Vorwort 1. Einleitung, Begriffsbestimmungen 3. 1 Zusammensetzung und Aufbau der Atmosphäre. 1.1 Allgemeines 5

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1 Inhalt Seite Vorwort 1 Einleitung, Begriffsbestimmungen 3 1 Zusammensetzung und Aufbau der Atmosphäre 1.1 Allgemeines Die trockene Atmosphäre. Homosphäre und Heterosphäre Wasserdampf Ozon Kohlendioxid Aerosolkerne Bildungsprozesse Ausfällen Größenordnung und Einteilung Luftverunreinigungen Thermischer Aufbau der Atmosphäre Troposphäre Stratosphäre Mesosphäre Thermosphäre Exosphäre Elektrischer Aufbau der Atmosphäre Magnetosphäre '12 2 Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde und der Atmosphäre 2.1 Strahlung und Strahlungsgesetze Elektromagnetisches Strahlungsspektrum Definition von Strahlungsgrößen Grundgesetze der Temperaturstrahlung (Schwarzkörperstrahlung) Emissions-, Absorptions-, Reflexions- und Transmissionsgrad Emissionsgrad eines Temperaturstrahlers und Kirchhoffsches Gesetz Plancksches Gesetz Stefan-Boltzmannsches Gesetz Wiensches Verschiebungsgesetz Strahlungstransport durch ein Medium 17 III

2 2.2 Die solare Strahlung Allgemeines Die spektrale Verteilung der solaren Strahlung Die extraterrestrische Sonnenstrahlung Schwächung der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre Direkte Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche Diffuse Sonnenstrahlung (Himmelsstrahlung) Globalstrahlung Einfluß der Bewölkung auf die Sonnenstrahlung Globale Verteilung der solaren Strahlungsgrößen Albedo und Strahlungsgewinn der Erdoberfläche an solarer Strahlung Planetare Bilanz der solaren Strahlung Terrestrische Strahlung Strahlung der Erdoberfläche Strahlung der Atmosphäre Globale Strahlungsbilanzen Erdoberfläche Atmosphäre Energieaustausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre Zeitliche und geographische Variation der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche Tagesgang der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche Jahresgang der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche Globale Verteilung der mittleren jährlichen planetaren Strahlungsbilanz (Erde einschließlich Atmosphäre) Nicht strahlungsbedingte Energieaustauschprozesse zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre Wärmeleitung und turbulenter Transport fühlbarer Wärme Thermische Konvektion Transport latenter Wärme Meridionale Wärmetransporte 29 } Die Lufttemperatur 3.1 Definition und Einheiten Faktoren, welche die Lufttemperatur bestimmen Tagesgang und Tagesschwankung Jahresgang und Jahresschwankung Globale Temperaturverteilung Extremwerte Vertikale Temperaturverteilung 35 1 Die Luftfeuchte 4.1 Meßgrößen des Wasserdampfgehaltes 36 Г

3 4.2 Die Dichte feuchter Luft. Einführung der virtuellen Temperatur Tagesgang Jahresgang Globale Verteilung Vertikale Verteilung 39» Der Luftdruck 5.1 Definition und Maßeinheiten Die Druckgradientkraft Hydrostatisches Gleichgewicht Statische Grundgleichung Vertikaler Druckgradient und barometrische Höhenstufe Die barometrische Höhenformel Das Geopotential Darstellung des Bodendruckfeldes Reduktion des Luftdruckes auf NN Isobaren und Druckgebilde Druckänderungen Topographien der Druckflächen Absolute Topographie der 1000-hPa-Fläche Relative Topographie der Druckflächen Absolute Topographie der Druckflächen Die Standardatmosphäre 48 S Luftbewegungen 6.1 Definition und Darstellungsweise Eigenschaften des horizontalen Windfeldes Kräfte bei horizontaler Luftbewegung Die horizontale Druckgradientkraft Die Corioliskraft Die Reibungskraft Die Bewegungsgleichungen für eine horizontale Luftbewegung Gleichgewichtsformen des horizontalen Windfeldes Der Eulersche Wind Der antitriptische Wind Der geostrophische Wind Der Gradientwind Der Reibungswind Der zyklostrophische Wind Trägheitsströmung oder Inertialwind Ageostrophische Windkomponenten 61

4 6.7 Vertikale Windänderung und vertikaler Aufbau der Druckgebilde Die vertikale Änderung des geostrophischen Windes Vertikaler Aufbau der Druckgebilde Barotropie - Baroklinität Thermisch ausgelöste Zirkulationsbewegungen; Entstehung horizontaler Druckunterschiede Lokale Winde Land- und Seewind Anabatische und katabatische Winde Föhn Turbulenz Allgemeines Turbulenz in der planetarischen Grenzschicht Turbulenz in der freien Atmosphäre Wirkung der Turbulenz 72 7 Thermodynamische Auswertung aerologischer Vertikalsondierungen 7.1 Allgemeines Thermodynamische Diagramme Zweck und Inhalt Trockenadiabaten Feuchtadiabaten Linien gleichen Sättigungsmischungsverhältnisses Das Stüve-Diagramm Das (T, log p)-diagramm Gleichgewichtszustände in der Atmosphäre Beispiel aus der Mechanik Trockene Luft Gesättigte Luft Bedingte Stabilität oder Labilität Hebungskondensationsniveau (HKN) Latente Labilität und Niveau freier Konvektion Potentielle Labilität Thermik und Konvektion Trockenthermik (Blauthermik) und Cumulus-Thermik Aufheizungsenergie (nach GOLD) Änderung des Hebungskondensationsniveaus durch Thermik Bestimmung des Konvektions-Kondensationsniveaus Auslöseadiabate, Auslösetemperatur und Auslöseenergie Bestimmung der Cumulusobergrenze Änderungen des Konvektions-Kondensationsniveaus und der Cumulusobergrenze durch weitere Erwärmung 84 VI

