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3 Einführung
Ziel des ersten Teils der Vorlesung ist es, die Grundgesetze von Meteorologie und Klimatologie kennen zu lernen. Nach den Strahlungsgesetzen geht es darum, die allgemeinen Gesetze der Statik und Thermodynamik auf die Atmosphäre anzuwenden. Dabei ist eine Reihe wichtiger Anwendungen angesprochen: Energieumsetzungen bei Zirkulationsvorgängen, Entstehen von Vertikalbewegungen, Wolkendynamik, orographisch bedingte, lokale Wettererscheinungen, Phasenumwandlungen des Wasserdampfes, Vertikalverlauf des Luftdrucks inklusive Konstruktion von Wetterkarten, usw.
Zunächst werden keine Phasenumwandlungen des Wasserdampfes betrachtet, und die Luft wird als ideales Gas angenommen. Die allgemeine Gaszustandsgleichung für ideale Gase beschreibt den Zusammenhang zwischen Temperatur, Druck und Volumen (oder Dichte). Dabei stellt die Temperatur als integrale Zustandsgrösse ein Mass für die mittlere kinetische (oder Bewegungs-) Energie der Moleküle dar. Da die Luft kein ideales Gas ist und kleinere bis grössere Mengen Wasserdampf enthält (wobei zu beachten ist, dass die Dichte des Wasserdampfes kleiner ist als jene der Luft!), wird nach einem Temperaturbegriff gesucht, welcher den Vergleich trockener und feuchter Luftmassen erlaubt: die virtuelle Temperatur. Ebenso wird mit der potentiellen Temperatur ein Temperaturbegriff geschaffen, welcher das gegenseitige Verhalten von Druck und Temperatur bei trockenadiabatischen Zustandsänderungen beschreibt.
Mit diesen Voraussetzungen kann anschliessend die wichtige hydrostatische Grundgleichung definiert werden, welche eine Grundlage für Druck-, Dichte- und Windberechnungen darstellt. Sie beschreibt den durch die Schwerkraft auf eine Fläche wirkenden, hydrostatischen Druck. Nicht berücksichtigt wird also der hydrodynamische Druck, welcher durch strömende Flüssigkeiten oder Gase, in unserem Fall durch den Wind, erzeugt wird. Im Hinblick auf das nächste Kapitel (Strömungslehre) ist es interessant zu sehen, dass die hydrostatische Grundgleichung als Bewegungsgleichung in der Vertikalen betrachtet werden kann: die Druckabnahme mit der Höhe steht dabei im Gleichgewicht mit der Gravitationsbeschleunigung. Wenn wir nun von feuchter Luft ausgehen und die hydrostatische Grundgleichung über die Luftsäule integrieren, gelangen wir zur bekannten barometrischen Höhenformel, welche die Beziehungen zwischen Luftdruck und Höhe beschreibt.
Mit den jetzt gewonnenen Grundlagen können wir nun den 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Enthalpie- und Entropiesatz) formulieren, wobei das Prinzip der Energieerhaltung für spätere Betrachtungen (u.a. bei der Vertikalbewegung von Luftpaketen) fundamental ist.
Luft enthält maximal etwa 4% Wasserdampf. Neben dessen Rolle bei Phasenwechseln (Energieumsatz!) spielt er für die Strahlungsbilanz als Absorber und Emitter eine wichtige Rolle. Es ist deshalb wichtig, die wesentlichsten Begriffe im Zusammenhang mit vertikalen Massenumlagerungen und Kondensation zu kennen. Diese Begriffe spielen in der angewandten Meteorologie und Wettervorhersage eine wichtige Rolle. Vor der Einführung der Computer war der Umgang mit thermodynamischen Diagrammen ein wichtiges Arbeitsinstrument. Exemplarisch wird zum Schluss die Pseudoadiabatenkarte eingeführt.