Table Of ContentPhysik unserer Umwelt: Die Atmosphäre
Walter Roedel • Thomas Wagner
Physik unserer Umwelt: Die
Atmosphäre
5. Auflage
WalterRoedel ThomasWagner
UniversitätHeidelberg,Inst.Umweltphysik Max-Planck-InstitutfürChemie
Heidelberg Mainz
Deutschland Deutschland
ISBN978-3-662-54257-6 ISBN978-3-662-54258-3(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-54258-3
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Vorwort zur fünften Auflage
AndervorliegendenfünftenAuflagederPhysikunsererUmwelt:DieAtmosphäre
konnte der Initiatorund Hauptautor, Walter Roedel, leider nicht mehr mitarbeiten.
Erist2013,zweiJahrenachErscheinendervonunserstmalsgemeinsambetreuten,
viertenAuflage,verstorben.
Ich habe mich bemüht, die Neuauflage des Buches in seinem Sinne zu ge-
stalten. Insbesondere habe ich großen Wert auf Anschaulichkeit gelegt und nach
Möglichkeit versucht, konkrete Bezüge zwischen Grundlagen und praktischen
AnwendungensowieAlltagsphänomenenaufzuzeigen.
Gegenüber der vierten Auflage hat sich an der Grundstruktur des Buches
nichts geändert. Insbesondere bleiben die ersten sieben Kapitel weitgehend un-
verändert. Das Hauptanliegen des Buches ist es weiterhin, für die Studierenden
der Physik und der Geowissenschaften ebenso wie für alle wissenschaftlich In-
teressierten, insbesondere für Lehrkräfte an Schulen und Hochschulen, eine gut
lesbare Einführung in die Physik (und teilweise in die Chemie) der Atmosphäre
bereitzustellen.
Wesentliche Änderungen betreffen die letzten drei Kapitel, da hier einerseits
in den letzten sechs Jahren eine Vielzahl neuer Forschungsergebnisse verfügbar
wurde und sich in diesem Zeitraum auch der Zustand unseres Planeten weiter
verändert hat. Dies betrifft zum einen die Konzentrationen wichtiger Spurengase
(wie O , CO , CH oder N O), aber auch globale Messgrößen (wie Temperatur,
3 2 4 2
EisbedeckungoderMeeresspiegel).DieAbbildungenzudiesenGrößenwurdenan-
handderneuenMessdatenaktualisiertunddieDiskussionenimTextentsprechend
überarbeitet.
WeiterhinkonntenvieleFehlerkorrigiertwerden,dieimZugederUmstellungauf
einneuesTextverarbeitungsprogrammbeiderErstellungderviertenAuflageleider
aufgetretenwaren.HierseifürhilfreicheRückmeldungenausderLeserschaftherz-
lichgedankt.IndiesemZusammenhangergehterneutdieBitteumFehlerhinweise
undVerbesserungsvorschläge.
BesondererDankgiltdemSpringer-Verlag,insbesondereFrauMargitMalyund
FrauMeikeBarth,fürdieBereitschaft,diesefünfteAuflageherauszugeben,sowie
V
VI VorwortzurfünftenAuflage
für die aktive Unterstützung während ihrer Erstellung. Herzlich bedanken möchte
ichmichauchbeiFrauAnnetteHeßfürdassorgfältigeKorrekturlesen.
Mainz,imMärz2017 ThomasWagner
Vorwort zur vierten Auflage
DasvorliegendeBucherscheintinderviertenAuflageerstmalsmitzweiAutoren.
Nach dem Angebot des Springer-Verlages, eine weitere Auflage herauszugeben,
konnteW.Roedel,dervorfasteinemJahrzehntausdemaktivenBerufslebenausge-
schiedenist,inT.WagnereinenexzellentenMitautorgewinnen.Ihmseiandieser
Stelle sehr herzlich für seine Bereitschaft gedankt, bei der Erstellung der vierten
AuflageverantwortlichtätigzuwerdenundgenerellinwesentlichenAspektendas
Buch zu betreuen. Insbesondere geht die Neufassung der letzten drei Kapitel im
WesentlichenaufT.Wagnerzurück.
AndemgrundlegendenKonzepthatsichdabeinichtsgeändert:Wirsindweiter-
hin bemüht, für die Studierenden der Physik und der Geowissenschaften eine gut
lesbare Einführung in die Physik (und teilweise die Chemie) der Atmosphäre be-
reitzustellen–undebensofürallewissenschaftlichInteressierten,insbesonderefür
LehrkräfteinSchulenundHochschulen.
