Lecture: Physik der Atmosphäre II - Details

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General information

Course name Lecture: Physik der Atmosphäre II
Course number PHM-0063
Semester SS 2024
Current number of participants 25
expected number of participants 40
Home institute Atmosphärenfernerkundung
participating institutes Institut für Geographie
Courses type Lecture in category Teaching
First date Friday, 19.04.2024 10:00 - 11:30, Room: (2004 T)
Participants Studierende in einem Masterstudiengang der MNTF
Als Nebenfach buchbar für Studierende der Geografie im Bachelorstudiengang
Performance record Mündliche Prüfung am Ende des Moduls
Veranstaltung findet in Präsenz statt / hat Präsenz-Bestandteile Yes
Hauptunterrichtssprache deutsch
Literaturhinweise Es wird ein die Vorlesung begleitendes Skript geben.

Die Vorlesung PdA-II ist zudem an folgender Literatur orientiert:

• An introduction to Atmospheric Physics, D.G. Andrews, Cambridge University Press, 2010
• Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre, W. Roedel & T.Wagner, Springer, Heidelberg, 2017
• Atmosphere, Weather and Climate, R.G. Barry and R.J. Chorley, Routledge, 2010
• Mid-Latitude Atmospheric Dynamics, J.E. Martin, Wiley-Verlag, 2006

Lesenswert sind ergänzend auch folgende Texte:

• Dynamik der Atmosphäre, H. Pichler, Spektrum Akademischer Verlag, 1997
(sehr mathematisch und gründlich)
• An Introduction to Dynamic Meteorology, J.R. Holton & G.J. Hakim, Academic Press, 2013
(ein „Klassiker“)
• The Physics of Atmospheres, J. T. Houghton, Cambridge University Press, Cambridge 2010
(eher ein Kompendium – aber Kultstatus)
• Aeronomy of the Middle Atmosphere, 2nd Edition, G. P. Brasseur and S. Solomon, 2008
(Fokus auf Atmosphärenchemie)
• Fundamentals of Atmospheric Modeling, M. Z. Jacobson, Cambridge University Press, 2010
(Mathematische Konzepte)
• Physics of Climate, J. P. Peixoto, A. H. Oort, Springer-Verlag, 2007
(Allgemeiner Überblick über viele Aspekte)
ECTS points 6 (MNTF) und 10 (Geografie)

Rooms and times

(2004 T)
Friday: 10:00 - 11:30, weekly (11x)

Module assignments

Comment/Description

Die Vorlesung kann von Studierenden der MNTF und als Nebenfach auch von Studierenden der Geografie besucht werden.

Für die Studierenden der MNTF wird diese Vorlesung ergänzt durch die Vorlesung "PdA-II: Numerische Verfahren" bei PD Dr. Sabine Wüst. Diese Veranstaltung findet im Anschluss an PdA-II im gleichen Raum statt.

Für die Studierenden der Geografie wird ein freiwilliges Tutorium angeboten bei Frau Helena Müller. Das Tutorium findet im Anschluss an die Vorlesung PdA-II im Raum 1003/B statt. Ausnahme ist der 28.4. An diesem Tag findet die Veranstaltung im Raum 2002/B statt.

