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1 1 Strahlung und Energie in dem System Atmosphäre/Erdoberfläche Einige Grundlagen Die Erde als Planet Die Gesetze der thermischen Strahlung Grundlagen der Strahlungsübertragung Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre Die solare Einstrahlung Das globale Bild der Umsätze solarer Strahlung Absorption, Streuung und spektrale Verteilung Terrestrische Strahlung Das globale Bild; der Treibhauseffekt Emission und Absorption terrestrischer Strahlung Strahlungsübertragung, Strahlungsflüsse, Strahlungskühlung Strahlungs- und Energiebilanzen Die Strahlungsbilanz der Erdoberfläche Gesamtbilanz des Systems von Atmosphäre und Erdoberfläche Temperaturen der bodennahen Luft 60 Literatur 63 2 Die vertikale Struktur der Atmosphäre Die Druckabnahme mit der Höhe Das vertikale Temperaturprofil der Atmosphäre Der trocken-adiabatische Temperaturgradient und der Begriff der potentiellen Temperatur Der feucht-adiabatische Temperaturgradient Temperaturgradienten in der Nähe der Erdoberfläche Das atmosphärische Temperaturprofil als Ganzes und der damit verbundene Stockwerk"-Aufbau der Atmosphäre Schichtungsstabilität 87 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 2.3.1 Einige qualitative Überlegungen zur Schichtungsstabilitätund zur Bildung von Inversionen Quantitative Formulierung eines Stabilitätsmaßes; Brunt-Väisälä-Schwingungen und Schwerewellen Effekte bei konvektiv-turbulenter Durchmischung und bei kollektiver Hebung und Senkung der Luft Feuchtlabilität und Äquivalenttemperatur 95 Literatur 97 Atmosphärische Dynamik Kräfte in der Atmosphäre und die allgemeine Bewegungsgleichung Gradient- und Coriolis-Kraft und der geostrophische Wind Bewegung unter dem Einfluß von Reibungskräften Der Einfluß der Schwerkraft; das Geopotential Die allgemeine Bewegungsgleichung DieKontinuitätsgleichung; Konvergenzen und Divergenzen Die Erhaltung der Wirbelstärke ( Vorticity") Vorticity und Vorticity-Gleichung Potentielle Vorticity Beschleunigung und Windfelder als Folge horizontaler Temperaturgefalle. Barotrope und barokline Schichtung. Thermischer Wind Bodenreibung und spezielle Dynamik der bodennahen Luftschichten 135 Literatur 141 Die atmosphärische Zirkulation Globale Zirkulationsmuster Die Zone der Westwinddrift Barotrope und barokline Wellen Fronten Zyklonen und Antizyklonen in der Westwinddriftzone Weitere Details der globalen Zirkulation Passate, Hadley-Zelle und Subtropenjet Zeitliche und räumliche Variationen der Strömungsmuster El Niño/Southern Oscillations ( ENSO") Einige Charakteristika der stratosphärischen Zirkulation und des Austauschs zwischen Stratosphäre und Troposphäre 185

3 ix 4.4 Einige Anmerkungen zu kleinräumigen thermischen Zirkulationen 191 Literatur Niederschlag, Wasserkreislauf, Klimazonen Mikrophysik der Kondensation und der Niederschlagsbildung Die homogene Kondensation Heterogene Kondensation Die weitere Entwicklung des Niederschlags Der globale Wasserkreislauf; Niederschlags-und Klimazonen Der Kreislauf von Verdunstung und Niederschlag Klimazonenund regionale Verteilung von Niederschlag und Verdunstung Auswaschen atmosphärischer Spurenstoffe durch den Niederschlag Auswaschen von Aerosolpartikeln Auswaschen von Gasen durch den Niederschlag Grundlagender Hydrometeorologie mit stabilen Isotopen Isotopentrennung bei der Verdunstung Einfache Kondensationsmodelle Stabile Isotope in der Natur 252 Literatur Diffusion und Turbulenz Molekulare Diffusion Ein- und dreidimensionale Zufallsbewegung als Idealtyp einer Diffusion Diffusive Flüsse skalarer und vektorieller Beimengungen Die Diffusionsgleichung Grundlagen der Turbulenz Die Beschreibung der turbulenten Bewegung Energiedichtespektren ( power spectra") Autokorrelationen Größenordnung der horizontalen und vertikalen Fluktuationen Turbulente Diffusion Quadratisch gemittelte Verschiebung und das Theorem von Taylor Das Konzept der korrelierten Fluktuationen als allgemeiner Ansatz für turbulent-diffusive Flüsse und die hieraus folgende Transportgleichung Der Gradientansatz für die turbulente Diffusion Die frei diffundierende Beimengungswolke und die K ~ a 4 / 3 -Beziehung Empirische Bestimmung der Diffusionsparameter 322 Literatur 326