Wir haben das ganze Buch überarbeitet und, wo nötig, aktualisiert und durch
weiteres Anschauungsmaterial ergänzt. Tiefer greifende Änderungen erfuhren die
letzten drei Kapitel. In den beiden Kapiteln über atmosphärische Spurenstoffe
(Spurengase und Aerosole) wurde die Luftchemie, ohne die die physikalischen
Vorgängenichtverständlichwären,stärkerindenVordergrundgestellt.Dieweitest-
gehenden Veränderungen erfuhr das letzte Kapitel (Klima und Klimavariationen):
In den vorhergehenden Auflagen stand das Aufzeigen der Evidenz anthropogener
KlimabeeinflussungimVordergrund,dieheutewohlnichtmehrernsthaftbestritten
wird, wenn auch ihr Ausmaß und ihr Verhältnis zu natürlichen Klimaschwankun-
gen noch sehr unsicher sind. Dafür nehmen jetzt die „Werkzeuge“ der kurz- und
langfristigenKlimabeurteilungbreitenRaumein.
Wir danken dem Springer-Verlag, insbesondere Herrn Dr. Christian Witschel,
herzlich für seine Bereitschaft, diese vierte Auflage herauszugeben, und für die
aktiveUnterstützungwährendihrerErstellung.
Heidelberg/Mainz,imOktober2010 WalterRoedel
ThomasWagner
VII
Vorwort zur ersten Auflage
DiesesBuchistauseinerzweisemestrigenVorlesunghervorgegangen,dieichseite
inigen Jahren im Rahmen meiner Lehrveranstaltungen über Umweltphysik an der
UniversitätHeidelberghalte.DieVorlesung,eineEinführungindiePhysikderAt-
mosphäre und in die Umweltmeteorologie, ist in erster Linie für Physikstudenten
gedacht,wirdaberauchvonvielenGeowissenschaftlernbesucht.
Dieser Herkunft entsprechend wendet sichdas Buch primär an Physiker und an
Geowissenschaftler. Es will darüber hinaus allen physikalisch interessierten Na-
turwissenschaftlern und Ingenieuren, die sich mit der Atmosphäre als Teil unserer
Umwelt beschäftigen wollen oder müssen, einen ersten Überblick über das Funk-
tionieren dieses so ungeheuer komplexen Systems vermitteln, das Verständnis für
natürliche und anthropogene Einflüsse auf dieses System fördern und nach Mög-
lichkeitHilfestellungfürdieeigeneArbeitgeben.DieLeserinoderderLesersollte
etwaüberdiephysikalischenKenntnisseundüberdiephysikalischmathematischen
Technikenverfügen,dieindenerstenSemesterneinesPhysik-Studiumsvermittelt
werden. Um jedoch den Lesefluß mathematisch weniger bewanderter Leser nicht
zusehrzustören,sindformalkompliziertereTeileausdemTextherausgenommen
undinErgänzungen verlagertworden,soweitdiesohneBeeinträchtigungderVer-
ständlichkeit möglich erschien. In den Teilen, die unmittelbar der Bereitstellung
theoretischer Grundlagen dienen, ist ein solches Ausklammern der Formalismen
natürlich nicht sinnvoll. Daneben enthalten die Ergänzungen einige weitere Ab-
schnitte, die für das Verständnis des Haupttextes nicht unmittelbar erforderlich
sind.
Die Herkunft des Buches aus einer einführenden Vorlesung spiegelt sich auch
im Stil der Darstellung sowie in der Auswahl und Anlage des Stoffes wider: Das
Buch ist bewußt als Lehrbuch ausgelegt, in dem nachvollziehbare physikalische
BegründungenatmosphärischerProzesseimVordergrundstehen,nichtdielücken-
loseDarstellungallerPhänomene.FürdiesesZielwerdengelegentlichdort,woes
notwendigerscheint,auchVereinfachungenundAuslassungeninKaufgenommen.
DieStoffauswahlistalsonotwendigerweisebeschränkt.EinegewisseHeteroge-
nitätundnatürlicheinegewisseSubjektivitätließensichnichtvermeiden.Ichhabe
versucht,aufdieeherkonventionellenGebietederatmosphärischenPhysikundauf
IX
X VorwortzurerstenAuflage
die im engeren Sinne umweltmeteorologischen Aspekte jeweils etwa gleiches Ge-
wicht zu legen. Manche Themen ziehen sich durch das ganze Buch hindurch. Die
Leserin oder der Leser wird z. B. bemerken, daß das Verhalten von Spurenstof-
fenoder–innochstärkeremMaße–FragendesKlimasundderKlimavariationen
immerwiederangesprochenwerden.
