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Das vorliegende Lehrbuch bietet eine Einführung in die Physik der Atmosphäre, wie sie im Rahmen der Umweltphysik gelehrt wird. Zuerst wird dem Leser die Funktionsweise des Systems Atmosphäre verständlich gemacht. Dazu werden Themen wie Strahlungs- und Energiehaushalt, atmosphärische Dynamik, Zirkulationen, Niederschlagsbildung und der Wasserkreislauf behandelt.

 

Zudem werden die umweltrelevanten Aspekte der Meteorologie und der Atmosphärenphysik herausgearbeitet. Hierzu dienen unter anderem eine ausführliche Darstellung von Diffusions- und Transportprozessen sowie zahlreiche Abschnitte über das Verhalten von Spurenstoffen, mit Schwerpunkt auf strahlungsrelevanten Spurengasen und Aerosolen. Eine Diskussion von Klima-Entwicklungen und deren Bewertung rundet den Inhalt ab und bietet damit einen umfassenden Überblick über das Thema.

 

Änderungen gegenüber der 5. Auflage betreffen insbesondere die letzten 3 Kapitel. Einerseits wurde in den letzten 6 Jahren eine Vielzahl neuer Forschungsergebnisse verfügbar. Andererseits hat sich in diesem Zeitraum auch der Zustand unseres Planeten weiter dramatisch verändert. In der neuen Auflage werden hierzu die neuesten verfügbaren Messdaten und Studien berücksichtigt.

 