4 x Inhaltsverzeichnis 7 Dynamik der bodennahen Luftschichten; Diffusion und Austausch in Bodennähe Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei neutraler Temperaturschichtung Das logarithmische Windprofil Der Einfluß wechselnder Bodenreibung Austausch und Dynamik in der Prandtl-Schicht bei thermisch nichtneutraler Schichtung Kenngrößen zur Parametrisierung labilisierender oder stabilisierender Auftriebskräfte Zusammenhang zwischen Flüssen und Gradienten Der Einfluß von Wasserdampf auf die Stabilität bzw. Labilität Freie Konvektion Transport skalarer Beimengungen zur Erdoberfläche hin bzw. von der Erdoberfläche weg; Transferwiderstände und Transfergeschwindigkeiten Transferwiderstand und Transfergeschwindigkeit Bulk-Transferkoeffizienten Modelle für den Transferwiderstand und die Transfergeschwindigkeit skalarer Beimengungen in der laminar-viskosen Unterschicht Gasaustausch zwischen Luft und Wasser Trockene Deposition von Aerosolpartikeln Einige Anmerkungen zum Anschluß an die Ekman-Schicht und an die äußere Atmosphäre 387 Literatur Atmosphärische Spurengase Überblick Radikalchemie Heterogene Reaktionen Reaktionsgeschwindigkeiten und atmosphärische Lebensdauer Wichtige chemische Reaktionszyklen in der Atmosphäre Ozon in der Stratosphäre Ozon-Produktion und -Verteilung Abbau-Reaktionen Das Ozon-Loch" Vulkanische Einflüsse auf die Ozonschicht Globale Ozonabnahme Ozonchemie in der Troposphäre Photochemische Smog-Bildung Oxidationskapazität der Atmosphäre Kohlendioxid 428

5 xi Übersicht Der säkulare CO 2 -Anstieg Kohlendioxid im Ozean Einfluß ozeanischer Karbonatsedimente Kreisläufe weiterer atmosphärischer Spurengase CH 4 undco Schwefelverbindungen Stickstoffverbindungen Halogenverbindungen 455 Literatur Aerosole Entstehung und Lebenslauf atmosphärischer Aerosole Aerosolproduktion: Nukleation und Dispersion Lebenslauf troposphärischer Aerosole; Größenverteilungen Globale Aerosolquellen; Häufigkeit chemischer Elemente Grundzüge der Aerosoldynamik Reibungskräfte Thermische Diffusion und thermische Koagulation Stratosphärische Aerosole Troposphärische Aerosole und atmosphärischer Strahlungshaushalt 510 Literatur Klima und Klimaveränderungen Klimaänderungen in der Vergangenheit Paläoklima Klima seit der Industrialisierung Einfache Kenngrößen zur Beschreibung des Klimawandels: Klimaantriebe und Klimasensitivität Verschiedene Definitionen für das Radiative Forcing Übersicht über verschiedene Klimaantriebe Rückkopplungsmechanismen und Klimasensitivität Methoden zur Bestimmung der Klimaempfindlichkeit Klimamodelle Überblick Zirkulationsmodelle ( general circulation models", GCM) 565 Literatur 577 Sachverzeichnis 581