Ich möchte dieses Vorwort nutzen, um in Dankbarkeit einige Persönlichkeiten
zuerwähnen,diemichinderHinwendungzumeinemheutigenArbeitsgebiet,das
in diesem Buch seinen Niederschlag findet, beeinflußt und geleitet haben. An er-
sterStellewillichhiermeinenakademischenLehrerProf.OttoHaxelnennen.Otto
Haxel hat in den fünfziger Jahren – einerseits unter dem Eindruck der drohenden
radioaktivenVerseuchungderAtmosphäredurchdieoberirdischenKernwaffentests
und andererseits aus Interesse für die damals aufkommenden isotopengeophysika-
lischenTechniken –inHeidelberg dieArbeitsgebietebegründet, welche wirheute
hierunterdemBegriffUmweltphysikzusammenfassen.OttoHaxelwurdeauchnie
müde,daraufhinzuweisen,daßWissennichtnurerarbeitet,sondernauchvermittelt
undweitergegebenwerdenmuß.DieseEinstellunghatmichspäterinmeinereige-
nenTätigkeitalsHochschullehrergeleitet,ausihrherausistauchdieIdeezudiesem
Buchentstanden.
Weiter möchte ich Prof. Christian Junge und Prof. Hans-Walter Georgii erwäh-
nen. Der Kontakt mit ihnen und ihren Arbeitsgruppen in Mainz und Frankfurt, in
densiebzigerundfrühenachtzigerJahren,hatmeinInteresseanderMeteorologie
undanderBeschäftigungmitatmosphärischenSpurenstoffennachhaltiggefördert.
Dr.GerhardSchumannundProf.Karl-OttoMünnichverdankeichvieleAnregun-
gen, darunter nicht zuletzt die besonders von K.-O. Münnich immer wieder in
den Vordergrund gestellte Denkweise, Teile der physischen Umwelt nicht isoliert,
sondern als Bausteine eines Ganzen zu sehen, die Denkweise also, die gerne als
Interdisziplinarität bezeichnet wird. Schließlich möchte ich Prof. Hans Oeschger
danken.ErermöglichtemireinenhalbjährigenAufenthaltinseinemInstitutinBern
undhatmichwährenddieserZeitganzbesondersfürdieProblemedesKlimasund
derKlima-Änderungsensibilisiert.
AndieserStellewillichmichauchfürdiezahlreichenHinweiseundVorschläge
aus dem Kreis der Hörer meiner Vorlesungen bedanken. Viele ihrer Anregungen
sind in dieses Buch eingeflossen. Ebenso bedanke ich mich bei Doris Meinhardt,
die das abgeschlossene Manuskript dieses Buches sorgfältig durchgesehen, mich
auf Fehler und Verbesserungsmöglichkeiten hingewiesen und bei dem Lesen der
Korrekturenunterstützthat.NichtzuletztrichtetsichmeinbesondererDankanden
Springer-Verlag in Heidelberg und an seine Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen für
dasInteresseandiesemBuchundfürdiehervorragendeBetreuung,dieicherfahren
durfte.
Ich möchte mit der Bitte an die Leserinnen und Leser dieses Buches schließen,
michaufnochverbliebeneFehleraufmerksamzumachen.EbensosindVorschläge
fürVerbesserungensehrwillkommen.
Heidelberg,imDezember1991 WalterRoedel
Inhaltsverzeichnis
1 StrahlungundEnergieindemSystem
Atmosphäre/Erdoberfläche ................................. 1
1.1 EinigeGrundlagen ..................................... 2
1.1.1 DieErdealsPlanet ............................... 2
1.1.2 DieGesetzederthermischenStrahlung ................ 5
1.1.3 GrundlagenderStrahlungsübertragung ................ 7
1.1.4 DieZusammensetzungderErdatmosphäre .............. 15
1.2 DiesolareEinstrahlung .................................. 19
1.2.1 DasglobaleBildderUmsätzesolarerStrahlung .......... 19
1.2.2 Absorption,StreuungundspektraleVerteilung ........... 24
1.3 TerrestrischeStrahlung .................................. 42
1.3.1 DasglobaleBild–derTreibhauseffekt ................. 43
1.3.2 EmissionundAbsorptionterrestrischerStrahlung ......... 45
1.3.3 Strahlungsübertragung, Strahlungsflüsse,
Strahlungskühlung ............................... 49
1.4 Strahlungs-undEnergiebilanzen ........................... 54
1.4.1 DieStrahlungsbilanzderErdoberfläche ................ 54
1.4.2 GesamtbilanzdesSystemsvonAtmosphäreund
Erdoberfläche .................................. 56
1.5 TemperaturenderbodennahenLuft.......................... 61
Literatur ................................................. 64
2 DievertikaleStrukturderAtmosphäre........................ 67
2.1 DieDruckabnahmemitderHöhe ........................... 67
2.2 DasvertikaleTemperaturprofilderAtmosphäre................. 73
2.2.1 DertrockenadiabatischeTemperaturgradientundder
BegriffderpotenziellenTemperatur ................... 74
2.2.2 DerfeuchtadiabatischeTemperaturgradient ............. 79
2.2.3 TemperaturgradienteninderNähederErdoberfläche ...... 82
XI
