Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre

511 Pages·2000·9.993 MB·German

by  Walter Roedel (auth.)

Walter Roedel· Physik unserer Umwelt
Die Atmosphare
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
WWaalltteerr RRooeeddeell
PPhhyyssiikk
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Die Atmosphäre
DDrriittttee iüibbeerraarrbbeeiitteettee uunndd aakkttuuaalliissiieerrttee AAuuffllaaggee
MMiitt 118800 AAbbbbiilldduunnggeenn
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WALTER ROEDEL
Institut fur Umweltphysik
Universitat Heidelberg
1m Neuenheimer Feld 229
69120 Heidelberg
ISBN 978-3-540-67180-0 ISBN 978-3-662-09325-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09325-2
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Roedel, Walter:
Physik unserer Umwelt: die Atmosphare 1 Walter Roedel. -3., iiberarb.
und aktualisierte Auf!. -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona;
Hongkong ; London; Mailand ; Paris; Singapur ; Tokio: Springer,
2000
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Satz: Fotosatz Behrens, Oftersheim
Einbandgestaltung: E. Kirchner, Heidelberg
SPIN 10758485 30/3130 -5432 1 0 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort zur dritten Auflage
Das Interesse der Leser und die Bereitschaft des Springer-Verlages haben die
vorliegende dritte Auflage dieses Buches ermoglicht; ich mochte allen Beteiligten
dafur sehr herzlich danken. Ebenso gilt mein Dank wieder der sehr guten und
kooperativen Unterstutzung durch die Mitarbeiter des Verlags.
Fur die dritte Auflage wurde das Buch wiederum vollsta.ndig uberarbeitet;
viele Abschnitte wurden neu geschrieben. So erhielten die Dynamik und die
Zirkulationen der Stratosphare ein deutlich groBeres Gewicht, in dem Kapitel
uber Strahlung wurden die photometrischen GroBen praziser gefasst, in dem
Kapitel uber Aerosole wurde der EinfluB tropospharischer Schwebeteilchen auf
den Strahlungshaushalt angesprochen, das Kapitel uber Spurengase wurde den
aktuellen Forschungsergebnissen angepasst und musste dafur weitgehend neu
geschrieben werden (urn nur einige Beispiele aufzuzahlen). Einem aus dem Le
serkreis oft geauBerten Wunsch entsprechend sind, in einem gewissen Abwei
chen von dem eher konservativen Vorgehen in den fruheren Auflagen, gelegent
lich auch Aspekte und Theorien aufgenommen worden, die aktuell diskutiert
werden, bei denen aber ein Hinweis notwendig war, daB es sich noch nicht urn
endgiiltig gesicherte Ergebnisse handelt. AuBerdem habe ich mich wieder be
muht (zum Teil auch hier Anregungen aus meinem Horer- und Leserkreis fol
gend), manche etwas schwer zugangliche Begriffe und Zusammenhange noch
besser zu verdeutlichen: die Darstellung der potentiellen Vorticity mag hier als
Beispiel dienen.
Zum Schluss darf ich mich ein wei teres Mal bei meinen Leserinnen und Le
sern sehr herzlich fur Fehlerhinweise ebenso wie fur interessante Anregungen
bedanken und dies mit der Bitte urn weitere kritische Anmerkungen verbinden.
Heidelberg, im Mai 2000 Walter Roedel
Vorwort zur zweiten Auflage
Fiir die zweite Auflage wurde das vorliegende Buch vollstandig iiberarbeitet. Ne
ben der Korrektur offensichtlicher Fehler wurden an vielen Stellen neue For
schungsergebnisse in den Text eingebracht, so z. B. Folgerungen aus Satelliten
beobachtungen iiber den Netto-EinfluG der Bewolkung auf den Strahlungshaus
halt, Resultate aus Untersuchungen iiber die Bedeutung vulkanischer Aerosole,
oder neuere Daten iiber aktuelle Klimaanderungen; der Abschnitt iiber das stra
tospharische Ozon wurde neu geschrieben. Zahlreiche weitere Xnderungen ge
geniiber der ersten Auflage dienen der besseren Verdeutlichung der behandelten
Zusammenhange; als Beispiel sei der Versuch angefiihrt, das Phlinomen der ba
roklinen Wellen leichter faGbar darzustellen.