Was Sie in dieser Vorlesung erwartet:
Was würden Sie antworten, stellte man Ihnen die Frage, was denn Wind eigentlich sei? Sie würden vermutlich von bewegten Luftmassen sprechen, vielleicht auch von mikroskopischen Teilchen, die sich gemeinsam in größerer Zahl in eine Richtung bewegen. Sie würden an Ihre alltägliche Erfahrung vom lauen Wind an einem Sommerabend bis hin zu starken Windböen etwa im Kontext eines Sturms denken. Und vielleicht stellen Sie sich auch vor, Sie betrachteten die Luftströmungen in der Atmosphäre aus der Perspektive eines Satelliten. Von dort aus würden Sie erkennen, dass es Strömungen auch auf größeren Skalen in Raum und Zeit gibt. Sie würden berichten von großräumigen, den Planeten umspannenden merdionalen und zonalen Strömungen, von Zyklonen verschiedener Größe und von Konvektion. Sie würden also von Zirkulationszellen, von Starkwindbändern („Jets“), von planetaren Wellen, von Schwerewellen, von Turbulenz und von was weiß ich noch alles berichten. Und Sie würden bemerken, dass alle diese Strukturen auch zeitlich variabel sind und in unterschiedlichen Höhen durchaus auch jeweils anders aussehen. Als wissenschaftlich interessierte Menschen stellen Sie sich früher oder später auch die Frage nach dem „warum“. Welche Kräften, also welche äußeren Einflüsse lösen solche Strömungen aus? Und Sie interessieren sich vielleicht dafür, wie groß denn wohl Energie und Impuls sein mögen, die hier in solchen Bewegungen stecken, ob und gegebenenfalls wie diese Bewegungen wohl miteinander zusammenhängen und wie diese vielleicht quantitativ beschrieben werden können. Denn wenn Sie das verstehen, können Sie auch abschätzen, wie sich Veränderungen der wirkenden Kräfte bzw. der äußeren Einflüsse vielleicht auf die Strömungsmuster in der Atmosphäre auswirken könnten. Letztgenannter Aspekt gewinnt aktuell durch die Klimathematik besonders an Aufmerksamkeit.

Um diese und ähnliche Fragen geht es in dieser Vorlesung. Die Gesamtheit aller Strömungsvorgänge in der Lufthülle unseres Planeten bezeichnet man als die Dynamik der Atmosphäre. In dieser Vorlesung stelle ich Ihnen zunächst einige Merkmale der großräumigen atmosphärischen Zirkulationsmuster in der Tropo-, der Strato- und Mesosphäre vor. Als ein sehr nützliches Instrument zur quantitativen Beschreibung dieser (und anderer) Strömungsvorgänge lernen Sie sodann das Konzept der Masseerhaltung kennen. Dies führt zu der Erkenntnis, dass raumzeitliche Veränderungen von Luftdichte und Windgeschwindigkeit miteinander gekoppelt sind (Kontinuitätsgleichung). Als wesentliche Kräfte, die die Strömungen im Höhenbereich bis hinauf zu etwa 100km Höhe regieren, werden Sie die Schwerkraft, die Druckgradientenkraft sowie die Viskositätskraft kennenlernen (Navier-Stokes-Gleichung). Diese Gleichung beinhaltet dabei einen weiteren Erhaltungssatz: die Impulserhaltung. Um die Beschreibung der Strömungsvorgänge aus Sicht eines auf der Erde fest verankerten Beobachters vorzunehmen werden Sie lernen, wie man die Gleichungen in ein entsprechendes mit der Erde mitbewegtes Koordinatensystem transformiert. Damit werden die Prozesse für uns natürlich anschaulicher. Aber am Ende des Supermarktes ist immer die Kasse: der Preis hier ist eine Verkomplizierung der mathematischen Formulierung, weil nun sogenannte Scheinkräfte (Corioliskraft, Zentrifugalkraft) aufgenommen werden müssen. Als dritter Erhaltungssatz schließlich dient das Prinzip der Energieerhaltung. Damit stehen dann genügend Gleichungen zur Verfügung, um die Bewegungsvorgänge eindeutig beschreiben zu können. Durch geeignete Vereinfachungen der so gewonnenen thermo-hydrodynamischen Feldgleichungen gelangen Sie zu Formulierungen, die insbesondere für großräumige Strömungsvorgänge wie etwa Zyklone oder die Starkwindbänder sehr gut die Beobachtungen erklären können: es sind dies die sogenannten prognostischen und diagnostischen Gleichungen. Wie Sie schon in der Vorlesung „Physik der Atmosphäre I“ gesehen haben, strebt die Atmosphäre stets einem stabilen Zustand zu. Das gilt auch für die Strömungssysteme. Ich werde Ihnen zeigen, dass kleine Störungen von Gleichgewichtszuständen hier erhebliche Konsequenzen haben können. Sie werden sehen, dass insbesondere Wellen durch solche Strömungen in der Strömung angeregt werden können. Einen Fokus lege ich dabei auf die grossskaligen sogenannten planetaren Wellen. Diese gewinnen aktuell vor dem Hintergrund des Klimawandels an Aufmerksamkeit; sie können den Jetstream verbeulen und in der Folge kann es zu Wetterextremen kommen. Ich werde Ihnen daher auch einige grundlegende Aspekt der sogenannten „Wirbeldynamik“ vorstellen.

