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Das Buch basiert auf einer zweisemestrigen Vorlesung an der Universität Heidelberg über die Physik der Atmosphäre. Der Autor erklärt einerseits das System Atmosphäre und vermittelt andererseits umweltrelevante Aspekte. Die Neuauflage wurde zum Teil grundlegend überarbeitet. So wurden für die Kapitel zu Spurenstoffen und zur Klimamodellierung die neuesten Forschungserkenntnisse eingearbeitet, das Kapitel über Aerosole um Abschnitte zu deren chemischer Bedeutung ergänzt. Mit umfangreichem Register sowie ausführlichen Quellen- und Literaturangaben.

 

 

 

 

Aus dem Inhalt:

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 15 / 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 24 / 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 54 / 1.4.1 Die Strahlungsbilanz der Erdoberfläche 54 / 1.4.2 Gesamtbilanz des Systems von Atmosphäre und Erdoberfläche 56 / 1.5 Temperaturen der bodennahen Luft 61 / Literatur 64 // 2 Die vertikale Struktur der Atmosphäre 67 / 2.1 Die Druckabnahme mit der Höhe 67 / 2.2 Das vertikale Temperaturprofil der Atmosphäre 73 / 2.2.1 Der trockenadiabatische Temperaturgradient und der Begriff der potenziellen Temperatur 74 / 2.2.2 Der feuchtadiabatische Temperaturgradient 79 / 2.2.3 Temperaturgradienten in der Nähe der Erdoberfläche 82 // 2.2.4 Das atmosphärische Temperaturprofil als Ganzes und der damit verbundene "Stockwerkaufbau" der Atmosphäre 85 / 2.3 Schichtungsstabilität 89 / 2.3.1 Einige qualitative Überlegungen zur Schichtungsstabilität und zur Bildung von Inversionen 90 / 2.3.2 Quantitative Formulierung eines Stabilitätsmaßes, Brunt-Väisälä-Schwingungen und Schwerewellen 93 / 2.3.3 Effekte bei konvektiv-turbulenter Durchmischung und bei kollektiver Hebung und Senkung der Luft 96 / 2.3.4 Feuchtlabilität und Äquivalenttemperatur 98 / Literatur 100 // 3 Atmosphärische D ynamik 101 / 3.1 Kräfte in der Atmosphäre und die allgemeine Bewegungsgleichung 10 1 / 3.1.1 Gradient- und Coriolis-Kraft und der geostrophische Wind 102 / 3.1.2 Bewegung unter dem Einfluss von Reibungskräften 107 / 3.1.3 Der Einfluss der Schwerkraft, das Geopotenzial 111 / 3.1.4 Die allgemeine Bewegungsgleichung 113 / 3.1.5 Die Kontinuitätsgleichung, Konvergenzen und Divergenzen 116 / 3.2 Die Erhaltung der Wirbelstärke (¿Vorticity¿) 120 / 3.2.1 Vörticity und Vorticity-Gleichung 120 / 3.2.2 Potenzielle V orticity 124 / 3.3 Beschleunigung und Windfelder als Folge horizontaler Temperaturgefälle, barotrope und barokline Schichtung, thermischer Wind 131 / 3.4 Bodenreibung und spezielle Dynamik der bodennahen Luftschichten 137 / Literatur 143 / 4 Die atmosphärischeZirkulation 145 / 4.1 Globale Zirkulationsmuster 145 / 4.2 Die Zone der Westwinddrift 150 / 4.2.1 Barotrope und barokline Wellen 150 / 4.2.2 Fronten 157 / 4.2.3 Zyklonen und Antizyklonen in der Westwinddriftzone 162 / 4.3 Weitere Details der globalen Zirkulation 172 / 4.3.1 Passate, Hadley-Zelle und Subtropenjet 172 / 4.3.2 Zeithehe und räumliche Variationen der Strömungsmuster 174 / 4.3.3 El Nino/Southem Oscillations ("ENSO") 181 // 4.3.4 Einige Charakteristika der stratosphärischen Zirkulation und des Austauschs zwischen Stratosphäre und Troposphäre 187 / 4.4 Einige Anmerkungen zu kleinräumigen thermischen Zirkulationen 194 / Literatur 196 // 5 Niederschlag, Wasserkreislauf, Klimazonen 199 / 5.1 Mikrophysik der Kondensation und der Niederschlagsbildung 199 / 5.1.1 Die homogene Kondensation 201 / 5.1.2 Heterogene Kondensation 208 / 5.1.3 Die weitere Entwicklung des Niederschlags 212 / 5.2 Der globale Wasserkreislauf, Niederschlags- und Klimazonen 223 / 5.2.1 Der Kreislauf von Verdunstung und Niederschlag 224 / 5.2.2 Klimazonen und regionale Verteilung von Niederschlag und Verdunstung 228 / 5.3 Auswaschen atmosphärischer Spurenstoffe durch den Niederschlag 235 / 5.3.1 Auswaschen von Aerosolpartikeln 236 / 5.3.2 Auswaschen von Gasen durch den Niederschlag 242 / 5.4 Grundlagen der Hydrometeorologie mit stabilen Isotopen 247 / 5.4.1 Isotopentrennung bei der Verdunstung 248 / 5.4.2 Einfache Kondensationsmodelle 253 / 5.4.3 Stabile Isotope in der Natur 257 / Literatur 262 // 6 Diffusion und Turbulenz 265 / 6.1 Molekulare Diffusion 266 / 6.1.1 Ein- und dreidimensionale