An dieser Stelle darf ich mich sehr herzlich bei den Leserinnen und Lesern
meines Buches, den Studenten, den Kollegen und ganz besonders den Autoren
kritischer Besprechungen bedanken, von denen ich viele wertvolle Anregungen
empfangen habe. In diesem Zusammenhang mochte ich auch meine Bitte um
Fehlerhinweise und Verbesserungsvorschlage wiederholen. Nicht zuletzt danke
ich ein weiteres Mal dem Springer-Verlag und seinen Mitarbeitern fUr die her
vorragende Betreuung und Unterstiitzung.
Heidelberg, im April 1994 Walter Roedel
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses Buch ist aus einer zweisemestrigen Vorlesung hervorgegangen, die ich
seit einigen Jahren im Rahmen meiner Lehrveranstaltungen uber Umweltphy
sik an der Universitat Heidelberg halte. Die Vorlesung, eine Einfuhrung in die
Physik der Atmosphare und in die Umweltmeteorologie, ist in erster Linie fur
Physikstudenten gedacht, wird aber auch von vielen Geowissenschaftlern be
sucht.
Dieser Herkunft entsprechend wendet sich das Buch primar an Physiker und
an Geowissenschaftler. Es will daruber hinaus allen physikalisch interessierten
Naturwissenschaftlern und Ingenieuren, die sich mit der Atmosphare als Teil
unserer Umwelt beschaftigen wollen oder mussen, einen ersten Uberblick uber
das Funktionieren dieses so ungeheuer komplexen Systems vermitteln, das Ver
standnis fur naturliche und anthropogene Einflusse auf dieses System fordern
und nach Moglichkeit Hilfestellung fur die eigene Arbeit geben. Die Leserin oder
der Leser soUte etwa uber die physikalischen Kenntnisse und uber die physika
lisch-mathematischen Techniken verfugen, die in den ersten Semestern eines
Physik-Studiums vermittelt werden. Um jedoch den LesefluB mathematisch we
niger bewanderter Leser nicht zu sehr zu staren, sind formal kompliziertere
Teile aus dem Text herausgenommen und in Erganzungen verlagert worden, so
weit dies ohne Beeintrachtigung der Verstandlichkeit moglich erschien. In den
Teilen, die unmittelbar der Bereitstellung theoretischer Grundlagen dienen, ist
ein solches Ausklammern der Formalismen naturlich nicht sinnvoll. Daneben
enthalten die Erganzungen einige weitere Abschnitte, die fUr das Verstandnis
des Haupttextes nicht unmittelbar erforderlich sind.
Die Herkunft des Buches aus einer einfuhrenden Vorlesung spiegelt sich auch
im Stil der Darstellung sowie in der Auswahl und Anlage des Stoffes wider: Das
Buch ist bewuBt als Lehrbuch ausgelegt, in dem nachvollziehbare physikalische
Begrundungen atmospharischer Prozesse im Vordergrund stehen, nicht die liik
kenlose Darstellung aller Phanomene. Fur dieses Ziel werden gelegentlich dort,
wo es notwendig erscheint, auch Vereinfachungen und Auslassungen in Kauf ge
nommen.
Die Stoffauswahl ist also notwendigerweise beschrankt. Eine gewisse Hetero
genitat und naturlich eine gewisse Subjektivitat lieBen sich nicht vermeiden. Ich
habe versucht, auf die eher konventionellen Gebiete der atmospharischen Physik
und auf die im engeren Sinne umweltmeteorologischen Aspekte jeweils etwa
gleiches Gewicht zu leg en. Manche Themen ziehen sich durch das ganze Buch
hindurch. Die Leserin oder der Leser wird z.B. bemerken, daB das Verhalten von
X Vorwort zur ersten Auflage
Spurenstoffen oder - in noch sHirkerem MaBe - Fragen des Klimas und der Kli
mavariationen immer wieder angesprochen werden.
