Einführung in die Allgemeine Klimatologie - Beck-Shop

Einführung in die Allgemeine Klimatologie
Bearbeitet von
Wolfgang Weischet, Wilfried Endlicher
8., durchgesehene Auflage 2012. Buch. 342 S. Kartoniert
ISBN 978 3 443 07148 6
Format (B x L): 14,2 x 20,9 cm
Gewicht: 510 g
schnell und portofrei erhältlich bei
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Wolfgang Weischet / Wilfried Endlicher
Einführung in die
Allgemeine Klimatologie
Studienbücher der Geographie
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8., durchgesehene Auage
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Weischet / Endlicher
Einführung in die
Allgemeine Klimatologie
Studienbücher der
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Geographie
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Studienbücher der
Geographie
(Früher: Teubner Studienbücher der Geographie)
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3URI'UJörg Bendix, Marburg
3URI'U5RODQG%DXPKDXHU:U]EXUJ
3URI'UHans Gebhardt, Heidelberg
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Die Studienbücher der Geographie behandeln wichtige Teilgebiete, Probleme
und Methoden des Faches, insbesondere der Allgemeinen Geographie. Über
Teildisziplinen hinweggreifende Fragestellungen sollen die vielseitigen Verknüpfungen der Problemkreise sichtbar machen. Je nach der Thematik oder dem Forschungsstand werden einige Sachgebiete in theoretischer Analyse oder in weltweiten Übersichten, andere hingegen stärker aus regionaler Sicht behandelt.
Den Herausgebern liegt besonders daran, Problemstellungen und Denkansätze
deutlich werden zu lassen. Großer Wert wird deshalb auf didaktische Verarbeitung sowie klare und verständliche Darstellung gelegt. Die Reihe dient den Studierenden zum ergänzenden Eigenstudium, den Lehrern des Faches zur Fortbildung und den an Einzelthemen interessierten Angehörigen anderer Fächer zur
Einführung in Teilgebiete der Geographie
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
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Einführung
in die
Allgemeine
Klimatologie
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8., durchgesehene Auflage
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von
Dr. rer. nat. Wolfgang Weischet
Professor an der Universität Freiburg i.Br.
und
Dr. rer. nat. Wilfried Endlicher
Professor an der Humboldt-Universität
zu Berlin
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Mit 109 Figuren, 13 Tabellen und einer 7afel
Gebr. Borntraeger Verlagsbuchhandlung
Berlin · Stuttgart 2012
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Weischet /Endlicher: Einführung in die Allgemeine Klimatologie
Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Weischet
Prof. Dr. rer. nat. Wilfried Endlicher
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Geboren 1921 in Solingen-Ohligs. 1940–1942 Studium der Meteorologie und Geophysik in Hamburg und Berlin. Diplom-Meteorologe, Assessor im Reichswetterdienst. 1945–1948 Studium der
Geographie, Physik und Mathematik in Bonn. 1948 Promotion bei Prof. Troll in Bonn. Anschließend Wiss. Assistent von Prof. Louis, zunächst in Köln, ab 1951 in München. 1954 Habilitation für
Geographie in München. 1955/56 Gastforscher an der Universidad de Chile, Santiago. 1959-1961
Prof. für Geographie und Direktor des Instituto de Geografia y Geologia, Universidad Austral de
Chile in Valdivia. Seit 1961 o. Prof. und Direktor des Institutes für Physische Geographie der Universität Freiburg/Br.; 1969/70 Visiting Prof. University of Wisconsin, Milwaukee. 1982 Mitglied in der Deutschen Akademie der Naturforscher und Ärzte LEOPOLDINA. März 1989 Emeritierung. Gestorben am 13. Januar 1998.
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Geboren 1947 in Heidenheim/Brenz. 1969–1975 Studium der Geographie, Romanistik und Meteorologie in Freiburg/Br. und Grenoble. Staatsexamen 1975, anschließend Wiss. Mit. am Inst. für
Phys. Geogr. der Universität Freiburg; 1979 Promotion bei Wolfgang Weischet mit einer Diss. zum
Weinbauklima des Kaiserstuhls. 1982–84 DAAD-Gastdozent an der Universidad de Concepción/
Chile, 1985 Habilitation in Freiburg mit einer Schrift zur Landschaftsdegradation in Chile. 1986 Dozent an der Univ. Erlangen-Nürnberg, 1987 Heisenberg-Stipendiat der DFG und Visiting Professor
an der Univ. of Florida in Gainesville. 1988–1997 Prof. für Geoökologie am Fachbereich Geographie der Univ. Marburg, seit 1998 Prof. für Klimageographie am Geogr. Inst. der Humboldt-Universität zu Berlin. 2004 Mitglied in der Deutschen Akademie der Naturforscher und Ärzte LEOPOLDINA.
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7. vollständig neu bearb. Auflage. Borntraeger 2008
6. überarb. Auflage, unveränderter Nachdruck. Borntraeger, 2002
6. überarb. Auflage. Teubner, 1995
5. überarb. u. erweiterte Auflage. Teubner, 1991
4. überarb. u. erweiterte Auflage. Teubner, 1999
3. überarb. u. erweiterte Auflage. Teubner, 1983
2. durchgesehene Auflage. Teubner, 1979
1. Auflage, Teubner. 1997
ISBN 978-3-443-07148-6
ISSN 1618-9175
Information on this title: www.borntraeger-cramer.de/9783443071486
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© 2012 Gebr. Borntraeger, Berlin, Stuttgart
Gedruckt auf alterungsbeständigem Papier nach ISO 9706-1994
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig
und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Verlag: Gebr. Borntraeger Verlagsbuchhandlung, Johannesstr. 3A,
D-70176 Stuttgart, Germany
[email protected]
www.borntraeger-cramer.de
Satz: Satzpunkt Ursula Ewert GmbH, Bayreuth
Printed in Germany by: Gottlob Hartmann GmbH, Stuttgart
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Vorwort zur 1. Auflage
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Der vorliegende Text ist – über einige Jahre verteilt und wiederholt verändert – mit
dem Ziel abgefasst worden, auch all jenen Geographen, Geographiestudenten und anderen Interessenten, die von der Schule her keinen engeren Bezug zu den Naturwissenschaften mitbringen, den Einstieg in die physikalische Betrachtungsweise der Klimatologie zu ermöglichen. Mit dem klimageographischen Faktenwissen allein kommt
man nämlich auf die Dauer nicht recht weiter. Der künftige Geographielehrer wird
vielmehr im Zusammenhang mit Fragen der Umweltbelastung, den tatsächlichen oder
behaupteten anthropogenen Klimabeeinflussungen und den ökologischen Schlüsselfunktionen des Klimas in den Lebensräumen der Erde zunehmend mehr auf gründliche
Einsichten in die geophysikalischen Prozesse und deren entscheidende Einflußfaktoren angewiesen sein. Viele der Kurzschlüsse über die Dominanz sozio-ökonomischer
Bezüge oder den geringen Stellenwert physisch-geographischer Gegebenheiten beruhen nämlich darauf, daß die naturwissenschaftlichen Zusammenhänge nicht genügend
tief und genau erkannt werden und oberflächliches Faktenwissen einem gar nicht die
Möglichkeit gibt, in eine echte kritische Prüfung der Alternativen einzutreten.
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Natürlich ist der dargebotene Stoff nicht umfassend und vollständig. Da ich z. Z.
gleichzeitig an einer Neuauflage der umfangreichen Klimageographie des verstorbenen
Kollegen Blüthgen arbeite, glaube ich sogar ziemlich genau zu wissen, was alles fehlt.
Jedoch, bevor ich eine Ableitung durch das Hinzufügen von allen möglichen Erscheinungen aus der klimageographischen Substanz belaste, die nicht in eine genetisch konzipierte Gedankenführung hineinpassen, lasse ich sie lieber weg. Mein Bemühen galt nicht der Vollständigkeit, sondern der konsequenten Herleitung von
Einsichten in physikalische Grundlagen und atmosphärische Prozesse, welche bei der
Genese des Klimas eines Raumes die entscheidende Rolle spielen. Damit soll die Basis
geschaffen werden für das Verständnis der Klimadifferenzierung auf der Erde auf genetischer Grundlage. Diese regionalklimatologische Differenzierung wird in Verknüpfung von geographisch charakteristischen Klimaeffekten und dynamisch konzipierter
Klimagenese in einem gesonderten Band behandelt. Am Schluss des vorliegenden
Textes steht die Darstellung der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre.
Es kann natürlich sein, dass manchen Leser die physikalische Materie zunächst hart angeht und dass er manche Sätze beim ersten Lesen nicht auf Anhieb versteht. Lassen Sie
sich davon nicht gleich abschrecken. Die Sätze müssen zuweilen im Interesse der Eindeutigkeit konstruiert werden und wirken dann überladen, schwerverdaulich. Sie haben
aber den Vorteil, dass sie letztlich rekonstruierbar sind und einen eindeutigen Sinn ergeben. Den benötigt man für eine konsequente Ableitung. Auch Formeln sind − richtig
verstanden − keine Zumutung oder Belastung, sondern eine Erleichterung, stellen sie
doch nichts weiter als eine verkürzte, auf Eindeutigkeit abgestellte Ausdrucksweise
dar. Was sie aussagen, ist zudem jeweils in einfachen Worten noch hinzugefügt.
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Die behandelte Materie gehört seit langem zum gesicherten Grundlagenwissen der
Geowissenschaften. Dementsprechend sind im Text keine Literaturbezüge enthalten.
Ich möchte aber meinen Lehrern und Autorenkollegen meinen herzlichen Dank für all
das abstatten, was ich durch Wort und Schrift von ihnen gelernt habe und ich nun in meiner Sicht der Dinge und meiner Vorstellung von ihrer didaktisch adäquaten Präsentation weiterzugeben versuche. Die Bücher, aus denen ich gelernt habe, sind nachstehend
aufgeführt.
Zu großem Dank verpflichtet bin ich auch meinen Mitarbeitern im Geographischen Institut I der Universität Freiburg: H. Goßmann und W. Nübler für manchen kritischen
Hinweis, W. Hoppe für die sorgfältige kartographische Arbeit an den zahlreichen Figuren, Frau Beil und Frau Ohr für die stete Hilfe bei der Erstellung des Manuskriptes.
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Der Deutschen Forschungsgemeinschaft verdanke ich eine finanzielle Unterstützung
während eines Forschungssemesters in der University of Wisconsin, wo ich besonders von den Kollegen David H. Miller und Werner Schwerdtfeger dankenswerter
Weise manche Anregungen erhalten habe.
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Freiburg i. Br., im Frühjahr 1976
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Vorwort zur 1. Auflage
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Wolfgang Weischet
Vorwort zur 7. Auflage
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Wolfgang Weischet hat diese Einführung mehrfach überarbeitet und auf den jeweils
neuesten Stand der Wissenschaft gebracht, letztmals 1995. In den seither vergangenen Jahren hat die Forschung über den anthropogen induzierten Klimawandel, diese
Menschheitsherausforderung, neue Einsichten gewonnen. Die nunmehr bekannten Fakten sowie die naturwissenschaftlichen Grundlagen der ablaufenden Prozesse sind in
zwei Kapiteln angefügt worden. Außerdem rechtfertigte die Relevanz der mesoskalaren Dimension des Klimas ein zusätzliches Kapitel, d. h. Stadt- und Geländeklima
werden mit behandelt. Bei den gesicherten klimatologischen Sachverhalten, also
dem weitaus größten Teil des Buches, wurden einige wenige Kürzungen und Ergänzungen sowie Überarbeitungen der Figuren vorgenommen. Eine Einleitung mit Definitionen und Ausführungen zum Klima als System, ebenfalls eine Erkenntnis der
letzten Jahre, wurde vorangestellt. Das Literaturverzeichnis wurde erweitert und Internetquellen kamen neu hinzu. Auch eine andere Zitierweise und ein Verzeichnis
von Maßeinheiten und Umrechnungsformeln schienen mir hilfreich. Diese Einführung behandelt die Allgemeine Klimatologie. Detaillierte Ausführungen zur Regionalen Klimatologie haben beide Autoren bereits 1996 bzw. 2000 vorgelegt.
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Mein Dank gilt den Kollegen Eberhard Parlow, Lutz Jäger und Christian-Dietrich
Schönwiese, die instruktive Diagramme zur Verfügung stellten, sowie dem Kollegen
Jörg Bendix für seine Herausgebertätigkeit. Mein Dank gilt v. a. aber meinen Mitarbeitern Dr. Thomas Draheim, Dr. Reinhard Kleßen, Dr. Marcel Langner und Dipl.Geogr. Anja Pagenkopf für ihre kritischen Hinweise zur Neuauflage. Frau Sylvia
Zinke-Friedrich, Herr Matthias Baumann und Herr Matthias Grätz unterstützten
mich bei der Herstellung und Herrn Gerd Schilling bin ich für die sorgfältige kartographische Arbeit zu Dank verpflichtet. Nicht zuletzt danke ich auch Dr. Nägele vom
Verlag Schweizerbart für das Angebot der Neubearbeitung.
Berlin, im Sommer 2007
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Wilfried Endlicher
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Vorwort zur 8. Auflage
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Berlin, im Frühjahr 2012
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Je besser wir den komplexen Mechanismus unseres Klimas verstehen und je sicherer
wir die Eingriffe des Menschen in dieses System beurteilen können, desto größer
wird die damit verbundene Verantwortung für unsere Erde, von der globalen bis zur
lokalen Skala. Derartige Fragen beschäftigen Wissenschaft, Zivilgesellschaft und
Politik gleichermaßen. Thematisch einschlägige Studienbücher müssen deshalb unablässig an den aktuellen Wissensstand angepasst werden. In dieser durchgesehenen
Neuauflage wurden einige Fehler beseitigt, verschiedene Abschnitte etwas gestrafft
und einzelne Kapitel und Diagramme durch aktuelle Daten ergänzt. Dies betrifft insbesondere die Thematik des Klimawandels. Die Literatur- und Internet-Verzeichnisse wurden überarbeitet. Mein Dank gilt auch dieses Mal dem gleichen Personenkreis
wie bei der voran gegangenen Auflage, insbesondere aber meinen Mitarbeiterinnen
und Mitarbeitern am Lehrstuhl für Klimageographie des Geographischen Instituts
der Humboldt-Universität zu Berlin, die mir in vielfacher Hinsicht den Rücken frei
hielten und die Arbeit an dieser Neuauflage erst ermöglichten. Ich würde mich freuen, wenn das Studienbuch auch weiterhin zu einem besseren Verständnis des Klimas
unseres „blauen Planeten“ beitragen würde.
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Vorwort zur 1. Auflage
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Wilfried Endlicher
Inhalt
Vorwort zur ersten Auflage ...................................................................................... 5
Vorwort zur siebten Auflage .................................................................................... 7
Vorwort zur achten Auflage ..................................................................................... 8
1 Das Klima mit seinen Raum- und Zeitdimensionen ................................... 15
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2 Erddimensionen und Beleuchtungsklimazonen .......................................... 23
2.1 Erddimensionen ...................................................................................... 23
2.2 Himmelsmechanische Tatsachen ............................................................ 23
2.3 Jahreszeiten ............................................................................................. 25
3 Die Sonne als Energiequelle und die Ableitung des solaren Klimas ......... 32
3.1 Energiequelle und Solarkonstante .......................................................... 32
3.2 Fakten des solaren Klimas ...................................................................... 32
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4 Die Atmosphäre, ihre Zusammensetzung und Gliederung ........................ 39
4.1 Die Zusammensetzung der Atmosphäre ................................................. 39
4.2 Die vertikale Struktur der Atmosphäre ................................................... 41
4.3 Die Masse der Atmosphäre ..................................................................... 45
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5 Die solaren Strahlungsströme unter dem Einfluss der Atmosphäre ......... 46
5.1 Das Sonnenspektrum am Grunde der Atmosphäre ................................. 46
5.2 Die diffuse Reflexion .............................................................................. 48
5.3 Die selektive Absorption ........................................................................ 51
5.4 Das Problem der stratosphärischen Ozonabnahme und des
„Ozonlochs“ ............................................................................................ 52
5.5 Regionale Abwandlung des solaren Klimas bei Annahme einer
homogenen Atmosphäre ......................................................................... 56
5.6 Die Globalstrahlung, ihre Komponenten und der Einfluss der
geographischen Breite ............................................................................ 58
5.7 Das Verhältnis von direkter und diffuser Einstrahlung in verschiedenen Klimazonen und seine Folgen ...................................................... 60
5.8 Die mittlere Verteilung der Globalstrahlung .......................................... 62
5.9 Der Strahlungsumsatz an der Erdoberfläche .......................................... 63
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5.9.1 Der reflektierte Teil der Solarstrahlung: die Albedo ................... 63
5.9.2 Strahlungsabsorption, Wärme, Wärmeverteilung ........................ 65
5.9.3 Umsatz kurzwelliger Strahlung und Wärmeverteilung in
unbewachsenem Boden ............................................................... 66
5.9.4 Umsatz kurzwelliger Strahlung und Wärmeverteilung im
Wasser ......................................................................................... 68
5.9.5 Strahlungsumsatz und Wärmeverteilung in einer Schneedecke ........................................................................................... 72
5.9.6 Strahlungsumsatz und Wärmeverteilung in der Vegetation ....... 72
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6 Die terrestrischen Strahlungsströme und der Treibhauseffekt
der Atmosphäre .............................................................................................
6.1 Die Ausstrahlung der Erdoberfläche und die Gegenstrahlung
der Atmosphäre ......................................................................................
6.2 Die natürliche Glashauswirkung der Atmosphäre .................................
6.3 Die Emission von Spurengasen und der anthropogene Zusatztreibhauseffekt ...............................................................................................
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7 Die Strahlungsbilanz, lokal, regional und global .......................................
7.1 Die Strahlungsbilanz des Gesamtsystems Erde und Atmosphäre .........
7.2 Tages- und Jahresgang von Strahlungsflüssen und -bilanz ...................
7.3 Grundzüge der regionalen Differenzierung der Strahlungsbilanz
an der Erdoberfläche ..............................................................................
