Berlin Heidelberg New York Hongkong London Mailand Paris Tokio

Transkript

1 3 Berlin Heidelberg New York Hongkong London Mailand Paris Tokio

2 Helmut Kraus Die Atmosphäre der Erde Eine Einführung in die Meteorologie 3. erweiterte und aktualisierte Auflage Mit 211 Abbildungen 123

3 Autor: Prof. Dr. Helmut Kraus Meteorologisches Institut der Universität Bonn, Auf dem Hügel 20, Bonn 3. erweiterte und aktualisierte Auflage ISBN: Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Springer-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004 Printed in Germany Umschlaggestaltung: Erich Kirchner, Heidelberg Datenkonvertierung und Satz: K. Häringer, A. Stasch Büro Stasch, Bayreuth Gedruckt auf säurefreiem Papier - 32/3141/lt

4 Danksagung Jedes Buch bedarf in der Entstehungsphase eines für das Werk engagierten Kritikers, der sich der zeitaufwendigen Arbeit des genauen Durchlesens und des konsequenten Mitdenkens unterzieht und sich nicht scheut, auch harte Kritik zu üben. Diese Aufgabe hat Herr Dr. Thomas Burkhardt (Akademischer Rat am Meteorologischen Institut der Universität Bonn) auf sich genommen und damit wesentlich zum Gelingen des Ganzen beigetragen. Der Autor dankt ihm für seine unermüdliche und konstruktive Kritik und die vielen Verbesserungsvorschläge. Dank gilt auch all denen, die mir durch Entwurf und Gestaltung von Bildern (s. die Hinweise in den entsprechenden Legenden), durch Lesen einzelner Kapitel oder anderweitig geholfen haben. Ich danke auch meiner lieben Frau für das sorgfältige Korrekturlesen des gesamten Werkes. Bonn, im Frühjahr 2000 Helmut Kraus

5 Bemerkungen zur 3. Auflage Das im Mai 2000 in seiner 1. Auflage beim Vieweg-Verlag erschienene Buch hat seinen Weg zu vielen interessierten Lesern gefunden. Im Dezember 2000 wurde es entsprechend einer Vereinbarung innerhalb der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer vom Springer-Verlag übernommen, der im April 2001 eine 2. Auflage herausbrachte, die dann Ende 2002 nachgedruckt werden musste. Die nun vorliegende 3. Auflage unterscheidet sich von den vorhergehenden einerseits in der äußeren Form durch den Drucksatz, andererseits in Text, Bildern und Tabellen durch Aktualisierungen und viele Ergänzungen. Neu sind Abschnitte über die Verdunstung (Abschn. 8.5), die Strahlungsmessung (Abschn. 9.6), über das ENSO-Phänomen und die Monsune (Abschn. 21.6) und die Klimavariabilität (Abschn. 21.7). Kleinere Ergänzungen betreffen z. B. die Tropischen Zyklonen und die Tornados als Beispiele des zyklostrophischen Windes in Abschn und die bodennahen Klimaänderungen in Abschn Das Sachverzeichnis wurde erweitert, im Literaturverzeichnis findet man zusätzlich Neuerscheinungen der letzten 3 Jahre, aber auch Zitate zu den Ergänzungsabschnitten. Der Gesamtumfang hat um etwa 10 % zugenommen. Danken möchte ich wieder Herrn Dr. Thomas Burkhardt und meiner Frau für die erneut gewährte Hilfe. Die Zusammenarbeit mit dem Springer-Verlag vor allem mit Frau Luisa Tonarelli und Herrn Dr. Christian Witschel und dem für die Datenkonvertierung und den Satz zuständigen Büro Stasch gehört zu den höchst erfreulichen Seiten bei der Vorbereitung dieser 3. Auflage. Bonn, im März 2004 Helmut Kraus

