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Zusammenfassung Klimatologie 1.Definitionen klimatologischer Begriffe und Überblick über die Geschichte der Klimabeobachtung 1.1.Begriffsdefinitionen Definitionen „Klima, Klimatologie, Klimageographie und Meteorologie“ Begriff "Klima" ist vom Griechischen Verb für „neigen“ (klino) abgeleitet. Darin kommt die Abhängigkeit des Kli mas von der Sonnenhöhe, also von der geographischen Breite, zum Ausdruck (die Sonnenhöhe wird in Winkelgr ad über dem Horizont gemessen). J. Blüthgen (1964) = klassische Klimadefinition 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, mittleren und extremen Werte. (z.B. in Bezug auf die „Normalperiode“ 1931-1960) Die sogenannten „Normalperioden“ (30-Jahres-Zeitraum), auf die sich die meisten Klimamittelwerte beziehen, sind 1931-1960 oder 1961-1990 Beispiel: Jahresmitteltemperatur von Bamberg 1931-1960 = 8,7°C Jahresmitteltemperatur von Bamberg 19611990 = 8,5°C Jahresmitteltemperatur von Bamberg 1981-2010 = 9,2°C Von einer Klimaänderung spricht man, wenn sich die statistischen Eigenschaften eines oder mehrerer Klimaelemente von einem längeren (i.a. 30jährigen) Zeitabschnitt zum nächsten signifikant ändern ohne nachher folgende Gegenläufigkeit. übrigens: man kann Klima nicht „zerstören“ Klimatologie: Lehre vom Klima, seiner Entstehung und Veränderung Meteorologie: (Meteor (griech.) = Luft- bzw. Himmelserscheinung) die Lehre von der Beschaffenheit und den Vorgängen innerhalb der Atmosphäre. Atmosphäre: Gasgemisch oberhalb der festen/flüssigen Erdoberfläche, das durch Gravitation festgehalten wird. Klimageographie: Lehre vom Klima, seiner Entstehung und Veränderung sowie seiner Wirkung und Verbreitung auf der Erde Definitionen „Wetter“ und „Witterung“ Witterung: allgemeiner Charakter des Wetterablaufes kann sich von wenigen Tagen bis zu Jahreszeiten erstrecken. Häufig wiederkehrende typische Witterung in einem bestimmten Zeitabschnitt eines Jahres nennt man „Witterungsregelfall (Singularität)“ z.B. Schafkälte Mitte Juni = Wetterlage & Mischung aus Wetter und Klima Wetter: augenblicklicher Zustand der Atmosphäre, gekennzeichnet durch die Größe der meteorologischen Elemente und ihr Zusammenwirken Definitionen „ Klimaelement“, „Klimafaktor“, „Klimasystem“ Klimafaktoren: Faktoren, die die Klimaelemente beeinflussen: u.a. geographische Breite, Art der Unterlage (z.B. Land-oder Wasserflächen), Entfernung zu großen Wasserflächen, Höhe über dem Meeresspiegel. Klimaelemente: Messbare Größen, die das Klima beschreiben und in ihrem Zusammenwirken kennzeichnen: Strahlung, Temperatur, Luftdruck, Wind, Luftfeuchte, Niederschlag, Bewölkung, Sicht, u.a. Klimasystem: Zusammenwirken und Rückkopplungen einer Vielzahl von Faktoren in den verschiedenen Sphären im Hinblick auf die Beeinflussung des Klimas

Räumliche und zeitliche Skalen atmosphärischer Prozesse: Klimascales: Makro-, Meso-, Mikroklima -