Das Buch wendet sich ebenso an Studierende der Physik und der Geowissenschaften wie an Wissenschaftler(innen) und Lehrer(innen), die sich für ihre berufliche Arbeit eine Einführung in die atmosphärische Physik und in die Umweltmeteorologie wünschen. Ein umfangreiches Register ermöglicht das schnelle Auffinden eines Themas, die große Zahl von Quellen- und Literaturangaben erleichtert den Zugang zu weiteren Informationen. (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 15 / 1.2 Die solare Einstrahlung 19 / 1.2.1 Das globale Bild der Umsätze solarer Strahlung 20 / 1.2.2 Absorption, Streuung und spektrale Verteilung 25 / 1.3 Terrestrische Strahlung 43 / 1.3.1 Das globale Bild-der Treibhauseffekt 45 / 1.3.2 Emission und Absorption terrestrischer Strahlung 47 / 1.3.3 Strahlungsübertragung, Strahlungsflüsse, Strahlungskühlung 51 / 1.4 Strahlungs- und Energiebilanzen 55 / 1.4.1 Die Strahlungsbilanz der Erdoberfläche 56 / 1.4.2 Gesamtbilanz des Systems von Atmosphäre und Erdoberfläche 57 / 1.5 Temperaturen der bodennahen Luft 63 / Literatur 66 / / 2 Die vertikale Struktur der Atmosphäre 69 / 2.1 Die Druckabnahme mit der Höhe 69 / 2.2 Das vertikale Temperaturprofil der Atmosphäre 75 / 2.2.1 Der trockenadiabatische Temperaturgradient und der Begriff der potenziellen Temperatur 76 / 2.2.2 Der feuchtadiabatische Temperaturgradient 80 / 2.2.3 Temperaturgradienten in der Nähe der Erdoberfläche 85 / 2.2.4 Das atmosphärische Temperaturprofil als Ganzes und der damit verbundene „Stockwerkaufbau“ der Atmosphäre 86 / 2.3 Schichtungsstabilität 91 / 2.3.1 Einige qualitative Überlegungen zur / Schichtungsstabilität und zur Bildung von Inversionen 92 / 2.3.2 Quantitative Formulierung eines Stabilitätsmaßes, Brunt-Väisälä-Schwingungen und Schwerewellen 96 / 2.3.3 Effekte bei konvektiv-turbulenter Durchmischung und bei kollektiver Hebung und Senkung der Luft 98 / 2.3.4 Feuchtlabilität und Äquivalenttemperatur 100 / Literatur 102 / / 3 Atmosphärische Dynamik 103 / 3.1 Kräfte in der Atmosphäre und die allgemeine Bewegungsgleichung 104 / 3.1.1 Gradient- und Coriolis-Kraft und der geostrophische Wind 104 / 3.1.2 Bewegung unter dem Einfluss von Reibungskräften 109 / 3.1.3 Der Einfluss der Schwerkraft, das Geopotenzial 114 / 3.1.4 Die allgemeine Bewegungsgleichung 115 / 3.1.5 Die Kontinuitätsgleichung, Konvergenzen und Divergenzen 118 / 3.2 Die Erhaltung der Wirbelstärke („Vorticity“) 122 / 3.2.1 Vorticity und Vorticity-Gleichung 122 / 3.2.2 Potenzielle Vorticity 127 / 3.3 Beschleunigung und Windfelder als Folge horizontaler Temperaturgefälle, barotrope und barokline Schichtung, thermischer Wind 134 / 3.4 Bodenreibung und spezielle Dynamik der bodennahen / Luftschichten 140 / Literatur 146 / / 4 Die atmosphärische Zirkulation 147 / 4.1 Globale Zirkulationsmuster 147 / 4.2 Die Zone der Westwinddrift 152 / 4.2.1 Barotrope und barokline Wellen 153 / 4.2.2 Fronten 160 / 4.2.3 Zyklonen und Antizyklonen in der Westwinddriftzone 164 / 4.3 Weitere Details der globalen Zirkulation 174 / 4.3.1 Passate, Hadley-Zelle und Subtropenjet 174 / 4.3.2 Zeitliche und räumliche Variationen der Strömungsmuster 177 / 4.3.3 El Nifo/ Southern Oscillations („ENSO“) 183 / 4.3.4 Einige Charakteristika der stratosphärischen Zirkulation und des Austauschs zwischen Stratosphäre und Troposphäre 190 / 4.4 Einige Anmerkungen zu kleinräumigen thermischen Zirkulationen 198 / Literatur 199 / / 5 Niederschlag, Wasserkreislauf, Klimazonen 201 / 5.1 Mikrophysik der Kondensation und der Niederschlagsbildung 202 / 5.1.1 Die homogene Kondensation 203 / 5.1.2 Heterogene Kondensation 210 / 5.1.3 Die weitere Entwicklung des Niederschlags 215 / 5.2 Der globale Wasserkreislauf, Niederschlags- und Klimazonen 226 / 5.2.1 Der Kreislauf von Verdunstung und Niederschlag 227 / 5.2.2 Klimazonen und regionale Verteilung von Niederschlag und Verdunstung 230 / 5.3 Auswaschen atmosphärischer Spurenstoffe durch den Niederschlag 237 / 5.3.1 Auswaschen von Aerosolpartikeln 238 / 5.3.2 Auswaschen von Gasen durch den Niederschlag 244 / 5.4 Grundlagen der Hydrometeorologie mit stabilen Isotopen 248 / 5.4.1 Isotopentrennung bei der Verdunstung 250 / 5.4.2 Einfache Kondensationsmodelle 255 / 5.4.3 Stabile Isotope in der Natur 259 / Literatur 264 / / 6 Diffusion und Turbulenz 267 / 6.1 Molekulare Diffusion 268 / 6.1.1 