PHYSIK & METEOROLOGIE

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1 JOHANNES GUTENBERG UNIVERSITÄT MAINZ Fachbereich Physik PHYSIK & METEOROLOGIE Studienführer 7. überarbeitete Auflage 2004

2 II Umschlagbild Das Umschlagbild versucht den weiten Bereich der Größenverhältnisse darzustellen, in denen die Institute der Universität Mainz physikalische Forschung betreiben. Angefangen wird bei den globalen Maßstäben, die im Institut für Physik der Atmosphäre behandelt werden, repräsentiert durch ein Bild des Hurrikans Mitch vor der Küste Honduras, Durchmesser ca km und ein Bild einer lokalen Wolkenformation, Durchmesser ca m. Den Größenbereich eines Menschen stellen zwei Funktionsaufnahmen der menschlichen Lunge dar, die mit einer im Institut für Physik entwickelten Methode eine gesunde Lunge (links) mit der eines Rauchers (rechts) vergleichen. Im Bereich unter einem Millimeter untersucht die Kolloidphysik z.b. Phasenübergänge in Suspensionen, dargestellt durch die Kristallisation einer Suspension von 1 µm großen Kügelchen in einer Lösung. Auf noch kleinerem Maßstab werden im nächsten Bild einzelne Kalzium-Ionen (10 10 m) in einer Paul-Falle gefangen und zur Kristallisation gebracht. Der im nächsten Bild schematisch dargestellte Kernbaustein (Nukleon) hat eine Größe von etwa m und ist ein primäres Forschungsobjekt des Institutes für Kernphysik. Noch kleinere Strukturen (10 18 m) werden in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum CERN untersucht, hierzu ein rekonstruiertes Bild eines Z 0 -Teilchens, welches im ALEPH-Detektor zerfällt und durch drei Teilchenstrahlenbündel identifiziert werden kann. Die im letzten Bild untersuchten Quarkstrukturen sind ca mal kleiner als die im ersten Bild gezeigte Wetterstruktur.

3 III Studienführer Physik/Meteorologie am Fachbereich 18 (Physik) Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Staudinger Weg 7 Herausgeber: Fachbereich 18 (Physik) der Johannes Gutenberg-Universität Mainz Redaktion: Prof. Dr. Jürgen Arends, Prof. Dr. Hartmut Backe, Prof. Dr. Dieter Drechsel, Dr. Martin Jourdan, Prof. Dr. Lutz Köpke, Dr. Harald Merkel, Dr. Walter-Georg Panhans, Sören Zorn Unter Mitwirkung bei vorhergehenden Auflagen von: Dr. Kurt Aulenbacher, Prof. Dr. Peter Beckmann, Prof. Dr. Rolf Brockmann, Dr. Michael Distler, Dr. Hans Haag, Dr. Anke Hannemann, Klaus Hermanspahn, Michael Hofmann, Stephan Klesy, Sabine Klotter, Jörg Knappen, Roland Kuprat, Dr. J. C.Martinez, Lars Nungesser, Dr. Klaus Peters, Prof. Dr. Erwin Reichert V.i.S.d.P. Der Dekan des Fachbereiches Physik Prof. Dr. Kurt Binder Staudingerweg Mainz Alle Angaben wurden nach bestem Wissen und Gewissen gemacht. Eine Gewähr für die Vollständigkeit und die Richtigkeit wird jedoch nicht geleistet. Redaktion und Herausgeber sind dankbar für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler.

4 IV Vorwort des Dekans Die Wahl des richtigen Studiums kann vorentscheidend sein für das weitere Leben und den Beruf und sollte gut überlegt sein. Dieser Studienführer soll dabei helfen. Ohne Physik wäre die heutige Zivilisation, mit Informationstechnik, Verkehrstechnik, Energietechnik, Medizintechnik etc. als vielfältigen Anwendungen der in der Physik erarbeiteten Grundlagen, gar nicht denkbar! Auch bei neuen Technologien, die das 21. Jahrhundert noch bringen wird, wird die Physik eine unverzichtbare Grundlage sein. Physikalische Denkweisen, Begriffsbildungen, bzw. Messmethoden spielen auch bei vielen anderen Wissenschaften (Mathematik, Informatik, Chemie, Biologie, Geowissenschaften, etc.) eine Rolle, und auch von der Berufsausübung her sind Physiker Generalisten, man findet Physiker in den verschiedensten Industriezweigen tätig, aber selbst bei Unternehmensberatungen und Banken, denn die Modellierungen im Rahmen des Risiko Managements haben viele Ähnlichkeiten mit physikalischen Modellvorstellungen. Und nicht zuletzt ist die Physik eine Wissenschaft, in der die weitere Erforschung der Naturvorgänge eine ganz große Rolle spielt, und ein sehr breites und schönes Tätigkeitsfeld weiterhin öffnet. Manchen fällt das Studium der Physik, das ja auch Einiges an Mathematik beinhaltet, am Anfang schwer; aber der Einsatz und die Mühe, die es erfordert, werden reichlich belohnt durch das Vergnügen und den Gewinn, tiefe Fragen zu verstehen wie den Ursprung des Universums, der Struktur der Materie von den Elementarteilchen bis zu den Eigenschaften von flüssigen und festen Materialien, oder die Vorgänge in der Atmosphäre beim Wettergeschehen. Dieser Studienführer möchte auf der einen Seite einen Eindruck vermitteln, wie alle diese Themen in das Physikstudium in Mainz einfließen, und zugleich viele Fragen der unterschiedlichsten Art beantworten, die angehende Physikstudenten oft haben. Obwohl Erfahrungen mit früheren Auflagen in dem vorliegenden Text berücksichtigt wurden, bleiben sicher manche Fragen offen, bzw. manche Einzelheit ist nicht ausführlich genug behandelt: die Studienberater und andere Mitglieder des Fachbereichs geben gerne weitere Auskünfte. Ich möchte allen Studentinnen und Studenten zu solchen persönlichen Kontakten sehr ermutigen! Der Studienführer gibt auch einen Überblick über den Ablauf des Studiums, das mit dem Grad eines Diploms in Physik bzw. Meteorologie bzw. dem Staatsexamen für das Lehramt an Gymnasien abschließt. Zur Zeit werden weitere Studiengänge, die einen Bachelor- bzw. Masterabschluss haben sollen, geplant; auf aktuelle Informationen des Fachbereichs Physik zu diesen und anderen Fragen sei auf die Homepage des Fachbereichs Physik im World Wide Web ( verwiesen.