Sehr unterschiedliche Maßstäbe: Minuten, Stunden, Jahrhunderte Mikroklima: Auch Kleinklima, Klima auf kleinstem Raum (Standortklima), z.B. Klima der bodennahen Luftschicht über einer Wiese. Bedingt durch kleinräumige Einflüsse der Unterlage, v.a. des Bodens und der Bodenbedeckung. Untersucht durch Messungen in Oberflächennähe, z.T. mit Hilfe besonderer Instrumente. Geringste Abstraktion. Mesoklima: Auch Topoklima, Geländeklima, Lokalklima. Klima eines relativ geschlossenen Landschaftsausschnittes, z.B. einer Stadt. In seiner Eigenart bedingt durch den Einfluss der Eigenheiten dieses Landschaftsausschnittes auf die allgemeinen meteorologischen Prozesse. Messung des Mesoklimas durch kurzfristig verdichtetes Stationsnetz. Gegenüber "Makroklima" geringere Abstraktion. Makroklima: Auch Großklima oder Regionalklima, Klima einer Zone, eines Landes, einer Landschaft. Bedingt durch allgemein und großräumig wirksame Klimafaktoren. Ermittelt durch Messungen in einem weitständigen Stationsnetz i.a. in 2 m Höhe über dem Boden und durch Bildung langjähriger Mittelwerte. Starke Abstraktion. Zwischen Makro-, Meso- und Mikroklima bestehen Übergänge. Eine strenge Unterscheidung nach der Größe des jeweiligen Gebietes ist nicht möglich Definition „ Phänologie“ Phänologie: Lehre vom Auftreten bestimmter Wachstumsphasen von Pflanzen (z.B. Beginn der Schneeglöckchenblüte; Beginn der Apfelblüte usw.) (Teilgebiet der Agrarmeteorologie).Da das Wachstum der Pflanzen in hohem Maße vom Wetter abhängt, deuten langfristige Verschiebungen der Wachstumsphasen auf Klimaänderungen. 1.2.Geschichte und Gegenwart der Klimabeobachtung

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Im Mittelalter wurden Naturbesonderheiten in Chroniken (z.B. Kirchenbüchern) aufgelistet (z.B. starkes Eisaufkommen) 1611 Erfindung des Flüssigkeitsthermometers durch Galilei 1643 Erfindung des Barometers durch Torricelli Mitte des 17. Jh. Anlage des „100-jährigen Kalenders“ durch Abt Knauer Ende des 18. Jh. Gründung der Societas Meteorologica Palatina in Mannheim („Mannheimer Stunden“): Gründung eines ersten internationalen Messnetzes Im 19. Jhd, Einrichtung Meteorologischer Institute und eines meteorologischen Messnetzes in vielen Ländern 1952 Gründung des Deutschen Wetterdienstes www.dwd.de 2. Erd- und himmelsmechanische Grundlagen Begriff "Klima" (griech. Neigung = klino) kommt die Abhängigkeit des Klimas von der Sonnenhöhe, also von der geographischen Breite, zum Ausdruck (die Sonnenhöhe wird in Winkelgrad über dem Horizont gemessen). Aber auch in gleicher geographischer Breite gibt es im Laufe des Jahres unterschiedliche Sonnenhöhen; darauf s ind unsere Jahreszeiten zurückzuführen. Hierzu im Folgenden die wichtigsten astronomischen Gegebenheiten, insbesondere hinsichtlich der Bewegunge n des Planeten Erde. 2.1. Erdmaße

2.2. Bewegungen des Planeten Erde Erdrotation -

Die Erde dreht sich in 24 h einmal um sich selbst (= Abstand zwischen 2 Sonnenhöchstständen). Der Abstand zwi schen zwei Kulminationen eines Fixsterns wird als Sternentag bezeichnet und ist 23h56min4s lang; Winkelgeschwindigkeit: 2 /86164s (1 Sternentag) = 7,3 x 10-5 /s Die Winkelgeschwindigkeit der Erde ist also überall gleich; aber Die Geschwindigkeit eines Ortes auf der Oberfläche der Erde ist am Äquator größer als in höhe ren Breiten Also ist die Geschwindigkeit eines Ortes auf dem Äquator größer als in höheren Breiten Die Erde dreht sich von West nach Ost Die Sonne geht im Osten auf und im Westen unter  Orte, die östlich von uns liegen, haben früher Sonnenaufgang als bei uns Fragen:

