Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre PDF
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Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre Walter Roedel • Thomas Wagner Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre 5. Auflage WalterRoedel ThomasWagner UniversitätHeidelberg,Inst.Umweltphysik Max-Planck-InstitutfürChemie Heidelberg Mainz Deutschland Deutschland ISBN978-3-662-54257-6 ISBN978-3-662-54258-3(eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-54258-3 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerSpektrum ©Springer-VerlagGmbHDeutschland1992,1994,2000,2011,2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags. DasgiltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,Mikroverfilmungenund dieEinspeicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe- rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenin diesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlag,noch dieAutorenoderdieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdes Werkes,etwaigeFehleroderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungen undGebietsbezeichnungeninveröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral. Planung:MargitMaly GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier SpringerSpektrumistTeilvonSpringerNature DieeingetrageneGesellschaftistSpringer-VerlagGmbHDeutschland DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany Vorwort zur fünften Auflage AndervorliegendenfünftenAuflagederPhysikunsererUmwelt:DieAtmosphäre konnte der Initiatorund Hauptautor, Walter Roedel, leider nicht mehr mitarbeiten. Erist2013,zweiJahrenachErscheinendervonunserstmalsgemeinsambetreuten, viertenAuflage,verstorben. Ich habe mich bemüht, die Neuauflage des Buches in seinem Sinne zu ge- stalten. Insbesondere habe ich großen Wert auf Anschaulichkeit gelegt und nach Möglichkeit versucht, konkrete Bezüge zwischen Grundlagen und praktischen AnwendungensowieAlltagsphänomenenaufzuzeigen. Gegenüber der vierten Auflage hat sich an der Grundstruktur des Buches nichts geändert. Insbesondere bleiben die ersten sieben Kapitel weitgehend un- verändert. Das Hauptanliegen des Buches ist es weiterhin, für die Studierenden der Physik und der Geowissenschaften ebenso wie für alle wissenschaftlich In- teressierten, insbesondere für Lehrkräfte an Schulen und Hochschulen, eine gut lesbare Einführung in die Physik (und teilweise in die Chemie) der Atmosphäre bereitzustellen. Wesentliche Änderungen betreffen die letzten drei Kapitel, da hier einerseits in den letzten sechs Jahren eine Vielzahl neuer Forschungsergebnisse verfügbar wurde und sich in diesem Zeitraum auch der Zustand unseres Planeten weiter verändert hat. Dies betrifft zum einen die Konzentrationen wichtiger Spurengase (wie O , CO , CH oder N O), aber auch globale Messgrößen (wie Temperatur, 3 2 4 2 EisbedeckungoderMeeresspiegel).DieAbbildungenzudiesenGrößenwurdenan- handderneuenMessdatenaktualisiertunddieDiskussionenimTextentsprechend überarbeitet. WeiterhinkonntenvieleFehlerkorrigiertwerden,dieimZugederUmstellungauf einneuesTextverarbeitungsprogrammbeiderErstellungderviertenAuflageleider aufgetretenwaren.HierseifürhilfreicheRückmeldungenausderLeserschaftherz- lichgedankt.IndiesemZusammenhangergehterneutdieBitteumFehlerhinweise undVerbesserungsvorschläge. BesondererDankgiltdemSpringer-Verlag,insbesondereFrauMargitMalyund FrauMeikeBarth,fürdieBereitschaft,diesefünfteAuflageherauszugeben,sowie V VI VorwortzurfünftenAuflage für die aktive Unterstützung während ihrer Erstellung. Herzlich bedanken möchte ichmichauchbeiFrauAnnetteHeßfürdassorgfältigeKorrekturlesen. Mainz,imMärz2017 ThomasWagner Vorwort zur vierten Auflage DasvorliegendeBucherscheintinderviertenAuflageerstmalsmitzweiAutoren. Nach dem Angebot des Springer-Verlages, eine weitere Auflage herauszugeben, konnteW.Roedel,dervorfasteinemJahrzehntausdemaktivenBerufslebenausge- schiedenist,inT.WagnereinenexzellentenMitautorgewinnen.Ihmseiandieser Stelle sehr herzlich für seine Bereitschaft gedankt, bei der Erstellung der vierten AuflageverantwortlichtätigzuwerdenundgenerellinwesentlichenAspektendas Buch zu betreuen. Insbesondere geht die Neufassung der letzten drei Kapitel