5 V Ich wünsche, dass dieser Studienführer vielen Studentinnen und Studenten den Weg in die Physik weist und damit zu einem sehr interessanten und zukunftsträchtigen Studium, und dass der Studienführer dabei mithilft, dass sie dabei Erfolg haben. Univ.-Prof. Dr. Kurt Binder Dekan

6 VI Allgemeines zur Benutzung des Studienführers Diese einleitenden Zeilen sollen Ziel und Handhabung des Studienführers ein wenig erläutern. 1. Für WEN ist der Studienführer gedacht? Die erste Gruppe, an die sich der Text wendet, sind die Studienanfänger. Diese Broschüre soll ihnen helfen zu beurteilen, ob das Studium in Mainz ihren Interessen entgegenkommt, und ihren Studienstart so zu organisieren, dass das Studium der Physik oder der Meteorologie möglichst reibungslos aufgenommen werden kann. Die zweite Gruppe sind die Studentinnen und Studenten 1 der Physik und Meteorologie selbst. Während des gesamten Studiums kann der Studienführer Planungs- und Entscheidungshilfe sein, ob es um die Wahl der Vorlesungen für das nächste Semester oder um eine Orientierung über interessante Themengebiete für eine Diplomarbeit geht. 2. Welchen INHALT hat der Studienführer? Im ersten Kapitel wird dargestellt, welche besonderen Methoden und Inhalte das Physikstudium heute zu vermitteln sucht. Zusätzlich findet man Informationen über Berufsbild und -chancen des Physikers. Im zweiten Kapitel wird der Inhalt der Studiengänge unter anderem in Form von Studienplänen erläutert. An dieser Stelle werden dann auch die wichtigen Veranstaltungen vorgestellt, die das vermitteln, was zum Verständnis und zum Erlernen der Physik und der Meteorologie nötig ist. Im folgenden 3. Kapitel sind Auszüge aus den Diplomprüfungsordnungen und die Prüfungsordnung für den Studiengang Lehramt an Gymnasien abgedruckt. Diese Prüfungsordnungen legen die formalen Voraussetzungen für eine erfolgreiche Durchführung des Studiums verbindlich fest. Ihre genaue Kenntnis ist also für den Studenten unerlässlich (die in Kapitel zwei vorgestellten Studienpläne berücksichtigen natürlich die Prüfungsordnungen). Der etwas trockene Text wurde durch Kommentare näher erläutert; vor allem wurden die als Prüfungsvoraussetzung nötigen Leistungsnachweise ( Scheine ) aufgeführt. 1 Im Text dieses Studienführers wird im Interesse der leichteren Lesbarkeit anstelle der Doppelbezeichnungen nur die männliche oder weibliche Schreibweise verwendet

7 VII Kapitel 5 informiert umfassend über die derzeit in Mainz durchgeführten Forschungen. Der Leser erfährt auf welchen Gebieten am Fachbereich geforscht wird und welche Möglichkeiten Studenten haben, als Diplomanden oder Staatsexamenskandidaten auf diesen Gebieten mitzuarbeiten. 3. Was ist in diesem umfangreichen Studienführer für wen interessant? Die nachfolgenden Hinweise sollen hier eine Hilfe geben. Ich weiß noch nicht, ob ich Physik studieren soll. Was soll ich lesen? Für Einsteiger gedacht ist insbesondere das erste Kapitel, das einen kurzen Einblick in die Stellung der Physik heute gibt. Hier finden sich auch Informationen über den Physiker im Beruf. Wer näher daran interessiert ist, welche Probleme heute in Mainz bearbeitet werden, kann sich Kapitel 5 über die Arbeitsgruppen ansehen. Selbstverständlich wird man als Anfänger nicht alles verstehen können, was an dieser Stelle dargestellt ist; man erhält aber auf jeden Fall einen Überblick über die Forschungsaktivitäten. Ich habe bereits anderswo Physik studiert. Was soll ich lesen? In diesem Fall ist die Lektüre der Studienordnungen und des Studienplans (Kapitel 3) interessant. Auf spezielle Probleme wie etwa die Anerkennung von Scheinen anderer Universitäten kann im Rahmen dieses Studienführers leider nicht eingegangen werden; hier muss auf die individuelle Studienberatung verwiesen werden. Außerdem ist sicherlich der abschließende Teil über die wissenschaftlichen Arbeitsgruppen (Kapitel 5) sehr interessant. Über die besonderen Förderungsmöglichkeiten und Forschungseinrichtungen in Mainz informieren die Kapitel 4 und 5. Ich bin Studienanfänger. Wie soll ich mein Studium organisieren? Zur Erstellung eines Stundenplans sind vor allem die tabellarischen Vorschläge in Kapitel 2 in Verbindung mit dem aktuellen Vorlesungsverzeichnis (erhältlich in Mainzer Buchhandlungen und beim AStA) hilfreich. Auch die Fachschaftsvertretung kann hier auf den Einzelfall bezogene Hinweise geben. Mit den Studienplänen werden Vorschläge gemacht, die es dem Studierenden vom ersten Semester an erleichtern sollen, sein Studium zu organisieren. Damit kann geholfen werden, Fehler zu vermeiden, die zu einer unnötigen Verlängerung des Studiums führen, sowie die Auswahl der Veranstaltungen mit den persönlichen Interessen abzustimmen.

8 VIII Anzumerken ist noch der amtliche Charakter der Prüfungsordnung, deren genauer Text bei den jeweiligen Prüfungsämtern erhältlich ist 2. Während die im Studienführer abgedruckten Studienpläne den Charakter von Vorschlägen haben, ist der Inhalt der Prüfungsordnungen verbindlich. Ihre genaue Kenntnis ist daher für den Studenten unerlässlich; wichtige Auszüge finden sich in Kapitel 3. Ich möchte eine Diplomarbeit machen. Wie erfahre ich, wo ich eine interessante Arbeit finde? Das Kapitel 5 stellt die Möglichkeiten vor, die man derzeit hat, in Mainz eine Diplomarbeit durchzuführen. Da in diesem Zusammenhang auch alle Forschungstätigkeiten möglichst verständlich beschrieben werden, kann der Leser prüfen, inwieweit Inhalte und Methoden möglicher Diplomarbeiten seinen eigenen Interessen entsprechen. Damit sollte eine erste Orientierungshilfe für die Suche nach einer Diplomarbeit gegeben sein. Im Anhang befindet sich eine Zusammenstellung vieler wichtiger und nützlicher Adressen. Wir hoffen, dass dieser Studienführer von Nutzen bei der Entscheidung über ein Studium der Physik oder Meteorologie und bei der Organisation des Studiums sein wird. 2 siehe auch

9 INHALTSVERZEICHNIS IX Inhaltsverzeichnis Impressum Vorwort des Dekans Zur Benutzung des Studienführers III IV VI 1 Einleitung Physik was ist das? Arbeitsgebiet und Zielrichtungen der modernen Physik Ist das Physikstudium heute noch aktuell? Welche Stellung hat die Physik in unserer Gesellschaft? Welche Arbeitsgebiete kennt man in der Physik? Welche Beziehung hat die Physik zu anderen Bereichen der Wissenschaft? Ziele physikalischer Forschung und anwendungsorientierte Physik Welche Rolle spielt der Computer heute in der physikalischen Forschung? Was unterscheidet ein Physikstudium von technischen oder ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen? Welche Voraussetzung hat das Physikstudium? Was bietet Mainz als Studienort in der Physik? Aktivitäten des Fachbereichs Physik für Schüler und Lehrer Meteorologie was ist das? Einordnung des Faches Welche Ziele verfolgt man in der meteorologischen Forschung? Beobachtende, experimentelle und theoretische Meteorologie Datenverarbeitung und Computer in der Meteorologie Meteorologie und die Physik der Atmosphäre im Beruf Der Weg zum Meteorologiestudium Meteorologie im Studium Was bietet Mainz als Studienort für Meteorologie? Physik in Schule und Universität Unterschiede in der Methodik und den Inhalten Wie wird Physik gelehrt? Übersicht zu Berufsbild und Berufsperspektiven Physik Meteorologie