5 8 Wolken, Nebel, Niederschläge und Gewitter Seite 8.1 Kreislauf des Wassers Zustandsformen und Besonderheiten des Wassers Aggregatzustände Phasenübergänge Dichte des Wassers Sphärische Tropfenform Wasserdampfsättigung Wolkenbildungskerne Kondensationskerne Sublimationskerne und Gefrierkerne Mischkerne Wolkenbildungs- und Wolkenauflösungsprozesse Wolkenbildung durch Zunahme des Wasserdampfes Wolkenbildung durch diabatische Abkühlung Wolkenbildung durch adiabatische Abkühlung Künstliche Wolkenbildungsprozesse Wolken in der Strato- und Mesosphäre Wolkenauflösungsprozesse Die Wolkenklassifikation Wolkenelemente Wolkenbereiche und Wolkenstockwerke Wasserwolken Eiswolken Mischwolken Das Aussehen der Wolken, Wolkenmerkmale Wolkengattungen, Arten und Unterarten Nebel Allgemeine Eigenschaften des Nebels Prozesse der Nebelbildung und der Nebelauflösung Nebelarten Die Niederschläge Die fallenden Niederschläge Niederschlagsbildung in reinen Wasserwolken Niederschlagsbildung in Mischwolken Die aufgewirbelten Niederschläge Die abgesetzten Niederschläge Das Gewitter Voraussetzungen für die Entstehung von Gewittern Einteilung der Gewitter Entwicklungsstadien einer Gewitterzelle 110 П

6 8.9.4 Die Gewitterelektrizität Das elektrische Schönwetterfeld der Erde Ladungsverteilung im Cb und Elektrisierungsprozesse Entladungsprozesse, Blitz und Donner Trombe und Tornado Vieljährige Niederschlagssummen Allgemeine Zirkulation 9.1 Mittlere Luftdruck- und Windverteilung in Bodennähe Hauptluftmassen und Frontalzonen Strömungsverteilung in Troposphäre und Stratosphäre Lange Wellen Vertikalbewegungen und Zirkulationsformen Vertikalbewegungen und Zirkulationsform in den Tropen Vertikalbewegungen und Zirkulationsform in den gemäßigten Breiten Energetik der allgemeinen Zirkulation Synoptische Phänomene innerhalb der Westwindzone 10.1 Luftmassen Entstehung, Klassifikation und Eigenschaften Luftmassentransformation Fronten und Frontalzonen Definition Entstehung (Frontogenese) Gleichgewichtsbedingungen an einer Frontfläche Struktur der Polarfront Erscheinungsform der Fronten Der Lebenszyklus der Idealzyklone Initialphase Die Warmsektorzyklone Okklusion und Alterungsprozeß Entwicklung der Höhenströmung während der Zyklogenese Zyklonenfamilien Antizyklonen Zur Dynamik der Druckgebilde Mechanismus der Druckänderungen Mechanismus der Wirbelentstehung Modell für Zyklogenese und Antizyklogenese im Bodenfeld Divergenz-Konvergenz-Verteilung in den Wellen der Höhenströmung Zur Rolle der Temperaturadvektion Zusammenfassung 145 Ш

7 11 Besonderheiten der tropischen Zirkulation Seite 11.1 Der indische Sommermonsun Wellen in der Passatströmung Tropische Wirbelstürme Entstehungsbedingungen Entwicklung des Wirbelsturms Horizontaler und vertikaler Aufbau eines Wirbelsturms Verlagerung und Lebensdauer der Wirbelstürme Hurrikan-Warnungen Walkerzirkulation und El-Nino-Phänomen Anhang: Die Erde als Himmelskörper A. 1.1 Größenverhältnisse 155 A.1.2 Keplersche Gesetze, Gravitation 155 A. 1.3 Gewichtskraft und Gestalt 156 A.1.4 Gravitation und Atmosphäre 156 A.1.5 Erdbahn, Jahr und Jahreszeiten 157 A.l.5.1 Erdbahndaten 157 A Ekliptik 157 A Jahr und Jahreszeiten 157 A Beleuchtungsverhältnisse der Erde 158 A Einfluß des Mondes auf die Erdbahn 160 A Präzessionsbewegung der Erdachse 160 A.1.6 Erdrotation, Zeiten und Zeitgleichung, Tag und Nacht 160 A Sterntag 160 A.l.6.2 Wahrer Sonnentag 160 A Mittlerer Sonnentag und Zeitgleichung 160 A Zonenzeiten 161 A.l.6.5 Universalzeit (UTC) 161 A Astronomische und bürgerliche Dauer von Tag und Nacht Anhang: Optische Erscheinungen in der Atmosphäre A.2.1 Allgemeines 161 A.2.2 Halos 161 Α.2.3 Regenbogen 162 Α.2.4 Kränze und Glorien 163 A.2.5 Literatur zur Optik Anhang: Einheiten und abgeleitete Größen 165 Sachwortverzeichnis 167 Weiterführende Literatur 181 IX

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