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2011 | Buch

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Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre

verfasst von: Prof. Dr. Walter Roedel, Prof. Dr. Thomas Wagner

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Buch ist aus einer zweisemestrigen Vorlesung über die Physik der Atmosphäre im Rahmen des Faches Umweltphysik and der Universität Heidelberg hervorgegangen. Es ist als einführendes Lehrbuch konzipiert und verfolgt zwei miteinander verzahnte Ziele: - Es will das Funktionieren des Systems Atmosphäre verständlich machen. Diesem Zweck dienen Abschnitte über den Strahlungs-und Energiehaushalt, über die atmosphärische Dynamik, über Zirkulationen, über die Niederschlagsbildung, über den Wasserkreislauf und über ähnlich Themen. - Es will, in einem breit gefassten Sinn, umweltrelevante Aspekte der Meteorologie und der Atmosphärenphysik herausarbeiten. Hierzu dienen unter anderem eine ausführliche Darstellung von Diffusions- und Transportprozessen, zahlreiche Abschnitte über das Verhalten von Spurenstoffen, mit Betonung auf strahlungsrelevanten Spurengasen und auf Schwebeteilchen, und schließlich eine Diskussion von Klima-Entwicklungen und deren Bewertung.

Gegenüber der letzten Auflage sind vor allem die letzten 3 Kapitel grundlegend überarbeitet. Speziell in den Kapiteln zu atmosphärischen Spurenstoffen (8) und zur Klimamodellierung (10) sind die neuesten Forschungserkenntnisse eingearbeitet. Kapitel 8 hat zudem eine völlig neue Struktur mit einem zusätzlichen Schwerpunkt zur atmosphärischen Chemie. In Kapitel 9 (Aerosole) wird ein weiteres Unterkapitel zur chemischen Bedeutung der Aerosole eingeführt. Neben diesen größeren Veränderungen werden in allen Kapiteln kleinere Änderungen durchgeführt (Fehlerkorrektur, Aktualisierungen, zum Teil ausführlichere Herleitungen). Das Buch wendet sich ebenso an Studentinnen und Studenten 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.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Strahlung und Energie in dem System Atmosphäre/Erdoberfläche

Zusammenfassung

Alle meteorologisch-physikalischen Prozesse, die in der irdischen Atmosphäre ablaufen, sind letzten Endes eine Folge einiger weniger (wenn man so will: astronomischer) Einflußgrößen. Die wichtigsten sind die Einstrahlung von der Sonne, die räumliche und zeitliche Variation dieser solaren Einstrahlung durch die Bewegung der Erde um die Sonne und durch die Drehung der Erde um ihre eigene Achse und schließlich die Kräfte, die durch die Gravitation des Erdkörpers und durch seine Eigendrehung zustande kommen. Die Einstrahlung von Energie von der Sonne und die Umsetzung dieser Energie in dem System, das aus Ozean, festem Erdboden und Atmosphäre besteht, sind dabei die eigentlichen Antriebsmechanismen des atmosphärischen Geschehens. Wir stellen deshalb die Behandlung des Strahlungs- und Wärmehaushaltes dieses Systems an den Anfang unserer ganzen Betrachtungen.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 2. Die vertikale Struktur der Atmosphäre

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befaßt sich – unter einer gewissen Einschränkung der sehr allgemeinen Kapitelüberschrift – mit den hydrostatischen und thermodynamischen Aspekten des Vertikalaufbaus der Atmosphäre. Im einzelnen werden folgende Punkte besprochen:

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 3. Atmosphärische Dynamik

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – die wichtigsten zum Verständnis von Luftbewegungen und Zirkulationen erforderlichen Grundlagen der atmosphärischen Dynamik besprochen. Die Vorgehensweise soll sich dabei an den klassischen Erhaltungssätzen von Impuls, Masse und Wirbelstärke orientieren, ergänzt durch 2 Abschnitte, die sich spezifisch aus dem Aufbau der Atmosphäre ergeben.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 4. Die atmosphärische Zirkulation

Zusammenfassung

In diesem Kapitel sollen die wichtigsten Erscheinungsformen der atmosphärischen Zirkulation beschrieben und qualitativ bis halbquantitativ erklärt werden. Eine vollständige quantitative Behandlung (soweit eine solche überhaupt möglich ist) überschreitet den Rahmen dieses Buches. In diesem Zusammenhang sei auf das zwar schon etwas ältere, aber immer noch aktuelle und gut lesbare Buch von Palmén u. Newton (1969) verwiesen; auch Bücher über die atmosphärische Dynamik (z.B. Gill 1982; Defant u. Defant 1958) enthalten zahlreiche Informationen über die atmosphärischen Zirkulationen.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 5. Niederschlag, Wasserkreislauf, Klimazonen