10 X INHALTSVERZEICHNIS 2 Das Studium der Physik und der Meteorologie Allgemeine Hinweise zum Aufbau des Studiums Diplom in Physik Grundstudium Hauptstudium Verträglichkeit mit anderen Studiengängen European Credit Transfer System (ECTS) Diplom in Meteorologie Gliederung und Inhalt des Studiums Grundstudium Hauptstudium Verträglichkeit mit anderen Studiengängen Studiengang für das Lehramt an Gymnasien im Fach Physik Vorbemerkung Übersichten zum Studium Studienordnung für das Lehramt an Gymnasien für das Fach Physik Prüfungsordnungen Allgemeine Hinweise zu den Prüfungsordnungen Diplom in Physik Diplomvorprüfung Diplomhauptprüfung Diplom in Meteorologie Diplomvorprüfung Diplomhauptprüfung Lehramt an Gymnasien Zwischenprüfung Erste Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien im Fach Physik Die wissenschaftliche Prüfungsarbeit Förderungen während des Studiums BAFÖG Stipendien Auslandsstipendien Hilfsassistententätigkeit

11 INHALTSVERZEICHNIS XI 5 Die Wissenschaftlichen Arbeitsgruppen Diplomarbeit, was tun und wozu? Die Arbeitsgruppen am Institut für Physik Atom-, Kern- und Teilchenphysik Experimentelle Teilchen- und Atomphysik (ETAP) Experimentelle Atom- und Kernphysik (EXAKT) Theoretische Elementarteilchenphysik Physik der Kondensierten Materie (KOMET) Das Institut für Kernphysik Experimentelle Projekte Theoretische Kern- und Mittelenergiephysik Das Institut für Physik der Atmosphäre Physik und Chemie der Wolken und des Niederschlags Atmosphärische Aerosole Theoretische Meteorologie Atmosphärische Strömungssysteme Sonderforschungsbereiche, Graduiertenkollegs und Forschungszentren Benachbarte Institute und Einrichtungen Die Studentische Vertretung im Fachbereich Physik Adressenanhang 115 Index 122

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13 1 1 Einleitung 1.1 Physik was ist das? Arbeitsgebiet und Zielrichtungen der modernen Physik Die fundamentalen Fragen in der modernen Physik, an denen sich fast alle Arbeiten orientieren und die auf den verschiedensten Wegen angegangen werden, sind die Frage nach dem Aufbau, der Struktur der Materie und den zwischen den Bausteinen wirkenden Kräften, den Wechselwirkungen. Nachdem man gelernt hatte, dass Materie aus Atomen aufgebaut ist und dass das Atom aus einem massiven Kern und einer Hülle besteht, wurde der Kern selbst zum Forschungsgegenstand. Heute untersucht man die Atomkerne im Hinblick auf eine noch tiefere Struktur, den Aufbau der Protonen und Neutronen aus sogenannten Quarks. Dazu werden auch in Mainz Experimente durchgeführt und theoretische Modelle entwickelt, die uns eine bessere und genauere Vorstellung vom Aufbau der Materie vermitteln sollen. Ein weiteres Kernproblem ist die Frage, wieviele unabhängige Arten von Wechselwirkungen es gibt. Ziel der Physiker ist es dabei, die Kräfte zwischen den Körpern zu vereinheitlichen. So wurden z.b. schon im letzten Jahrhundert Elektrizität und Magnetismus in der Maxwellschen Theorie des Elektromagnetismus verschmolzen. Zwischen 1960 und 1970 gelang dann die Zusammenfassung der Elektrodynamik und der schwachen Wechselwirkung, die u.a. für den Beta-Zerfall verantwortlich ist und bis dahin als unabhängiges Phänomen angesehen wurde. Etwa gleichzeitig wurde die vordem rein phänomenologisch behandelte starke Wechselwirkung (Kernkräfte) auf den Austausch von Gluonen zwischen Quarks zurückgeführt (Quantenchromodynamik). Angestrebt wird nun, auch die elektroschwache mit der starken Wechselwirkung und schließlich mit der Gravitation zusammenzufassen. Dies waren nur zwei spezielle Aspekte der Untersuchung von Strukturen und Wechselwirkungen. Daneben stehen Untersuchungen an Vielteilchensystemen wie etwa Festkörpern, die, obwohl man die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Atomen im Prinzip gut kennt, als Ganzes eine charakteristische und vielfach überraschende Dynamik entwickeln. Darüber hinaus gibt es viele lohnende und interessante Teilgebiete die dazu beitragen, unser Verständnis grundsätzlich bekannter Phänomene zu vertiefen, und auf denen speziell auch anwendungsorientierte Fragestellungen angegangen werden.

14 2 1 EINLEITUNG Ist das Physikstudium heute noch aktuell? Von Max Planck, dem Mitbegründer der Quantentheorie, wird berichtet, er habe sich im Alter von 16 Jahren 1874 bei dem Physiker Jolly nach den Aussichten des Physikstudiums erkundigt. Dieser riet ihm davon ab mit der Begründung, in der Physik seien inzwischen alle wesentlichen Probleme abschließend erforscht, und es gebe nur noch einige Randgebiete und Unklarheiten zu untersuchen. Planck selbst trug später maßgeblich dazu bei, das Tor zu einem völlig neuen Naturverständnis aufzustoßen. Heute ist die Physik eine der lebendigsten Naturwissenschaften. In kaum einer anderen Wissenschaft wurden in den letzten Jahren so viele umwälzende Entdeckungen gemacht, und nach aller bisherigen Erfahrung wird sich diese Entwicklung auch in den kommenden Jahren fortsetzen. Zum einen sind die Physiker noch immer bei der Suche nach den fundamentalen Gesetzmäßigkeiten der Materie und der Kräfte der Natur und zum anderen bei der analytischen und numerischen Verifikation bereits anerkannter Gesetzmäßigkeiten (wie z.b. der Vielteilchensysteme). Schließlich hat die Erfahrung gezeigt, dass gerade von der Grundlagenforschung immer wieder ganz wesentliche Entdeckungen ausgingen, so erinnern wir zum Beispiel an den vielfältigen Einsatz des Lasers, die Kernspintomographie, das Internet etc., allesamt Entwicklungen, die sich aus der zunächst zweckfreien Grundlagenforschung ergaben Welche Stellung hat die Physik in unserer Gesellschaft? Die Methodik und die Ergebnisse der Physik haben eine Bedeutung erlangt, die weit über das Fach selbst hinausgeht. So hat die Methode, Fragen empirisch, d.h. durch Beobachtung zu klären, ihren Ursprung in der Physik. Der Übergang vom geozentrischen Weltbild zu unserem heutigen Weltbild, in dem unsere Erde einen völlig anderen Stellenwert hat, wäre ohne physikalische Überlegungen nicht möglich gewesen. Durch die Fortschritte in den Naturwissenschaften, speziell in der Physik, hat der Mensch gelernt, seine Umwelt besser zu verstehen und rational zu erfassen. Auch die Vorstellung, dass die Welt aus Atomen aufgebaut ist, hat unsere Kultur tief geprägt. Diese Beispiele deuten an, dass die Physik sehr viel stärker unsere Kultur und unser Denken beeinflusst, als uns dies in der Regel bewusst ist. Das Physikstudium gibt nun die Möglichkeit, die Grundlagen dieser Ideen detailliert zu studieren und an ihrer Fortentwicklung teilzuhaben.