6 Vorwort In dem Brief, den Evangelista Torricelli 1644 über seinen berühmten Barometerversuch an Michelangelo Ricci schrieb, findet sich der Satz: Wir leben untergetaucht am Boden eines Ozeans aus elementarer Luft, von der wir nach unwiderlegbaren Experimenten wissen, dass sie ein Gewicht hat. Diesen Ozean aus Luft nennen wir die Atmosphäre; wir werden ihrer und der in ihr ablaufenden Prozesse bei so vielen Gelegenheiten gewahr, dass unsere Sprache sehr viele Ausdrücke kennt, die die atmosphärischen Zustände und Vorgänge beschreiben, vom säuselnden Wind bis zum Orkan, vom Nieseln bis zum Sturzregen, von den Schäfchenwolken bis zu vielzelligen riesigen Gewittern. Und weil diese Atmosphäre vor allem ihr unterer Teil unser Lebensraum ist und wir ihr folglich unausweichlich ausgeliefert sind, interessiert uns einfach, was da alles vor sich geht. Wir kommen so nicht umhin, uns mit den atmosphärischen Vorgängen auseinanderzusetzen. Diese Auseinandersetzung ist im Prinzip so alt wie die Menschheit; die Geschichte dieses die Atmosphäre verstehen Lernens weist Ansätze z. B. bei den Ägyptern (3500 v. Chr.), Babyloniern (an Euphrat und Tigris, nach 3000 v. Chr.) oder Indern (erste Regenmessungen im 4. Jahrh. v. Chr.) auf. Aristoteles ( v. Chr.) versuchte in seinem vierbändigen Werk Meteorologie alle Naturphänomene zwischen Erde und Himmel zu erklären. Ins 17. Jahrhundert fällt die Entwicklung von wichtigen, die atmosphärischen Zustände erfassenden Messgeräten; sie ist mit Namen wie Galileo Galilei ( ), Evangelista Torricelli ( ) oder auch des Magdeburger Bürgermeisters Otto von Guericke ( ) verbunden und führte zu vielen Erkenntnissen, so über das Vakuum, über den Luftdruck oder über den in der Luft enthaltenen Wasserdampf. Die atmosphärische Wissenschaft hat sich dann sehr rasch und umfangreich entwickelt bis in unsere Zeit, in der man die Atmosphäre recht erfolgreich durch eine Fülle von Messgeräten (z. B. von Satelliten aus) überwacht und in der die in ihr ablaufenden Prozesse durch leistungsfähige Computer simuliert werden. Die Wissenschaft von der Atmosphäre nennen wir Meteorologie. Sie wird an vielen Universitäten in Lehre und Forschung betrieben, und es gibt auch ein eigenes Berufsbild des Meteorologen, das allerdings eine ähnliche Vielfalt aufweist wie etwa das des Arztes. Dieses Buch versucht nun, den Leser in diese Wissenschaft von der Erdatmosphäre einzuführen, ihm eine Hilfe zu geben beim Einstieg in diese sich ständig ausweitende und vertiefende Disziplin. Das Buch will dem Leser aber auch einen Überblick über die Meteorologie vermitteln.