Zusammenfassung

Die Atmosphäre enthält etwa 13 · 10¹⁵ kg oder – als Flüssigwasseräquivalent ausgedrückt – etwa 13 · 10¹² m³ Wasser, zum weitaus größten Teil in Form von Wasserdampf. Dividiert man die letzte Zahl durch die Größe der Erdoberfläche, 510 · 10⁶ km², so erhält man eine mittlere äquivalente Wassersäulenhöhe von 25 bis 26 mm. So wenig dies scheinen mag (als Vergleich: die mittlere Ozeantiefe beträgt etwa 3 800 m, das Gesamtvolumen der Weltmeere etwa 1,35 · 10¹⁸ m³), so wichtig ist die Rolle, die das Wasser im atmosphärischen Geschehen spielt. Ermöglicht wird diese Rolle erst durch die auf der Erde als einzigem Planeten des Sonnensystems realisierte Koexistenz aller 3 Aggregatzustände des Wassers.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 6. Diffusion und Turbulenz

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln haben wir Mechanismen besprochen, die zumindest vom gedanklichen Prinzip her zu geordneten Bewegungen, Strömungen und Zirkulationen geführt haben. Neben diesen Vorgängen spielen aber stochastische, diffusionsartige Prozesse eine große Rolle für die atmosphärische Dynamik und für den Transport atmosphärischer Beimengungen. Dabei ist zwischen molekularen, gaskinetischen Mechanismen, wie molekularer Viskosität oder molekularer Diffusion, einerseits und Prozessen, die mit der turbulenten Bewegung der Luft zusammenhängen, andererseits zu unterscheiden. Darüber hinaus wirft das Auftreten von Turbulenz die Frage nach den prinzipiellen Grenzen der deterministischen Betrachtungsweise auf.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 7. Dynamik der bodennahen Luftschichten; Diffusion und Austausch in Bodennähe

Zusammenfassung

Unter bodennahen Luftschichten sind pauschal diejenigen Schichten der Atmosphäre zu verstehen, deren Dynamik durch die Bodenreibung, d.h. durch den Impulsaustausch mit dem Boden, bestimmt oder zumindest mitbestimmt wird. Das sind die laminar-viskose Unterschicht, die Prandtl-Schicht und – in abnehmendem Maße – die Ekman-Schicht (s. Abschn. 3.4 und speziell Abb. 3.18).

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 8. Atmosphärische SpurengaseSpurengase

Zusammenfassung

In diesem Kapitel soll ein Überblick über wichtige atmosphärische Spurengase und ausgewählte atmosphärische Reaktionszyklen gegeben werden. Aufgrund des begrenzten Umfangs kann ein solcher Überblick nur die wichtigsten Aspekte der Atmosphärenchemie behandeln. Zur detaillierten Behandlung spezieller atmosphärischer Fragestellungen sei deshalb auf ausführlichere Bücher, z.B. von Warneck (1988), Möller (2003) oder Seinfeld und Pandis (2006) verwiesen.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 9. Aerosole

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln waren Aerosole und Aerosolteilchen schon mehrfach zur Sprache gekommen: Im 1. Kapitel war auf die Definition, die Anzahldichte und die Größenverteilung atmosphärischer Aerosole und auf einige Grundlagen der Aerosoloptik eingegangen worden. Im 5. Kapitel hatten wir die Rolle der Aerosole bei der Kondensation angesprochen und die Ausscheidung der Partikel durch den Niederschlag behandelt. Im 6. Kapitel war die Thermophorese als aerosoldynamischer Effekt erwähnt worden. Im 7. Kapitel kam noch die Diskussion der trockenen Deposition von Aerosolen hinzu.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Kapitel 10. KlimaKlima und KlimaveränderungenKlimaveränderungen

Zusammenfassung

Das Klima ist sicher einer der stärksten und unmittelbar am meisten spürbaren Umweltfaktoren; es prägt das wirtschaftliche, kulturelle und politische Gefüge einer Gesellschaft wie kaum ein anderer Umwelteinfluß. Die Geschichte der frühen Hochkulturen deutet an, daß Höhepunkte intellektueller und kultureller Leistungsfähigkeit wohl an das Vorhandensein eines günstigen Klimas gebunden waren; wahrscheinlich konnte in den frühen Kulturen nur dieses die Chance geben, über den reinen Existenzkampf hinaus zusätzliches intellektuelles Potential zu aktivieren. Es ist sicher einer Überlegung wert, ob nicht auch manche wirtschaftliche und politische Probleme der Gegenwart zu einem ganz erheblichen Teil klimatische Probleme sind.

Walter Roedel, Thomas Wagner

Backmatter

Titel: Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre
verfasst von: Prof. Dr. Walter Roedel
Prof. Dr. Thomas Wagner
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-15729-5
Print ISBN: 978-3-642-15728-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-15729-5