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Physik unserer Umwelt

die Atmosphäre
Verfasser*in: Suche nach Verfasser*in Roedel, Walter; Wagner, Thomas
Verfasser*innenangabe: Walter Roedel ; Thomas Wagner
Jahr: 2011
Verlag: Berlin [u.a.], Springer
Mediengruppe: Buch
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Inhalt

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. (Verlagstext)
 
/ 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 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 Temperaturgefalle. 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 Autokorrelationen 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 Beimengungswolke und die K ~ a4/3-Beziehung 315
6.5 Empirische Bestimmung der Diffusionsparameter 322
Literatur 326
 
7 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
 
8 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 CO2-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 CH4undCO 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

Details

Verfasser*in: Suche nach Verfasser*in Roedel, Walter; Wagner, Thomas
Verfasser*innenangabe: Walter Roedel ; Thomas Wagner
Jahr: 2011
Verlag: Berlin [u.a.], Springer
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ISBN: 978-3-642-15728-8
2. ISBN: 3-642-15728-9
Beschreibung: 4. Aufl., XI, 589 S. : Ill., graph. Darst.
Schlagwörter: Atmosphäre, Physik, Erdatmosphäre, Naturlehre <Physik>
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Sprache: Deutsch
Fußnote: Literaturangaben
Mediengruppe: Buch