Erlauben Sie mir noch folgende Bemerkung: es ist bemerkenswert, dass sich viele Vorgänge in der Atmosphäre mit (makroskopischen) Begriffen wie „Wind“, „Temperatur“ oder „Druck“ sehr gut beschreiben lassen. Es ist offenbar nicht nötig, die Bewegungen etwa der einzelnen Moleküle zu verfolgen. Das wäre angesichts der ungeheuer großen Anzahl der die Atmosphäre ausmachenden mikroskopischen Bestandteile auch ein ganz und gar hoffnungsloses Unterfangen. Physikalisch formuliert bedeutet dies, dass wir die Atmosphäre als ein Kontinuum betrachten können. Daher kommt es, dass es große Ähnlichkeiten mit der Dynamik der Ozeane gibt: auch dort haben wir es mit großskaligen Strömungen, Wellenphänomenen und turbulenten Wirbeln zu tun. Die physikalischen Prinzipien sind in beiden Bereichen diejenigen der Hydrodynamik. Sie werden sehen, dass wir die Bewegungen in der Atmosphäre (und im Ozean) durch einen Satz partieller Differentialgleichungen der oben genannten „makroskopischen“ Größen beschreiben können. Diese sogenannten und schon oben bezeichneten thermo-hydrodynamischen Feldgleichungen umfassen dabei die Vorgänge über einen außerordentlich großen raumzeitlichen Skalenbereich. Dies bedeutet zunächst auch, dass die Vorgänge auf allen Skalen miteinander gekoppelt sein können. Ein faszinierender Befund – und ein „abschreckender“ dazu, denn dies macht es u.a. unmöglich, diese Gleichungen analytisch zu lösen. Das ist der Grund, dass wir je nach zu untersuchender „Größenklasse“ der adressierten Strömungsvorgänge diese Gleichungen einer sogenannten „Skalenanalyse“ unterziehen werden, um die Gleichungssysteme in sich konsistent zu approximieren.

Ich bitte Sie aber auch um Nachsicht: in dieser einsemestrigen Vorlesung können unmöglich alle diese Aspekte tiefergehend behandelt werden. Die Vorlesung ist daher als eine erste Einführung in den Bereich der Atmosphärendynamik zu verstehen. Dabei ist es nicht das vordringliche Ziel, vornehmlich Gleichungen aufzustellen und diese dann zu lösen. Es soll vielmehr versucht werden, von den Phänomenen auszugehen, diese in den Vordergrund zu stellen und die Eleganz und Vielfalt dieser atmosphärendynamischen Prozesse zu erkennen. Und es soll auch etwas darum gehen, diese Vorgänge im Lichte des Klimawandels einordnen zu können. Natürlich werden die Phänomene auch mathematisch beschrieben – in der Sprache der Physik. Dabei wird sich zeigen, dass diese Beschreibung tiefergehende Einblicke in die Physik der Atmosphärendynamik zulässt. – Aber vordringlich geht es mir darum, dass Sie einen ersten Eindruck von diesem Forschungsgebiets erhalten – und vielleicht etwas von der Faszination unserer einzigartigen Atmosphäre erahnen werden.

Admission settings

The course is part of admission "Zeitgesteuerte Anmeldung: Physik der Atmosphäre II".
The following rules apply for the admission:
  • The enrolment is possible from 20.03.2024, 13:50 to 30.04.2024, 13:50.