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8 Tages- und Jahresgänge der Energiebilanz an der Erdoberfläche .......... 96
8.1 Tagesgänge der Energieflüsse ............................................................... 97
8.2 Jahresgänge der Energieflüsse und klimatologische BreitenzonenMittel ..................................................................................................... 99
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Inhalt
9 Lufttemperatur und Temperaturverteilung in der Atmosphäre ............. 101
9.1 Messvorkehrungen, klimatologische Beobachtungstermine,
wahre Tagesmittel ................................................................................. 101
9.2 Regionale Differenzierung der Tages- und Jahresgänge der
Lufttemperatur ...................................................................................... 105
9.3 Die vertikale Verteilung der Lufttemperatur ........................................ 108
9.4 Die horizontale Verteilung der Lufttemperatur .................................... 111
9.5 Die planetarische Frontalzone .............................................................. 116
10 Der Luftdruck, seine Messung und Darstellung ....................................... 121
10.1 Die Wirkungsweise von Flüssigkeits- bzw. Gasdruck ......................... 121
10.2 Der Luftdruck und seine Messung ........................................................ 122
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Inhalt
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10.3 Luftdruckangaben in Hektopascal ........................................................ 125
10.4 Die Hydrostatische Grundgleichung, die Allgemeine Gasgleichung
und ihre Anwendung in der Barometrischen Höhenformel .................. 125
10.5 Konstruktion von Höhenluftdruckkarten als Hauptanwendung
der Barometrischen Höhenformel ........................................................ 129
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11 Horizontale Luftdruckunterschiede und die Entstehung von Wind ....... 134
11.1 Die thermische Entstehung horizontaler Luftdruckunterschiede
in der Höhe ........................................................................................... 134
11.2 Horizontale Luftdruckgradienten als Ursache der Einleitung
horizontaler Luftbewegung ................................................................... 137
11.3 Die Rückwirkung auf das Luftdruckfeld am Boden (Bodendruckfeld)
und das Prinzip thermisch bedingter Ausgleichswinde ........................ 138
11.4 Die unterschiedlichen Dimensionen thermisch bedingter Luftdruckgegensätze und Ausgleichszirkulationen .............................................. 139
11.5 Horizontale Luftbewegung ohne Reibungseinfluss in einem
Luftdruckfeld mit geradlinigen Isobaren (geostrophischer Wind) ....... 147
11.6 Horizontale Luftbewegung ohne Reibungseinfluss bei gekrümmten
Isobaren (geostrophisch-zyklostrophischer Wind) ............................... 149
11.7 Der Einfluss der Reibung auf die Luftbewegung: Reibungswind ........ 150
11.8 Die Luftbewegung bei konvergierenden und divergierenden Isobaren
sowie die Entstehung der dynamischen Druckgebilde ......................... 155
11.9 Maßgrößen der Luftbewegung ............................................................. 158
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12 Der Wasserdampf in der Atmosphäre ....................................................... 160
12.1 Die physikalische Sonderstellung des Wasserdampfes ........................ 160
12.2 Maßeinheiten und Messung der Luftfeuchte ........................................ 166
12.3 Mittlere horizontale und vertikale Verteilung des Wasserdampfes
in der Atmosphäre ................................................................................ 168
12.4 Das Problem der Verdunstung, Humidität und Aridität ....................... 170
13 Vertikale Luftbewegungen und ihre Konsequenzen ................................ 178
13.1 Der vertikale Austausch ........................................................................ 178
13.2 Die dynamische Turbulenz ................................................................... 179
13.3 Die thermische Konvektion .................................................................. 180
13.4 Die trockenadiabatische Zustandsänderung bei vertikalen
Luftbewegungen ................................................................................... 182
13.5 Taupunktstemperatur, Kondensationspunkt, Kondensationsniveau
und die kondensations-(feucht-)adiabatische Zustandsänderung ......... 185
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13.6 Die Umkehr adiabatischer Prozesse bei absteigender Luftbewegung
und ihre Konsequenzen ........................................................................ 191
13.7 Stabilitätskriterien und ihre klimatologischen Konsequenzen für
turbulenten Austausch und konvektive Prozesse .................................. 195
13.8 Das Prinzip von Stau und Föhn ............................................................ 198
13.9 Vertikalbewegungen im Bereich von Fronten ...................................... 20
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14 Wolken und Niederschlag ............................................................................ 204
14.1 Kondensation und Sublimation in der Atmosphäre .............................. 204
14.2 Genetische Wolkentypen und die Grundregeln ihrer regionalen
Verteilung ............................................................................................. 212
14.3 Niederschlagsbildung und Niederschlagsarten ..................................... 223
14.4 Niederschlagsmessung .......................................................................... 227
14.5 Grundregeln der regionalen Verteilung der Niederschläge .................. 228
se
15 Makroklima: Die Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre
und die klimatische Gliederung der Erde .................................................. 235
15.1 Die Dynamik der planetarischen Höhenwestwindzone und ihre
Konsequenzen ....................................................................................... 235
15.2 Die planetarischen Luftdruckgürtel im Meeresniveau und ihre
tellurische Aufgliederung ..................................................................... 246
15.3 Der tropische Zirkulationsmechanismus und seine klimatischen
Folgen .................................................................................................... 251
15.4 Die Zirkulation in den unteren Schichten der außertropischen
Atmosphäre ........................................................................................... 272
15.5 Die Glieder der Allgemeinen Zirkulation im Satellitenbild ................. 279
15.6 Zusammenfassender Überblick mit schematischer Gliederung
der Klimate der Erde ............................................................................. 282
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Inhalt
16 Mesoklima: Stadt- und Geländeklima ....................................................... 286
16.1 Stadtklima ............................................................................................. 286
16.2 Luftqualität ........................................................................................... 290
16.3 Geländeklima ........................................................................................ 292
17 Atmosphärische Gefahren ........................................................................... 293
18 Der Klimawandel – das größte Umweltproblem des 21. Jahrhunderts ........................................................................................................ 305
18.1 Natürliche Klimaschwankungen ........................................................... 305
18.2 Klimaveränderung durch menschliche Einflüsse ................................. 306
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Inhalt
13
18.3 Bisherige Folgen des anthropogen induzierten Klimawandels ............ 310
18.4 Die zukünftige Entwicklung von Emissionen und Konzentrationen
der Treibhausgase und die Folgen ........................................................ 311
18.5 Reaktionen auf den Klimawandel: Strategien der Emissionsvermeidung und der Anpassung ........................................................... 316
Literaturverzeichnis ........................................................................................... 321
Verzeichnis der Internetadressen ..................................................................... 330
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Maßeinheiten und Umrechnungsformeln ........................................................ 331
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Sachregister ........................................................................................................ 334
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Inhalt
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Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
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Das Klima mit seinen Raum- und Zeitdimensionen
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Klimatologie ist die Wissenschaft vom Klima. Die Beschäftigung mit dem Klima ist
so alt wie die Menschheit selbst. Von den sintflutartigen Niederschlägen der Genesis, über die Stürme der Odyssee und den Turm der Winde im klassischen Athen –
das griechische κλινω (= klino) bedeutet „ich neige“ und bezieht sich auf die unterschiedlichen Winkel, unter denen die Sonnenstrahlen an verschiedenen Orten im
Laufe des Jahres die Erde erreichen – bis zum heutigen „climate change“ hat sich
der Mensch immer mit den charakteristischen Qualitäten der Atmosphäre über einem Ort oder einer Region auseinander gesetzt. In den vergangenen 2 Jahrhunderten
sind so eine ganze Reihe von Klimadefinitionen geprägt worden, die diesen Sachverhalt aus verschiedenen Richtungen beleuchten:
Alexander von Humboldt (1817): Der Ausdruck Klima bezeichnet in seinem allgemeinen Sinne alle Veränderungen in der Atmosphäre, die unsere Organe merklich
affizieren ...
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Julius von Hann (1883): Unter Klima verstehen wir die Gesamtheit der meteorologischen Erscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre an irgend einer
Stelle der Erdoberfläche kennzeichnen. Was wir Witterung nennen, ist nur eine Phase, ein einzelner Akt aus der Aufeinanderfolge der Erscheinungen, derer voller, Jahr
für Jahr mehr oder minder gleichartiger Ablauf das Klima eines Ortes bildet. Das
Klima ist die Gesamtheit der „Witterungen“ eines längeren oder kürzeren Zeitabschnittes, wie sie durchschnittlich zu dieser Zeit des Jahres einzutreten pflegen.
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Wladimir Köppen (1923): Unter Klima verstehen wir den mittleren Zustand und gewöhnlichen Verlauf der Witterung an einem gegebenen Ort. Eine doppelte Abstraktion ist es, die uns zum Begriff des Klimas führt, nämlich eine Zusammenfassung einerseits der wechselnden Witterungen, andererseits der einzelnen meteorologischen
Elemente zu einem Gesamtbilde.
B. P. Alissow, O. A. Drozdow und E. S. Rubinstein (1956): Unter dem Klima eines
gegebenen Ortes versteht man den langjährigen Durchschnitt seiner charakteristischen Witterungen, der durch die Sonneneinstrahlung, die Eigenart der Unterlage
und die damit verknüpfte atmosphärische Zirkulation verursacht wird.
Rudolf Geiger (1961): Der Begriff „Klima“ ist abstrakt ... Denn das Klima umfasst
die Gesamtheit aller meteorologischen Einzelvorgänge, die wir Wettervorgänge
nennen, an einem gegebenen Ort, also die durchschnittlichen Zustände und den regelmäßigen Ablauf des Wetters einschließlich der wiederholt beobachteten Sondererscheinungen, wie etwa Tornados, Staubstürme oder Spätfröste. Man kann
also das Klima nicht verstehen, wenn man mit den Wettererscheinungen nicht vertraut ist.
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K. Schneider-Carius (1961): Das Klima ist die für einen Ort geltende Zusammenfassung der meteorologischen Zustände und Vorgänge während einer Zeit, die hinreichend lang sein muß, um alle für diesen Ort bezeichnenden atmosphärischen Vorkommnisse in charakteristischer Häufigkeitsverteilung zu enthalten.
Joachim Blüthgen (1966): Das geographische Klima ist die für einen Ort, eine Landschaft oder einen größeren Raum typische Zusammenfassung der erdnahen und die
Erdoberfläche beeinflussenden atmosphärischen Zustände und Witterungsvorgänge
während eines längeren Zeitraumes in charakteristischer Verteilung der häufigsten,
der mittleren und der extremen Werte.
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World Meteorological Organization (1979): Klima ist die Synthese des Wetters über
einen Zeitraum, der lang genug ist, um statistische Eigenschaften bestimmen zu können.
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W. L. Gates (1979): Klima wird in drei verschiedenen Kategorien definiert, nämlich
Klimasystem, Klimazustand und Klimaänderung. Das Klimasystem besteht aus Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Lithosphäre und Biosphäre. Ein Klimazustand
wird durch die vollständige Beschreibung des statistischen Zustandes des internen
Klimasystems beschrieben. Eine Klimaänderung ist die Differenz zweier Klimazustände der gleichen Art.
se
Alexander von Humboldt setzt in einer erstaunlich aktuellen Definition den Mensch in
den Mittelpunkt. Julius von Hann definiert Klima als den mittleren Zustand der Atmosphäre an irgendeiner Stelle der Erdoberfläche und trennt den in der deutschen Sprache
besonderen Begriff der Witterung vom Klima ab. Wladimir Köppen hebt hervor, dass
Klima ein abstrakter Begriff ist, der nicht direkt messtechnisch erfasst und beobachtet
werden kann, sondern dass einzelne Klimaelemente erst zu einem Gesamtbild zusammengefasst werden müssen. Alissow, Drozdow & Rubinstein verweisen auf die hervorragende Bedeutung der Strahlungsprozesse und den dynamischen Aspekt des Klimas, der in der atmosphärischen Zirkulation deutlich wird. Rudolf Geiger betont, dass
man das Klima nicht verstehen kann, wenn man mit den Wettererscheinungen nicht
vertraut ist. Bei Schneider-Carius wird erstmals deutlich, dass Klimatologie eine statistische Komponente beinhaltet, mit der die Messdaten zu bearbeiten sind. Der Geograph Joachim Blüthgen akzentuiert vor allem die Raumaspekte des Klimas und merkt
an, dass nicht nur Mittel-, sondern auch Extremwerte das Klima eines Ortes prägen.
Die statistische Betrachtungsweise hat sich auch die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) auf der 1. Weltklimakonferenz im Jahre 1979 zu eigen gemacht, die auf
die Überlegungen von Gates (1979) zurückgeht. Dieser Klimamodellierer definiert
Klima in drei verschiedenen Kategorien, nämlich als System, Zustand und Änderung.
Zum Klimasystem zählen danach die Atmosphäre (Gashülle des Planeten inklusive der
Aerosole), Hydrosphäre (flüssiges Wasser an und nahe der Oberfläche), Kryosphäre
(Schnee und Eis), Geosphäre (mit Gestein und Boden) sowie Biosphäre mit Pflanzenund Tierwelt und dem Menschen (Fig. 1.1). Das Klimasystem unseres Planeten beschränkt sich also nicht nur auf die Atmosphäre, sondern bezieht alle, für die Genese
des Klimas wichtigen Sphären oder Teilsysteme mit ein.
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1 Das Klima mit seinen Raum- und Zeitdimensionen
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1 Das Klima mit seinen Raum- und Zeitdimensionen
Sonnenstrahlung
(z.B. Intensitätsschwankung)
Kosmische Materie
(z.B. Meteoriteneinfall)
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H2O, N2, O2, CO2, O3 usw.
Terrestrische Strahlung
u.a. Aerosole
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Gravitationskräfte der Himmelskörper
(z.B. Gezeiten u. Erdbahnparameter)
U
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Terrestrische Strahlung
ATMOSPHÄRE
BIOSPHÄRE
Wolken
KRYOSPHÄRE
Luft - Biosphäre - Land
Kopplung
ANTHROPOSPHÄRE
Schnee
Niederschlag
Luft - Eis Kopplung
Gletscher
Wärmeaustausch
Wind
Eisschilde
Treibeis
Natürliche
Emissionen
(z.B. Vulkane)
Vegetation
(z.B.
Entwaldung)
(10 - 104a)
Mensch
(z.B. Zunahme
Energieverbrauch)
Land
(z.B.
Verwitterung)
Land = 29 % der Erdoberfläche
Atmosphäre - Ozean Kopplung
HYDROSPHÄRE
Tiefsee (~1500 a)
Land und Ozean
(z.B. Kontinentaldrift,
Orographie)
Zusammensetzung
des Meerwassers
(z.B. Salzgehaltsschwankung)
Wasser = 71 % der Erdoberfläche
Das Klimasystem der Erde mit physikalischen Prozessen (offene Pfeile) und Veränderungen durch Systemeingriffe (geschlossene Pfeile). Quelle: National Academy of Science (1975) aus Gates (1979), verändert und ergänzt
se
Fig. 1.1
Eis - Ozean
Kopplung
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Grundwasser
Meereis
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Verdunstung
Pedosphäre
mit Binnengewässer
GEOSPHÄRE
Lithosphäre
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Die zentrale Komponente des Klimasystems ist das Subsystem Atmosphäre, die
Gashülle unseres Planeten. Sie steht z. B. über Prozesse wie Niederschlag und Verdunstung in enger Wechselwirkung mit der Wasserhülle der Erde, der Hydrosphäre
(Tab. 1.1). Die Weltozeane bedecken allein ohne Meereis 70,8 % der Erdoberfläche.
Die Verteilung von Land und Wasser ist auf beiden Halbkugeln dabei ungleich; der
Wasseranteil beträgt auf der Nordhalbkugel nur ca. 61 %, auf der Südhalbkugel, der
„Wasserhalbkugel“ dagegen 81 %. Zur Hydrosphäre zählen auch die Süßwassergebiete der Erde. Die meiste Zeit in den 4,6 Milliarden Jahren seit seiner Entstehung
besaß unser Planet keine Kryosphäre, d. h. er war völlig eisfrei. Landeis in Form der
großen Eisschilde auf Grönland und der Antarktis sowie der Gebirgsgletscher nimmt
aktuell 2,8 % der Erdoberfläche ein. Das Meereis, v.a. des arktischen Meeresbeckens,
bedeckt als Pack- und Drifteis 5,1 %. Die Kryosphäre umfasst auch die Schneebedeckung (Chionosphäre). Auf das feste Land, die Geosphäre, entfallen nur etwa 29,2 %
der gesamten Erdoberfläche. Sie lässt sich in die oberste Schicht oder den Boden, die
Pedosphäre und das Festgestein, die Lithosphäre unterteilen. Die Biosphäre, der mit
Leben erfüllte Teil unseres Planeten, insbesondere die Vegetation, ist auf 69 % der
Landfläche verbreitet. Der Mensch ist Teil der Biosphäre; da er aber als Akteur aktiv
und inzwischen auch wissentlich in die Subsysteme des Klimasystems eingreift
(z. B. indem er die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert oder die Biosphäre
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durch den Pflanzenbau modifiziert), kann man seinen Handlungsbereich auch als
Anthroposphäre definieren. Die verschiedenen Komponenten der Subsphären haben
charakteristische und sehr unterschiedliche Umwälzzeiten, die von wenigen Tagen
bis Millionen von Jahren reichen (Tab. 1.1).
Tab. 1.1 Komponenten des Klimasystems und ihre charakteristischen Zeiten. Quelle: Hupfer
1996, verändert
Grenzfläche zwischen
Erdoberfläche und
Atmosphäre
Atmosphäre
Stratosphäre
Troposphäre
106 km2
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Charakteristische (Umwälz-)
Zeiten
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Komponente
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1 – 3 Jahre
5 – 10 Tage
Hydrosphäre
Flüsse, Seen
Grundwasser
Ozean. Deckschicht
Tiefsee
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Kryosphäre
Schneedecke
Landeis
Gebirgsgletscher
Eisschilde
Meer- u. Packeis
Biosphäre
lebende Biota
tote Biomasse
70,8
Tage – Monate
10 – 10 000 Jahre
100 Tage
100 – 1 000 Jahre
149
29,2
Tage – Monate – Jahrhunderte
100 000 – Mill. Jahre
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Geosphäre
feste Erde, Landflächen
Pedosphäre
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Stunden – Tage
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20,2
1 – 100 Jahre
1 000 – 10 000 Jahre
Monate – Jahre
Tage – Jahre
1 – 100 Jahre
Dieses einführende Buch konzentriert sich auf die Prozesse, die in der Atmosphäre
ablaufen. Als Klima wird der Komplex der charakteristischen Qualitäten des Luftraumes über einer Erdstelle definiert, der durch ihre ganz spezifische Lage auf der
Erdoberfläche bestimmt ist. Als Lagekategorien sind dabei die Lage im System der
Breitenkreise (solare Lage), die meteorologische Lage im Einflussbereich der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre und die geographische oder tellurische Lage
im Verbreitungsgefüge der Land- und Wasserflächen inklusive der Reliefgliederung
und dem Bedeckungszustand der Erdoberfläche zu unterscheiden. Unter Klimaelementen versteht man diejenigen Messgrößen, die durch ihr Zusammenwirken das
Klima kennzeichnen. Zu den wichtigsten zählen die Strahlung, bei der die von der
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
2
Erddimensionen und Beleuchtungsklimazonen
2.1 Erddimensionen
Im klimatologischen Ableitungszusammenhang kann die Erde mit hinlänglicher Genauigkeit als Kugel mit einem mittleren Radius von rm = 6 371,23 km angesehen
werden. In Wirklichkeit ist sie ein schwach abgeplattetes Rotationsellipsoid, bei dem
der Radius längs der Erdachse (polarer Radius) nur rp = 6 356,80 km, längs der Äquatorebene (äquatorialer Radius) aber rä = 6378,18 km misst.
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Nach den Gesetzen der Geometrie lassen sich berechnen:
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der Äquatorumfang zu Uä = 2 rä π ≈ 2 ⋅ 6378,18 km ⋅ 3,1415 ≈ 40 075 km,
die Oberfläche der Erdkugel zu
FErde = 4 rm2 π ≈ 4 ⋅ 6 371,23 km ⋅ 6 371,23 km ⋅ 3,1415 ≈ 510,1 Mio. km2.
