Erde und Planeten Herausgeber Wilhelm Raith Autoren Siegfried J. Bauer, Rudolf Gutdeutsch, Michael Hantel, Heinz Reuter, Helmut O. Rucker, Gerold Siedler, Tilman Spohn, Reinhold Steinacker, Walter Zenk

2., aktualisierte Auflage

Walter de Gruyter 2001

Inhalt

1 Geophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Rudolf Gutdeutsch 1.1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 1.2.1 1.2.1.1 1.2.1.2 1.2.1.3 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.3 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.3.3 1.2.3.4 1.2.4

Mechanik des Erdkörpers Schwere und Figur der Erde Das Geoid . . . . . . . . . Messung und Deutung

1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4

Aufbau und Geschichte der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalenaufbau des Erdinneren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatur und elektrische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alter und Entwicklungsgeschichte der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschichte der Lithosphäre und globale Tektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21 21 31 33 33

1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.4.1 1.4.4.2 1.4.4.3 1.4.4.4 1.4.4.5 1.4.4.6

Erdmagnetismus und damit verbundene Erscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meßmethoden und Beobachtungsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trennung des Erdmagnetfeldes in einen inneren und einen äußeren Anteil . . Erdmagnetisches Innenfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdmagnetisches Außenfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antiebsmechanismen durch die Sonnenaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Magnetosphäre ........... Die Ionosphäre Pulsationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der magnetisch ruhige Tag und L-Variationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der erdmagnetische Sturm und damit gleichzeitig auftretende Erscheinungen

38 38 40 40 42 42 43 44 46 46 41

1.5

Gemeinschaftsprojekte der Geophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

............... ................................... ................................... .........

11

11 ........... Gezeiten der festen Erde . . . . . . . . . 13 Die Erde als Kreis ........... Erdbeben und Ausbreitung seismischer Wellen im Erdinneren . . . . . . . . . . . . 15 16 Sichtbare Wirkungen im Nahbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parametrisierung der Vorgänge in der Nähe des Erdbebenherdes . . . . . . . . . . 18 20 Die Aufzeichnung von Erdbeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Erdbebengeographie und Plattentektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Eigenschwingungen der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Ozeanographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerold Siedler. Walter Zenk 2.1

3 3 3 5 10

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53 53

X

Inhalt

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3

Physikalische Grundlagen . ................................ ....................... Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............................ Thermodynamik . . . . . . . . . . . ................... Hydrodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3

Vermischung und Wassermassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

Beschreibung des Ozeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topographie des Meeres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärme- und Wasserhaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schichtung und Wassermassenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eis im Meer . . . . . . . . . . . .................................

2.5 2.5.1 2.5.2

Dynamik des Ozeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meeresströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wellen . . . . . . . . . .................................

2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.6.6 2.6.7 2.6.8 2.6.9 2.6.10 2.6.1 1

Meßmethoden und Instrumente . . . . . . . .................... 107 . . . . . . . . . . . . 107 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meßplattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturmessung ..................................... Salzgehaltsmessung . . . . ................................... Schallgeschwindigkeitsmessung .............................. .......................... Messung von Wasserstand und Strömungsmeßverfahren . . . . . . . . .......................... ...................... Satellitenmeßverfahren . . . . . . . . . . . . . . Akustische Tomographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...............

3 Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heinz Reuter, Michael Hantel, Reinhold Steinacker

53 53 54 57

81

112 114 114 114 122 123

131

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4

Einführung und Überblick, historische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundfragen der Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Besonderheiten des Planeten Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Organisation des Beobachtungsnetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Entwicklung der meteorologischen Vorstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

131 131 132 134 137

3.2 3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.1.4 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 3.2.2.4 3.2.2.5 3.2.2.6 3.2.3

Physikalische Grundlagen der meteorologischen Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . .................. Elektromagnetische Strahlung . . . . . . . . . . . . . ................. Irradianz und Radianz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Modell des schwarzen Körpers . . . . . . . . . . . . . . . ........... ........ Wechselwirkung von Strahlung mit Materie . . . . . . . . . . . Strahlungsflußdichte, Strahlungsheizung, Strahlungsbilanz . . . . Hydrostatik von Geofl Zustandsgrößen . . . . . . ................................. Die Zustandsgleichung Das Geopotential . . . . . . . . . ............................... Die hydrostatische Gleichung . . . ............................ Die barometrische Höhenformel . . . . . . ...................... Der physikalische Aufbau der Atmosphäre . ................. ............ Meteorologische Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . .

142 143 143 146 148

160 162 164 167 167

Inhalt 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3 3.2.3.4 3.2.3.5 3.2.3.6 3.2.4 3.2.4.1 3.2.4.2 3.2.4.3 3.2.5 3.2.5.1 3.2.5.2 3.2.5.3 3.2.5.4 3.2.6 3.2.6.1 3.2.6.2 3.2.6.3 3.2.6.4 3.2.6.5 3.2.6.6 3.2.6.7 3.2.1 3.2.1.1 3.2.7.2 3.2.7.3 3.2.1.4 3.2.8 3.2.8.1 3.2.8.2 3.2.8.3 3.2.8.4 3.2.8.5 3.2.9 3.2.9.1 3.2.9.2 3.2.9.3 3.2.9.4 3.2.9.5 3.2.9.6 3.2.9.1

Das Prinzip der Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . Formen mechanischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieumwandlungen . , . . . , . . , . . . . . . , . . , . . . , . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Energieform Wärme ................................ < . . ................................... Die potentielle Temperat Chemische Energie ................................... Wasser in der Atm ................................... Feuchtemaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die äquivalentpotentielle Temperatur ................... Tropfenbildung und Tropfenwachstum ................... Chemie der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chemische Grundbegriffe . . , . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ _. . Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre . . . . . . Aerosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spurenstoffhaushalte ................................... Geofluiddynamik ...................................

3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3

. ... . . . . . . . . . . . . .. . Die quantitative Erfassung des Wetters ................... Meteorologische Beobachtungen . . . . . Beobachtete Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übermittlung und Analyse der Beobachtungen . . . . . . Skaligkeit der Geofluide . . , . . , . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . Wettersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , Phänomenologie außertropischer Wettersysteme . , . . . Barotropie und Baroklinität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . , . . . .. . , . . . . . . . . .. , . . . , . .. . . .. Der thermische Wind

Die Coriolis-Kraft

XI

110

112 111

119 183 183 181

189 194 195 196 199 202 201

...................................

210 215 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 . . . . . . . . . . . . _ . . . . . . 222

...............................

Kinematische Größen des Stromfeldes . . . . . . . . . . . . . Erhaltungssätze für Geofluide . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Die Vertikalgeschwindigkeit . . . . , . . . . . . , . . , . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wellen und Instabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . , . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................................... ...,...,......,....

239 240 241 242

. . .. Instabilitaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Grenzschicht . . . . . . . . . . , . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Turbulenzphänomen . . . . , . . , . . . . . . . . . . . . . . . . .

257 251 258

269 212

XIl

Inhalt

3.3.2.4 3.3.2.5 3.3.2.6 3.3.2.7 3.3.2.8 3.3.2.9 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 3.3.3.5 3.3.3.6

Der Strahlstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........... Die barokline Instabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorticity, Divergenz und Vertikalbewegung in Fronten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zirkulationssatz, lokale Windsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfügbare potentielle Energie, Energiekreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wettervorhersage ........................................... rsage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein numerisches Trajektorienmodell (Lagrange) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein numerisches Gitterpunktsmodell (Euler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wettervorhersage mit den primitiven Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung der Vorhersagegüte . . . . . . . . . . . . . . . . ........ ..... Vorhersagbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273

3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6

Forschungsaufgaben der modernen Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wetterprognose . . . . . . ................................ Spurenstoffmeteorologie ............................... .................... Biometeorologie (Medizinmeteorologie) Energie und Klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ Nichtlineare Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Internationales Progra

301 301 302 303 304

289 290 291 293 294 296 297

4 Klimatologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Michael Hantel

311

4.1 4.1 .I 4.1.2 4.1.3

Einleitung: Das Klimasystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Komponenten des Klimasystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition von Begriffen in der Klimatologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Skaligkeit der Klimaphänomene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

311 31 3 316 317

4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8

Erhebung und Ordnung von Klimadaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Klimabeobachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Klimadiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Darstellung von Klimagrößen als Karte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Satellitendaten (Fernerkundu ................ Ordnung der Klimaelemente .................................. ....................... Budgetelemente . . . . . . . . . . . Sekundäre Klimaelemente . . ....................... Komplexe Klimaelemente . . . . . . . . . . ................

322 327 332 336 336 338 340 341

4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4

Der Strahlungshaushalt . . . ............................ Das Stefan-Boltzmannsche ........................... Der „Treibhauseffekt" . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............... .......... Der globale Strahlungshaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . Zonal gemittelter Strahlungshaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6

Der Energiehaushalt des KI Energieformen in den Klimafluiden ...................... 354 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Das Konzept des Energieflusses . . . . . . Die Flußdivergenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Die Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiekonversionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Energiehaushalt einer Klimasäule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

344 344 346 348

Inhalt

XI11

4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3

Klimagrößen der globalen Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Temperatur der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Feuchtehaushalt der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das globale Windsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

361 361 366 370

4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5

Klimagrößen des Weltmeeres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das thermohaline Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das oberflächennahe Strömungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Tiefenzirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Windschub . . . . . . . ............................. EI Nino . . . . . . . . . . . . . . . ...........................

376 380 380 384 385

4.1 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.1.4

Mechanismen der Klimafluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Turbulenz: Nichtlinearität und Eddy-Mechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzschichten in Atmosphäre und Ozean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvektion in den Klimafluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der globale Drehimpulshaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

386 386 391 394 395

4.8 4.8.1 4.8.2 4.8.3

Klimagrößen und -mechanismen der Klimasolide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Energiehaushalt einer Luft-Boden-Säule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der hydrologische Haushalt einer Luft-Boden-Säule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Kryosphäre . . . ...............................