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Wie schnell (km/h) ist ein Punkt durch die Drehung der Erde: a. auf dem Äquator? b. am Pol? Wie herum dreht sich die Erde? (Die Erde dreht sich von ______nach________.) Was folgt daraus? (Antwort: im E geht Sonne auf und im W geht sie unter; Orte, die östlich von uns liegen, habe n früher Sonnenaufgang (vgl. Zeitzonen)) Erdrevolution Erde bewegt sich auf einer elliptischen Bahn (Ekliptik) um die Sonne. Dieses heliozentrische Weltbild wurde im 15. Jh. von Kopernikus beschrieben (er dachte allerdings, dass die Umlaufbahn ein Kreis wäre). Davor galt das Pt olemäische Weltbild mit der Erde als Zentrum (geozentrisch). Dies vertrug sich allerdings nicht mit den mathem atischen Beschreibungen der astronomischen Beobachtungen. Verbessert wurde das heliozentrische Weltbild d urch Johannes Kepler (15711630). Er erkannte die Ellipsenform der Umlaufba hn. 1.Keplersches Gesetz: Die Umlaufbahn ist elliptisc h mit der Sonne in einem Brennpunkt. Sie wird al s Ekliptik bezeichnet. An den äußersten Punkten der Ellipsenbahn liege n der sonnennächste und sonnenfernste Punkt der Erde: Perihel (sonnennächste Position): 147 Mill. km (2. Januar – also im Nordwinter) Aphel (sonnenfernste Position): 152 Mill. km (3. Juli – also im Nordsommer) Die Verbindungslinie zwischen beiden heißt die A psidenlinie. 2. Keplersches Gesetz: In gleicher Zeit überstreicht die Verbindungslinie Erde-Sonne gleiche Flächen. Nach dem 2. Keplerschen Gesetz bewegt sich die Erde in Sonnennähe etwas schneller als in Sonnenferne (durch schnittlich 30km/sec). Deshalb ist der Nordwinter (Südsommer) etwas kürzer (um 7 Tage) als der Nordsommer ( 186 Tage). Die Umlaufzeit der Erde um die Sonne beträgt 365,25 Tage (deshalb muss es alle 4 Jahre ein Schaltja hr mit einem zusätzlichen Tag geben). Als Exzentrizität der Erdumlaufbahn wird die Ausdehnung der Ellipse beze ichnet, angegeben durch das Verhältnis zwischen (Differenz Mittelpunkt der Ellipse und der Lage der Sonne) un d (mittl. Entfernung Erde - Sonne) bezeichnet.

Schiefe der Ekliptik Die Erdrotationsachse der Erde ist gegenüber der Ekliptikebene um 23°27’ (rund 23,5°) geneigt; diese Neigung wird als „Schiefe der Ekliptik“ bezeichnet (vgl. Abb. „Die Bahn der Erde um die Sonne“). Die Ausrichtung der geneigten Erdachse bleibt während der elliptischen Bahn der Erde um die Sonne erhalten. Auf der Bahn der Erde um die Sonne gibt es somit bestimmte Zeitpunkte mit besonderen Bestrahlungsverhältni ssen auf der Erde: Fragen: -

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Zeitpunkt, zu dem die NHK am stärksten der Sonne zugeneigt ist (=astron. Sommerbeginn auf der NHK): Zeitpunkt, zu dem die NHK am stärksten von der Sonne weggeneigt ist (=astron . Winteranfang auf der NHK. Auf der SHK ist dies der Sommerbeginn.): (diese beiden Zeitpunkte werden auch als Solstizien bezeichnet (= höchster Son nenstand auf der NHK bzw. SHK)) 2 Zeitpunkte, zu denen die Beleuchtungsgrenze genau durch Nord- und Südpol verläuft, so dass alle Breitenzonen hinsichtlich der Beleuchtung genau halbiert s ind (= gleiche Tages- und Nachtlänge auf der ganzen Erde = Äquinoktien): Die Schiefe der Ekliptik bewirkt also, dass es auf der Erde Jahreszeiten gibt. Sonneneinstrahlungswinkel: Hinweis: Da die Sonne so weit von der Erde entfernt ist (im Mittel 150 Mill km), k ann man die auf der Erdoberfläche eintreffenden Sonnenstrahlen als Parallelen z eichnen. Wegen der Kugelgestalt der Erde gibt es auf der Erde in den verschieden en geographischen Breiten unterschiedliche Sonnenhöchststände. Abb: Einfallswinkel der Sonnenstra hlung und astronomischklimatologisch bedeutende ge ographische Breiten

Zonen solaren Klimas: Durch die Schiefe der Ekliptik ändern sich die Sonnenhöchststände in den verschiedenen geographischen Breite n im Laufe des Jahres. So ergeben sich auf der Erde bestimmte Zonen mit besonderen Beleuchtungsverhältnisse n (= Zonen solaren Klimas = strahlungsklimatische Zonen). Welche Beleuchtungszonen kann man nun auf der Erde ausgliedern?

