 89
3.1.2 Bewegung unter dem Einfluß von Reibungskräften............ 93
3.1.3 Der Einfluß der Schwerkraft; das Geopotential................ 97
3.1.4 Die allgemeine (Eulersche) Bewegungsgleichung.............. 99
3.1.5 Die Kontinuitätsgleichung; Konvergenzen und Divergenzen...... 101
Ergänzung 3.1
Die Coriolis-Kraft..................................... 103
3.2 Die Erhaltung der Wirbelstärke („Vorticity )................. 105
3.2.1 Vorticity und Vorticity-Gleichung........................ 105
3.2.2 Potentielle Vorticity.................................... 109
Ergänzung 3.2
Die Ableitung der Vorticity-Gleichung aus der allgemeinen
Bewegungsgleichung.................................. 114
3.3 Beschleunigungen und Windfelder als Folge horizontaler
Temperaturgefälle. Barotrope und barokline Schichtung.
Thermischer Wind................................... 115
3.4 Bodenreibung und spezielle Dynamik
der bodennahen Luftschichten........................... 120
Ergänzung 3.3
Analytische Lösung der Gleichung der
4 Die atmosphärische Zirkulation............................ 127
4.1 Globale Zirkulationsmuster............................. 127
4.2 Die Zone der Westwinddrift............................. 131
4.2.1 Barotrope und barokline Wellen.......................... 132
4.2.2 Fronten........................................... 138
4.2.3 Zyklonen und Antizyklonen in der Westwinddriftzone.......... 142
Ergänzung 4.1
Konvergenzen und Divergenzen in baroklinen Wellen.......... 147
4.3 Weitere Details der globalen Zirkulation..................... 151
4.3.1 Passate, Hadley-Zelle und Subtropenjet..................... 151
4.3.2 Zeitliche und räumliche Variationen der Strömungsmuster...... 154
4.3.3 El
4.3.4 Einige Charakteristika der stratosphärischen Zirkulation
und des Austausche zwischen Stratosphäre und Troposphäre..... 165
4.4 Einige Anmerkungen zu kleinräumigen thermischen Zirkulationen 172
5 Niederschlag, Wasserkreislauf, Klimazonen.................... 175
5.1 Mikrophysik der Kondensation und der Niederschlagsbildung .... 175
5.1.1 Die homogene Kondensation............................ 177
5.1.2 Heterogene Kondensation.............................. 184
5.1.3 Die weitere Entwicklung des Niederschlags.................. 187
Ergänzung 5.1
Die Rate der homogenen Nukleation nach dem Ansatz
von Zeldovich....................................... 195
5.ţ
5.2.1 Der Kreislauf von Verdunstung und Niederschlag............. 198
5.2.2 Klimazonen und regionale Verteilung von Niederschlag
und Verdunstung.................................... 201
Ergänzung 5.2
Formeln zur Bestimmung der Verdunstungsrate.............. 204
5.3 Auswaschen atmosphärischer Spurenstoffe durch den Niederschlag 208
5.3.1 Auswaschen von Aerosolpartikeln........................ 209
5.3.2 Auswaschen von Gasen durch den Niederschlag.............. 214
5.4 Grundlagen der
5.4.1 Isotopentrennung bei der Verdunstung..................... 220
5.4.2 Einfache Kondensationsmodelle.......................... 225
5.4.3 Stabile Isotope in der Natur............................. 228
6 Diffusion und Turbulenz................................. 234
6.1 Molekulare Diffusion.................................. 235
6.1.1 Ein- und dreidimensionale Zufallsbewegung als Idealtyp
einer Diffusion...................................... 236
6.1.2
6.1.3 Die Diffusionsgleichung................................ 247
Ergänzung 6.1
Molekularer Transport im Feld eines Temperaturgradienten;
Grundlagen der
Ergänzung 6.2
Die Temperaturabhängigkeit der Diffusionskonstanten......... 252
6.2 Grundlagen der Turbulenz.............................. 253
6.3 Die Beschreibung der turbulenten Bewegung................. 257
6.3.1 Energiedichtespektren
6.3.2 Autokorrelationen.................................... 260
6.3.3 Größenordnung der horizontalen und vertikalen Fluktuationen . . . 264
6.4 Turbulente Diffusion.................................. 267
6.4.1 Quadratisch gemittelte Verschiebung und das Theorem von Taylor . 268
6.4.2 Das Konzept der korrelierten Fluktuationen als allgemeiner