im WesentlichenaufT.Wagnerzurück. AndemgrundlegendenKonzepthatsichdabeinichtsgeändert:Wirsindweiter- hin bemüht, für die Studierenden der Physik und der Geowissenschaften eine gut lesbare Einführung in die Physik (und teilweise die Chemie) der Atmosphäre be- reitzustellen–undebensofürallewissenschaftlichInteressierten,insbesonderefür LehrkräfteinSchulenundHochschulen. Wir haben das ganze Buch überarbeitet und, wo nötig, aktualisiert und durch weiteres Anschauungsmaterial ergänzt. Tiefer greifende Änderungen erfuhren die letzten drei Kapitel. In den beiden Kapiteln über atmosphärische Spurenstoffe (Spurengase und Aerosole) wurde die Luftchemie, ohne die die physikalischen Vorgängenichtverständlichwären,stärkerindenVordergrundgestellt.Dieweitest- gehenden Veränderungen erfuhr das letzte Kapitel (Klima und Klimavariationen): In den vorhergehenden Auflagen stand das Aufzeigen der Evidenz anthropogener KlimabeeinflussungimVordergrund,dieheutewohlnichtmehrernsthaftbestritten wird, wenn auch ihr Ausmaß und ihr Verhältnis zu natürlichen Klimaschwankun- gen noch sehr unsicher sind. Dafür nehmen jetzt die „Werkzeuge“ der kurz- und langfristigenKlimabeurteilungbreitenRaumein. Wir danken dem Springer-Verlag, insbesondere Herrn Dr. Christian Witschel, herzlich für seine Bereitschaft, diese vierte Auflage herauszugeben, und für die aktiveUnterstützungwährendihrerErstellung. Heidelberg/Mainz,imOktober2010 WalterRoedel ThomasWagner VII Vorwort zur ersten Auflage DiesesBuchistauseinerzweisemestrigenVorlesunghervorgegangen,dieichseite inigen Jahren im Rahmen meiner Lehrveranstaltungen über Umweltphysik an der UniversitätHeidelberghalte.DieVorlesung,eineEinführungindiePhysikderAt- mosphäre und in die Umweltmeteorologie, ist in erster Linie für Physikstudenten gedacht,wirdaberauchvonvielenGeowissenschaftlernbesucht. Dieser Herkunft entsprechend wendet sichdas Buch primär an Physiker und an Geowissenschaftler. Es will darüber hinaus allen physikalisch interessierten Na- turwissenschaftlern und Ingenieuren, die sich mit der Atmosphäre als Teil unserer Umwelt beschäftigen wollen oder müssen, einen ersten Überblick über das Funk- tionieren dieses so ungeheuer komplexen Systems vermitteln, das Verständnis für natürliche und anthropogene Einflüsse auf dieses System fördern und nach Mög- lichkeitHilfestellungfürdieeigeneArbeitgeben.DieLeserinoderderLesersollte etwaüberdiephysikalischenKenntnisseundüberdiephysikalischmathematischen Technikenverfügen,dieindenerstenSemesterneinesPhysik-Studiumsvermittelt werden. Um jedoch den Lesefluß mathematisch weniger bewanderter Leser nicht zusehrzustören,sindformalkompliziertereTeileausdemTextherausgenommen undinErgänzungen verlagertworden,soweitdiesohneBeeinträchtigungderVer- ständlichkeit möglich erschien. In den Teilen, die unmittelbar der Bereitstellung theoretischer Grundlagen dienen, ist ein solches Ausklammern der Formalismen natürlich nicht sinnvoll. Daneben enthalten die Ergänzungen einige weitere Ab- schnitte, die für das Verständnis des Haupttextes nicht unmittelbar erforderlich sind. Die Herkunft des Buches aus einer einführenden Vorlesung spiegelt sich auch im Stil der Darstellung sowie in der Auswahl und Anlage des Stoffes wider: Das Buch ist bewußt als Lehrbuch ausgelegt, in dem nachvollziehbare physikalische BegründungenatmosphärischerProzesseimVordergrundstehen,nichtdielücken- loseDarstellungallerPhänomene.FürdiesesZielwerdengelegentlichdort,woes notwendigerscheint,auchVereinfachungenundAuslassungeninKaufgenommen. DieStoffauswahlistalsonotwendigerweisebeschränkt.EinegewisseHeteroge- nitätundnatürlicheinegewisseSubjektivitätließensichnichtvermeiden.Ichhabe versucht,aufdieeherkonventionellenGebietederatmosphärischenPhysikundauf IX X VorwortzurerstenAuflage die im engeren Sinne umweltmeteorologischen Aspekte jeweils etwa gleiches Ge- wicht zu legen. Manche Themen ziehen sich durch das ganze Buch hindurch. Die Leserin oder der Leser wird z. B. bemerken, daß das Verhalten von Spurenstof- fenoder–innochstärkeremMaße–FragendesKlimasundderKlimavariationen immerwiederangesprochenwerden. Ich möchte dieses Vorwort nutzen, um in Dankbarkeit einige Persönlichkeiten zuerwähnen,diemichinderHinwendungzumeinemheutigenArbeitsgebiet,das