399 399 402 404

4.9

Klimaklassifikation a n der Erdoberfläch

4.10 4.10.1 4.10.2 4.10.3 4.10.4 4.10.5 4.10.6

Die Geobiosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 Spurenstoffhaushalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Biosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klimaschwankungen ............................................... 415 Klimamodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlußbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

...........................................

421

5.1.2

............................................ 421 d Bedeutung der Weitraumfahrt . . . . . . . . . . . . . . . 427 428 Ziele der physikalischen Planetenforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Überblick über das Sonnensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

431

5.3 5.3.1 5.3.2

440 440

5.3.3 5.3.4

Aufbau und Zusammensetzung der Planeten . . . . . . . . . . . . . . . Das physikalische Konzept des planetaren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Methoden zur Bestimmung des inneren Aufbaus eines planetaren Körpers ............................................. Modelle des inneren Aufbaus: Festkörperplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelle des inneren Aufbaus: Riesen- und Subriesenplaneten . . . . . . . . . . . .

5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5

Energiebilanz und Dynamik planetarer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planetare Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innere Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........................................ Rheologie . . . . ............................... Wärmetransport . . . . . . Thermische Entwicklung der Planeten ......................

461 463 465 475 478 481

442 447 451

XIV

Inhalt

5.5 5.5.1 5.5.2

Magnetfelder der Planeten und das innerplanetare Magnetfeld . . . . . . . . . . . . 482 Daten planetarer Magnetfelder . . . ............................... 484 ............................... 485 Erzeugung planetarer Magnetfelde

5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3

Ergebnisse für einige planetare Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terrestrische Planeten .......................................... Riesenplaneten ................................................ Subriesenplaneten . . . . . . . . . ...............................

488 516 520

5.7

Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

522

6 Planetenmagnetosphären . . . . . . Helmut 0.Rucker

.....

....................

527

6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3

Der Sonnenwind . . . . . . . . . Die expandierende Sonnena Das interplanetare Magnetfeld . . . . . . . . Die Sonnenwindtypen . . . . . . . . . . . . . . .

.................... ......... ......... .........

528 528 532 534

6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

Wechselwirkung des Sonnenwindes mit einem planetaren Magnetfeld . . . . . . Die globalen Strukturen . . .................... Die Stoßwelle der Erde . . . . . . . . . . . . . . ......... ......... Die Magnetopause . . . . . . . Der Magnetosphärenschweif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

535 535 536 539 543

6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7

Aufbau und Dynamik Die adiabatischen Invarianten .................... Die Van-Allen-Gürtel der Erde Elektrische Felder in d ......... ......... Der Whistler . . . . . . . . ......... Erdmagnetische Aktivi Das Aurora-Oval und das Polarlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die terrestrische Radiostrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7

Die Magnetosphären der Riesenplaneten ......... ......... Die Magnetosphäre des Jupiter . . . . . . . Die Io-Dekameterwellen-Radiostrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Jupiter-Plasmaschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Magnetosphäre von Saturn . . . . . . . Die externe Kontrolle der Saturn-Radiostrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrosignaturen in der Saturn-Magnetosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Magnetosphären von Uranus und Neptun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

584 585 588

6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4

Die planetaren Magnetosphären im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die planetaren Magnetfeldstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetosphärisches Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nichtthermische planetare Radiostrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hierarchie planetarer Magnetosphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

591 593 594 596 596

7 Die Planetenatmosphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Siegfried J . Bauer

546 557 561 563 570 573 573

605

7.1

. . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

605

7.2

Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

608

Inhalt

XV

7.2.1 7.2.2

Statische Verteilungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamische Prozesse (Transport) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6

Charakteristische Eigenschaften der Atmosphärenregionen . . . . . . . . . . . . . . . Die Troposphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................... ................. Die mittlere Atmosphäre (Stratosphäre/ Die Homosphäre/Heterosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . .......... Die Thermosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Ionosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Exosphäre ..............................................

7.4 7.4.1 7.4.2

. . . . . . . . . . . . . 629 Entstehung der Planetenatmosphären . . . . . . Die primären Atmosphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die sekundären Atmosphären der inneren Planeten und Mon

7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.5.6

Eigenschaften der heutigen (sekundären) Planetenatmosphären . . . . . . . . . . . Die Venusatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . ..................... .................. Die Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . ......... Die Marsatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Atmosphäre des Titan . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Atmosphäre des Mondes 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Atmosphäre des Triton . . . . . . . . . .

7.6 7.6.1 7.6.2

Die Atmosphären der äußeren Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 Die Atmosphären von Jupiter und Saturn . . . . . . . . . . Die Atmosphären von Uranus und Neptun . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.7 7.7.1 7.7.1.1 7.7.1.2 7.7.2

Experimentelle Methoden . . . ........................... 658 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 Fernerkundung (Remote Sens Okkultationsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659 Spektroskopische Messungen . . . . . . . In-situ-Meßmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bildanhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zahlenwerte und Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61 1 611 614 614

624

634 634 637 644

667 693 703