1. Die Tropen werden astronomisch abgegrenzt durch die sogenannten Wendekreise; das sind die Breitenkreise 23,5°N und 23,5°S. Zwischen diesen steht die Sonne im Laufe des Jahres 2x senkrecht über der Erdoberfläche. Ü ber den Wendekreisen steht sie jeweils z.Zt. des Solstitiums senkrecht = im Zenit(am 21.6. über dem nördlichen WK und am 21.12. über dem südlichen WK). Wendekreis heißen diese Breit en deshalb, weil sich die Sonnenbahn am Himmel dort scheinbar wendet (ihre Mittagshöhe steigt im Laufe des J ahres am Himmel bis zum Maximalstand 90° = Zenit und sinkt dann wieder ab). 2. Die Polargebiete (auch „hohe Breiten“ genannt) werden astronomisch durch die sogenannten Polarkreise abg egrenzt. Sie errechnen sich aus Polhöhe 90° minus Schiefe der Ekliptik (23,5°) zu 66,5°N bzw. 66,5°S (nördlicher und südlicher Polarkreis). Alle Orte polwärts der Polarkreise haben im Laufe des Jahres mindestens einmal mehr als 24 Stunden Tag (d.h. die Sonne steht in dieser Zeit über 24 Stunden über dem Horizont = Polartag) bzw. mindestens einmal mehr als 24 Stunden Nacht (d.h. die Sonne steht in dieser Zeit mehr als 24 Stunden unter dem Horizont = Polarnacht). 3. Die Breiten zwischen Tropen und Polargebieten werden als mittlere (oder gemäßigte) Breiten bezeichnet. In i hnen ist die Sonne an jedem Tag weniger als 24 Stunden über dem Horizont, aber mehr als 0 Stunden. Dabei ni mmt die Tageslänge im Sommer der jeweiligen Halbkugel polwärts zu und im Winter polwärts ab. 2.3. Veränderungen der Erdbahnparameter Die Bewegungen der Erde sind langfristigen Veränderungen unterworfen, die größtenteils auf die gravitativen Wirkungen anderer Gestirne zurückzuführen sind. Veränderungen der Erdachsenneigung (der „Schiefe der Ekliptik“): Die Erdachsenneigung (Inklination), schwankte in den letzten 40.000 Jahren zwischen ca. 22° und 24,5°. Sie beträ gt derzeit 23,5°. Z. Zt. nimmt die Schiefe ab. Auswirkung: -

Da die Schiefe der Ekliptik zusammen mit der Erdrevolution verantwortlich für die Jahreszeiten auf der Erde ist, gäbe es ohne die Schiefe der Ekliptik keine Jahreszeiten. Bei größerer Schiefe ist der thermische Unterschied zwischen Winter- und Sommerhalbjahr größer. Frage: Wie würden die „Zonen solaren Klimas“ bei einer Schiefe der Ekliptik von 22° abgegrenzt sein? Nennen S ie die geographischen Breiten. Präzession: (vom Lat. precedere = voranrücken)

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1. Erde als "Kreisel" (eigentliche Präzession): Die Präzession ist die Kreiselbewegung der Erdrotationsachse unter dem gravitativen Einfluss anderer Planeten. Im Laufe von etwa 26.000 Jahren vollzieht die Achse einen Kreis (vo m Nordpol her betrachtet rechts herum). Auswirkung der Präzessionsbewegungen: für das Klima: Die Erde gerät auf der Erdbahn im Nordsommer i n eine sonnennahe Position und im Nordwinter in eine sonnenf erne. Damit würden die Sommer auf der NHK kürzer aber wär mer und die Winter kälter und länger. Der Zeitpunkt des Frühlingsbeginns verändert sich zeitlich (er r ückt vor) Andere Sternbilder bestimmen den Himmel in den entsprechen den Jahreszeiten. Überlagert wird die Präzession von der Drehbewegung der Apsi denlinie: 2. Drehung der Apsidenlinie („perihelion shift“): Unter dem Einfluss anderer Planeten dreht sich die Apsidenlini e langsam (in entgegengesetzte Richtung zur Kreiselbewegung; Zyklus ca. 96.000 Jahre). Dadurch verlagert sich der Zeitpunkt von Aphel und Perihel. Als Gesamtzyklus für die gl eiche Kreiselposition ergibt sich somit ein Zeitraum von ca. 22.000 Jahren.