in diesem Buch seinen Niederschlag findet, beeinflußt und geleitet haben. An er- sterStellewillichhiermeinenakademischenLehrerProf.OttoHaxelnennen.Otto Haxel hat in den fünfziger Jahren – einerseits unter dem Eindruck der drohenden radioaktivenVerseuchungderAtmosphäredurchdieoberirdischenKernwaffentests und andererseits aus Interesse für die damals aufkommenden isotopengeophysika- lischenTechniken –inHeidelberg dieArbeitsgebietebegründet, welche wirheute hierunterdemBegriffUmweltphysikzusammenfassen.OttoHaxelwurdeauchnie müde,daraufhinzuweisen,daßWissennichtnurerarbeitet,sondernauchvermittelt undweitergegebenwerdenmuß.DieseEinstellunghatmichspäterinmeinereige- nenTätigkeitalsHochschullehrergeleitet,ausihrherausistauchdieIdeezudiesem Buchentstanden. Weiter möchte ich Prof. Christian Junge und Prof. Hans-Walter Georgii erwäh- nen. Der Kontakt mit ihnen und ihren Arbeitsgruppen in Mainz und Frankfurt, in densiebzigerundfrühenachtzigerJahren,hatmeinInteresseanderMeteorologie undanderBeschäftigungmitatmosphärischenSpurenstoffennachhaltiggefördert. Dr.GerhardSchumannundProf.Karl-OttoMünnichverdankeichvieleAnregun- gen, darunter nicht zuletzt die besonders von K.-O. Münnich immer wieder in den Vordergrund gestellte Denkweise, Teile der physischen Umwelt nicht isoliert, sondern als Bausteine eines Ganzen zu sehen, die Denkweise also, die gerne als Interdisziplinarität bezeichnet wird. Schließlich möchte ich Prof. Hans Oeschger danken.ErermöglichtemireinenhalbjährigenAufenthaltinseinemInstitutinBern undhatmichwährenddieserZeitganzbesondersfürdieProblemedesKlimasund derKlima-Änderungsensibilisiert. AndieserStellewillichmichauchfürdiezahlreichenHinweiseundVorschläge aus dem Kreis der Hörer meiner Vorlesungen bedanken. Viele ihrer Anregungen sind in dieses Buch eingeflossen. Ebenso bedanke ich mich bei Doris Meinhardt, die das abgeschlossene Manuskript dieses Buches sorgfältig durchgesehen, mich auf Fehler und Verbesserungsmöglichkeiten hingewiesen und bei dem Lesen der Korrekturenunterstützthat.NichtzuletztrichtetsichmeinbesondererDankanden Springer-Verlag in Heidelberg und an seine Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen für dasInteresseandiesemBuchundfürdiehervorragendeBetreuung,dieicherfahren durfte. Ich möchte mit der Bitte an die Leserinnen und Leser dieses Buches schließen, michaufnochverbliebeneFehleraufmerksamzumachen.EbensosindVorschläge fürVerbesserungensehrwillkommen. Heidelberg,imDezember1991 WalterRoedel Inhaltsverzeichnis 1 StrahlungundEnergieindemSystem Atmosphäre/Erdoberfläche ................................. 1 1.1 EinigeGrundlagen ..................................... 2 1.1.1 DieErdealsPlanet ............................... 2 1.1.2 DieGesetzederthermischenStrahlung ................ 5 1.1.3 GrundlagenderStrahlungsübertragung ................ 7 1.1.4 DieZusammensetzungderErdatmosphäre .............. 15 1.2 DiesolareEinstrahlung .................................. 19 1.2.1 DasglobaleBildderUmsätzesolarerStrahlung .......... 19 1.2.2 Absorption,StreuungundspektraleVerteilung ........... 24 1.3 TerrestrischeStrahlung .................................. 42 1.3.1 DasglobaleBild–derTreibhauseffekt ................. 43 1.3.2 EmissionundAbsorptionterrestrischerStrahlung ......... 45 1.3.3 Strahlungsübertragung, Strahlungsflüsse, Strahlungskühlung ............................... 49 1.4 Strahlungs-undEnergiebilanzen ........................... 54 1.4.1 DieStrahlungsbilanzderErdoberfläche ................ 54 1.4.2 GesamtbilanzdesSystemsvonAtmosphäreund Erdoberfläche .................................. 56 1.5 TemperaturenderbodennahenLuft.......................... 61 Literatur ................................................. 64 2 DievertikaleStrukturderAtmosphäre........................ 67 2.1 DieDruckabnahmemitderHöhe ........................... 67 2.2 DasvertikaleTemperaturprofilderAtmosphäre................. 73 2.2.1 DertrockenadiabatischeTemperaturgradientundder BegriffderpotenziellenTemperatur ................... 74 2.2.2 DerfeuchtadiabatischeTemperaturgradient ............. 79 2.2.3 TemperaturgradienteninderNähederErdoberfläche ...... 82 XI
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