15 1.1 Physik was ist das? Welche Arbeitsgebiete kennt man in der Physik? Jede Unterteilung des Oberbegriffs Physik ist in gewisser Weise willkürlich. Die einzelnen Gebiete lassen sich nicht isoliert betrachten; vielmehr befruchten und ergänzen sich die einzelnen Bereiche gegenseitig. Dennoch trifft man eine Untergliederung aufgrund der Arbeitsmethode und des Arbeitsgebiets, auf dem ein Physiker überwiegend arbeitet. Im Hinblick auf die verwendeten Methoden unterscheidet man zwischen theoretischer Physik und experimenteller Physik. Das Ziel der physikalischen Forschung ist es, die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten des Aufbaues und der Wechselwirkung der Materie zu bestimmen. Die Physik konzentriert sich dabei auf solche Bereiche der Natur, die der gezielten Beobachtung im Experiment zugänglich sind. Kennzeichnend für die physikalische Methode ist nicht nur, dass die Physik ihre Aussagen durch Experimente absichert, sondern auch, dass sie ihre Aussagen in der strengen Sprache der Mathematik darstellt. Die mathematische Formulierung gestattet es, die Konsequenzen von Annahmen zunächst im mathematischen Formalismus zu entwickeln und dann durch gezielte Experimente zu testen. Ein Beispiel: Man vermutet, dass die Kräfte auf die Planeten den gleichen Gesetzen unterworfen sind, nach denen ein Apfel auf der Erde fällt. Da man dieses Kraftgesetz gut kennt, lassen sich unter Verwendung dieses Gesetzes die Bahnen der Planeten berechnen. Stimmen nun die beobachteten Planetenbahnen mit den berechneten überein, so ist dies ein guter Beweis für die Behauptung, dass das Gravitationsgesetz auch für die Planetenbewegung gilt. Theoretiker und Experimentatoren arbeiten also Hand in Hand. Was beide unterscheidet, sind die jeweiligen Arbeitsmethoden. Einer der wichtigsten Aspekte bei der physikalischen Arbeit ist kreative Intuition. Während der Theoretiker hauptsächlich nach zutreffenden Abbildungen physikalischer Sachverhalte auf mathematische Strukturen sucht, versucht der Experimentator in erster Linie, physikalische Fragen durch die Konzeption eines Experimentes, in dem der Sachverhalt möglichst eindeutig beobachtet werden kann, zu beantworten. Dementsprechend bedient sich der Theoretiker überwiegend fortgeschrittener mathematischer Methoden, während für den Experimentator die Lösung technischer Probleme einen Großteil der Arbeit ausmacht. Ausgangspunkt ist in beiden Fällen eine offene physikalische Frage und eine Idee, wie man sie klären könnte, sei es durch Behandlung im Experiment oder im Rahmen des mathematischen Formalismus.

16 4 1 EINLEITUNG Welche Beziehung hat die Physik zu anderen Bereichen der Wissenschaft? Die Physik stellt die die Grundlage für zahlreiche Wissenschaftsbereiche dar, sei es dadurch, dass sie die methodischen, insbesondere apparativen Voraussetzungen liefert, oder dadurch, dass die physikalischen Gesetze Rahmen und Rückgrat theoretischer Denkansätze darstellen. Sie nimmt auf der anderen Seite aber auch Anregungen aus anderen Disziplinen auf. Anhand einiger Beispiele sei dieses Zusammenspiel erläutert: Mathematik: Das Zusammenwirken von Mathematik und Physik ist bereits historisch, denn beide Disziplinen sind gemeinsam gewachsen. Durch die Einführung der Differentialrechnung wurde der Weg zur dynamischen Beschreibung der Mechanik eröffnet. Seitdem war immer wieder die Entwicklung der physikalischen Theorien mit der Entwicklung mathematischer Verfahren eng verbunden; umgekehrt hat oft die Anwendung in der Physik die Weiterentwicklung mathematischer Verfahren angeregt. Die Abhängigkeit ist hier durchaus gegenseitig. Chemie: Historisch gesehen hat sich die Chemie erst durch die quantitative Beobachtung physikalischer Größen zu einer exakten Naturwissenschaft entwickelt. Die physikalische Chemie stellt heute das Hauptanwendungsgebiet der Thermodynamik dar; der thermodynamische Formalismus erlaubt eine Beschreibung der bei einer chemischen Reaktion ablaufenden Prozesse. Erst die Anwendung der Quantenmechanik hat ein tieferes Verständnis chemischer Bindungen ermöglicht. In der chemischen Analysetechnik haben physikalische Verfahren wie Massenspektroskopie, optische und Röntgenspektroskopie, Kernspinresonanzmessung oder Absorptionsspektroskopie die klassischen chemischen Nachweisverfahren, z.b. Fällungsreaktionen, weitgehend verdrängt. Biologie: Hier basiert die gesamte Mikroskopie, sei es mit Licht oder mit Elektronen in allen Varianten auf der gezielten Anwendung physikalischer Forschungsergebnisse. Die Biologie ist eine Wissenschaft, in der häufig präzise chemische oder physikalische auch Strukturanalysen durchgeführt werden müssen. Damit ist sie ebenfalls auf die entsprechenden physikalischen Messverfahren angewiesen. Daneben gibt es auf dem Gebiet der Biophysik eine enge Zusammenarbeit: Hier werden biologische Phänomene unter physikalischen Gesichtspunkten betrachtet, etwa Bewegungsabläufe, die Statik von Knochengerüsten, neurophysiologische Prozesse u.ä.