2.2 Himmelsmechanische Tatsachen
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Sowohl die Jahreszeiten als auch die strahlungsklimatische Großgliederung der Erde
in Tropen, Mittelbreiten und Polarkalotten haben wie viele davon ableitbare klimatologische Phänomene ihre Ursache in drei (miteinander verbundenen) himmelsmechanischen Tatsachen (s. Fig. 2.1):
1. in der Erdrevolution, d. h. im Umlauf der Erde um die Sonne (Nikolaus Kopernikus 1473–1543),
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2. in der sog. Schiefe der Ekliptik, d. h. dem Faktum, dass die Erdachse nicht senkrecht auf der Ekliptik steht, sondern mit deren Flächennormalen einen Winkel von
ungefähr 231/2° bildet, also schief auf der Ekliptik steht, und dass
3. diese Schiefe nur so kleinen periodischen Schwankungen unterliegt, dass sie aktual-klimatologisch ohne Konsequenzen sind. In erdgeschichtlichen Zeiträumen hingegen sind diese Schwankungen aber relevant und einer der Auslöser für natürliche
Klimaschwankungen.
zu 1. Die Umlaufzeit um die Sonne beträgt genau 365 Tage, 5 Stunden, 48 Minuten
und 46 Sekunden. Bei einem Jahr von 365 Tagen muss deshalb alle 4 Jahre ein
Schaltjahr mit 366 Tagen eingefügt werden, wobei zu den Jahrhundertwenden der
Schalttag in der Regel ausfällt. Wie alle Planetenbahnen ist auch die der Erde eine
Ellipse, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht (1. Keplersches Gesetz; Johannes Kepler 1571–1630). Die Abweichung von einer idealen Kreisbahn, d. h. die Exzentrizität der Erdbahn, ist aber nur sehr gering. Ihre langfristige Variation spielt bei
den natürlichen Klimaschwankungen aber eine Rolle. Auf der großen Achse (= Ap-
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Die Sonne als Energiequelle und die Ableitung
des solaren Klimas
3.1 Energiequelle und Solarkonstante
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Die Quelle, aus der praktisch die gesamte Energie stammt, die den Zirkulationsmechanismus der Atmosphäre mit all seinen klimatologischen Erscheinungen in Bewegung setzt, die außerdem das ganze organische Leben auf der Erde ermöglicht und
die alle Arbeit zur physikalischen und chemischen Veränderung an der festen Erdoberfläche liefert, ist die Sonne (Maßeinheit für Energie = Joule). Der Wärmestrom
aus dem Erdinneren ist nur lokal für Heizzwecke von Bedeutung.
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Die Sonne, die astronomisch zu den gelben Zwergsternen zählt, ist ein riesiger Gasball mit einem Radius von ca. 696 Tausend km, d. h. dem 109fachen des Erdhalbmessers. Gewaltige Energiemengen werden im Inneren durch Kernfusionsprozesse erzeugt. Die Sonne ist ca. 150 Mio. km von der Erde entfernt. Das System Sonne–Erde
kann man sich maßstabsgerecht (109 : l) verkleinert ungefähr so vorstellen, dass in einem Tor eines etwas vergrößerten Fußballplatzes (ca. 150 m lang) ein (Sonnen-)Ball
von 1,4 m Durchmesser und im gegenüberliegenden Tor ein (Erd-)Kügelchen von
nicht ganz 1,4 cm Durchmesser liegt.
se
Die Sonnenenergie gelangt in Form von elektromagnetischer Strahlung auf die Erde.
Darunter versteht man einen Energiefluss in Form elektromagnetischer Wellen oder
auch schneller Teilchen (Strahlungsfluss = Energie/Zeit = J/s = Watt). Die Gesamtenergiedichte (Strahlungsflussdichte = Energie/Fläche ⋅ Zeit; Einheit J/m2 ⋅ s = W/m2
oder W m–2) der Ausstrahlung eines physikalisch schwarzen Körpers hängt dabei
von der vierten Potenz seiner Oberflächentemperatur ab. Diesen Zusammenhang
verdeutlicht das Gesetz von Stefan-Boltzmann (nach Jozef Stefan 1835–1893 und
Ludwig Eduard Boltzmann 1844–1906):
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S = σ ⋅ T4
S = Gesamtenergiedichte (W m-2)
T = Absolute Oberflächentemperatur eines physikalisch schwarzen Strahlers in Kelvin
(K)
σ = 5,67051 ⋅10-8 (W m-2 K-4) = Stefan-Boltzmann-Konstante
Warme Körper strahlen also sehr viel intensiver als kalte. Für die Sonne lässt sich
eine Strahlungsflussdichte von Qsonne ≈ 6,3 ⋅ 107 W m-2 berechnen. Die effektive
Oberflächentemperatur beträgt ≈ 5785 K. Von der kugelsymmetrisch in den Weltraum abgestrahlten Gesamtenergie trifft auf die 150 Mill. km entfernte Erde nur eine
Teilmenge von rd. 2 Milliardstel. Ihre regionale und zeitliche Verteilung und Umsetzung im System Erde + Atmosphäre bildet das Fundament der klimatischen Differenzierungen.
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
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Die Atmosphäre, ihre Zusammensetzung
und Gliederung
4.1 Die Zusammensetzung der Atmosphäre
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Unter Atmosphäre versteht man allgemein eine von der Schwerkraft eines Himmelskörpers festgehaltene Gashülle. Ihre Zusammensetzung kann sehr verschieden sein
und hängt wesentlich von Temperatur, Größe und Masse des Himmelskörpers ab.
Die Erdatmosphäre setzt sich zusammen aus unsichtbaren Gasen (Luft, v. a. Stickstoff und Sauerstoff sowie Wasserdampf), Hydrometeoren (Wasser im festen
Zustand als Schnee und Eis und im flüssigen Zustand als Wolkentröpfchen oder
Niederschlagstropfen) und Aerosolen, d. h. festen und z. T. auch flüssigen, anorganischen und organischen Schwebpartikeln (z. B. Mineralbruchstücke, Pollen, Salzkristalle, Ruß). Die Grundmasse, die trockene reine Luft, besteht aus einem Gemisch
von Gasen, die unter atmosphärischen Bedingungen nicht in die flüssige oder feste
Phase übergehen können (= permanente Gase), weil ihre Verflüssigungs- bzw. Erstarrungstemperaturen weit unterhalb der in der Atmosphäre vorkommenden Temperaturen liegen. Die Mischung besteht aus
(N2)
(O2)
(Ar)
(CO2)
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75,53 Gewichts-% Stickstoff
23,14 Gewichts-% Sauerstoff
1,28 Gewichts-% Argon
0,05 Gewichts-% Kohlendioxid
(78,08 Volumen-%)
(20,95 Volumen-%)
(0,93 Volumen-%)
(0,03 Volumen-%)
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und außerdem in Spuren mit (ebenso genau bestimmten) %-Sätzen von Tausendstel
bis Milliardstel einer Reihe von Edelgasen wie Neon (Ne), Helium (He), Krypton
(Kr) und Xenon (X) sowie Ozon (O3) und Wasserstoff (H2), wobei die zwei letztgenannten in ihren Anteilen zeitlich und örtlich variieren (Tab. 4.1).
Da die Einzelgase zum Teil stark unterschiedliche Massen haben, müssen sie unter
der Wirkung der Schwerebeschleunigung einer ständigen Tendenz zur schichtigen
Anordnung der schweren unten und der leichten oben unterliegen. Dass trotzdem in
Wirklichkeit das Mischungsverhältnis bis in große Höhen konstant ist, ist Folge der
sehr effektiven turbulenten Durchmischung (s. Kap. 1.3). Besonders bemerkenswert
ist die Konstanz des Sauerstoffanteils (O2), wenn man bedenkt, dass der Sauerstoff
doch einerseits bei der Photosynthese von Pflanzen erzeugt werden muss und andererseits bei Oxidationsprozessen (Atmung und Verbrennung gehören dazu) gebunden wird. In der Natur wird also ein sog. Fließgleichgewicht aufrechterhalten. Selbst
in den großen Industrieagglomerationen, wo rechnerisch mehr O2 gebunden als erzeugt wird, hat man bisher noch keinen Rückgang des Sauerstoff-Anteiles an der
Luft feststellen können.
Der Kohlendioxidgehalt (CO2) unterliegt dagegen als Folge der zunehmenden Verbrennungsprozesse bereits einer messbaren regionalen und zeitlichen Veränderung.
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Die solaren Strahlungsströme unter dem Einfluss der Atmosphäre
e
Das oben abgeleitete solare Klima wird erheblich abgewandelt durch den Einfluss,
den die Erdatmosphäre auf die einfallende Sonnenstrahlung ausübt. Dieser Einfluss
hat eine quantitative und qualitative Veränderung der die Erdoberfläche erreichenden Strahlung zur Folge. Als ersten Schritt zur Ableitung des wirklichen, durch die
Atmosphäre mitgestalteten Strahlungsklimas auf der Erdoberfläche sei als Randbedingung eine völlig homogene Atmosphäre angenommen.
pr
ob
5.1 Das Sonnenspektrum am Grunde der Atmosphäre
Lässt man einen Sonnenstrahl durch ein geeignetes Prisma gehen, so kann man das
weiße Sonnenlicht in seine Spektralfarben aufspalten. Das ist der Ausdruck der physikalischen Tatsache, dass die einfallende Sonnenstrahlung ein Bündel elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Wellenlänge ist. Ihre Einbettung in das Gesamtspektrum elektromagnetischer Wellenstrahlung zeigt Fig. 5.1.
Dunst
Fig. 5.1
pm
Å
10-8
nm
UVA
Licht
UVB
UVC
~
10-15 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9
Teilchengrößen
10-7
Wärme
(IR)
10-6
μm
10-5
Mikrowellen
10-4
~ 1 m
1 dm
100 nm
280 nm
315 nm
380 nm
780 nm
3 μm
10 nm
Röntgenstrahlen
Hagel
terr.
UV
fm
Regen
solar
UVD
10 pm
~
~
Gammastrahlen
~ 300 pm
0,1 pm
klimarelevante
Strahlung
Kosmische
Strahlen
Wolken
Aerosole
~
Moleküle
1 mm
Wasserstoffatom
~
Atomkern
60 μm
Elektron
se
Die Wellenlänge des Ausstrahlungsmaximums der Strahlung hängt von der Oberflächentemperatur des Strahlers ab. Mit niedrigen Temperaturen eines Strahlers
verschiebt sich das Maximum zu größeren Wellenlängen, mit höheren Temperaturen zu kleineren Wellenlängen. Die Temperaturabhängigkeit der Lage des Maxi-
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Rundfunk
RADAR
(mm-, cm-,
dm-Wellen)
10-3
μm
10-2
(Wellenlänge)
Fernsehen
10-1
1
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Wellenlänge (l)
Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, Positionierung der Solarstrahlung
und atmosphärische Teilchengröße (verschiedene Quellen, u.a. Schönwiese 2008,
verändert)
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
5.1 Das Sonnenspektrum am Grunde der Atmosphäre
47
mums verdeutlicht das Wiensche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien 1864–
1928; Fig. 5.2)
λmax ⋅ T = b bzw. λmax = b/T
λmax = Wellenlänge des Ausstrahlungsmaximums (μm)
T
b
= absolute Temperatur des strahlenden Körpers (K), bei der Sonne z. B.
Tsonne ≈ 5785 K
= 2897,756 (μm K) = Wiensche Konstante
Die Wellenlängen werden in folgende Spektralbereiche unterteilt:
pr
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• Das sichtbare Licht zwischen 0,38 und 0,78 μm (1 μm = 1/1000 mm). Darin liegen, von den kürzeren zu den längeren Wellen gerechnet, die Spektralfarben
blau, grün, gelb und rot, die als Bündel zusammengenommen für das Auge das
Empfinden farblos (= weiß) vermitteln.
• Den unsichtbaren ultravioletten Spektralbereich mit Wellenlängen unter 0,38 μm
(UV-Strahlung).
• Den ebenfalls unsichtbaren infraroten Bereich oberhalb 0,78 μm mit der Unterteilung des nahen (0,78–2 μm), mittleren (2–5 μm) und fernen Infrarots (5–
60 μm), der sog. IR-Strahlung.
Am Grunde der Atmosphäre resultiert daraus die in der unteren Kurve der Fig. 5.3
dargestellte Energieverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
se
Die Energieverteilung innerhalb der am Grund der Atmosphäre ankommenden Sonnenstrahlung zeigt folgende charakteristischen Eigenschaften:
Le
1. Das Energiemaximum liegt mitten im sichtbaren Spektralbereich bei 0,5 μm (grünes Licht). Übereinstimmung von Energiemaximum der Sonnenstrahlung und Empfindlichkeitsmaximum des menschlichen Auges!
2. Rasche Abnahme, fast abruptes Abbrechen der Energie zur Seite der harten (lebensschädlichen) UV-Strahlung.
3. Langsames Ausklingen der Energie im IR-Bereich.
4. In bestimmten Wellenlängenbereichen sind tiefe Einbrüche in der Energieverteilungskurve vorhanden („dunkle Bereiche“).
5. Die dunklen Bereiche sind im sichtbaren Spektralbereich nur sehr klein und werden zum Infrarot hin laufend größer.
Werden vergleichbare Messungen in verschiedenen Höhen über Meer durchgeführt,
so stellt sich heraus, dass mit wachsender Höhe die Energie aller Wellenbereiche
größer wird, und dass die Energieeinbrüche in den dunklen Bereichen geringer werden. Außerhalb der Atmosphäre hat die spektrale Energieverteilung den durch die
Linie 2 in Fig. 5.3 angegebenen Verlauf.
Aus dem Vergleich der Kurven folgt: Die Atmosphäre ist für die einfallende Sonnenstrahlung semitransparent; sie unterliegt beim Durchgang durch die Atmosphäre einem Energieverlust, bestehend in einer Schwächung der Gesamtenergie und einer
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Die terrestrischen Strahlungsströme und
der Treibhauseffekt der Atmosphäre
6.1 Die Ausstrahlung der Erdoberfläche und die Gegenstrahlung der Atmosphäre
Gedankenexperiment mit der täglichen Erfahrung:
pr
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e
Wenn man in einer gut verdunkelten Küche die Heizplatte eines Elektroherdes anund sich selbst in einer Entfernung von wenigen Metern daneben stellt, so fühlt man
nach kurzer Zeit schon die Wärmestrahlung, man sieht die Platte aber noch nicht.
Erst wenn sie sich weiter erwärmt hat, leuchtet sie allmählich auf – erst schwach
dunkelrot, dann deutlicher in einem helleren Rot. Sie kann schließlich „weißglühend“ werden. Gleichzeitig ist die Empfindung der Wärmestrahlung wesentlich intensiver geworden. Hält man dann eine Glasscheibe zwischen Heizplatte und Gesicht, so sieht man die Platte zwar, fühlt aber keine Wärmestrahlung mehr.
Physikalisch bedeutet das: Je wärmer die Platte wird, umso intensiver wird die Abstrahlung. Diese erfolgt bei relativ niedrigen Temperaturen noch im unsichtbaren Infrarot; erst bei genügender Erhitzung werden auch solche (kürzeren) Wellenlängen
ausgesendet, die unser Auge als Licht empfinden kann (zunächst rot und bei Hinzukommen auch der kürzeren Wellenlängen Übergang zu weiß).
se
In der Fig. 6.1 sind die Erfahrungen mit der sog. Wärmestrahlung quantifiziert, wobei als Bedingung gestellt ist, dass es sich um einen „physikalisch schwarzen Körper“ handelt. Die Energie ist spektral auf die verschiedenen Wellenlängen aufgeteilt
und die von der jeweiligen Strahlungskurve umschlossene Fläche kann als Repräsentationsgröße für die bei der jeweiligen Oberflächentemperatur ausgestrahlte Gesamtenergie gewertet werden.
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Die den Beziehungen zwischen absoluter Temperatur (T) des Körpers, gesamter
Ausstrahlungsenergie (S) von 1 cm2 seiner Oberfläche in einer Minute und Wellenlänge maximaler Strahlung (λmax) zugrundeliegenden Gesetzmäßigkeiten sind formuliert im Planckschen Strahlungsgesetz (Max Planck 1858–1947) bzw. als Teilaussage im Gesetz von Stefan und Boltzmann (s. Kap. 3.1) sowie im Wienschen
Verschiebungsgesetz (s. Kap. 5.1).
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Die Strahlungsbilanz, lokal, regional und global
Nach der Behandlung der einzelnen Teilvorgänge bei der Strahlungsumsetzung im
System Erde + Atmosphäre kann nun die Bilanz für das Gesamtsystem, für charakteristische Orte oder auch für bestimmte Regionen aufgemacht werden. Aus den Bilanzen sollen Einsichten in die Wirkungsweise des Antriebsmechanismus für die gesamte großräumige Zirkulation der Atmosphäre und für die regionale Anordnung
wichtiger Zirkulationsglieder gewonnen werden.
IS
IS + IH = kurzwellige Globalstrahlung;
IS + IH – RK = effektive Einstrahlung
pr
ob
direkte kurzwellige Sonneneinstrahlung
e
Die Strahlungsbilanzgleichung Q für jeden Einheitsausschnitt (aus der Atmosphäre
oder von der Erdoberfläche) setzt sich aus folgenden Gliedern zusammen:
diffuse kurzwellige Himmelsstrahlung
IH
Reflexion der kurzwelligen Strahlung
langwellige Erdausstrahlung (Emission)
langwellige atmosphär. Gegenstrahlung
Reflexion der langwelligen Strahlung
RK
E
A
RL
Differenz E – A = effektive
Ausstrahlung
se
Die Strahlungsbilanzgleichung lautet:
Q = IS + IH – RK – E + A – RL
Le
(Der kleinste Wert in der Gleichung ist RL. Die Reflexion langwelliger atmosphärischer Gegenstrahlung lässt sich messtechnisch schlecht getrennt erfassen und wird
deshalb bei der langwelligen Ausstrahlung E mit gemessen und mit dieser zusammengezogen.)
7.1 Die Strahlungsbilanz des Gesamtsystems Erde und
Atmosphäre
In Fig. 7.1 sind die Teilglieder der Strahlungsbilanz für die Erde mit ihrer Atmosphäre unter Voraussetzung globaler Mittelwerte von Albedo, Bewölkungsgrad, Wasserdampf und Aerosolgehalt in ihrer Größenrelation und räumlichen Anordnung schematisch wiedergegeben [Werte jeweils in % der an der Obergrenze der Atmosphäre
ankommenden Sonnenstrahlung und absolut in W m-2].
Von der im Jahresmittel der Erde zugestrahlten Sonnenenergie passieren durchschnittlich 30 % ungestört die Atmosphäre und erreichen als direkte Sonnenstrahlung die Erdoberfläche. Nur 25 % werden in der Atmosphäre absorbiert. 45 % wer-
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Tages- und Jahresgänge der Energiebilanz
an der Erdoberfläche
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In Fig. 7.1 sind neben den Strahlungsenergieflüssen auch noch die beiden Flüsse
fühlbarer und latenter Energie dargestellt; denn nach der Aufsummierung aller
Strahlungsenergiezu- und -abfuhren bleibt an der Erdoberfläche ein Energieüberschuss übrig. Dieser wird für diese beiden Prozesse verbraucht: Zum einen wird Luft
durch Kontakt mit der Erdoberfläche (Wärmeleitung) erwärmt, wodurch der Atmosphäre Energie zugeführt wird. Man bezeichnet dies als Fluss fühlbarer Wärme H (H
von Heat), der in seltenen Fällen auch umgekehrt zur Erwärmung der Erdoberfläche
führen kann. Dieser Energiefluss kann durch Messung des Energieinhaltes der Luft,
d. h. der Lufttemperatur, erfasst werden. Zum anderen wird an der Erdoberfläche
Wasser in Wasserdampf umgewandelt. Für diesen Prozess der Verdunstung ist eine
Energie von ca. 2500 J pro g H2O notwendig (s. Kap. 12). Sie wird bei der Kondensation in der Atmosphäre wieder frei. Dieser versteckte Energietransport durch Aggregatszustandsänderungen des Wassers von der Erdoberfläche in die Atmosphäre –
bei der Tau- und Reifbildung aber auch umgekehrt – wird Fluss latenter Wärme L
genannt. Die Sonnenenergie gelangt also nicht nur durch Absorption der direkten
Sonnenstrahlung, sondern noch viel stärker über den Umweg der Erdoberfläche, der
Absorption ihrer langwelligen Ausstrahlung zum ersten, der direkten Erwärmung
der Luftmoleküle durch Kontakt an der Erdoberfläche zum zweiten und versteckt
über die Prozesse der Verdunstung und Kondensation zum dritten in die Atmosphäre.