Ansatz für
Transportgleichung................................... 273
6.4.3 Der Gradientansatz für die turbulente Diffusion.............. 277
6.4.4 Die frei diffundierende Beimengungswolke
und die
Ergänzung 6.3
Versuch einer Theorie der
6.5 Empirische Bestimmung der Diffusionsparameter............. 290
7 Dynamik der bodennahen Luftschichten; Diffusion und Austausch
in Bodennähe........................................ 295
7.1 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht
bei neutraler Temperaturschichtung....................... 295
7.1.1 Das logarithmische Windprofil........................... 296
7.1.2 Der Einfluß wechselnder Bodenreibung.................... 303
7.2 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei thermisch
nichtneutraler Schichtung.............................. 307
7.2.1 Kenngrößen zur Parametrisierung labilisierender
oder stabilisierender Auftriebskräfte....................... 308
7.2.2 Zusammenhang zwischen Flüssen und Gradienten............ 314
7.2.3 Der Einfluß von Wasserdampf auf die Stabilität bzw. Labilität..... 319
7.2.4 Freie
7.3 Transport skalarer Beimengungen zur Erdoberfläche hin
bzw. von der Erdoberfläche weg; Transferwiderstände
und Transfergeschwindigkeiten.......................... 324
7.3.1 Transferwiderstand und Transfergeschwindigkeit............. 325
7.3.2 Bulk-Transferkoeffizienten.............................. 330
7.3.3 Modelle für den Transferwiderstand
und die Transfergeschwindigkeit skalarer Beimengungen
in der laminar-viskosen Unterschicht...................... 331
7.3.4 Gasaustausch zwischen Luft und Wasser.................... 338
7.3.5 Trockene Deposition von Aerosolpartikeln.................. 342
7.4 Einige Anmerkungen zum Anschluß an die Ekman-Schicht
und an die äußere Atmosphäre........................... 347
8 Strahlungs- und klimarelevante Spurengase................... 351
8.1 Überblick.......................................... 351
8.2 Kohlendioxid....................................... 354
8.2.1 Übersicht.......................................... 355
8.2.2 Der säkulare CCVAnstieg.............................. 359
8.2.3 Kohlendioxid im Ozean................................ 364
8.2.4 Einfluß ozeanischer Karbonatsedimente.................... 369
8.3 Ozon in der Stratosphäre............................... 372
8.3.1 Ozon-Produktion und -Verteilung........................ 372
8.3.2 Abbau-Reaktionen................................... 374
8.3.3 Anthropogene und vulkanische Einflüsse auf die Ozonschicht;
das „Ozon-Loch .................................... 380
8.4 Methan, troposphärisches Ozon und weitere Spurengase........ 388
9 Aerosole........................................... 395
9.1 Entstehung und Lebenslauf atmosphärischer Aerosole.......... 395
911.1 Aerosolproduktion: Nukleation und Dispersion............... 396
9.1.2 Lebenslauf troposphärischer Aerosole; Größenverteilungen...... 402
9.1.3 Globale Aerosolquellen; Häufigkeit chemischer Elemente........ 410
9.2 Grundzüge der Aerosoldynamik.......................... 413
9.2.1 Reibungskräfte...................................... 413
9.2.2 Thermische Diffusion und thermische Koagulation............ 419
Ergänzung 9.1
Der Gradient einer Beimengung an einer Kugeloberfläche....... 427
9.3 Stratosphärische Aerosole.............................. 428
9.4 Troposphärische Aerosole und atmosphärischer
Strahlungshaushalt................................... 435
10 Das Klima: Variationen und Modelle. ........................ 440
10.1 Klimaänderungen in der Vergangenheit.................... 441
10.2 Klimamodelle....................................... 452
10.2.1 Überblick.......................................... 453
10.2.2 Zirkulationsmodelle
10.3 Bewertung von Klimasignalen; das Problem des Nachweises
anthropogener Klimaänderungen......................... 467
Literatur- und Quellenhinweise................................. 475
Sachverzeichnis........................................... 491
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