17 1.1 Physik was ist das? 5 Medizin: Gerade in neuerer Zeit finden physikalische Verfahren in der Medizin weite Anwendung. Neben den bekannten Röntgengeräten verwendet man heute in der Diagnostik Ultraschallgeräte, Kernspintomographen und Tracermethoden, d.h. die Markierung mit radioaktiven Präparaten. Seit einiger Zeit werden auch Teilchenbeschleuniger zu therapeutischen Zwecken eingesetzt. Schließlich ist ein ganzes Teilgebiet der medizinischen Forschung, die Physiologie, aus der Physik hervorgegangen Ziele physikalischer Forschung und anwendungsorientierte Physik Es ist schwer, zwischen reiner Grundlagenforschung und einer anwendungsorientierten Physik zu trennen, denn beide Bereiche befruchten sich ständig gegenseitig. Üblicherweise zählt man die Festkörperphysik mehr zu den anwendungsorientierten Bereichen, denn viele der Ergebnisse der Festkörperforschung finden unmittelbar in der Halbleiter-, Kunststoff- und Glasindustrie Anwendung. Aber gerade die Verleihung des Nobelpreises an Klaus von Klitzing (1985) machte deutlich, dass auch in der Festkörperphysik viele fundamentale Aspekte erforscht werden, die über die rein praktische Anwendungsmöglichkeit hinausgehen. In Mainz wird sowohl theoretische als auch experimentelle Festkörperphysik betrieben. Auch die Arbeit im Institut für Kernphysik hat eine sehr stark technisch orientierte Note, da zum Aufbau des Elektronenbeschleunigers, der Spektrometer und der Detektoren eine Vielzahl von Verfahren erstmals entwickelt und erprobt werden müssen. Darüber hinaus gibt es mit der Forschung mit Röntgenstrahlen und der Entwicklung von Frei-Elektronen-Laser Aktivitäten auf dem Gebiet der Angewandten Physik. Ganz allgemein haben die in der Physik entwickelten Methoden, Techniken und Apparaturen häufig eine Bedeutung weit über das jeweilige Labor hinaus; damit enthält die Physik eine Komponente, die sie unabhängig von den behandelten Fragen anwendungsorientiert macht Welche Rolle spielt der Computer heute in der physikalischen Forschung? Der Computer ist heute in allen Bereichen der Physik ein unentbehrliches Werkzeug geworden. In der experimentellen Physik dient er in erster Linie dazu, bei Experimenten Daten aufzunehmen, die Experimente zu steuern und schließlich die Messergeb-

18 6 1 EINLEITUNG nisse auszuwerten. Programme dafür müssen in der Regel speziell für die Anwendung geschrieben werden. Auch in der theoretischen Physik spielt der Computer heute eine zentrale Rolle in zweierlei Hinsicht. Zum einen lässt sich im allgemeinen für die relevanten Gleichungen der Physik die Lösung nicht mehr analytisch gewinnen, d.h. geschlossen hinschreiben; man ist daher in solchen Fällen auf numerische Lösungen angewiesen, die häufig mit extrem hohem Rechenaufwand verbunden sind. Zum anderen sind viele Rechnungen in der theoretischen Physik so komplex, dass man auf Computersysteme angewiesen ist, die diese Gleichungen symbolisch lösen können, d.h. mit Formeln ebenso operieren können wie mit Zahlen. Ein methodisch zwischen Theorie und Experiment angesiedelter Zweig der Forschung ist die Computersimulation. Computerexperimente werden genutzt, um die Nachweismöglichkeit physikalischer Phänomene in reellen Experimenten zu untersuchen und deren Nachweiswahrscheinlichkeit quantitativ zu bestimmen. Das Verständnis physikalischer Phänomene profitiert zudem ungemein von der Untersuchung virtueller Modellsysteme. Das Verhalten komplexer wechselwirkender Vielteilchensysteme (das können Nukleonen eines Atomkern ebenso sein wie Makromoleküle in einem Kunststoff oder Sterne in einer Galaxie) wird aus sehr leistungsfähigen Rechnern simuliert und so die durch Theorie und Experiment gewinnbare Einsicht ergänzt. Sinngemäß ähnliche Verfahren habe übrigens Eingang in die industrielle Anwendung gefunden, z.b. simulierte Crashtests von Automobilen! Kaum ein Physiker kommt daher an der Beschäftigung mit dem Computer vorbei. Dies hat den positiven Nebeneffekt, dass Physiker nach ihrem Studium vielfältige Berufsaussichten haben, da inzwischen nahezu alle Branchen auf den Umgang mit Computern angewiesen sind. Aufgrund der besonderen Bedeutung des Einsatzes des Computers in der Physik bieten wir als Spezialisierung das Wahlpflichtfach Computerphysik an Was unterscheidet ein Physikstudium von technischen oder ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen? Das Physikstudium ist im Gegensatz zu ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen primär nicht auf die Ausbildung für einen bestimmten Arbeitsbereich ausgerichtet. Es will vielmehr zum Stand moderner physikalischer Grundlagenforschung hinführen und damit die Möglichkeit geben, sich mit neuen naturwissenschaftlichen Erkenntnissen zu beschäftigen. Dabei kommt der Physikstudent jedoch zwangsläufig in Kontakt mit neuesten Geräten und Arbeitsmethoden, die zum Teil erst noch entwickelt werden müssen. Dies gibt dem Physiker einen klaren Vorsprung beispielsweise vor den Absolventen

19 1.1 Physik was ist das? 7 von Ingenieur-Studiengängen. Durch die Vielfalt der Probleme und Methoden, die der Physiker während seiner Ausbildung kennenlernt, gewinnt er eine große Flexibilität und ist deshalb in der Lage, sich in wechselnde, neuartige Techniken in kurzer Zeit einzuarbeiten. Diese Tatsache und die Vielseitigkeit des Physik-Studiums verschaffen dem Diplom-Physiker eine spezifische Qualifikation, wie sie sich sonst in anderen Studiengängen nicht wiederfindet. Näheres zum Thema Berufsaussichten im Kapitel Welche Voraussetzung hat das Physikstudium? Neben den formalen Zulassungsvoraussetzungen 3 für den Studiengang Physik sind folgende Faktoren wesentlich, um ein Physikstudium erfolgreich zu durchlaufen: Zunächst ist ein überdurchschnittliches Interesse an naturwissenschaftlichtechnischen und mathematischen Überlegungen erforderlich. Daneben ist die Fähigkeit zum Denken in mathematischen Strukturen notwendig, da sowohl in der experimentellen als auch besonders in der theoretischen Physik fortgeschrittene mathematische Methoden angewendet werden. In beiden Bereichen wird heute weitgehend mit Computern gearbeitet, so dass die Bereitschaft vorhanden sein muss, sich mit den hiermit zusammenhängenden Problemen auseinanderzusetzen. Lücken in den von der Schule mitgebrachten Physikkenntnissen können während des Studiums geschlossen werden. Dies setzt aber ein entsprechendes Interesse und einen entsprechenden persönlichen Einsatz voraus. Unter diesen Voraussetzungen reichen Schulkenntnisse im Umfang eines Grundkurses durchaus aus. Da ein Großteil der physikalischen Fachliteratur in englischer Sprache verfasst ist, sind gute englische Sprachkenntnisse besonders im fortgeschrittenen Studium erforderlich Was bietet Mainz als Studienort in der Physik? Mainz bietet experimentelle Möglichkeiten auf den Gebieten der Elementarteilchenphysik, Kernphysik, 3 Im Fach Physik bestehen zur Zeit keine Zulassungsbeschränkungen. Ein Hochschulzugang für beruflich qualifizierte Personen ist unter strikten Voraussetzungen auch ohne Abitur möglich (