Strahlungsbilanz Q, fühlbarer und latenter Wärmestrom gehören zu den Komponenten der Energiebilanz bzw. des Wärmehaushaltes der Erdoberfläche. Wie die
einzelnen Strahlungsströme können auch sie für eine masselose Grenzfläche dargestellt werden. Als vierte Komponente kommt hierbei der Bodenwärmestrom
oder Speicherterm B hinzu, d. h. die Energieleitung von der Erdoberfläche in Boden, Gestein oder Baumaterial, aber auch in einen Pflanzenbestand oder ein Wasservolumen hinein oder aus ihm heraus. Diese Zusammenhänge wurden auch
schon in den Unterkapiteln 5.9.3 bis 5.9.6 zur Wärmeverteilung im unbewachsenen Boden, im Wasser, in einer Schneedecke und in der Vegetation behandelt.
Auch in der Stadtklimatologie spielt der Speicherterm eine sehr wichtige Rolle (s.
Kap. 16.1). (Energieflüsse im Photosyntheseprozess der Pflanzen und die kinetische Energie auf die Erdoberfläche fallender Tropfen sind so gering, dass sie hier
vernachlässigt werden können.)
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Zusammengefasst lautet die Energiebilanz-(Wärmehaushalts)-Gleichung, in der alle
Energieströme im Gleichgewicht sind, wie folgt:
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Lufttemperatur und Temperaturverteilung
in der Atmosphäre
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Die Lufttemperatur als Maß für den Wärmezustand der Luft an einem bestimmten
Ort in der Atmosphäre ist wohl die wichtigste unter allen klimatologischen Beobachtungsgrößen. Ihre Messung erfolgt gemeinhin mit einem Thermometer. Solche Instrumente sind allgemein bekannt. Gleichwohl bietet die Temperaturmessung in der
Atmosphäre, ob nahe dem Erdboden oder in größeren Höhen, und die Gewinnung
untereinander vergleichbarer Temperaturangaben prinzipielle Probleme.
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9.1 Messvorkehrungen, klimatologische Beobachtungstermine, wahre Tagesmittel
Le
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Das reine Messproblem hängt damit zusammen, dass die Luft eine extrem kleine
spezifische Wärme pro Masseneinheit und eine fast ebenso extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt. Demgegenüber hat der Messkörper eines Thermometers – zumal das Thermometergefäß der klassischen Quecksilberthermometer, aber ebenfalls
in Glas eingeschlossene, elektrische Widerstandsthermometer – bei relativ großer
Masse eine vergleichsweise große spezifische Wärme. Wenn der Messkörper nun
beim Messvorgang ins Wärmeleitungsgleichgewicht mit der Luft gebracht werden
soll, so ist eine große Menge Luft notwendig, um ihm die notwendige Energie zuoder von ihm abzuführen. Deshalb müssen Luftthermometer immer ventiliert werden
(z. B. durch vorbei strömende Luft). Weiter müssen Luftthermometer strahlungsgeschützt sein, um nicht allen möglichen Einflüssen der Energieübertragung durch
Strahlung ausgesetzt zu sein (von der Sonne, von Hauswänden, vom Boden oder
vom Körper der messenden Person). Das wird einerseits durch weiße oder verchromte, spiegelnde Blenden um den Messkörper und andererseits durch Messung im
Schatten erreicht. Lufttemperaturen sind grundsätzlich Schattentemperaturen. Ein
internationales Standardinstrument ist das Aßmannsche Aspirationspsychrometer.
„Psychrometer“ (griech. psychros = kalt) deshalb, weil neben einem normalen noch
ein sog. „feuchtes Thermometer“ eingebaut ist, über dessen Thermometergefäß ein
nasser Musselinstrumpf gezogen ist, der im durchgesaugten Luftstrom die Temperatur des feuchten Thermometers herabsetzt. Aus der Differenz der normalen „trockenen“ und der „feuchten Temperatur“ kann die relative Luftfeuchte ermittelt werden.
Die Aspiration wird durch einen kleinen Motor besorgt, der einen Luftstrom mit
2,5 m s-1 an dem Thermometergefäß vorbeisaugt. Die aus dem Wärmeleitungsgleichgewicht mit strahlungsgeschützten Thermometern gewonnenen Temperaturangaben
für die Luft werden als „wahre Lufttemperatur“ bezeichnet.
Mit den reinen Messvorkehrungen allein ist es aber noch nicht getan. Um die Vergleichbarkeit von Angaben der wahren Lufttemperatur untereinander zu gewährleis-
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ten, müssen noch andere international vereinbarte Normen beachtet werden, die je
nach dem Verwendungsziel der Angaben verschieden sein können. Für alle großräumigen Vergleiche, die über die lokalklimatische Dimension (z. B. ein Tal, ein Bergrücken, eine Dorfflur, allenfalls eine Stadt) hinausgehen, muss der gewonnene Wert
für einen größeren Umkreis um die Messstelle repräsentativ sein. Das bedeutet zunächst einmal, dass die Messung außerhalb der „bodennahen Luftschicht“, also
oberhalb der untersten 1,5 bis 2 m erfolgt, da diese Schicht noch im unmittelbaren
Wirkungsbereich der Unterlage als Reibungs- und Heiz- bzw. Abkühlungsfläche
liegt. In der bodennahen Luftschicht weisen die Temperatur und alle anderen klimatologischen Parameter besonders starke Änderungen auf Meterdistanz auf, die zwar
mikrometeorologisch bzw. -klimatologisch charakteristisch und von großem Interesse sind, für makroklimatologische Fragestellungen aber die Vergleichbarkeit der
Werte beeinträchtigen. Außerdem soll die Messung möglichst oberhalb einer Rasenfläche und in genügendem Abstand von Gebäuden, Bäumen und anderen Gegenständen erfolgen, welche den Luftraum einengen könnten. Die bisher genannten Messvorkehrungen finden ihren sichtbaren Ausdruck in der sog. „Wetterhütte“ in einem
„meteorologischen Beobachtungsgarten“. Es ist ein weißgestrichener Holz- oder
Plastikkasten, dessen Wände so aus Jalousien gebaut sind, dass zwar die Luft hindurchstreichen, aber keine direkte Strahlung hineinfallen kann. Neuere Strahlungsschutzvorrichtungen bestehen aus kleinen, runden Jalousiegehäusen. Das Gehäuse
wird auf einem schattenlosen Grasplatz so aufgestellt, dass sich die Instrumente im
Innern in rund 2 m Höhe befinden. Für die Aufgaben des Wetter-(„synoptischen“)Dienstes, bei denen die Lufttemperatur zu einer bestimmten Weltzeit gleichzeitig überall auf der Erde beobachtet („synoptisch“ = gleichbeobachtend) wird, ist
mit den genannten Messvorschriften der Katalog der zu beachtenden Vorkehrungen
erschöpft. Zurzeit ist lediglich für einige Länder, die in der englischen Beobachtungstradition stehen, noch die Umrechnung von der Fahrenheit- auf die CelsiusSkala vorzunehmen. Da Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) den Nullpunkt seiner Skala als die tiefste damals in Königsberg beobachtete Temperatur als 0 °F ( =
–17,8 °C) und die Körpertemperatur als 100°F ( = 37,8 °C) definierte, ergibt sich zur
Celsius-Skala (nach Anders Celsius, 1701–1744) mit Gefrierpunkt des Wassers
gleich Null und Siedepunkt gleich 100 folgende Rechenbeziehung: x°F = 5/9(x32) °C (s. Fig. 9.1). Man muss also von den Fahrenheitangaben erst 32 abziehen und
dann den Rest mit 5/9 multiplizieren. 32°F sind somit 0 °C. In thermodynamischen
Zusammenhängen wird die absolute Temperatur K (Kelvin nach Sir William
Thompson, Lord Kelvin of Largs, 1824–1907) verwendet. Sie geht vom absoluten
Nullpunkt aus, der bei –273,15 °C liegt. 0 °C sind 273,15 K, die aktuelle globale
mittlere Lufttemperatur von 15 °C entspricht also ungefähr 288 K.
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9 Lufttemperatur und Temperaturverteilung in der Atmosphäre
Für die Klimatologie bleibt noch das Problem, Temperaturangaben für vergleichbare Zeiten bzw. Zeitabschnitte zu normieren. Als Ausgangsbasis dient dazu der Tagesmittelwert der Temperatur. Wegen ihrer dominanten Abhängigkeit von den
Strahlungseinflüssen weist die Lufttemperatur einen tagesperiodischen Gang auf.
Als thermischen Repräsentationswert für einen Tag kann man aus dem arithmeti-
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10 Der Luftdruck, seine Messung und Darstellung
Unter dem Einfluss der Schwerkraft der Erde lastet die Masse der Atmosphäre mit
ihrem Gewicht auf der Erdoberfläche oder mit entsprechenden Teilbeträgen auf beliebigen Niveaus in der Atmosphäre. Sie übt auf eine Unterlage oder die tiefer liegenden Luftschichten einen bestimmten Druck (= Luftdruck) aus.
10.1
Die Wirkungsweise von Flüssigkeits- bzw. Gasdruck
pr
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Der Druck ist als das Verhältnis einer senkrecht auf eine Fläche wirkenden Kraft zur
Größe dieser Fläche definiert. Im speziellen Fall der Schwerkraft-Wirkung der Erde
auch Gewichtskraft pro Flächeneinheit. Der Druck hat die Einheit 1 Nm-2 = 1 Pa
(Pascal). Sie leitet sich wie folgt ab:
Gewichtskraft = Masse ⋅ Schwerebeschleunigung (1 kg m s-2)
Masse = Dichte (1 kg m-3) ⋅ Volumen (1 m3)
Schwerebeschleunigung im Schwerefeld der Erde (45° Breite, Meeresniveau)
= 9,80665 m s-2
Druck = Dichte ⋅ Volumen ⋅ Schwerebeschleunigung pro Fläche mit der Einheit
(1 kg m-3 m3 m s-2 m-2 = 1 kg m m-2) = 1 N m-2 = 1 Pa.
se
Während bei festen Körpern der Druck jeweils gerichtet übertragen wird, wirkt er in
Flüssigkeiten und Gasen nach allen Richtungen. Die Auswirkungen dieses Gesetzes
über den Flüssigkeits- oder Gasdruck sind allgegenwärtig im täglichen Leben, nur
macht man es sich meistens nicht klar. (Wenn sich jemand auf eine aufgepumpte
Luftmatratze plumpsen lässt, lupft es den Nachbarn, der schon darauf sitzt, nach
oben, obwohl die verursachende Druckwirkung doch nach unten gerichtet war.)
Le
Sinnfällig wird der Druck mit Hilfe der Vorstellungen der kinetischen Gastheorie:
Danach kann man sich die Moleküle eines Gases (und einer Flüssigkeit) in ständiger
ungeregelter Bewegung vorstellen (Brownsche Molekularbewegung nach R. Brown
1773–1858). Da in einem cm3 bei 0 °C und 1013 hPa Luftdruck 2,6868 ⋅ 1019 Moleküle (Loschmidtsche Zahl nach J. Loschmidt 1821–1895) vorhanden sind, muss die
Bewegung zu ständigen Zusammenstößen untereinander und mit den das Gas begrenzenden Wänden (z. B. eines Behälters) führen. Die Druckkraft, die ein Gas auf
einen cm2 einer begrenzenden Wand ausübt, ist eine Folge der Stöße der Gasmoleküle gegen sie. Da die Molekularbewegung bei der riesigen Zahl von fast 27 Trillionen Teilchen in einem cm3 statistisch in allen Richtungen gleich verteilt ist, resultiert ein allseitig gleicher Druck. Wird in einem gegebenen Luftvolumen die
Temperatur erhöht, vergrößert sich die kinetische Energie der Moleküle und die
Kraft der Stöße; → der Druck steigt. Volumenvergrößerung bedeutet weniger Moleküle pro Volumeneinheit und damit Verkleinerung der Zahl der Stöße pro Zeiteinheit; → der Druck auf die Wände fällt. Bei Volumenverkleinerung steigt er. Wenn
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11 Horizontale Luftdruckunterschiede und
die Entstehung von Wind
Voraussetzung für die Einleitung von Luftbewegungen in der Horizontalebene ist
eine in derselben Ebene wirkende Antriebskraft. Es ist die Kraft des horizontalen
Luftdruckgradienten.
e
Unter Gradient wird ganz allgemein die Änderung eines Messwertes pro Streckeneinheit in Richtung des stärksten Gefälles innerhalb des Wertefeldes verstanden. Es
ist somit eine Größe, die einen bestimmten Betrag und eine bestimmte Richtung im
Raum hat („gerichtete Größe“ = Vektor).
11.1
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Definition: Horizontaler Luftdruckgradient ist die Luftdruckabnahme (- dp = Differenz von p) in einer Niveaufläche pro Streckeneinheit in der Richtung des stärksten
Gefälles (dn = Distanz in Richtung senkrecht zu den Isobaren). Formelhaft geschrieben: grad p = –dp/dn. Horizontaler Luftdruckgradient setzt Druckunterschiede in der
Horizontalebene voraus. Im Zusammenhang damit ist bereits der Einfluss der Temperatur einer Luftmasse auf die vertikale Luftdruckabnahme in ihr dargelegt worden.
Daran ist nun anzuschließen, um die eine, die thermische, Entstehung von horizontalen Luftdruckunterschieden abzuleiten. Die andere Ursache ist dynamischer Natur,
resultierend aus bestimmten Charakteristika der Strömungsfelder in der Atmosphäre, und wird später behandelt.
Die thermische Entstehung horizontaler Luftdruckunterschiede in der Höhe
In der Fig. 11.1 sind in schematischem Nebeneinander von Vertikalschnitten die 3
entscheidenden Stadien der Entwicklung eines Luftdruckfeldes wiedergegeben. Auf
ähnliche Art werden mit unterschiedlicher räumlicher Ausdehnung und zeitlicher
Abfolge die Druckvoraussetzungen für den größten Teil aller Bewegungsvorgänge
in der Atmosphäre geschaffen.
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Die Unterlage ist entsprechend den Hauptunterschieden des Energieumsatzes aufgeteilt in ein Nebeneinander von Wasser und festem Land. Über ihr sind die Schnittspuren der Flächen gleicher Höhe und der Flächen gleichen Luftdruckes eingetragen.
H0 sei das Meeresniveau. Die Dimensionen in der horizontalen und vertikalen Richtung, also auch die Größenklassen der Druck- und Höhenwerte, werden noch an einer bestimmten Stelle der Ableitung diskutiert. Zunächst genügt die Feststellung,
dass die Ausdehnung in der Horizontalen wenigstens ein paar Kilometer, die in der
Vertikalen wenigstens ein paar hundert Meter beträgt, die Zeichnung also ungefähr
l0fach überhöht ist.
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Schema zur Entstehung thermisch bedingter horizontaler Druckunterschiede
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Fig. 11.1
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11.1 Die thermische Entstehung horizontaler Luftdruckunterschiede
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Im Ausgangsstadium wird der Einfachheit halber thermo-, hygro- und barotrope
Schichtung in der Atmosphäre angenommen, d. h. die Flächen gleicher Lufttemperatur, gleicher -feuchte und gleichen -druckes sind im ganzen Vertikalschnitt parallel
zu den Flächen gleicher Höhe. Es soll also keine horizontalen Temperatur-, Feuchteund Druckunterschiede geben. Bei dieser Situation weist der Gesamtluftdruckgradient senkrecht nach oben. Er hat keine horizontale Komponente und wirkt genau entgegengesetzt zur Schwerebeschleunigung. Die auf jedes Luftvolumen wirkenden
Kräfte Auftrieb und Schwerkraft heben sich deshalb gegenseitig auf. Es ist kein
Grund für Bewegungen in irgendeiner Richtung vorhanden.
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In diesem Stadium soll nun die Einstrahlung einsetzen. Dann wird die Luft über der
Landfläche auf Grund der geringeren Wärmespeicherung im Boden und der stärkeren
Erwärmung der Oberfläche von unten her relativ stark angeheizt, über dem Wasser dagegen fast nicht. Folge ist Ausdehnung der Luftsäule über dem Land und eine geringere vertikale Luftdruckabnahme pro Höhenzunahme. Luftvolumina, die in der Ausgangssituation unterhalb einer der Flächen gleicher Höhe gelegen haben, geraten nach
der Ausdehnung über sie und verstärken somit den Luftdruck in der betreffenden Fläche gegenüber der Ausgangssituation. Im Vergleich zu der gleichen Höhe über dem
Meer, wo ja die Ausgangssituation erhalten geblieben ist, hat sich oberhalb des Niveaus H0 über Land ein relatives Hochdruckgebiet ausgebildet. Da der Ausdehnungseffekt sich umso stärker auswirkt, je länger die Luftsäule ist, vergrößert sich der relative Hochdruck mit wachsender Höhe. Denkt man sich z. B. zwischen den
Hauptdruckniveaus p2 und p3 die Zwischenniveaus in gleichen Druckintervallen (in
der Zeichnung sind es 5) eingefügt, so ergeben sich auf der Schnittlinie der Niveaufläche H3 von außen her gegen den Kern des Hochs Druckwerte von p3, p3' = p3 + 1/5 (p2
– p3), p3" = p3 + 2/5 (p2 – p3) und p3'" = p3 + 3/5 (p2 – p3). Es ist leicht einzusehen, dass
mit zunehmender Erhitzung von unten her der Kerndruck in den Höhenhochs größer,
die Abfolge der Zwischenwerte zur Umgebung enger wird.
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12 Der Wasserdampf in der Atmosphäre
In Kap. 4 wurde festgestellt, dass die Atmosphäre aus einem Gemisch von permanenten und nicht-permanenten Gasen sowie suspendiertem Aerosol besteht. Auf
letztere wird speziell im Zusammenhang mit den Kondensationskernen noch zurückzukommen sein. Hier ist der Wasserdampf in seiner physikalischen Sonderstellung
als variabler Gasanteil der Atmosphäre, seiner Bedeutung in den Prozessen des
Energieausgleiches und der Niederschlagsbildung sowie in seiner horizontalen und
vertikalen Verteilung in der Troposphäre zu besprechen.
12.1
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Wasserdampf ist ein unsichtbares Gas. Das, was man beim Ausströmen aus Kühltürmen oder beim Ausatmen in kalter Luft sieht und im täglichen Sprachgebrauch als
„Dampf“ bezeichnet, sind Schwaden, die außer dem tatsächlichen Wasserdampf
auch seine Kondensationsprodukte in Form von kleinsten Wassertröpfchen enthalten. Sie sind vergleichbar mit Nebel oder Wolken. Gasförmige Wassermoleküle
müssten eigentlich Wassergas heißen.