7 X Vorwort Ein Grundproblem oder eine Grundeigenschaft eines jeden Buches ist die Sprache. Hier wird bewußt die deutsche Sprache gewählt. Sprache beinhaltet über nationale oder ethnische Merkmale hinaus mannigfaltige Möglichkeiten, etwas mitzuteilen. Dabei spielt das Verständnisniveau, das der Sprechende/Schreibende beim Hörenden/Lesenden voraussetzt, eine bedeutende Rolle. Bei einem Buch ist dies auch gekoppelt mit der Bereitschaft des Lesers, das vom Autor Angebotene aktiv durchzuarbeiten. So möchte dieses Buch Leser ansprechen, die in ihrem Bestreben, die Meteorologie verstehen zu lernen, die damit verbundenen Mühen nicht scheuen. Ein wesentlicher Anteil der Sprache dieses Buches wird von der mathematisch-physikalischen Denkweise geprägt, die bei der Behandlung der Physik der Atmosphäre unumgänglich ist. Dies bedeutet keine Zumutung für den Leser, da ja schließlich auf dem Weg zum Abitur eine Ausbildung in Mathematik und Physik angeboten wird und z. B. in unserem Land derzeit mehr als ein Drittel der Jugendlichen auf ihrem Lebensweg das Abitur besteht. Wer dabei versäumt hat, diese Sprache zu lernen und erst später seine Liebe zur Meteorologie entdeckt, muss das Versäumte durch Selbststudium nachholen. Es ist durchaus die Absicht dieses Buches, auch solchen Lesern, die mehr dem geographisch/ ökologischen Umfeld zuzuordnen sind, Zugang und Einstieg in die Meteorologie zu bieten. Die Erfahrung lehrt, dass dies möglich ist, denn dieses Buch basiert auf einer viele Jahre lang an der Universität Bonn gehaltenen Vorlesung Einführung in die Meteorologie, die nicht nur von angehenden Meteorologen und Physikern, sondern auch von vielen Geographie-Studenten mit Erfolg gehört wurde. Das Buch enthält 6 Teile: Teil I behandelt Einige Grundlagen, wovon die Skalendenkweise (s. Kap. 2) hier hervorgehoben werden soll. Die meteorologischen Elemente, das sind die physikalischen Grundgrößen (z. B. Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit), mit denen wir es in der Meteorologie zu tun haben, sind Gegenstand von Teil II. Schwerpunkte bei der Behandlung der einzelnen Größen sind ihre physikalische Bedeutung, die Methoden, wie man sie erfassen kann (als Beispiel experimenteller Meteorologie), und ihre globalen, regionalen oder vertikalen Verteilungen, das sind die Felder dieser Größen. Die Teile III und IV wenden sich dann den zentralen Themen der theoretischen Betrachtung zu, der Thermodynamik der Atmosphäre und der Dynamik der Atmosphäre, wobei das Verständnis für die thermodynamischen Prozesse (z. B. die Entwicklung von Wolken und Niederschlag) und für die Strömungsprozesse vermittelt werden soll. Wetteranalyse und Wettervorhersage als ein zentrales Anliegen der Meteorologie werden in Teil V (Synoptische Meteorologie) behandelt. Das Klimaproblem ist Gegenstand von Teil VI (Klimatologie). Dieser Inhalt des Buches spiegelt den oben versprochenen Überblick wider. Das Buch versteht sich als ein Lehrbuch, und es enthält deshalb in Anhang B eine Reihe von Fragen und Übungsaufgaben, um die gewonnenen Erkenntnisse zu vertiefen.

8 Inhaltsverzeichnis Teil I Einige Grundlagen Erster Blick in die Atmosphäre Die Skalendenkweise Die Teilgebiete der Meteorologie Größen, Zahlenwerte, Einheiten Teil II Die meteorologischen Elemente Der Luftdruck Zusammensetzung der Luft Die allgemeine Gasgleichung Das Daltonsche Gesetz Die barometrische Höhenformel Die Druckmessung Die Luftdruck-Verteilung an der Erdoberfläche Die Windgeschwindigkeit Definition Messung und Registrierung des Windes Änderung von Größen mit den Feldkoordinaten Der Transport einer spezifischen Eigenschaft Die Begriffe Haushalt und Advektion Die Temperatur Erste thermodynamische Begriffe Die Hauptsätze der Thermodynamik Thermodynamische Potentiale und spezifische Wärme Die Definition der Temperatur und ihrer Maßskalen Die Temperaturänderung eines Luftteilchens bei Vertikalbewegungen Haushalt und Flussdichten fühlbarer Wärme Die Temperaturmessung

9 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 f Der Taupunkt τ 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 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 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

10 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 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 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

11 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 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 Niño 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 Köppen 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

12 Inhaltsverzeichnis XV Anhang A Energie und Leistung im Vergleich Anhang B Fragen und Übungen Literaturverzeichnis Sachverzeichnis

13 Teil I Einige Grundlagen