20 8 1 EINLEITUNG Astrophysik, Atomphysik, Festkörperphysik (Magnetismus, Supraleitung, etc.), Polymerphysik und Weiche Materie, Beschleunigerphysik, angewandte Physik und Mikrostrukturphysik. Es ist selbstverständlich, dass hier mit modernen Laser- und Computertechniken gearbeitet wird. In Mainz gibt es aber auch eine Besonderheit: MAMI, das MAinzer MIkrotron. Es handelt sich dabei um einen speziellen Teilchenbeschleuniger, der als erster in der Welt einen kontinuierlichen Strahl von Elektronen mit einer Energie von derzeit 855 MeV liefert. Zur Zeit wird dieser Beschleuniger bis zu einer Endenergie von 1500 MeV ausgebaut. Mit einem derartigen Elektronenstrahl lassen sich die Strukturen der Hadronen (stark wechselwirkende Teilchen) und Kerne und deren Wechselwirkung besonders effektiv untersuchen. Dieser Beschleuniger wird nicht nur von Mainzer Physikern sondern auch von zahlreichen Kooperationspartnern aus dem In- und Ausland genutzt. Nicht minder wichtig als die experimentellen Möglichkeiten in Mainz selbst sind Kooperationen mit Großforschungseinrichtungen im In- und Ausland. Viele Experimente erfordern heute Einrichtungen, die so umfangreich und aufwendig sind, dass sie nicht von einer einzelnen Hochschule, ja nicht einmal von einem einzelnen Land gebaut, unterhalten und genutzt werden können. Hier ist die überregionale und internationale Kooperation gefordert. Mainzer Physiker arbeiten so mit dem Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf, der Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt, dem Institut Laue-Langevin in Grenoble und anderen Einrichtungen zusammen. Für die Ausbildung haben derartige Kooperationen nicht nur wegen der interessanten experimentellen und technischen Möglichkeiten besondere Bedeutung, sondern auch deshalb, weil hier im Rahmen der Grundlagenforschung die Fähigkeit gefördert und entwickelt wird, in größeren technischen Zusammenhängen (termingerecht!) mitzuarbeiten. Auf dem Gebiet der theoretischen Physik gibt es ein breites Spektrum von Arbeitsgruppen, die sich mit aktuellen Problemen der Elementarteilchenphysik, Kernphysik, Physik der kondensierten Materie

21 1.1 Physik was ist das? 9 beschäftigen. In Mainz liegen fast alle Einrichtungen der Universität (mit Ausnahme der Kliniken) in enger Nachbarschaft auf einem Gelände, dem sog. Campus. Dies erleichtert die Kontakte zu anderen Fächern und Instituten. Besonders eng ist die Zusammenarbeit mit Instituten der Fachbereiche Chemie und Biologie, sowie den beiden auf dem Campus befindlichen Max-Planck-Instituten für Chemie und Polymerforschung. Eine ausführliche Information über die Arbeitsmöglichkeiten in Mainz findet sich in Kapitel 5. Neben den wissenschaftlichen Arbeitsgruppen am Fachbereich selbst finden sich dort auch Hinweise auf die zahlreichen Institutionen, mit denen der Fachbereich eng verknüpft ist, den Graduiertenkollegs und Sonderforschungsbereichen der Deutschen Forschungsgemeinschaft und den fachbereichsübergreifenden Forschungszentren der Universität (Kapitel 5.5) Aktivitäten des Fachbereichs Physik für Schüler und Lehrer Mit einer Reihe von Programmen und Veranstaltungen 4 wollen wir Lehrerinnen und Lehrer in ihrer Arbeit unterstützen und fortbilden neue Interessenten für die Naturwissenschaften gewinnen aktuelle wissenschaftliche Themen - und die Schwerpunkte der Universität Mainz - in einer allgemein verständlichen Weise einer breiten Öffentlichkeit zugänglich machen Für Lehrerinnen und Lehrer bieten wir regelmäßig mehrtägige Fortbildungen an. Ein Arbeitskreis Physik an Schule und Hochschule trifft sich mehrfach im Jahr für Vorträge und Diskussionen. Unser Ziel ist die naturwissenschaftliche Ausbildung in Schule und Hochschule durch Vernetzung zu verbessern, zudem sehen wir die Schulen als unsere wichtigsten Multiplikatoren an. Jedes Jahr veranstalten wir an 5-6 aufeinanderfolgenden Samstagen unsere beliebte Vortragsreihe Physik am Samstagmorgen für Schüler und Lehrer. Forschungspraktika ( Physik erleben ) für Oberstufenschüler, Naturwissenschaftliches Schülerlabor Nat-Lab für Mittelstufenschüler, Veranstaltungen für Mittelstufenschüler und Informationstage in Zusammenarbeit mit der zentralen Studienberatung ( BISS ) sind weitere wichtige Programme des Fachbereichs. Wir führen eine Liste mit mehr als 15 allgemeinverständlichen Vorträgen, die Wissenschaftler unseres Fachbereichs für Schulen anbieten. 4 Eine ausführlichere Beschreibung unseres Angebots findet sich unter

22 10 1 EINLEITUNG Alarmiert durch die Tatsache, dass Frauen in den meisten Naturwissenschaften immer noch unterrepräsentiert sind, wurde das Ada Lovelace-Projekt initiiert an dem wir uns im Rahmen des Nat-Lab engagieren. Die Beteiligung der Studierenden an diesen Projekten ist höchstwillkommen! Gute Kontakte zu den Schulen und die Beobachtung, dass Schüler weniger Berührungsängste zeigen, kommen uns zu Gute; im Gegenzug bieten wir eine fachübergreifende Ausbildung zu Mentorinnen und Mentoren. Dieser Blick in die Praxis sollte besonders hilfreich für Lehramtsstudierende sein; häufig werden zudem Staatsexamensarbeiten angeboten, die die Schülergerechte Vermittlung moderner Physik oder die Nutzung neuen Medien in der Lehre zum Inhalt haben.