Die physikalische Sonderstellung des Wasserdampfes
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Im Unterschied zu den anderen Bestandteilen der Atmosphäre kann Wasser bei den auf
der Erde natürlicherweise vorkommenden Drücken und Temperaturen in allen drei
Aggregatszuständen vorkommen, fest als Eis, flüssig als Wasser, gasförmig als Wasserdampf. Begründet ist der Unterschied gegenüber Stickstoff und Sauerstoff einfach
darin, dass die Umwandlungspunkte des Wassers im oder nahe am Druck- und Temperaturintervall der Atmosphäre, diejenigen der genannten permanenten Gase weitab
von diesem liegen. In Fig. 12.1 sind die entsprechenden Schmelz- (bzw. Erstarrungs-)
und Siedepunkte für den atmosphärischen Normaldruck von 1013 hPa aufgetragen.
Der Siedepunkt des Sauerstoffs als der nächstgelegene Umwandlungspunkt liegt rund
100 Kelvin unterhalb der tiefsten Atmosphärentemperatur in Bodennähe.
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Unterhalb des Schmelzpunktes kann eine Materie in fester und gasförmiger, zwischen Schmelz- und Siedepunkt in flüssiger und gasförmiger, oberhalb des Siedepunktes nur in gasförmiger Zustandsphase vorkommen (Fig. 12.2).
Fig. 12.1
Schmelz- und Siedepunkte für Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf in °C
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
12.1 Die physikalische Sonderstellung des Wasserdampfes
Fig. 12.2
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Zustandsphasen zwischen den Umwandlungspunkten, schematisch
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Es mag verwundern, dass mit dem festen und flüssigen auch der gasförmige Zustand
gleichzeitig vorkommt. Wenn dem nicht so wäre, gäbe es in der Atmosphäre keinen
Wasserdampf. Einsichtig werden die Fakten am besten mit den Vorstellungen der kinetischen Gastheorie. Man denke sich eine wassergefüllte Schale mit großer Oberfläche unter einer Glasglocke, an die man ein Druckmessgerät angeschlossen hat, um
den Druck unter der Glocke bestimmen zu können. Im Wasser befinden sich alle
Moleküle in einer ungeregelten Bewegung (Brownsche Molekularbewegung). Nach
der mechanischen Wärmetheorie entspricht die Gesamtsumme der Bewegungsenergie aller Moleküle dem Inhalt des Wassers an Wärmeenergie. Wenn man der Schale
durch Anheizen zusätzliche Energie zuführt, äußert sich das in einer Erhöhung der
Geschwindigkeit und der mittleren freien Weglänge der Moleküle (freie Weglänge
= Strecke zwischen zwei Zusammenstößen). Von den Wassermolekülen dicht an der
Oberfläche hat eine gewisse Anzahl die Bewegungsrichtung nach außen. Für einen
Teil von ihnen reicht auch die freie Weglänge über die Oberfläche des Wassers hinaus. Um tatsächlich hinaus zu kommen, muss die Oberflächenspannung überwunden
werden. Sie ist das Ergebnis der van der Waalsschen Anziehungskräfte der Moleküle
untereinander (J.D. van der Waals, 1837–1923). Innerhalb der Flüssigkeit, wo jedes
Molekül ringsum von anderen umgeben ist, heben sich die Anziehungskräfte gegenseitig auf; für die Moleküle in der Oberflächenschicht bleibt hingegen eine resultierende Kraft zum Inneren hin. Diese muss überwunden werden, bevor ein Molekül
aus der Wasseroberfläche austreten kann. Zum Überwinden der Kraft ist Arbeit aus
der Bewegungsenergie zu leisten, wodurch sich die Geschwindigkeit verringert. Das
Hindurchtreten durch die Oberfläche werden diejenigen Moleküle mit der größten
Bewegungsenergie schaffen. Dadurch verarmt die Flüssigkeit an energiereichen
Molekülen – ihre Wärmeenergie wird kleiner – sie kühlt sich ab.
Erstes Ergebnis: Mit dem Austritt von Wassermolekülen aus dem Verband des Wassers in die Atmosphäre darüber ist ein Verlust an thermischer Energie für das Wasser
verbunden.
Wenn der Vorgang eine gewisse Zeit gelaufen ist, befindet sich über der Wasserschale unter der Glocke eine gewisse Menge von Molekülen, die auch alle die ungeregelte Brownsche Bewegung vollziehen. Ein Teil hat die Bewegungsrichtung gegen
die Wasseroberfläche, wird beim Übergang durch die Oberfläche von den van der
Waalsschen Kräften beschleunigt und kommt mit relativ großer Bewegungsenergie
wieder im Verband der Flüssigkeit an, der dadurch Energie gewinnt und seine Temperatur erhöht.
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13 Vertikale Luftbewegungen und ihre
Konsequenzen
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Im Vergleich zu den horizontalen sind vertikale Luftbewegungen nach Geschwindigkeit und räumlicher Erstreckung relativ klein. Dabei ist letzteres nicht lediglich
eine Konsequenz der verhältnismäßig geringen Vertikalausdehnung der Atmosphäre. Vielmehr ist aus noch zu besprechenden dynamischen Ursachen der größte Teil
der vertikalen Luftbewegungen auf die unteren Schichten der Troposphäre beschränkt. Die dabei auftretenden Vertikalgeschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von einigen cm s-1 bis ein paar m s-1 (größte Werte in Gewitterstürmen mit
10 bis 15 m s-1). Trotz der relativ kleinen Bewegungsgrößen sind die meteorologischen und klimatologischen Konsequenzen der Vertikalbewegungen erheblich und
üben einen entscheidenden Einfluss auf die Gestaltung von Wetter und Klima aus.
Das ist einerseits eine Folge der sehr effektiven Austauschleistung und hängt andererseits mit den thermodynamischen Umwandlungsprozessen zusammen, die mit
vertikalen Luftbewegungen verbunden sind.
Der vertikale Austausch
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In allen Abschnitten über die geographische Verteilung der klimatologischen Elemente, ob es Temperatur, Feuchte, Luftdruck, Windgeschwindigkeit oder Luftverunreinigungen waren, wurde eine unvergleichlich größere vertikale als horizontale
Veränderung in den Wertefeldern konstatiert. Folge muss sein, dass vertikale Verlagerungen von Luftquanten auch bei kleiner Geschwindigkeit und relativ geringer
Ausdehnung der Bewegung einen erheblichen Effekt für den Austausch von Masse
(z. B. Wasserdampf- und Aerosolgehalt), Wärme und Bewegungsenergie zwischen
tieferen und höheren Luftschichten haben.
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In allgemeiner Form kann man sagen, dass der Austausch einer Eigenschaft abhängt
vom mittleren vertikalen Massentransfer und der Vertikalkomponente des Gradienten der Eigenschaft. Der Massentransfer stellt die Luftmasse (in g oder kg) dar, die
in der Zeiteinheit (s oder min) durch die Einheitsfläche (cm2 oder m2) nach oben
bzw. nach unten geht. Er wird als Austauschkoeffizient bezeichnet und hat die Dimension [g⋅cm-1⋅s-1]. Im zeitlichen Mittel muss natürlich genauso viel Masse nach
oben wie nach unten gehen.
Die Größe des Austauschkoeffizienten liegt in der bodennahen Luftschicht am häufigsten bei Werten zwischen 1 und 10 g cm-1 s-1. Er kann aber auch wesentlich kleiner werden oder bis ca. 100 g cm-1 s-1 ansteigen. Das hängt im Einzelnen von der
Steuerung der Ursachen der Vertikalbewegung ab. Als allgemeine empirische Regel
gilt, dass die Größe des Austauschkoeffizienten linear mit der Windgeschwindigkeit
wächst und der Austausch selbst nahe dem Boden linear mit der Höhe zunimmt. In
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
13.2 Die dynamische Turbulenz
179
größeren Höhen wird zwar der Austauschkoeffizient mit der Windgeschwindigkeit
größer, der vertikale Austauscheffekt aber kleiner, da die Gradienten der Eigenschaften stark zurückgehen. Der vertikale Austausch hat zwei Ursachen:
1. die dynamische Turbulenz und
2. die thermische Turbulenz oder Konvektion.
13.2
Die dynamische Turbulenz
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Beide wirken im bodennahen Luftraum meist gleichzeitig miteinander und lassen
sich nur selten voneinander trennen. Von der Genese, der Dimension der Bewegungsabläufe und einigen dominierenden Konsequenzen her ist die systematische
Unterscheidung aber angebracht.
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Definition: Unter dynamischer Turbulenz versteht man die hydro- oder aerodynamisch bedingte Verwirbelung einer Strömung.
In Kap. 11 wurde als Ursache die Änderung der Windgeschwindigkeit und -richtung
mit der Höhe infolge des Reibungseinflusses bereits besprochen. Da die Scherung
zwischen Schichten verschiedener Horizontalbewegung im Wesentlichen in vertikaler Richtung angeordnet ist, müssen die turbulenten Scherwirbel als Wirbel mit horizontalen Achsen auftreten.
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Für die Aufwärtsbewegung der Luftquanten muss dabei Arbeit gegen die Schwerkraft geleistet werden, im abwärts gerichteten Ast des Wirbels wird Energie gewonnen. Da aber im Normalfall die zu hebende Luft pro Volumeneinheit etwas schwerer
als die absinkende ist, wird in der Summe Energie benötigt. Sie wird geliefert aus der
Bewegungsenergie des horizontalen Strömungsfeldes. Die erforderliche Menge ist
umso größer, je größer der Unterschied des spezifischen Gewichtes der Luftschichten in verschiedenen Höhen ist. Liegt unten besonders kalte Luft, ist der Aufwand
besonders groß. Kalte Luft unten, wärmere oben bedeutet eine stabile Schichtung in
der Atmosphäre (s. u.). Ergebnis: Die für turbulente Vertikalbewegungen benötigte
Energie wird vom horizontalen Strömungsfeld geliefert. Sie ist besonders groß bei
thermisch stabiler Schichtung der Luftmassen, d. h. bei sehr kleinem hypsometrischen Temperaturgradienten oder gar bei einer Inversion. Die benötigte Energie wird
kleiner bei relativ labiler Luftschichtung.
Konsequenzen:
1. Nur starke horizontale Windfelder können eine turbulente Durchmischung einer
thermisch stabil geschichteten Luftmasse bewirken.
Bezeichnendes Beispiel ist die sog. Kaltlufthaut, die sich nach winterlichen Frostlagen mit einer Schneedecke in den untersten 100 bis 200 m über dem Tiefland noch
ein oder zwei Tage hält, während in den Höhen der Mittelgebirge einsetzende Westströmung schon zu Tauwetter geführt hat. Erst wenn der Westwind genügend stark
geworden ist, kann er die Kaltlufthaut ausräumen.
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14 Wolken und Niederschlag
14.1
Kondensation und Sublimation in der Atmosphäre
Für die Ausfällung des Wasserdampfes durch Kondensation zu Wasser oder Deposition zu Eiskristallen reichen die bisher behandelten, zur Wasserdampfsättigung
führenden Abkühlungsvorgänge allein nicht aus.
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Der in den thermodynamischen Ableitungen des Kap. 13 behandelte Sättigungsdampfdruck ist definiert für den Gleichgewichtszustand über ebener Oberfläche reinen Wassers. Beim Zusammenschluss von Dampfmolekülen zu Wasser müssen aber
notwendig kugelige Tröpfchen, und zwar zunächst solche mit sehr kleinem Radius
und dementsprechend sehr stark konvex gekrümmter Oberfläche entstehen. Über
solchen ist der Sättigungsdampfdruck wesentlich größer als über ebenen Flächen.
Soll an ihnen Kondensation stattfinden, muss dieser höhere Sättigungsdruck erreicht
werden. Gegenüber einer (definitorisch angenommenen) ebenen Wasserfläche würde dann mehr oder weniger große „Wasserdampfübersättigung“ herrschen. Wie groß
diese sein müsste, lässt sich nach einem Gesetz errechnen, wonach die relative Erhöhung des maximalen Dampfdruckes dE/E ungefähr umgekehrt proportional dem
Krümmungsradius r des Tröpfchens ist. Übersättigungen von mehr als wenigen %
sind am Boden nie beobachtet worden und komplizierte Untersuchungen an der Basis von Wolken haben ergeben, dass dort in 50 % aller Fälle die Übersättigung kleiner als 0,1 %, nur in 3 % der Fälle größer als 1 % war.
Dass einerseits eine Übersättigung nachweisbar ist, diese andererseits aber nur kleine
Werte erreicht, deutet darauf hin, dass bei der Kondensation die Tröpfchen nicht aus
den kleinsten Anfängen durch Zusammenschluss von Molekülen aufgebaut werden,
sondern die Anfangsgröße der Kondensationsprodukte gleich bei Durchmessern von
10-4 bis 10-5 cm (1 bis 0,1 μm) liegt. Aus Experimenten mit der Aitkenschen Nebelkammer (nach John Aitken 1839–1919) weiß man, dass in der Luft Stoffe vorhanden
sind, die als Anlagerungs-, „Kondensations- bzw. Sublimations-“ oder allgemein
„Wolkenkerne“ dienen und die Übersättigungsschwelle entscheidend herabdrücken.
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Als Wolkenkerne können wasserlösliche Salze eine wichtige Rolle spielen, da der
Sättigungsdampfdruck über einer Salzlösung (Es) geringer ist als über reinem Wasser (Ew) (s. Abschn. 12.1). Je größer also die Salzkonzentration ist, umso größer ist
die Dampfdruckerniedrigung. Dementsprechend muss beim Anwachsen eines Lösungströpfchens durch Anlagerung von Wassermolekülen eine Verdünnung der Lösung eintreten und der Effekt der Dampfdruckerniedrigung immer kleiner werden.
Ergebnis: Im Anfangsstadium der Kondensation sind zwei gegenläufig wirkende
Prozesse beteiligt, ein erleichternder durch Dampfdruckerniedrigung über Kondensationskernen aus wasserlöslichen Salzen und ein erschwerender durch Dampf-
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
15 Makroklima: Die Allgemeine Zirkulation der
Atmosphäre und die klimatische Gliederung
der Erde
Die Dynamik der planetarischen Höhenwestwindzone
und ihre Konsequenzen
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15.1
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Unter der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre (AZA), zuweilen auch einfach
als „Zirkulation der Atmosphäre“ oder „planetarische Zirkulation“ bezeichnet,
versteht man den mittleren Zirkulationsmechanismus in der Lufthülle der Erde,
der sich, von der solar bedingten unterschiedlichen Energiezufuhr in Gang gesetzt,
zum großräumigen Ausgleich von Masse, Wärme und Bewegungsenergie unter den
erdmechanischen und geographischen Bedingungen einstellt. Die AZA ist also der
mittlere Ablauf eines weltweiten Austauschvorganges in der Atmosphäre. Dynamische Eigenschaften der einzelnen Teilstücke der Gesamtzirkulation und ihre
geographische Lage bestimmen zusammen mit den Strahlungs- und den geographisch-räumlichen Randbedingungen die regionale Klimadifferenzierung auf
der Erde (Weischet 1996 sowie Weischet & Endlicher 2000). Damit bietet
die AZA das Fundament für eine Klimagliederung nach genetischen Gesichtspunkten.
Im Kap. 7 und 8 zur Strahlungs- und Energiebilanz war festgestellt worden, dass
1. die Einnahme der Strahlungsenergie von der Sonne im Wesentlichen an der Erdoberfläche, die Energierückgabe an den Weltraum hauptsächlich von den höheren
Atmosphärenschichten erfolgt,
2. der größte Teil des Energiegefälles zwischen den hohen Einnahmewerten der Tropen und den vier- bis sechsfach kleineren der Polarkalotten auf die niederen Mittelbreiten zwischen 30° und 50° auf beiden Halbkugeln konzentriert ist,
3. das Energiegefälle im Winter der jeweiligen Halbkugel erheblich stärker ist als im
Sommer,
4. auf der Südhalbkugel im Winter ein geringfügig stärkeres, im Sommer ein doppelt
so großes Gefälle wie auf der Nordhalbkugel vorhanden ist.
Diese strahlungsklimatischen Tatsachen führen zu der in Kap. 9 behandelten meridionalen thermischen Differenzierung, wonach
5. der größte Teil des hemisphärischen Temperaturgefälles in der „planetarischen
Frontalzone“ im Breitenrin g zwischen 30° und 50° konzentriert ist,
6. der thermische Gegensatz im Winter der jeweiligen Halbkugel größer ist als im
Sommer,
7. vom Sommer zum Winter eine Verlagerung der Zone stärksten thermischen Gefälles um 5 bis 10° äquatorwärts stattfindet und
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16 Mesoklima: Stadt- und Geländeklima
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Stadtklima
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Im voran gehenden Kapitel wurden die makroklimatischen Rahmenbedingungen behandelt. Die Untersuchung der mesoskalaren, also der subregionalen bis lokalen Klimaverhältnisse ist eine spezifisch klimageographische Aufgabe. Talschaften, Städte
und Ballungsgebiete sind überschaubare und ausmessbare Raumeinheiten. In ihnen
sind die ökologisch komplexen Verknüpfungen zwischen Klima, Relief, Oberflächenbedeckung und menschlichen Aktivitäten besonders relevant. Fragen des Klima- und Umweltschutzes stehen dabei mehr und mehr im Vordergrund. Besonders
wichtig sind derartige Untersuchungen immer dann, wenn das Lokalklima durch den
Strahlungshaushalt sowie die örtlichen Gegebenheiten des Reliefs und der Landnutzung dominiert wird, d. h. während autochthoner Witterungsabschnitte mit herab gesetztem Luftmassenaustausch.
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In diesem Zusammenhang kommt dem Stadtklima besondere Bedeutung zu (Kuttler
2005). Seine Ausbildung wird an den Veränderungen der Strahlungs- und Energieströme deutlich, wie sie in einer Stadt bei wolkenlosem Strahlungswetter beobachtet
werden können. Am Tage wird die Globalstrahlung durch die städtische Dunstglocke je nach Luftverschmutzung etwas erniedrigt. Die Bebauung verursacht durch
ihre Horizonteinschränkung einen Schattenwurf, wodurch manche „Straßenschluchten“ aus der direkten Besonnung heraus fallen können und der Energieumsatz damit
teilweise im Dachniveau erfolgt. Die Albedowerte von Städten sind im Vergleich
zum agrarisch genutzten Umland nur wenig anders, außer natürlich bei einer Schneedecke im Winter oder dunklem Nadelwald (Parlow 1998; 2003). Die langwellige
Emission der Stadt ist im Vergleich zum Umland um etwa 1/4 höher anzusetzen (Kuttler 1985). Insgesamt ist die Strahlungsbilanz aber nur wenig anders als die des Umlandes. Verändert wird hingegen der Speicher(Boden)wärmestrom und das Bowenverhältnis. Durch die erhöhte Wärmeleit- und -speicherfähigkeit der dreidimensionalen Stadtstruktur, von Hauswänden und dem Straßenunterbau, wird tagsüber zweibis dreimal mehr Energie in den Untergrund abgeführt als im Freiland – und kann
nachts wieder zum Ausgleich der dann negativen Strahlungsbilanz der Stadtoberfläche zugeführt werden (Rigo & Parlow 2007). Dagegen bedingt der hohe Versiegelungsgrad der Städte einen raschen Abfluss des Niederschlagswassers von Dächern
und Straßen in das unterirdische Kanalsystem. Und die im Vergleich zum Umland
nur geringe Pflanzendecke kann wenig verdunsten. Es wird in einer Stadt deswegen
weniger Energie für den latenten Wärmestrom, die Verdunstung, benötigt. Damit
steht mehr Energie für den Strom fühlbarer Wärme zur Verfügung. Hinzu kommt
noch ein weiterer, zusätzlicher Energiestrom, die anthropogene Wärmeproduktion.
