Die Atmosphäre der Erde

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1 Helmut Kraus Die Atmosphäre der Erde Eine Einführung in die Meteorologie 3. erweiterte und aktualisierte Auflage Mit 211 Abbildungen Springer

2 Inhaltsverzeichnis Teil I Einige Grundlagen 1 1 Erster Blick in die Atmosphäre 3 2 Die Skalendenkweise 9 3 Die Teilgebiete der Meteorologie 15 4 Größen, Zahlenwerte, Einheiten 17 Teil II Die meteorologischen Elemente 21 5 Der Luftdruck Zusammensetzung der Luft Die allgemeine Gasgleichung Das Daltonsche Gesetz Die barometrische Höhenformel Die Druckmessung Die Luftdruck-Verteilung an der Erdoberfläche 30 6 Die Windgeschwindigkeit Definition Messung und Registrierung des Windes Änderung von Größen mit den Feldkoordinaten Der Transport einer spezifischen Eigenschaft Die Begriffe Haushalt und Advektion 43 7 Die Temperatur Erste thermodynamische Begriffe Die Hauptsätze der Thermodynamik Thermo dynamische Potentiale und spezifische Wärme Die Definition der Temperatur und ihrer Maßskalen Die Temperaturänderung eines Luftteilchens bei Vertikalbewegungen Haushalt und Flussdichten fühlbarer Wärme" Die Temperaturmessung 60

3 XII Inhaltsverzeichnis 8 Die Luftfeuchtigkeit Die verschiedenen Feuchtemaße Der Dampfdruck e Die absolute Feuchte a Die spezifische Feuchte q Das Mischungsverhältnis m Die relative Feuchte/ Der Taupunkt r Die virtuelle Temperatur T v Der Wasserdampftransport Temperatur- und Feuchtefelder nahe am Erdboden Die Energiebilanz an einer Oberfläche Beispiele Die Feuchtemessung Das Psychrometer Andere Feuchte-Messverfahren Die Verdunstung 89 9 Die Strahlung Die Natur der meteorologisch wirksamen Strahlung Die Strahlungsgesetze Nomenklatur von Strahlungsgrößen Das Plancksche Strahlungsgesetz Das Wiensche Verschiebungsgesetz Das Gesetz von Stefan-Boltzmann Das Kirchhoffsche Gesetz Solare und terrestrische Strahlung Phänomenologie der Strahlungsflussdichten Optische Erscheinungen in der Atmosphäre Die Strahlungsmessung Der Aufbau der Atmosphäre Der vertikale Aufbau Einteilung nach dem Temperaturverlauf Standard-Atmosphären Zusatzbemerkungen zur vertikalen Struktur der Troposphäre Der horizontale Aufbau 147 Teil III Thermodynamik und Wolken Änderung meteorologischer Parameter bei adiabatischen Prozessen Änderung der Feuchte beim trocken-adiabatischen Prozess Der sättigungs-adiabatische Temperaturgradient Temperaturschichtung und Stabilität Ursachen für Vertikalbewegungen Stabilitätskriterien Bemerkungen zur Genauigkeit 171

4 Inhaltsverzeichnis XIII 13 Beispiele zur Thermodynamik Die Ausbreitung von Rauchfahnen Entwicklung einer Cumulus-Wolke Doppelte Kondensationshöhe Der Föhnprozess Die gut durchmischte Atmosphärische Grenzschicht unter einer abgehobenen Inversion Thermodynamische Diagrammpapiere Das Stüve-Diagramm Andere Diagrammpapiere Thermodynamische Phänomene Wolken Nebel Niederschlag Allgemeines Hydrometeore 203 Teil IV Dynamik der Atmosphäre Kinematik Die Divergenz der Windgeschwindigkeit Rotation und Zirkulation Stromlinien und Trajektorien Die Bewegungsgleichung Die Newtonschen Axiome Die wirksamen Kräfte Die Navier-Stokes-Gleichung Skalenanalyse Zweidimensionale Windsysteme Eine einfache zweidimensionale Bewegungsgleichung Der geostrophische Wind Der Gradientwind Der zyklostrophische Wind Der Trägheitskreis Der Einfluss der Reibung 252 Teil V Synoptische Meteorologie Allgemeines zur Synoptik Definition, wissenschaftliche und technische Grundlagen, Geschichte Darstellung der synoptischen Felder Thermische Verknüpfung von Boden- und Höhen-Wetterkarten Barotrope und barokline Felder 277

5 XIV Inhaltsverzeichnis 20 Die synoptischen Systeme mittlerer Breiten Phänomene in verschiedenen Skalen Fronten Begriffe, Skalen, Beobachtungen Die Polarfront-Theorie Übergang zur Feld-Theorie Die Feld-Theorie Fronten in unterschiedlichen Skalen 310 Teil VI Klimatologie Die Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre (AZA) Definition der AZA Grundlagen zum Verständnis der AZA Die differentielle Erwärmung des Systems Erde-Atmosphäre Die Erhaltung des Drehimpulses des Systems Erde-Atmosphäre Die Flussdichten Konzeptionelles Bild der Grundzüge der AZA Die Geschichte des Verständnisses der AZA Durch die Land-Wasser-Verteilung bedingte Zirkulationssysteme innerhalb der AZA ENSO Monsun-Zirkulationen Klimavariabilität ENSO (El Nifio Southern Oscillation) NAO (Nordatlatische Oszillation) NP (Nord-Pazifik-Index) Indischer SW-Monsun Sahel-Niederschläge Atlantische Hurrikane Das bodennahe atmosphärische Klima Klimatabellen Klimadiagramme Klimaatlanten Klimakarten Die Klimaklassifikation von Koppen und Geiger Charakterististische Energiebilanzen für unterschiedliche Klimatypen Bodennahe Klimaänderungen Klimavariabilität in Bodennähe Änderung der Lufttemperatur Die Klimageschichte der Erde Das Auftreten der Menschheit in der Klimageschichte der Erde 378

6 Inhaltsverzeichnis XV Anhang A Energie und Leistung im Vergleich 383 Anhang B Fragen und Übungen 387 Literaturverzeichnis 403 Sachverzeichnis 409