23 1.2 Meteorologie was ist das? Meteorologie was ist das? Einordnung des Faches Die Meteorologie befasst sich wissenschaftlich mit der Lufthülle der Erde, der Atmosphäre. Zum Arbeitsgebiet gehören dabei die Beobachtung (Messung) und die Analyse der erhaltenen Daten. Damit sollen die kurz- und langfristigen Vorgänge in der Atmosphäre erfasst werden und einen Beitrag zu ihrem Verständnis liefern. Das geschieht mit Hilfe von physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten. Solche erkannten Gesetzmäßigkeiten erlauben schlussendlich auch eine Vorhersage. Häufig wird die Meteorologie als Physik der Atmosphäre verstanden. Das erfasst aber nur einen Teil des komplexen Geschehens. Typische physikalische/chemische Beobachtungsgrößen für die Atmosphäre sind Luftdruck, Wind, Temperatur, Niederschlag, Feuchte, Einstrahlung, aber auch das Vorkommen und die Konzentration von Spurenbestandteilen, wie Ozon, Sulfat, Staub, Wolken und Eis. Die Mittel zur Beschreibung sind die Gesetze der Hydrodynamik und Thermodynamik, Elektrodynamik (Ausbreitung von sichtbarer und infraroter Strahlung) zur Erfassung des Energiehaushaltes der Atmosphäre und Erde und Chemie. Die Meteorologie ist ein Musterbeispiel eines interdisziplinär angelegten Faches der Umweltwissenschaften. Daher sind zum Verständnis auch Gesetzmäßigkeiten der Chemie, Biologie, Geowissenschaften und Medizin erforderlich. Besonders die Chemie der Atmosphäre hat sich in den letzten 30 Jahren, ausgehend von einem Mainzer Meteorologen, zu einem eigenständigen Zweig entwickelt. Bisheriger Höhepunkt ist die Verleihung des Nobelpreises für Chemie 1995 an den Mainzer Prof. Dr. Paul Crutzen, einem ausgebildeten Meteorologen, vom benachbarten Max-Planck-Institut für Chemie gewesen, für seine herausragenden Beiträge zur Erforschung des Ozonloches. Bindungen bestehen aber auch zu den Geowissenschaften, wie der Geophysik und der Ozeanographie. Die Zuordnung des Faches Meteorologie an der Hochschulen in Deutschland und der Welt ist nicht einheitlich. Am häufigsten findet man das Fach in den Fachbereichen und Fakultäten für Physik oder Geowissenschaften, aber auch an den Fakultäten für Agrar-, Forst- oder Umweltwissenschaften. Die aktuelle Diskussion über Klimaänderung, aber auch die sich anscheinend häufenden Umweltkatastrophen und die Umweltbelastungen halten die Meteorologie im öffentlichen Interesse und versprechen eine interessante Entwicklung des Faches.

24 12 1 EINLEITUNG Welche Ziele verfolgt man in der meteorologischen Forschung? Die Meteorologie bestimmt durch Messungen den Zustand der Atmosphäre und leitet daraus -basierend auf den Gesetzen der Physik, Chemie und Mathematik, sowie früheren Messungen- Wissen und Kenntnisse über die Atmosphäre, ihren Zustand und ihre Eigenschaften ab. Dazu werden Modelle entwickelt, die entsprechend der Fragestellung unterschiedlich komplex sind. In bestimmten Bereichen befindet sich die Meteorologie im Zustand der Datenund Erkenntnisgewinnung und alle Arbeiten dabei dienen der Grundlagenforschung. In anderen Bereichen sind Verständnis, Erfahrung und technologisches Know-how so gewachsen, dass Vorhersagen -zum Beispiel bezüglich des Wettersmöglich sind und zunehmend genauer werden. Bemerkenswert ist, welche Anteile und welche Prozesse in der Atmosphäre sich immer noch einer routinemäßigen Erfassung entziehen. Dies trifft etwa auf die hohe Atmosphäre zu, die durch Ballons und Raketen nur punktweise erreichbar ist. Satelliten liefern zwar Informationen rund um die Uhr, doch die sind ausschließlich über die Messung von Strahlung (also Bildern ) gewonnen worden, und ihre Daten bedürfen der Anpassung und Eichung an die physikalischen und chemischen Parameter, die man erfassen will. So kann man etwa an die Temperatur denken, einen klassischen Parameter, der den Energieinhalt der Luft beschreibt. Messungen vom Satelliten aus ergeben eine Strahlungstemperatur, die physikalisch durchaus aber eine andere Eigenschaft ist. Wie jeder weiß, ist der Zustand der Atmosphäre in höchstem Maß wechselnd, von Ort zu Ort, von Tag zu Tag, ja von Stunde zu Stunde. Es ist nicht möglich diese Variation messtechnisch zu erfassen bzw. aufzulösen. Der zeitliche und örtliche Abstand der Messungen muss gefüllt werden und zwar mit Modellen, die aus Anfangsdaten und Erhaltungssätzen weitere Entwicklungen errechnen. Das geht aber nur, wenn die physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten bekannt sind. Und da setzt die Forschung an. So werden im Labor einzelne Vorgänge untersucht, etwa die Schadstoffaufnahme beim Fallen einzelner Regentropfen. Oder es wird die Umströmung von Hindernissen untersucht. Die Ergebnisse gehen dann parametrisiert, also durch möglichst wenige Gleichungen vereinfacht dargestellt, zumeist in lokale Modelle ein, die vielleicht später einmal in regional und globale Modelle eingefügt werden. So kann letztendlich die Wettervorhersage und/oder auch die Klimavorhersage verbessert werden. Und dies ist von eminenter Bedeutung für unsere Gesellschaft und die Menschheit insgesamt, wie durch zunehmende Schäden auf Grund von Stürmen, Überflutungen und auch grenzüberschreitenden Ereignissen wie etwa des Tschernobylunfalls, oder der luftgetragenen Ausbreitung von Schad-

25 1.2 Meteorologie was ist das? 13 stoffen, Krankheitserregern etc. dokumentiert ist Beobachtende, experimentelle und theoretische Meteorologie Im Rahmen der experimentellen Meteorologie werden im Labor unter Kontrolle aller Bedingungen Versuche angestellt und Ergebnisse gewonnen. Wichtig dabei ist, dass alle Bedingungen, die das Experiment beeinflussen können, eingestellt und kontrolliert werden. So muss man z.b. in einer Eiskammer die Temperatur und die Feuchte kontrollieren, will man eine bestimmte Frage beantworten. In der Atmosphäre kann man natürlich nicht die Bedingungen einstellen, vielmehr ist man auf das angewiesen, was die Natur so alles anbietet. Daher ist es erforderlich, möglichst viele Parameter gleichzeitig zu erfassen, ein Unterfangen, das Einzelne kaum leisten können. Daher erfolgen solche Beobachtungen heute häufig in Form großer Kampagnen, an denen viele Gruppen abgestimmt teilnehmen. Solche Unternehmungen, an denen das Institut für Physik der Atmosphäre in der letzten Zeit teilgenommen hat sind LACE98 (Lindenberg Atmospheric Chemistry Experiment 1998) und THESEO (Third European Stratospheric Experiment on Ozone), ein Unternehmen mit Stratosphärenflugzeugen in den Tropen. Dabei ging es zu erfassen, welche atmosphärischen Beimengungen durch die hochreichenden Wolkentürme in den Tropen nach oben hin heraustransportiert werden und so möglicherweise in die Stratosphäre gelangen. Für solche Unternehmungen müssen Messgeräte speziell entwickelt und an die harten Umgebungsbedingungen in Flugzeugen und in der hohen und sehr kalten Atmosphäre angepasst werden. Diese meteorologische Forschung ist daher sehr stark in der Geräteentwicklung (und damit in der technologischen Anwendung grundlegender physikalischer oder chemischer Prinzipien) engagiert. Die theoretische Meteorologie auf der einen Seite entwickelt neue Parametrisierungen bekannter Gesetze, denn es ist nicht möglich, in numerischen Computermodellen an allen (Gitter-) Punkten alle Größen zu berechnen. Parametrisierungen erlauben es, mit einfachen Gleichungen Näherungen vorzunehmen, die die atmosphärischen Vorgänge möglichst unverfälscht repräsentieren. Auf der anderen Seite benutzt die theoretische Meteorologie die Ergebnisse von Messungen in der Atmosphäre, um das Bild der Atmosphäre weiter zu entwickeln. Häufig liefert sie dabei Ergebnisse, die durch Experimente und Beobachtungen überprüft werden können. So ergänzen sich theoretische und experimentelle (beobachtende) Meteorologie gegenseitig in hohem Maße.