Sie stammt von schlecht isolierten Hauswänden, Kfz-Motoren, dem Hausbrand und
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17 Atmosphärische Gefahren
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Schon immer waren die Menschen und ihre Umwelt atmosphärischen Gefahren wie
Frost und Hitze, sintflutartigen Niederschlägen und langanhaltenden Dürren ausgesetzt. Seit aber das Intergovernmental Panel on Climate Change in seinen Statusberichten 2001 und 2007 einen Zusammenhang zwischen der globalen Erwärmung und
der Zunahme bzw. Intensivierung atmosphärischer Extremereignisse hergestellt hat,
stellt sich dieser Problemkreis in neuer Relevanz (IPCC 2001; 2007; www.ipcc.ch).
So klagt die Versicherungswirtschaft seit zwei Jahrzehnten über steigende Schadensbelastungen bei Naturkatastrophen, die zu 2/3 auf atmosphärische Phänomene
wie Stürme, Überschwemmungen und Unwetter zurück gehen (Berz 2002;
www.munichre.com). „Jahrhundertereignisse“ sind zwar etwas problematische Zeugen eines Klimawandels, da sie als Unwetter bzw. Extremwitterung auf einer anderen Zeitskala als eine Klimaveränderung ablaufen und eben eigentlich Jahrhunderte
benötigt werden, um eine solide statistische Wertung vornehmen zu können. Allerdings ist die Liste der extremen Wetter- und Witterungsereignisse der vergangenen
Jahrzehnte in Deutschland – und anderswo auf der Erde – schon sehr beeindruckend
(Bissolli, Göring & Lefebvre 2001).
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Gewitter- und Hagelstürme sind an feuchtlabile Luftschichtung, konvektive Prozesse und meist auch an den Einbruch von polarer Kaltluft an Kaltfronten gebunden.
Weltweit verzeichnet man ca. 44 000 Gewitterstürme pro Tag und 100 bis 300 Blitze
pro Sekunde. Der großtropfige Niederschlag bildet sich in den Cumulonimben über
die Eisphase. Hagel entsteht dann, wenn die Regentropfen in Aufwindschläuchen in
große Höhen gerissen werden und gefrieren. An die Eiskörner lagert sich eine Schale
von Schneekristallen an, die wiederum in wärmeren Luftschichten auftauen kann.
Schmelz- und Gefrierprozesse können sich durch Auf- und Abwinde mehrfach wiederholen, bis schließlich Hagelkörner ausfallen. Im Mittel sind diese ca. 1 cm groß.
Es wurden aber auch schon „Hagelsteine“ von 38 cm Durchmesser und 70 g Gewicht
gefunden. Hagelschläge sind besonders im Sonderkulturbau gefürchtet. Am 8. Juli
2004 verursachte ein 250 km langer Hagelzug an der Vorderseite einer Kaltfront in
der Schweiz Schäden, die allein in der Landwirtschaft einen Gesamtumfang von ca.
100 Mio. Schweizer Franken ausmachten, und zu denen noch die Schäden an 30 000
Autos kamen. Teuerster Hagelsturm Deutschlands war mit 1,5 Mrd. € derjenige
vom 12. Juli 1984 in München.
Unterschiedliche elektrische Ladungen innerhalb einer Gewitterwolke – positive im
oberen und negative im unteren Teil – werden durch Blitze, d. h. Entladungen bis
100 Mio. Volt, ausgeglichen. Blitze können Haus- und Waldbrände hervorrufen,
Treibstofftanks zur Explosion bringen, Flugzeuge abstürzen lassen, elektronisches
Gerät zerstören, zur Unterbrechung der Stromversorgung führen und Menschen erschlagen. Die von einem Blitz erhitze Luft erreicht Temperaturen von 30 000 K –
fünfmal höher als die Temperatur an der Sonnenoberfläche! Die Umgebungsluft
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Fig. 17.2
Weltkarte atmosphärischer Gefahren. Quelle: Munich Re (Münchener Rückversicherung) 1998
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17 Atmosphärische Gefahren
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18 Der Klimawandel – das größte Umweltproblem
des 21. Jahrhunderts
Natürliche Klimaschwankungen
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18.1
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Das Klima unseres Planeten war schon immer großen Schwankungen unterworfen.
Neu ist allerdings, dass der Mensch seit Beginn der Industrialisierung immer stärker
an diesen Schwankungen beteiligt ist. Grundlegend ist dabei der globale Energiehaushalt (Kap. 5–7) mit seinen Veränderungen. Natürliche und anthropogene Gründe des Wandels müssen auseinander gehalten und ihre relative Bedeutung möglichst
genau berechnet werden.
Wichtige natürliche Gründe des Klimawandels sind – auf unterschiedlichen Zeitskalen
– die plattentektonischen Verschiebungen der Landmassen, die periodischen Schwankungen der Orbitalparameter, die Veränderungen der Sonnenaktivität und der explosive Vulkanismus sowie schließlich auch die interne Variabilität des globalen Klimas,
die sich etwa im ENSO-Mechanismus äußert. Auch die Einflüsse, die im Klimasystem
von der Hydrosphäre (ozeanische Zirkulation) ausgehen, sind von Bedeutung.
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Für die Ausbildung von Eis auf unserem Planeten ist die Lage von Landmassen in
Polnähe grundlegend wichtig. Nur dann kann gefallener Schnee liegen bleiben, sich
in Eis umwandeln und über die Albedoänderung in geologischen Zeiträumen eine
Absenkung der globalen Temperatur hervorrufen. Der südhemisphärische Kontinent
Antarktis und das nordhemisphärische Grönland als größte Insel der Erde sind derzeit von teilweise 3 bis 4 km mächtigen Eispanzern bedeckt, die wesentlich das aktuelle Klima unseres Planeten bestimmen. Dabei war die Erde in ihrer 4,6 Milliarden
Jahre langen Geschichte die meiste Zeit über völlig eisfrei, weil, bedingt durch die
Kontinentaldrift, keine Landmassen in Polnähe lagen.
Bei den Orbitalparametern handelt es sich um die Exzentrizität der Erdbahn, die
Präzession und die Neigung der Erdachse (Kap. 2). Diese Schwankungen laufen auf
einer Zeitskala von 20 000 bis 100 000 Jahren ab. Die damit verbundenen „Milanković -Zyklen“, d. h. Schwankungen in der empfangenen Sonnenenergie, sind im Wesentlichen für den Wechsel von Warm- und Kaltzeiten, von Glazialen und Interglazialen verantwortlich. Auch jetzt leben wir, in geologischen Zeiträumen gesprochen,
im „Interglazial“ eines „Eiszeitalters“ und gehen theoretisch in einigen Jahrzehntausenden wieder auf eine Kaltzeit zu.
Auch die Sonnenstrahlung schwankt periodisch, was schon seit langem durch die
Beobachtung von „Sonnenflecken“ bekannt ist. Hierbei handelt es sich um Zyklen
von 8–15 (Schwabe-Zyklus), 70–90 (Gleissberg-Zyklus) und 180–200 Jahren (JoséZyklus). Allerdings ist diese Jahr-zu-Jahr-Variabilität in der Größenordnung von
1 W m-2 (= Promillebereich) relativ gering, so dass der Begriff der „Solarkonstante“
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für die zugestrahlten 1370 Wm-2 durchaus gerechtfertigt ist. Das globale Temperaturminimum zwischen 1350–1860, das häufig stark übertrieben als „Kleines Eiszeitalter“ apostrophiert wird, mit den tiefsten Temperaturen zwischen 1645 und 1715
(Maunder-Minimum), kann aber sehr gut mit den Schwankungen der Solarstrahlung
in einen kausalen Zusammenhang gebracht werden.
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Die kürzeste Zeitskala besitzen die großen Vulkanausbrüche, die ihren Staub bis in
die Stratosphäre schleudern. Dort absorbiert er die Sonnenstrahlung, was zu einer
kurzfristigen stratosphärischen Erwärmung, jedoch einer Abkühlung in der Troposphäre über 1–3 Jahre hinweg führt. So machten sich die Ausbrüche des El Chichón
1982 und des Pinatubo 1991 durch einen negativen Strahlungsantrieb von ca.
1,5 W m-2 bzw. fast 4 W m-2 bemerkbar, was im Falle des Pinatubo zu einem globalen Temperaturrückgang von ca. 0,5 K führte. Besonders folgenreich war der Ausbruch des Tambora 1815 in Indonesien (Strahlungsantrieb ca. 25 W m-2 ) mit dem
sich daran anschließenden sog. „Jahr ohne Sommer“, in dem z. B. Sommerschneefall
bis hinunter ins Schweizer Mittelland reichte.
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Schließlich muss auch auf die natürliche Variabilität der Systeme Atmosphäre – Hydrosphäre – Kryosphäre hingewiesen werden. Sie äußert sich etwa in mehr oder weniger periodischen Luftdruckschwankungen, die über dem tropischen Pazifik als
Southern Oscillation (SO) – und damit zusammenhängend El Niño und La Niña –
und über dem Nordatlantik als North Atlantic Oscillation (NAO) bekannt sind. Auch
die thermo-haline Zirkulation des Weltozeans mit ihrem Absinkbereich (downwelling) südlich von Grönland und ihrem Aufquellen (upwelling) im Nordpazifik, das
sog. „globale Förderband“, unterliegt Schwankungen, die z. B. 12 700 bis 11 500
Jahre vor heute (Jüngere Dryaszeit) zu einer drastischen Abkühlung in Europa geführt haben (Rahmstorf & Schellnhuber 2006). Hier liegen komplexe Balancesituationen zwischen der Atmosphäre, dem Weltozean mit Temperatur und Salzgehalt sowie Land- und Meereis vor.
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18 Der Klimawandel – das größte Umweltproblem des 21. Jahrhunderts
18.2
Klimaveränderung durch menschliche Einflüsse
Der aktuelle Klimawandels kann jedoch nicht durch natürliche Faktoren erklärt werden, sondern ist auf menschliches Handeln zurückzuführen; denn der Mensch greift
wie nie zuvor in das Klimasystem ein, so dass der Begriff des „Anthropozäns“ durchaus berechtigt erscheint. Der wirtschaftende Mensch verändert zum einen durch seine Landnutzung die Erdoberfläche und zum anderen durch das Einbringen von
Treibhausgasen und Aerosolen die Zusammensetzung der Atmosphäre.
Ein wichtiger Faktor ist die Änderung der Landnutzung. Durch Rodung der Tropenwälder und die Ausbreitung der Wüsten geht der latente Wärmefluss zurück. Dadurch wird der Kleine Wasserkreislauf der feuchten Tropen, das lokale Recycling
des Niederschlags, verringert, was sich wiederum in einem Rückgang des Niederschlags äußert. Auch die Albedo der Oberfläche ändert sich. Anhaltende Sommerdürren, wie diejenige in Europa 2003 oder in Amazonien 2005, bewirken einen
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
18.2 Klimaveränderung durch menschliche Einflüsse
307
Rückgang der Bodenfeuchte und damit von Evaporation und Transpiration, was sich
in einem verstärkten sensiblen Energiefluss äußert und zu einer Erhöhung der bodennahen Lufttemperatur führt. Gleiches gilt für die zunehmende Verstädterung, die
auch eine Änderung des Bowenverhältnisses (s. Kap. 16) zur Folge hat.
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Der Mensch ändert aber v.a. die Zusammensetzung der Atmosphäre, indem er weitere Treibhausgase einbringt. In den Kapiteln 5 und 6 wurde dargelegt, dass die natürlicher Weise in der Erdatmosphäre vorhandenen Gase zwar semi-transparent für
die Sonnenstrahlung sind, einzelne von ihnen jedoch in bestimmten Spektralbereichen die Erdstrahlung absorbieren und die Energie als Gegenstrahlung wieder emittieren. Dieser natürliche Treibhauseffekt bedingt eine Erhöhung der bodennahen
Lufttemperatur global um 33 K auf derzeit gut 15 °C. Im Wesentlichen ist der Wasserdampf der Atmosphäre für diesen natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich, gefolgt vom in der Atmosphäre enthaltenen Kohlendioxid. Seit der Industrialisierung
hat jedoch die Konzentration von CO2 in der Erdatmosphäre durch die Verbrennung
fossiler Energieträger um mehr als ein Drittel von einem präindustriellen Niveau von
270–280 ppm auf 393 ppm im Jahr 2012 zugenommen (Fig. 6.3 und Kap. 4.1). Neben Kohlendioxid wirken auch die Treibhausgase Methan, Distickstoffoxid, bodennahes Ozon und Fluorchlorkohlenwasserstoffe mit (Tab. 4.1). Der Kohlendioxidgehalt steigt z. Zt. um ca. 2,5 ppm pro Jahr weiter an.
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Allerdings tragen wir durch die Luftverschmutzung auch zu einer Abkühlung bei;
denn das bei der Verbrennung von Kohle und Öl entstehende Schwefeldioxid wandelt sich in der Atmosphäre zu Sulfatteilchen um, die ihrerseits durch Strahlungsabsorption eine Temperaturverringerung in Bodennähe bewirken (Sulfateffekt). Zwar
ist das SO2-Problem, das bis in die 1980er Jahre in unseren Agglomerationen gelegentlich zu Wintersmog geführt hat, in Deutschland inzwischen durch gesetzliche
Vorgaben und technische Errungenschaften gelöst; in anderen Ländern, wie z. B.
China, nimmt es dagegen noch zu. Der Effekt der Luftverschmutzung ist allerdings
deutlich geringer als die durch die anthropogen eingebrachten Treibhausgase ausgelöste Temperaturerhöhung.
Das globale Experiment der Menschheit mit ihrer Erdatmosphäre seit nunmehr eineinhalb Jahrhunderten hat, bezogen auf das Temperaturniveau von 1900, zu einer
globalen Temperaturzunahme um 0,8 K geführt, die zwar durch die Jahr-zu-Jahr Variabilität der Lufttemperatur immer wieder maskiert wird, jedoch für das 20. Jh.
zweifelsfrei durch Messungen nachgewiesen werden kann (Fig. 18.1). Besonders beunruhigend ist, dass allein zwischen 1981 und 2000 die Temperatur um 0,3 K stieg,
d. h., dass im vergangenen Jahrtausend weitgehend stabile oder leicht abnehmende
Temperaturverhältnisse herrschten und dass erst in den letzten beiden Jahrzehnten
ein abrupter Anstieg zu verzeichnen ist. Die 1990er Dekade und die Jahre 2001 bis
2005 waren weltweit die wärmsten seit Beginn der Messungen; der Sommer 2003
und der Juli 2006 sowie der Winter 2006/2007 waren die wärmsten seit Beginn der
Messungen 1901. 2010 war weltweit das wärmste Jahre (Fig. 18.1). In Deutschland
betrug die Temperaturzunahme 1866–1998 etwa 1,0 K, sie hat sich in den letzten
ebenfalls Jahren intensiviert (Rapp 1998).
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18 Der Klimawandel – das größte Umweltproblem des 21. Jahrhunderts
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Fig. 18.1
Entwicklung der Jahresmitteltemperaturen: a) Globale und b) nordhemisphärische
Temperaturanomalien 1850–2011 in Abweichung vom Mittelwert 1961–90; c)
Schwankungen der Jahresmittel in Potsdam zwischen 1895 und 2011. Quellen:
NASA Goddard Institute for Space Studies [www.giss.nasa.gov], Brohan et al. 2006
und Säkularstation Potsdam Telegrafenberg [http://klima-potsdam.de]
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18.2 Klimaveränderung durch menschliche Einflüsse
309
Komponenten des Strahlungsantriebs
Werte (Wm-2)
RF Terms
CO2
Langlebige
Treibhausgase
N2O
CH4
Stratosphärischer
Wasserdampf
hoch
global
hoch
niedrig
-0.2 [-0.4 bis 0.0]
0.1 [0.0 bis 0.2]
lokal
mittel
bis
bis
kontinentweit niedrig
-0.5 [-0.9 bis -0.1]
kontinentweit mittel
bis
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global
niedrig
kontinentweit
niedrig
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global
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Direkter
Effekt
WolkenalbedoEffekt
global
mittel
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Oberflächenalbedo
GesamtAerosol
global
0.48 [0.43 bis 0.53]
0.16 [0.14 bis 0.18]
0.34 [0.31 bis 0.37]
0.07 [0.02 bis 0.12]
schwarzer
Kohlenstoff
auf Schnee
Landnutzung
Wissensstand
1.66 [1.49 bis 1.83]
-0.05 [-0.15 bis 0.05] kontinentweit
bis
0.35 [0.25 bis 0.65]
global
Troposphärisch
Stratosphärisch
Ozon
FCKWs
Raumdimension
-0.7 [-1.8 bis -0.3]
0.01 [0.003 bis 0.03] kontinentweit niedrig
Kondensstreifen
Sonnenstrahlung
0.12 [0.06 bis 0.30]
Gesamter
anthropogener
Einfluss
Global
niedrig
1.6 [0.6 bis 2.4]
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Fig. 18.2
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Strahlungsantrieb
Anteiliger Strahlungsantriebs (W m-2), der im Jahr 2005 von langlebigen Treibhausgasen, Ozon, stratosphärischem Wasserdampf, Oberflächenalbedo, Kondensstreifen
sowie der Variabilität der Sonnenstrahlung ausging. Quelle: IPCC 2007 (übersetzt)
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Schönwiese et al. (2004) splitten die Beiträge zur Temperaturänderung in Europa
wie folgt auf: +1,5 K durch die Treibhausgase, 0,6 K durch Aerosole, –0,2 bis
–0,3 K durch Vulkane, +/– 0,5 K durch Sonnenstrahlungsschwankung, +/– 0,5 K Variabilität der Nordatlantikoszillation. Das IPCC (2007a) hat den Strahlungsantrieb,
der von den einzelnen Teileinflüsse ausgeht, in einer Figur zusammengestellt (Fig.
18.2). Danach geht von den Treibhausgasen der größte Antrieb aus.
Natürlich ändert sich nicht nur die Temperatur, sondern auch die anderen Klimaelemente, wobei der Nachweis schwieriger als bei der Temperatur zu führen ist. Unbestritten ist v.a. in West- und Süddeutschland eine Zunahme des Niederschlags im
Winter und in Ostdeutschland eine Abnahme im Sommer (Spekat, Enke & Kreienkamp 2007). Auch der Trend zum Niederschlagsrückgang im Mittelmeerraum ist
deutlich (Schönwiese & Rapp 1997). Die globale Erwärmung äußert sich freilich
nicht nur in einer Erhöhung der Mittelwerte, sondern gleichzeitig auch in einer höheren Variabilität, d. h. extreme Ausschläge nach beiden Richtungen sind ebenfalls
eine direkte Folge (Fig. 17.1).