Zufallsbewegung als Idealtyp einer Diffusion 267 / 6.1.2 Diffusive Flüsse skalarer und vektorieller Beimengungen 274 / 6.1.3 Die Diffusionsgleichung 280 / 6.2 Grundlagen der Turbulenz 286 / 6.3 Die Beschreibung der turbulenten Bewegung 290 / 6.3.1 Energiedichtespektren (power sp ectra) 291 / 6.3.2 Autokorrelationen 294 / 6.3.3 Größenordnung der horizontalen und vertikalen Fluktuationen 298 / 6.4 Turbulente Diffusion 301 / 6.4.1 Quadratisch gemittelte Verschiebung und das Theorem von Taylor 302 / 6.4.2 Das Konzept der korrelierten Fluktuationen als allgemeiner Ansatz für turbulent-diffusive Flüsse und die hieraus folgende Transportgleichung 306 / 6.4.3 Der Gradientansatz für die turbulente Diffusion 311 / 6.4.4 Die frei diffundierende Beimengungswolke und die K ~ Sigma 4/3-Beziehung 319 / 6.5 Empirische Bestimmung der Diffusionsparameter 325 / Literatur 330 // 7 Dynamik der bodennahen Luftschichten, Diffusion und Austausch in Bodennähe 333 / 7.1 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei neutraler Temperaturschichtung 333 / 7.1.1 Das logarithmische Windprofil 334 / 7.1.2 Der Einfluss wechselnder Bodenreibung 341 / 7.2 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei thermisch nicht-neutraler Schichtung 346 / 7.2.1 Kenngrößen zur Parametrisierung labilisierender oder stabilisierender Auftriebskräfte 346 / 7.2.2 Zusammenhang zwischen Flüssen und Gradienten 354 / 7.2.3 Der Einfluss von Wasserdampf auf die Stabilität bzw. Labilität 359 / 7.2.4 Freie Konvektion 362 / 7.3 Transport skalarer Beimengungen zur Erdoberfläche hin bzw. von der Erdoberfläche weg, Transferwiderstände und Transfergeschwindigkeiten 365 / 7.3.1 Transferwiderstand und Transfergeschwindigkeit 366 / 7.3.2 Bulk-Transferkoeffizienten 371 / 7.3.3 Modelle für den Transferwiderstand und die Transfergeschwindigkeit skalarer Beimengungen in der laminar-viskosen Unterschicht 373 / 7.3.4 Gasaustausch zwischen Luft und Wasser 380 / 7.3.5 Trockene Deposition von Aerosolpartikeln 385 / 7.4 Einige Anmerkungen zum Anschluss an die Ekman-Schicht und an die äußere Atmosphäre 390 / Literatur 394 // 8 Atmosphärische Spurengase 397 / 8.1 Überblick 399 / 8.1.1 Radikalchemie 399 / 8.1.2 Heterogene Reaktionen 401 / 8.1.3 Reaktionsgeschwindigkeiten und atmosphärische / Lebensdauer 402 / 8.2 Wichtige chemische Reaktionszyklen in der Atmosphäre 406 / 8.2.1 Ozon in der Stratosphäre 407 / 8.2.2 Ozonproduktion und -Verteilung 407 / 8.2.3 Abbaureaktionen 409 / 8.2.4 Das "Ozonloch" 416 / 8.2.5 Vulkanische Einflüsse auf die Ozonschicht 422 / 8.2.6 Globale Ozonabnahme 424 / 8.3 Ozonchemie in der Troposphäre 427 / 8.3.1 Photochemische Smogbildung 429 / 8.3.2 Oxidationskapazität der Atmosphäre 433 / 8.4 Kohlendioxid 434 / 8.4.1 Übersicht 434 / 8.4.2 Der säkulare CCVAnstieg 440 / 8.4.3 Kohlendioxid im Ozean 444 / 8.4.4 Einfluss ozeanischer Karbonatsedimente 450 / 8.5 Kreisläufe weiterer atmosphärischer Spurengase 452 / 8.5.1 CH4 und CO 454 / 8.5.2 Schwefelverbindungen 457 / 8.5.3 Stickstoffverbindungen 459 / 8.5.4 Halogenverbindungen 460 / Literatur 462 // 9 Aerosole 469 / 9.1 Entstehung und Lebenslauf atmosphärischer A erosole 469 / 9.1.1 Aerosolproduktion: Nukleation und Dispersion 470 / 9.1.2 Lebenslauf troposphärischer Aerosole und Größenverteilungen 479 / 9.1.3 Globale Aerosolquellen und Häufigkeit chemischer Elemente 487 / 9.2 Grundzüge der Aerosoldynamik 492 / 9.2.1 Reibungskräfte 493 / 9.2.2 Thermische Diffusion und thermische Koagulation 499 / 9.3 Stratosphärische A erosole 509 / 9.4 Troposphärische Aerosole und atmosphärischer Strahlungshaushalt 517 / Literatur 522 // 10 Klima und Klimaveränderungen 527 / 10.1 Klimaänderungen in der Vergangenheit 528 / 10.1.1 Paläoklima 528 / 10.1.2 Klima seit der Industrialisierung 537 / 10.2 Kenngrößen zur Beschreibung des Klimawandels: Klimaantriebe und Klimasensitivität 541 / 10.2.1 Verschiedene Definitionen für das radiative forcing 545 / 10.2.2 Übersicht über verschiedene Klimaantriebe 549 / 10.2.3 Rückkopplungsmechanismen und Klimasensitivität 553 / 10.2.4 Methoden zur Bestimmung der Klimaempfindlichkeit 561 / 10.3 Klimamodelle 563 / 10.3.1 Überblick 563 / 10.3.2 Zirkulationsmodelle (general circulation models, GCM) 569 / 10.3.3 Klimaprognosen 576 // Literatur 581 / Stichwortverzeichnis 587