26 14 1 EINLEITUNG Datenverarbeitung und Computer in der Meteorologie Viele Vorgänge in der Atmosphäre sind derart kompliziert, dass keine analytischen Lösungen zu den Gleichungen vorliegen, und vielmehr Nährungen, sowie Simulationen durch numerische Rechnungen meist in Form sehr umfangreicher Modelle erfolgen müssen. Bei der Komplexität der Atmosphäre geht das nur mit leistungsstarken Computern. Die Meteorologie ist daher stets Schrittmacher gewesen im Einsatz von Computern und die größten und schnellsten Computer stehen in den Wetterzentralen und in den meteorologischen Forschungszentren. Die europäischen Staaten haben sich zusammengeschlossen, um Rechenzentren für meteorologische und klimatologische Modellrechnungen zu betreiben. Das wird besonders in der Wettervorhersage deutlich, die stets ein Wettlauf mit der Zeit ist, denn die Ergebnisse müssen rechtzeitig vorliegen. Da wird es auch deutlich, dass man häufig Vereinfachungen in Kauf nehmen muss, nur um zeitlich im Rahmen zu bleiben. Mit jeder neuen Rechnergeneration kann man einen Teil dieser Vereinfachungen zurücknehmen, aber andererseits hat der Gewinn an physikalischem und chemischen Wissen um die Atmosphäre in der Zwischenzeit zugenommen und die Modelle sind anspruchsvoller und komplizierter geworden. Solche Modelle und die ihnen zu Grunde liegenden Rechenverfahren müssen entwickelt und dann programmiert werden. Dies geht nur mit umfassender und ausgefeilter (z.b. Prozessorzeit sparender) Programmiertechnik und der Kenntnis über die Methoden und Grenzen numerischer Möglichkeiten. Hier sind Phantasie und Ausdauer gefragt Meteorologie und die Physik der Atmosphäre im Beruf Es ist bekannt, dass die Routinewetterbeobachtung und -vorhersage ein Arbeitsgebiet der Meteorologen ist. Weitere Einsatzgebiete ergeben sich wegen der Kenntnis über die Ausbreitung und die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre auf dem Gebiet der Luftreinhaltung und der atmosphärischen Hygiene. So arbeiten Ämter für Luftreinhaltung mit Meteorologen und beim Bau von Häusern, Fabriken und Straßen sind Meteorologen gefragt wegen der möglichen Auswirkungen auf das Klima und die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna. Im Bereich des Pflanzenschutzes etwa eröffnen Meteorologen durch die Vorhersage und Feststellung bestimmter atmosphärischer Zustände, Schutzmaßnahmen (Einsatz von Insektiziden) gezielt, punktgenau, wirksam und sparsam einzusetzen. Aber ein Studium der Meteorologie ist auch eine ausgezeichnete Vorbereitung auf Berufe in vielen anderen Bereichen. So ist es längst üblich Meteorologen im Bereich der Versicherungen (Wetterextreme: Sturm, Hochwasser, Dürren, und der numerischen Modellierung von Schadensverläufen und Risikoabschätzungen), Ban-

27 1.2 Meteorologie was ist das? 15 ken (Optionen auf wetterabhängige Güter und Ereignisse, statistische oder analytische Analysen des Börsengeschehens, sowie der Entwicklung von neuen Finanzprodukten), Schifffahrt, Luftverkehr, Stadtämtern, staatliche Verwaltung bis hin zur Unternehmensberatung einzusetzen. Weiterhin finden ausgebildete Meteorologen Arbeit in den Forschungsabteilungen der chemischen Industrie, der Luft und Raumfahrt, bei Automobil- und Verbrennungstechnik, der messtechnischen Industrie, im Pharmabereich, sowie der Computerindustrie. Die ausgeprägte Kenntnis beim Umgang mit vielen Daten empfiehlt Meteorologen auch auf dem Gebiet der (großvolumigen) Datenbanken und der Verarbeitung von Satellitendaten Der Weg zum Meteorologiestudium Traditionell kommen Schüler in der Schule zum ersten Mal im Geographieunterricht mit der Meteorologie und der Klimatologie in Berührung. Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, wäre es durchaus wünschenswert, in den Lehrplänen für Physik und Chemie auch die Meteorologie einzuführen. So wäre leicht und eindrucksvoll die e rstaunliche Tatsache zu erklären -und experimentell zu zeigen-, dass auf einer rotierenden Erde wegen der Corioliskraft die Luft nicht direkt von einem Hoch zu einem Tief fließt, sondern Umwege nimmt. Oder dass Wolken sich nicht einfach bilden, wenn 100% Luftfeuchtigkeit erreicht wird. Aber auch im täglichen Leben ist Meteorologie ein Gesprächsthema, meistens allerdings in der vereinfachten Form der Wettervorhersage, oder deren Zutreffswahrscheinlichkeit. In populärwissenschaftlichen Fernsehsendungen wird deutlich, dass Meteorologen häufig in Regionen und abgelegenen Gebieten der Erde arbeiten, wo die Welt noch unerforscht ist. Das ist etwas für Neugierige, neugierig auf die Natur, unsere Welt und Umwelt. Diejenigen, die gern mit PCs umgehen finden schnell heraus, dass jede Art von Computertechnologie zu den täglich eingesetzten Standardwerkzeugen der Meteorologen gehört Meteorologie im Studium Das Studium der Meteorologie beginnt mit einer gründlichen Ausbildung in Mathematik und experimenteller und theoretischer Physik, begleitet von Nebenfächern wie der Chemie, aber natürlich auch der Meteorologie. Das eigentliche, intensive Fachstudium beginnt nach dem Vordiplom. Es vertieft die Kenntnisse besonders in der theoretischen Meteorologie weit über das hinaus, was typischerweise Gegenstand der Ausbildung in Physik ist. Im Anschluss an diese Ausbildung wird die Diplomarbeit angefertigt. Ein Diplomand soll zeigen, dass er ein wissenschaftliches