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Maßeinheiten des Internationalen Einheitssystems
(Système International) und Umrechnungsformeln
1. SI - Basiseinheiten
Name
Zeichen
Länge
das Meter
m
Masse
das Kilogramm
kg
Zeit
die Sekunde
s
elektrische Stromstärke
das Ampère
A
Temperatur
das Kelvin
K
die Candela
cd
das Mol
mol
Stoffmenge
pr
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Lichtstärke
Umrechnungen
e
Basisgröße
2. Abgeleitete Größen und Einheiten des Internationalen Einheitensystems (Auswahl)
Dichte, ρ
Zeichen
Druck, p
Umrechnungen
Kilogramm
---------------------------Kubikmeter
kg
------3
m
Newton
N
1 kg ⋅ m
1 N = -----------------2
s
N
------2 1 Pa
m
1 Pa =
Le
Kraft, F
Name
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Größe
Newton
--------------------------------Quadratmeter
1 N = 1 kg
-------------2
--------2
m
m⋅s
105 Pa = 1 bar
= 1000 mbar
Pascal
2
Energie, E
Arbeit, W
Wärmemenge
Joule
J
1 kg ⋅ m
1 J = 1 N⋅m = --------------------2
s
= 1 W⋅ s
1 J = 2,77 · 10-7 kW h
3,6 MJ = 1 kW h
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Leistung, P
Wärmestrom(fluss) Watt
W
Fläche, F
1J
1Nm
------ = --------------- = VA
s
s
W = J
-------------2
2
m
m s
1W =
Energieflussdichte, Q
=
Quadratmeter
m2
Ar, 1 a = 102 m2
Hektar, 1 ha = 104 m2
Volumen, V
Kubikmeter
m3
Liter, 1 l = 10-3 m3 = 1 dm3
m s-1 Knoten, 1 kn = 1 sm h-1 =
1,8252 km h-1
e
Geschwindigkeit, v
pr
ob
1 km h-1 =
0,27777…m s-1
3. Nicht mehr zugelassene Einheiten (Auswahl)
dyn
1 dyn
= 10-5 N
Kilopond
kp
1 kp
= 9,80665 N
se
Gewicht, Dyn
physikalische
Atmosphäre
atm
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Maßeinheiten des Internationalen Einheitssystems und Umrechnungsformeln
1 atm
= 101325 Pa
= 1,01325 bar
= 1013,25 mbar
technische
Atmosphäre
at
1 at
Luftdruck
Torr
101325
1 Torr = ------------------ hPa = 133,322 Pa
760
= 98066,5 Pa
= 1,33322 mbar
Energie
erg
1 erg
= 10-7 J
Wärmemenge
cal
1 cal
= 4,1868 J
Pferdestärken
PS
1 PS
= 735,49875 W
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Sachregister
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Äquinoktialregen 235
Äquinoktien 25, 30
Aridität 170ff
Arktikfront 277ff
Aspirationspsychrometer 101
Asymmetrie, hygrische 231f
Atmosphäre 15ff, 39ff
Atmosphäre, homogene 46, 56
Atmosphäre, Masse der 9, 45
Atmosphäre, technische (at) 332
Atmosphäre, Stockwerke der 42, 110
Atmosphäre, Zusammensetzung der 17, 20, 39
Auftrieb 66, 114
Aufgleitbewölkung 202, 221, 275
Aufgleiten 202, 242
Aufgleitfläche 202, 221, 239
Aufgleitfront 201
Aufwärtsbewegung der Luft 179, 182
Ausfrieren von Gewässern 72
Ausgleichsniveau 138
Ausgleichsströmung, vertikale 94, 138
Ausgleichswind 154
Ausgleichszirkulation 105, 139
Auslaufzone der Passate 256f
Ausstrahlung, effektive 78f
Ausstrahlungswolke 222
Austausch 195
Austausch, vertikaler 178ff
austauscharme Wetterlage 194
Austauschkoeffizient 178
autochthone Witterung 241, 286
Azorenhoch 245, 298
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Abendrot 48
ablenkende Kraft der Erdrotation 140, 251
Ablenkungswinkel des Windes 153
Abschmelzformen der Wolken 191
Absinkbewegung 172, 192, 275
Absinkinversion 192ff, 263
Absolute Feuchte s. Feuchte
Absolute Topographie s. Topographie
Absorption 40ff, 50ff,
Absorptionsbanden 51f, 77
Absorptionskoeffizient 51, 76
Abtrocknen der Luft 194
Abwindfeld 181
Adaptation 317ff
Adiabate, adiabatisch 184, 188f
Adiabatenpapier 187, 188
Adriatief 242
Advektion 157f, 242
Advektionstyp 233ff,
Aerologie 108, 129
Aerosol(e) 41, 48, 206ff
ageostrophisch 150ff, 242
Aktionszentren 145, 245
Albedo 9, 68, 72
Alëutentief 245, 250
allochthone Einflüsse 241
Alpenglühen 48, 57
Altocumulus 44, 59
Altostratus 79, 202, 210f
Altweibersommer 20
Amboss 215, 260
Anomalie des Wassers 71, 164
anthropogene Klimaänderung (-beeinflussung)
s. Treibhauseffekt, anthropogener
Antipassat 259, 269
antizyklonal 149ff
Antizyklone 136, 143
Anthroposphäre 17f, 314
Aphel 24, 26
Apsidienlinie 24
Äquator 25, 28
Äquator, hygrischer 230
Äquator, thermischer 112f
äquatoriale Tiefdruckrinne (-furche) 246f, 259
Äquatorialzone 62, 91
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Background-Aerosol 206f
Ballonsonden 108, 129
barokline Schichtung 136
Barometer 124
Barometerprinzip 126
Barometrische Höhenformel 125, 128
barotrope Schichtung 135
Beaufort-Grade 158
Belastung, thermische 289, 301
Beleuchtungsklimazonen 23f
Bengalen-Zyklone 297
Benguelastrom 232, 281
Sachregister
e
Dichte 65, 73, 126, 164
diesig 206
Distickstoffoxid (N2O) 53, 77
Divergenz 156, 297
Dobson-Unit, -Einheit 55
Doldrums 257
Donner 215
Drehimpuls 202, 239
Dreimasseneck 261
Druck s. Luftdruck
Druckänderung, dynamische 157
Druckausgleich 150
Druckgebilde, permanente 145
dunstig 206
Durchmischungstiefe 71
Dynamik 237
se
pr
ob
Beobachtungstermine, klimatologische 101,
104
Bergeron-Findeisen-Prozess 225
Bergwind 289, 293
Beschleunigung 137, 181
Bewegung, gleichmäßig beschleunigte 146
Bewegung, stationäre 147, 149
Bioaerosol 41
Bioklima 289
Biosphäre 17
Blitz(e) 215, 195
Blizzard 299
Blockierung der Westdrift 241
Blocking-action 241
Bodendruck 126
Bodeninversion 110
bodennahe Luftschicht 43
Bodennebel 194
Bodentemperatur 292
Bodenwärmestrom, -fluss 96f
Bodenwind 150, 152
Böen, Böigkeit 152, 298
Boltzmann 32, 74f, 174
Bora 303
Bowen-Verhältnis, -Ratio 99, 286
Breitenkreis 18, 141
Brillanz der Atmosphäre 192
Buys-Ballotsches Windgesetz 152
Le
Celsius-Skala (°C) 45, 102
Chinook 200, 303
Cirrostratus 79, 221
Cirren, Cirrus-Wolken 215, 221
Cloud-Cluster s. Wolkencluster
Cluster s. Wolkencluster
COP, Conference of Parties 317
Coriolis-Beschleunigung, -Kraft 141f, 147
Cumulonimbus 214, 226
Cumulus-Wolken 214
Cut-off-Effekt 239, 241
Dampfdruck 162f
Dampfdruckdifferenz 165, 199
Dampfdruckerhöhung 205
Dampfdruckgefälle 165, 172
Dauerniederschlag 202, 221
Dekameter, geodynamische (gdm) 132
Delta der Frontalzone 157
Delta der Höhenströmung 157
Deposition 207, 209, 290
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
335
Easterly waves 257
Eigenstrahlung 75
Einbruchsfront 203
Eisbohrkern 81, 311
Eiskeimgrenze 214, 225
Eiskristalle 207
Eistag 104
Eiswolken 79, 215
Eiszeit(alter) 305f
Ekliptik 23f
El Niño 271, 303
Emission 81, 290
Emissionskoeffizient 75
Energie 32
Energie, fossile 82
Energieabgabe 76, 94, 195
Energiebilanz 96, 145
Energieeffizienz 318f
Energiefluss 32, 97
Energieflussdichte 34
Energiequellen 32ff, 297
Engpässe des Wasserdampftransportes 200
ENSO 303
Erdachsenneigung 24
Erdalbedo 79, 87
Erdbahn(parameter) 23ff, 305
Erddimensionen 23
Erdradius 23
Erdrevolution 23f, 35
Erdrotation 141f
Erstarrungswärme 164
Erwärmung, dynamische 65, 109
Evaporimeter 175
1
2
3
4
5
6
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33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
Evapotranspiration 172
Exosphäre 44
Exposition(-sunterschiede), strahlungsklimatische 19, 61, 293
Extinktion 56ff
extraterrestrisch 33
Extremereignisse 295, 329
Extremwitterung 295
Exzentrizität 23f, 305
Gegenstrahlung 74, 85
Geländeklima 286
gemäßigte Breiten 284
Geosphäre 16f
geostrophischer Wind 147, 149, 154
geostrophisch-zyklostrophisch 149f, 154
Gewitter 215, 219, 295
Gewitterwolke 214
Glashauswirkung s. Treibhauseffekt
globale Erwärmung (Global Warming) 309
Globalstrahlung 58ff
Golfstrom 316
Gradient 134
Graupel, Frostgraupel, Reifgraupel 219
Grenzschicht 43f, 111
Großwetterlage(n) 240
Grundschicht der Atmosphäre 43
se
pr
ob
Fahrenheitskala (°F) 10
Fallwind, warmer 198
FCKW s. Fluorchlorkohlenwasserstoffe
Farbe eines Körpers 51
Feinstaub 41
Ferrelsche Druckgebilde 143, 249
feuchtadiabatisch 189f
Feuchte, absolute 167
Feuchte, relative 167
Feuchte, spezifische 167
Feuchteinversion 169
Flächendivergenz 255
Flächenkonvergenz 262
Fliehkraft 149
Fluorchlorkohlenwasserstoffe 56, 81
Flurwind 288
Föhn 198, 200
Föhnmauer 199
Föhnprinzip 198
fossile Energie 84
freie Atmosphäre 42f
Friagems 258
Front(en) 201
Frontalniederschläge 235
Frontalzone, planetarische 116ff
Frontalzyklone 273ff
frontogenetischer Punkt 273
Frost 165, 293f
Frosttag 104
Frühfröste 293
Frühlingspunkt 25
Le
1
2
3
4
5
6
7
8
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10
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30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
Sachregister
e
336
Gas 39f
Gasdruck 121
Gase, permanente 39
Gasgleichung, allgemeine 125ff
Gaskonstante (Luft) 127
Gastheorie, kinetische 121
Gefrieren 207, 226
Gefrierpunktserniedrigung 209
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Hadley-Zelle 269
Hagel 219, 226
Halo 221
Hangzirkulation 293
Hangzone, warme 294
Haufenwolken 194, 214
Hektopascal (hPa) 125
Herbstpunkt 25
Heterosphäre 42
High-index-Typ 241
Himmelsblau 50
Himmelsstrahlung, diffuses Himmelslicht 48
Hitzesommer, -welle 301f
Hitzestress 289
Hitzetag 301
Hitzetief 127
Hoch(druckgebiet) s. Antizyklone
Hoch, dynamisches bzw. warmes 145
Hoch, subtropisch-randtropisches 247
Hoch, thermisches 144
Hochdruckkeil 136
Hochdruckrücken 136
Hochnebel 195
Hof 221
Höhenformel, barometrische 125ff
Höhenhoch 136
Höhenstrahlstrom s. Jetstream
Höhenströmung 138
Höhentief 136
Höhenwestwind 237
Höhenwetterkarten 129
Höhenwind 41, 138
Sachregister
Le
se
pr
ob
Idealkontinent 282
Immission 41, 290
Infrarot 47
Infrarotfenster 77
Infrarot(IR-)Strahlung 75
Inklination 19, 293
Innertropische Konvergenz-Zone 258
Inselklima 196, 220
Insolation 58
Intergovernmental Panel on Climate Change
316
Interzeption 173
Inversion 43, 193
Ionosphäre 42
IPCC s. Intergovernmental Panel on Climate
Change
Islandtief 245, 272
Isobare(n) 130
Isohypse(n) 131
Isoplethe(n) 70, 91
Isotherme(n) 109
ITCZ s. Innertropische Konvergenz-Zone
Kaltlufthaut 179
Kaltluftinversion 194
Kaltluftsee 127, 293
Kaltlufttropfen 240f
Kaltwasserereignis s. La Niña
Kanada-Hoch 249f
Keeling-Kurve 81
Kelvin (K) 45
Keplersche Gesetze 23
Kerne, Kondensationskerne, Sublimationskerne
204ff
kernloser Winter 106
Kilowattstunden (kWh) 33, 333
Kirchhoffsches Gesetz 75
Kleine Eiszeit 306
Klima 15ff
Klima, arides 175f
Klima, humides 175f
Klima, solares 33
Klimaänderung(en) 16, 80, 316
Klimadaten 104
Klimadefinition(en) 15
Klimadiagramm 176
Klimaelement(e) 18f
Klimafaktor(en) 19, 28, 293
Klimafolgen s. Klimaimpakt
Klimaimpakt 311
Klimaklassifikation(en) 19, 175, 213
Klimarahmenkonvention 317
Klimaregionen 175, 211
Klimarisiken 304
Klimaschutzstrategien 318
Klimaschwankungen, natürliche 24, 305
Klimastationen 301
Klimasystem 16ff, 302, 316
Klimaveränderung 295, 305ff
Klimawandel 301f, 305ff
Klimazone 92
Knoten (kn) 158, 332
Koagulation 223f
Kohlendioxid (CO2) 51, 307
Kohlenstoff 80f, 316ff
Kohlenstoffabscheidung 318
Kondensation 78, 204ff
kondensationsadiabatisch 185
Kondensationskern(e) 160, 204, 225
Kondensationsniveau 185, 189
Kondensationspunkt 185ff, 199
Kondensationswärme 88, 162
konservative Eigenschaft 103, 167, 188
e
Höhenzone max. Niederschläge 234
Homosphäre 42f
horizontal 19
Horizontüberhöhung 293
Humanbioklimatologie 289
Humboldtstrom 232
humid, Humidität 170ff
Hurrikan (Hurricane) 297, 310
Hydrometeor(e) 39, 191
Hydrosphäre 16ff
hydrostatische Grundgleichung 125f
Hygrograph, Haar-, Hygrometer 167
Hypsometer 124
Jahresamplitude 71, 106
Jahresgang der Lufttemperatur 67
Jahreszeit(en) 25
Jet(stream) 242
Joule (J) 32
Kältehoch 143, 249
Kältepol(e) 114
Kältesenke der Atmosphäre 285
Kältestress 289
Kaltfront 201ff
Kaltluftantizyklone 144
Kaltlufteinbruch 257
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
337
1
2
3
4
5
6
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32
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40
41
42
43
44
Luv 231
Luvseite 256
Lysimeter 175
Mäanderwellen der Höhenströmung 240
Makroklima 19, 237ff
Mannheimer Stunden 104
maritimes Klima 240
Massenanziehung 161
Massenaustausch, turbulenter 151
Massenerhebung, Gesetz der 109
Massenträgheit 155
Massentransfer 178
Maunder-Minimum 306
Mauritius-Orkane 261, 297
Meeresniveau 121
Meeresspiegelanstieg 314f
Meeresströmungen 100
Meeres(See-)Verdunstung 172
Meer-(Neufundland-)Nebel 180
Meridionalzirkulation 241
Mesoklima 19, 286
meso-scale-Störungen 274
Meteorologie 20, 125
METEOSAT 218
Methan (CH4) 77, 307
Mikroklima 19
Milancović -Zyklen 25, 305
Millibar (mb) 332
Mischwolke 215, 221
Mischungsverhältnis 167
Mitführungsgeschwindigkeit 202, 239
Mitigation 317ff
Mittagshöhe der Sonne 28
Mittelbreiten, hohe (höhere) 28f
Mittelbreiten, strahlungsklimatische 28
Mittelwerte, klimatologische 104
Monsun 263
Monsuntief 143
Montreal-Protokoll 56
Morgenrot 57
pr
ob
Kontinentaldrift 305
Kontinental(ität) 94
Kontinentalklima 92, 282, 285
Konvektion, thermische 180ff
Konvektionsbewölkung 202, 220
Konvektionsniederschläge 220
Konvektionstyp 234
Konvektionszelle(n) 234
Konvektionszone, innertropische 268f
Konvergenz 156, 259
Kopernikus 23
Kraft 66, 121, 137
Kristallisationskeime 208f
Kryosphäre 16, 18, 306
Küstenklima 244
Küstennebel 195
Küstenwüste 222
Kyoto-Protokoll 317
se
La Niña 303
labil, trockenlabil, feuchtlabil 179f, 196, 214ff
Labilisierung 196, 240
Land-Wasser-Gegensatz 94, 281
Landnutzung 286, 306
Landregen 221
Landverdunstung 172, 280
Landwind 140
Langley (ly) 333
latente Energie (Wärme) 97, 108
latenter Energie(Wärme)fluss 97
Lee 264, 289
Leeseite 198
Licht 47
Lineamente 218, 279
Lithosphäre 17
long-scale-Störungen 274
Loschmidtsche Zahl 121
Low-index-Typ 241
Luftbelastung 290
Luftbewegung, vertikale 178ff
Luftdruck s. Druck
Luftdruckgradient 134
Luftdruckgürtel 246
Luftdruckmessung 124
Luftfeuchte, -feuchtigkeit s. Feuchte
Luftmasse(n) 108
Luftqualität 290
Luftschicht, bodennahe 43
Lufttemperatur s. Temperatur
Luftverunreinigung(en) 178, 290
Le
1
2
3
4
5
6
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37
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39
40
41
42
43
44
Sachregister
e
338
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
NAO s. Nordatlantik-Oszillation
natürlicher Treibhauseffekt s. Treibhauseffekt
Nebel 48, 195
Niederschlagsbildung 223f
Niederschlagsgang 283
Niederschlagsintensität 227
Niederschlagsmessung 227f
Niederschlagsverteilung 228, 233
Sachregister
339
Präzession 305
precipitable water 169
Psychrometerformel 168
Niesel 223
Nimbostratus 79, 221
Niveaufläche 132
Nordatlantik-Oszillation 245
Nordatlantikstrom 244, 316
Normaldruck 160
Normalnull (NN) 88
Normalperioden 104
Nortes 258
Quecksilberbarometer 124
Querzirkulation 272
Quellwolken 214
e
pr
ob
Oaseneffekt 175
Okklusion 276
Orbitalparameter 26, 305
Orkan 158f, 298
Orkangebiete 261
Ostseitenklima 285
Ostwinde, tropische 232, 259
Ozeanität, thermische 94
Ozon (O3) 39, 44, 52
Ozon, stratosphärisches 51
Ozon, troposphärisches 80, 292
Ozonabbau 53
Ozonbildung 53
Ozonloch 52ff
Ozonschicht 44
Radiosonde(n) 108
Randtropen 63
Rauch 41, 195
Raureif 207
Rauhigkeit 150, 153
Rayleigh-Streuung, Rayleighsches Gesetz 50f
Reduktion der Temperatur 111
Reflexion 48
Reflexion, diffuse 48ff
Reflexion, spiegelnde 64
Regen, künstlicher 209
Regenmesser 175, 227
Regentropfen 223f
Reibungseinfluss 42, 147
Reibungshöhe 151
Reibungsschicht 43
Reibungswind 150f, 154
Reif 165
relative Feuchte 167f
relative Topographie 132
Reinluft 206
Richtungskonvergenz 202
Rossbreitenhoch 245
Rossby-Effekt 201
Rossbywelle 200, 238
Rückseitenkaltluft 201, 276
Ryd-Scherhag-Effekt 157
Le
se
Paläoklima 20
Particulate Matter (PM) 291
Partikel 206, 291
Passat(e) 254
Passatinversion 255
Passatregen 235
Pazifik-Hoch 250
Pedosphäre 17