Ich mochte dieses Vorwort nutzen, urn in Dankbarkeit einige Personlichkei
ten zu erwahnen, die mich in der Hinwendung zu meinem heutigen Arbeits
gebiet, das in dies em Buch seinen Niederschlag findet, beeinfluBt und geleitet
haben. An erster Stelle will ich hier meinen akademischen Lehrer Prof. Otto Ha
xel nennen. Otto Haxel hat in den fUnfziger Jahren - einerseits unter dem Ein
druck der drohenden radioaktiven Verseuchung der Atmosphare durch die
oberirdischen Kernwaffentests und andererseits aus Interesse fUr die damals auf
kommenden isotopengeophysikalischen Techniken - in Heidelberg die Arbeits
gebiete begrundet, welche wir heute hier unter dem Begriff Umweltphysik zu
sammenfassen. Otto Haxel wurde auch nie mude, darauf hinzuweisen, daB Wis
sen nicht nur erarbeitet, sondern auch vermittelt und weitergegeben werden
muK Diese Einstellung hat mich spater in meiner eigenen Tatigkeit als Hoch
schullehrer geleitet, aus ihr heraus ist auch die Idee zu diesem Buch entstanden.
Weiter mochte ich Prof. Christian Junge und Prof. Hans-Walter Georgii er
wahnen. Der Kontakt mit ihnen und ihren Arbeitsgruppen in Mainz und Frank
furt, in den siebziger und fruhen achtziger Jahren, hat me in Interesse an der Me
teorologie und an der Beschaftigung mit atmospharischen Spurenstoffen nach
haltig gefordert. Dr. Gerhard Schumann und Prof. Karl-Otto Munnich verdanke
ich viele Anregungen, darunter nicht zuletzt die besonders von K.-O. Munnich
immer wieder in den Vordergrund gestellte Denkweise, Teile der physischen
Umwelt nicht isoliert, sondern als Bausteine eines Ganzen zu sehen, die Denk
weise also, die gerne als Interdisziplinaritat bezeichnet wird. SchlieBlich mochte
ich Prof. Hans Oeschger danken. Er ermoglichte mir einen halbjahrigen Aufent
halt in seinem Institut in Bern und hat mich wahrend dieser Zeit ganz besonders
fur die Probleme des Klimas und der Klima-Anderung sensibilisiert.
An dieser Stelle will ich mich auch fur die zahlreichen Hinweise und Vor
schlage aus dem Kreis der Horer meiner Vorlesungen bedanken. Viele ihrer An
regungen sind in dieses Buch eingeflossen. Ebenso bedanke ich mich bei Doris
Meinhardt, die das abgeschlossene Manuskript dieses Buches sorgfaltig durch
gesehen, mich auf Fehler und Verbesserungsmoglichkeiten hingewiesen und bei
dem Lesen der Korrekturen unterstutzt hat. Nicht zuletzt richtet sich mein be
sonderer Dank an den Springer-Verlag in Heidelberg und an seine Mitarbeiter
und Mitarbeiterinnen fUr das Interesse an dies em Buch und fUr die hervorragen
de Betreuung, die ich erfahren durfte.
Ich mochte mit der Bitte an die Leserinnen und Leser dieses Buches schlie
Ben, mich auf noch verbliebene Fehler aufmerksam zu machen. Ebenso sind
Vorschlage fUr Verbesserungen sehr willkommen.
Heidelberg, im Dezember 1991 Walter Roedel
Inhaltsverzeichnis
1 Strahlung und Energie in dem System Atmosphare/ErdoberfUiche .... . 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 Strahlungsiibertragung ................... . 6
1.1.4 Die Zusammensetzung der Erdatmosphare ................. . 12
1.2 Die solare Einstrahlung ............................... . 17
1.2.1 Das glob ale Bild der Umsatze solarer Strahlung .............. . 17
1.2.2 Absorption, Streuung und spektrale Verteilung .............. . 23
Erganzung 1.1
Halbquantitative Behandlung der Rayleigh-Streuung .......... . 31
Erganzung 1.2
Die praktische Sichtweite in der Atmosphiire ................ . 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 Strahlungsiibertragung, Strahlungsfliisse, Strahlungskiihlung .... . 45
1.4 Strahlungs- und Energiebilanzen ........................ . 49
1.4.1 Die Strahlungsbilanz der Erdoberflache ................... . 49
1.4.2 Gesamtbilanz des Systems von Atmosphiire
und Erdoberflache .................................. . 51
1.5 Temperaturen der bodennahen Luft ...................... . 54
2 Die vertikale Struktur der Atmosphare ...................... . 58
2.1 Die Druckabnahme mit der H6he ........................ . 58
2.2 Das vertikale Temperaturprofil der Atmosphiire ............. . 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 Nahe der Erdoberflache ......... . 73