Ein- und dreidimensionale Zufallsbewegung als Idealtyp einer Diffusion 269 / 6.1.2 Diffusive Flüsse skalarer und vektorieller Beimengungen 276 / 6.1.3 Die Diffusionsgleichung 281 / 6.2 Grundlagen der Turbulenz 288 / 6.3 Die Beschreibung der turbulenten Bewegung 292 / 6.3.1 Energiedichtespektren (power spectra) 293 / 6.3.2 Autokorrelationen 296 / 6.3.3 Größenordnung der horizontalen und vertikalen Fluktuationen 299 / 6.4 Turbulente Diffusion 302 / 6.4.1 Quadratisch gemittelte Verschiebung und das Theorem von Taylor 304 / 6.4.2 Das Konzept der korrelierten Fluktuationen als allgemeiner Ansatz für turbulent-diffusive Flüsse und die hieraus folgende Transportgleichung.308 / 6.4.3 Der Gradientansatz für die turbulente Diffusion 312 / 6.4.4 Die frei diffundierende Beimengungswolke und die K~o4/3-Beziehung 321 / 6.5 Empirische Bestimmung der Diffusionsparameter 327 / Literatur 332 / / 7 Dynamik der bodennahen Luftschichten, Diffusion und Austausch in Bodennähe 335 / 7.1 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei neutraler Temperaturschichtung 336 / 7.1.1 Das logarithmische Windprofil 336 / 7.1.2 Der Einfluss wechselnder Bodenreibung 344 / 7.2 Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei thermisch nicht-neutraler Schichtung 349 / 7.2.1 Kenngrößen zur Parametrisierung labilisierender oder stabilisierender Auftriebskräfte 349 / 7.2.2 Zusammenhang zwischen Flüssen und Gradienten 357 / 7.2.3 Der Einfluss von Wasserdampf auf die Stabilität bzw. Labilität 362 / 7.2.4 Freie Konvektion 364 / 7.3 Transport skalarer Beimengungen zur Erdoberfläche hin bzw. von der Erdoberfläche weg, Transferwiderstände und Transfergeschwindigkeiten 367 / 7.3.1 Transferwiderstand und Transfergeschwindigkeit 368 / 7.3.2 Bulk-Transferkoeffizienten 374 / 7.3.3 Modelle für den Transferwiderstand und die Transfergeschwindigkeit skalarer Beimengungen in der laminar-viskosen Unterschicht 375 / 7.3.4 Gasaustausch zwischen Luft und Wasser 383 / 7.3.5 Trockene Deposition von Aerosolpartikeln 387 / 7.4 Einige Anmerkungen zum Anschluss an die Ekman-Schicht und an die äußere Atmosphäre 392 / Literatur 396 / / 8 Atmosphärische Spurengase 399 / 8.1 Überblick 401 / 8.1.1 Radikalchemie 401 / 8.1.2 Heterogene Reaktionen 403 / 8.1.3 Reaktionsgeschwindigkeiten und atmosphärische Lebensdauer 405 / 8.2 Wichtige chemische Reaktionszyklen in der Atmosphäre 409 / 8.2.1 Ozon in der Stratosphäre 409 / 8.2.2 Ozonproduktion und -verteilung 410 / 8.2.3 Abbaureaktionen 412 / 8.2.4 Das „Ozonloch“ 419 / 8.2.5 Vulkanische Einflüsse auf die Ozonschicht 425 / 8.2.6 Globale Ozonabnahme 426 / 8.3 Ozonchemie in der Troposphäre 429 / 8.3.1 Photochemische Smogbildung 432 / 8.3.2 Oxidationskapazität der Atmosphäre 437 / 8.4 Kohlendioxid 438 / 8.4.1 Übersicht 438 / 8.4.2 Der CO2-Anstieg seit dem Beginn der Industrialisierung 443 / 8.4.3 Kohlendioxid im Ozean 447 / 8.4.4 Einfluss ozeanischer Karbonatsedimente 454 / 8.5 Kreisläufe weiterer atmosphärischer Spurengase 456 / 8.5.1 CH4undCO 457 / 8.5.2 Schwefelverbindungen 461 / 8.5.3 Stickstoffverbindungen 463 / 8.5.4 Halogenverbindungen 465 / Literatur 466 / / 9 Aerosole 473 / 9.1 Entstehung und Lebenslauf atmosphärischer Aerosole 474 / 9.1.1 Aerosolproduktion: Nukleation und Dispersion 474 / 9.1.2 Lebenslauf troposphärischer Aerosole und Größenverteilungen 483 / 9.1.3 Globale Aerosolquellen und Häufigkeit chemischer Elemente 492 / 9.2 Grundzüge der Aerosoldynamik 498 / 9.2.1 Reibungskräfte 499 / 9.2.2 Thermische Diffusion und thermische Koagulation 505 / 9.3 Stratosphärische Aerosole 515 / 9.4 Troposphärische Aerosole und atmosphärischer Strahlungshaushalt 522 / Literatur 528 / / 10 Klima und Klimaveränderungen 533 / 10.1 Klimaänderungen in der Vergangenheit 534 / 10.1.1 Paläoklima 534 / 10.1.2 Klima seit der Industrialisierung 545 / 10.2 Kenngrößen zur Beschreibung des Klimawandels: Klimaantriebe und Klimasensitivität 548 / 10.2.1 Verschiedene Definitionen für das radiative forcing 552 / 10.2.2 Übersicht über verschiedene Klimaantriebe 557 / 10.2.3 Rückkopplungsmechanismen und Klimasensitivität 559 / 10.2.4 Methoden zur Bestimmung der Klimasensitivität 569 / 10.3 Klimamodelle 570 / 10.3.1 Überblick 571 / 10.3.2 Zirkulationsmodelle (general circulation models, GCM) 578 / 10.3.3 Klimaprognosen 584 / Literatur 587 / / Stichwortverzeichnis 593 /