Peplopause 43
Perihel 24
Phänologie 21, 310
photochemischer Smog 292
Photodissoziation 52
planetarisches Druckgefälle 247
Platzregen 225
Poissonsche Gleichung 184
Polarfront 273
Polarfrontzyklone 273
Polargebiet(e) 27
Polarhoch 246
Polarklima 282, 285
Polarluft 119
Polarnacht, Polartag 27
Polarzyklone 145
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Sättigungsdampfdruck 162f
Sättigungsdefizit 167
Sahelproblem 197
Satellit(en) 77, 218
Sauerstoff (O2) 39f, 52
Schäfchenwolken 215
Schafskälte 20
Schauerniederschläge 203
Scherhag, s. Ryd-Scherhag-Effekt
Schichtbewölkung 202, 275
Schiefe der Ekliptik 24
Schleierwolke 48, 221
Schmelz(Erstarrungs)punkt(e) 160, 164
Schmelzwärme 164
1
2
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42
43
44
Staub 206, 306
Stauniederschlag 256
Stauregen 199
Stefan-Boltzmannsches Gesetz 32
Stickoxid(e) (NOx) 290f
Stickstoff (N) 39
Stickstoffdioxid (NO2) 52
Störungen 257
Strahlstrom, s. Jet(stream)
Strahlung 33ff
Strahlung, direkte 58f
Strahlung, diffuse 48
Strahlungsabsorption 65
Strahlungsantrieb 309
Strahlungsbilanz 85ff
Strahlungsenergiemenge 34
Strahlungsflussdichte 32
Strahlungsgesetz 48, 74
Strahlungshaushalt 116
Strahlungsintensität 34
Strahlungsinversion 194
Strahlungsumsatz 63ff
Stratocumulus 79, 222
Stratopause 44
Stratosphäre 43
Stratus 79, 222
Stratuswolken 220
Sturm 159, 257
Sturmzyklone 276
Stüve-Diagramm 187
Sublimation 204f
Sublimationswärme 164
Subpolarklima 282, 285
Subpolartief 245
Subtropen, strahlungsklimatische 283
Subtropenhoch 153, 236
subtropisch-randtropisches Hoch 145
Sulfateffekt 307
synoptisch 102
System 32, 85, 165
Szenarien 311
se
pr
ob
Schnee 39, 63, 284
Schneeflocken 221
Schneesterne 226
Schneestürme 299
Schönwetterwolken 214
Schwarzer Körper 51, 64
Schwefeldioxid (SO2) 290f, 307
Schwerebeschleunigung 121
Schwerkraft 121, 179
Schwüle 289
Seewind 140, 289
Selbstverstärkungsprinzip, hygrisches 197f
Sibirischer Winter 242
Sibirisches Hoch 249
Sichttiefe 68
Siedepunkte 160
Singularität(en) s. Witterungsregelfälle
Smog 292
Solarkonstante 32f
Solstitiallinie 25
Solstitialregen 235
Solstitium 24, 28
Sommermonsun 302
Sommerregen 145, 231
Sommerregen-Subtropen 62, 282, 284
Sommersmog 292
Sommertag 104
Sonne 32
Sonnenaktivität 305
Sonnenhöhe 28, 35
Sonnenstrahlung 33f
Southern Oscillation 269
Spätfröste 15, 294
Speicherterm 96
Spektralbereich(e) 47
Spektrum, elektromagnetisches 46
Sperrschicht 180, 197
spezifische Feuchte 167
spezifische Wärme 65
spezifisches Gewicht 123
Sprungschicht, thermische 70
Spurengas(e) 80f
stabil 196
Stabilität der Schichtung 193
Stabilitätskriterien 195f
Stadtklima 286ff
städtische Wärmeinsel 287
Standard-Atmosphäre 129
Starkniederschlag 299f
Starkregen 227
Le
1
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41
42
43
44
Sachregister
e
340
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Tag- und Nachtgleiche 25, 235
Tagesgang der Lufttemperatur 103
Tageslänge 28
Tagesmittel der Lufttemperatur 103
Tagesschwankung der Lufttemperatur 105
Taifun(e) 262
Talwind 293
Tau 96, 168
Sachregister
Tropen, strahlungsklimatische 28
Tropennacht 104
Tropentag 104
tropischer Wirbelsturm s. tropische Zyklone
Tropfenkonzentration 209
Tropikluft 119, 169, 241f
Tropopause 42
Troposphäre 42
Turbulenz, dynamische 151
Turbulenz, thermische 152
e
überadiabatische Schichtung 196
Ultraviolett-(UV-)Strahlung 47f
Umwälzen, thermisches 71
Umwandlungspunkte 160f
UNEP 316
UNFCCC 317
Unterkühlung 164, 207
Unwetter 295, 326
Urpassat 251ff
UV-Schutzfilter 51
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Taupunkt 167
Taupunktsänderung 186
Taupunktserniedrigung 186
Taupunktstemperatur 167
Tautochronendarstellung 67
Tauwetter 179, 300
Telekonnektionen 271, 302
tellurische Gegebenheiten 257
Temperatur 42, 45
Temperatur, absolute 47, 102
Temperatur, virtuelle 128
Temperaturgefälle, horizontales 68
Temperaturgefälle, vertikales 238
Temperaturgradient 108
Temperaturgradient, feuchtadiabatischer 190
Temperaturgradient, hypsometrischer 185, 196
Temperaturgradient, trockenadiabatischer 190
Temperaturmessung in der Luft 101
Temperaturumkehrschicht 193
Temperaturverteilung 70, 102ff
Temperaturverteilung, Meridionalschnitt der
116f
Thermikschlauch 181
thermische Behaglichkeit, Belastung 289
thermodynamisches Diagramm-Papier 188
thermo-haline Zirkulation 306
Thermoisoplethen 70
Thermometer 101ff
Thermometerskalen 103
Thermosphäre 44
Tief, dynamisches, kaltes 158
Tiefdruckrinne, -furche 246
Tiefdrucktrog 136
Topographie, absolute 129
Topographie, relative 129
Tornado 296
Torricelli 122
Trajektorie 251
Transmission 77, 290
Transpiration 97, 172
Treibhauseffekt, anthropogener 81, 307ff
Treibhauseffekt, natürlicher 79
Treibhausgase 77, 82, 307ff
trockenadiabatisch 184f
Trockengrenze 175
Trockengürtel 230
Trog 239, 257
Tropen 28f
Tropen, immerfeuchte innere 268, 283
Tropen, sommerfeuchte äußere 283
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
341
Variabilität, natürliche 305f
Variabilität der Niederschläge 197
Vb-Wetterlage 242, 300
Verdampfen 171, 214
Verdampfungswärme 164, 171
Verdunstung 66, 162
Verdunstungsmessung 174
Verdunstungsformeln 173
Verdunstungskraft 173
vertikal 41
Vertikalaustausch 150, 180
Vertikalgeschwindigkeiten 178, 202
Viererdruckfeld 272f
Virtuellzuschlag 128
Viviani 122
Vorticity 157
Vulkanausbrüche 41, 306
Wald-Feld-Wind 140
Walker-Zirkulation 268f
Wärme, fühlbare 65, 94
Wärme, latente 108, 274
Wärme, spezifische 65
Wärmeaustausch, turbulenter 66
Wärmefluss 97, 287, 306
Wärmegefälle, horizontales 108
Wärmehaushalt 96, 143, 287
Wärmeinsel, städtische 287
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44
Windchill 299
Windgeschwindigkeit 143, 149
Windgeschwindigkeit, Tagesgang der 152
Windgesetz, barisches 152f
Windrichtung 151, 158
Windstärke 158f
Winkelgeschwindigkeit der Erde 142, 147
Wintermonsun 144, 265
Winterregen 236
Winterregen-Subtropen 282ff
Wintersmog 292
Winterstürme 298
Wirbel 158
Wirbelstürme 296f
Witterung 15
Witterungsregelfälle 299
Witterungswechsel, Mittelbreiten 240
Wolken 48
Wolkenauflösung 139
Wolkencluster 98, 219
Wolkenkerne 204
Wolkenklassifikation 213
Wolkenluft 191, 214
Wolkenstockwerke 213
Wolkentröpfchen 39, 210
Wolkentypen 212ff
Wurzelzone der Passate 256
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Wärmekapazität 71
Wärmeleitung 72, 96
Wärmemenge 33, 331
Wärmequelle der Atmosphäre 87
Wärmespeicher 73, 76
Wärmestrahlung 74
Wärmetheorie, mechanische 182
Wärmetransport 78, 116
Wärmetransport, meridionaler 116
warme Hangzone 294
Warmfront 201ff
Warmluft 276
Warmluftsektor 240
Warmwasserereignis s. El Niño
Wasser 17
Wasserbilanzgleichung 177
Wasserdampf 40, 160ff
Wasserdampfquellgebiet 94
Wasserdampftransport 94, 200
Wasserdampfübersättigung 204
Wasserdampfverteilung 168ff
Wasserhalbkugel 17
Wasserkreislauf, großer 94
Wasserkreislauf, kleiner 306
Wassertemperatur(en) 245, 281
Wasserwolken 220ff
Watt (W) 32, 65
Weihnachtstauwetter 300
Wellen, elektromagnetische 32, 46
Wellenstörungen der Polarfront 244
Wellenzirkulation 238
Wendekreise 28
Westküstenklima 244
Westwinde, äquatoriale 232, 262
Westwinddrift, zyklonale 276
Westwindklima, zyklonales 285
Westwindzone, außertropische 276
Wetterhütte 102
Wetterkarte(n) 129
white-out 61, 299
Wiensches Verschiebungsgesetz 47
Willy-Willies 261
Wind 134
Wind, ageostrophischer 150, 242
Wind, geostrophischer 147ff
Wind, geostrophisch-zyklostrophischer 149
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Sachregister
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342
Borntraeger, Fr. Pfeifer, „Weischet, Klimatologie“
Zellenstruktur, geschlossene 222
Zellenstruktur, offene 223
Zenit 28
Zenitalregen 235
Zirkulation, allgemeine 238ff
Zonda 200
Zusatztreibhauseffekt, anthropogener
s. Treibhauseffekt
Zustandsänderung, adiabatische 183
Zustandsphasen 161
Zyklogenese 276
Zyklon s. tropische Zyklone
zyklonal 242
Zyklone(n) s. Tief(druckgebiet)
Zyklone, ektropische oder außertropische 298
Zyklone, tropische 261, 296
Zyklonenfamilie 273
Zyklonenfriedhof 276
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Mit dieser 8., durchgesehenen Auage des
bewährten Studienbuchs erhält der Leser eine
moderne Einführung in die Klimatologie.
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Folgende Themen werden behandelt:
– Klima als System
– Klimaelemente, u.a. Strahlung, Temperatur,
Luftdruck, Niederschlag und Wind
– Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre
– Stadt- und Geländeklima
– Atmosphärische Gefahren
– Klima im Wandel
Für alle, die sich für das Klima unseres Planeten,
seinen derzeitigen Wandel und die dabei ablaufenden atmosphärischen Prozesse interessieren, bietet
das Buch eine solide Grundlage.
ISBN 978-3-443-07148-6
www.borntraeger-cramer.de
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(früher: Teubner Studienbücher der Geographie)
S di
Studienbücher der Geographie
Studienbücher der Geographie
Einführung in die
Allgemeine Klimatologie
Wolfgang Weischet / Wilfried Endlicher
Einführung in die
Allgemeine Klimatologie
2012. 8., durchgesehene Auage. 342 Seiten, 109 Abbildungen, 13 Tabellen,
1 Tafel, 21 x 14 cm
ISBN 978-3-443-07148-6
€ 29,–
www.borntraeger-cramer.de/97834430717486
Dieses Lehrbuch zur Einführung in die Allgemeine Klimatologie hat sich in der geographischen Fachwelt den Rang eines
Standardwerkes der Klimatologie erworben. Der vorliegende
Text ist mit dem Ziel abgefasst worden, Geographen, Geographiestudenten und anderen Interessenten den Einstieg in die
physikalische Betrachtungsweise der Klimatologie zu geben.
Je besser wir den komplexen Mechanismus unseres Klimas verstehen und je sicherer wir die Eingriffe
des Menschen in dieses System
beurteilen können, desto größer
wird die damit verbundene Verantwortung für unsere Erde, von
der globalen bis zur lokalen Skala. Derartige Fragen beschäftigen
Wissenschaft, Zivilgesellschaft und
Politik gleichermaßen. Thematisch
einschlägige Studienbücher wie
die "Einführung in die Allgemeine
Klimatologie" müssen deshalb unablässig an den aktuellen Wissensstand angepasst werden.
In dieser 8., durchgesehenen Auflage des bewährten Studienbuchs
wurden verschiedene Abschnitte
gestrafft und einzelne Kapitel und
Diagramme durch aktuelle Daten ergänzt, insbesondere bei der
Thematik des Klimawandels. Somit erhält der Leser eine moderne
Einführung in die Klimatologie.
Folgende Themen werden behandelt:
– Klima als System
– Klimaelemente, u.a. Strahlung,
Temperatur, Luftdruck, Niederschlag und Wind
– Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre
– Stadt- und Geländeklima
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Für alle, die sich für das Klima unseres Planeten, seinen derzeitigen Wandel und die dabei ablaufenden atmosphärischen Prozesse interessieren, bietet das Buch eine solide Grundlage.
Borntraeger • Stuttgart
Johannesstr. 3A, 70176 Stuttgart, Germany. Tel. +49 (711) 351456-0 Fax. +49 (711) 351456-99
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Studienbücher der Geographie
Inhalt
1 Das Klima mit seinen Raumund Zeitdimensionen . . . . . . . .
2 Erddimensionen und Beleuchtungsklimazonen . . . . . . . . . . .
3 Die Sonne als Energiequelle
und die Ableitung des solaren
Klimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Die Atmosphäre, ihre Zusammensetzung und Gliederung . .
5 Die solaren Strahlungsströme
unter dem Einuss der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Die terrestrischen Strahlungsströme und der Treibhauseffekt
der Atmosphäre . . . . . . . . . . . .
7 Die Strahlungsbilanz, lokal, regional und global . . . . . . . . . . .
15
23
32
39
46
74
85
Einführung in die Allgemeine Klimatologie
8 Tages- und Jahresgänge der
Energiebilanz an der Erdoberäche . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 Lufttemperatur und Temperaturverteilung in der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 Der Luftdruck, seine Messung
und Darstellung . . . . . . . . .
11 Horizontale
Luftdruckunterschiede und die Entstehung
von Wind . . . . . . . . . . . . . . .
12 Der Wasserdampf in der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . .
13 Vertikale Luftbewegungen und
ihre Konsequenzen . . . . . . .
14 Wolken und Niederschlag . .
15 Makroklima: Die Allgemeine
Zirkulation der Atmosphäre
und die klimatische Gliederung der Erde . . . . . . . . . . .
96
101
121
134
16 Mesoklima: Stadt- und Geländeklima . . . . . . . . . . . . . . . . .
17 Atmosphärische Gefahren .
18 Der Klimawandel – das größte
Umweltproblem des 21. Jahrhunderts . . . . . . . . . . . . . . .
Literaturverzeichnis . . . . . . . . .
Verzeichnis der Internetadressen
Maßeinheiten und Umrechnungsformeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sachregister . . . . . . . . . . . . . . .
286
293
305
321
330
331
334
160
178
204
Das vollständige Inhaltsverzeichnis nden Sie unter
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235
Weitere Titel zum Thema Klima bei Borntraeger und Schweizerbart
Wolfgang Weischet:
Regionale Klimatologie Teil 1
Die Neue Welt: Amerika - Neuseeland - Australien
1996. 468 Seiten, 45 Abbildungen, 38 Tabellen, 7
Karten, 23 x 17 cm
(Studienbücher der Geographie)
ISBN 978-3-443-07107-3, gebunden, 39.80 €
Wolfgang Weischet; Wilfried Endlicher:
Regionale Klimatologie Teil 2
Die Alte Welt: Europa - Afrika - Asien
2000. 625 Seiten, 118 Abbildungen, 24 Tabellen, 9
Karten, 23x17cm, 1460 g
(Studienbücher der Geographie)
ISBN 978-3-443-07119-6, gebunden, 66.00 €
Jörg Bendix:
Geländeklimatologie
2004. 282 Seiten, 127 Abbildungen, 15 Tabellen,
21 x 14 cm
(Studienbücher der Geographie)
ISBN 978-3-443-07139-4, brosch., 28.00 €
Stefan Emeis:
Meteorologie in Stichworten
2000. XIV , 199 Seiten, 25 Abbildungen, 14 Tabellen, 8 Tafeln, 19 x 13 cm
(Hirt's Stichwortbücher)
ISBN 978-3-443-03108-4, brosch., 19.60 €
Hartmut Leser:
Stadtökologie in Stichworten
unter Mitarbeit von: Katharina Conradin.
2008. 2. Auage. XV , 320 Seiten, 57 Abbildungen,
26 Tabellen, 18x13cm, 410 g
(Hirt's Stichwortbücher)
ISBN 978-3-443-03119-0, brosch., 29.80 €
Risk and Planet Earth
Vulnerability, Natural Hazards, Integrated Adaptation Strategies
Ed.: Anne Dölemeyer; Janek Zimmer; Gerd
Tetzlaff
2010. 110 pages, 28 gures, 24 x 17 cm
ISBN 978-3-510-65260-0, bound, 29.80 €
Josef Klostermann:
Das Klima im Eiszeitalter
2009. 2. Auage. XII , 260 Seiten, 98 Abbildungen,
7 Tabellen, 21 x 15 cm
ISBN 978-3-510-65248-8, brosch., 29.90 €
Curt Weikinn:
Quellentexte zur Witterungsgeschichte
Europas von der Zeitwende bis zum Jahr 1850
– Hydrographie Band 1, Teil 5 (1751–1800)
Quellensammlung zur Hydrographie und Meteorologie, Band 1
Hrsg.: Michael Börngen; Gerd Tetzlaff
2000. VIII , 674 Seiten, 23 x 17 cm
ISBN 978-3-443-01044-7, gebunden, 63.00 €
Carbon credits from peatland rewetting
Climate - biodiversity - land use
Science, policy, implementation and recommendations of a pilot project in Belarus
Ed.: Franziska Tanneberger; Wendelin Wichtmann
2011. XII , 223 pages, 41 tables, 30 info boxes, 100
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Gebrüder Borntraeger Verlagsbuchhandlung, Vertrieb: E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller),
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____ Ex. Weischet / Endlicher: Einführung in die Allgemeine Klimatologie (Studienbücher d. Geographie)
ISBN 978-3-443-07148-6 € 29,–
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06.2012/15.000