Nutation: Zusätzlich zur Präzessionsbewegung schlingert die Erdachse durch die sogenannte Nutationsbewegung, die auf unterschiedliche Einwirkung des Mondes (infolge der Präzessionsbewegung des Mondes) zurückzuführen ist. Di ese Auslenkung der Erdachse beträgt aber nur ca. 20‘‘ und hat eine Periode von ca. 19 Jahren. Veränderung der Exzentrizität der Erdumlaufbahn (95.000 – 100.000a) : Exzentrizität: unterschiedliche Ellipsenausdehnung der Erdumlaufbahn Die Erdbahn variiert von einer fast erreichten Kreisform (minimale Ellipse) zur maximalen Ellipse.  Änderungen Aphel und Perihel Auswirkung der Veränderung der Erd(bahn)parameter? Strahlungsunterschiede zwischen Sommer und Winter verändern sich u nd die Dauer der Jahreszeiten Milankowitsch-Kurve Die Veränderungen der Erdbahnparameter führen zu Veränderungen der Verteilung der Sonneneinstrahlung in den geogr. Breitenzonen. Dadurch können indirekt Klimaschwankungen ausgelöst werden. Deren Bedeutung für die Erklärung des Wechsels von Warm- und Kaltzeiten auf der Erde wurde erstmals von Milutin Milankovitch (1920) erkannt. z.B. Höhepunkt der letzten Eiszeit (vor ca. 20.000 Jahren): -

Erde war im Nordsommer in sonnennaher Position im Nordwinter in sonnenferner Position Erdbahn war elliptischer, d.h. im Nordwinter ferner von Sonne als heute im Südwinter nach 2. Keplerschen Gesetz war zudem der Winter länger als der Sommer 2.4. Sonnenhöhen, Beleuchtungszonen, Tageslängen, Dämmerung Aus dem Jahresgang der unterschiedlichen Sonnenhöhe und d er Erdrotation in 24 h resultieren unterschiedliche Tageslängen : Fragen: In welcher Himmelsrichtung (vom Betrachtungsstandort ausge sehen) steht die Sonne:

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morgens beim Aufgehen in mittleren Breiten auf der NHK am 2 1.3.? abends beim Untergehen in mittleren Breiten auf der NHK am 21.3.? morgens beim Aufgehen in mittleren Breiten auf der NHK am 2 1.6.? abends beim Untergehen in mittleren Breiten auf der NHK am 21.6.? mittags in den mittleren Breiten auf der NHK? mittags in den mittleren Breiten auf der SHK?

Uhrzeiten: Die Uhrzeit ist auf den Sonnenstand bezogen. Alle Orte, die auf gleicher geographischer Länge (= Me ridian) liegen, haben zur gleichen Zeit Sonnenhöchststand (Meridian bedeutet „Mittagslinie“). -

MOZ: mittlere Ortszeit (entspricht dem Sonnenstand = Sonnenuhr; z.B. Sonnenhöchststand am Ort im Laufe des Tages = 12 Uhr MOZ; Sonnenaufgang am 21.3. = 6 Uhr MOZ)) MEZ: Mitteleuropäische Zeit (bezogen auf MOZ von 15°E) MESZ: Mitteleuropäische Sommerzeit = MEZ + 1 GMT: General Mean Time (Bezug: 0° Länge); neuerdings gilt aber UTC (Universal coordinated Time) Frage: Bamberg liegt auf ca. 11°E. Um wieviel Uhr MEZ steht die Sonne in Bamberg am höchsten? Fragen zu Tageslängen in verschiedenen Breiten und zu verschiedenen Jahreszeiten: (mit Tag ist der Zeitraum gemeint, in dem die Sonne über dem Horizont steht) a) Tageslänge in allen geographischen Breiten zu den Äquinoktien? (vgl. Begriff Äquinoktie"!) b) Tageslänge am 21.6. (Sommersolstizie)? am nördlichen Polarkreis? am Nordpol? am südlichen Polarkreis? am Südpol? am Äquator? c) Die verschiedenen Tageslängen und Sonnenhöhen an einem Ort irgendeiner geographischen Breite kann man errechnen und graphisch darstellen. Ein Beispi el einer solchen Nomogrammdarstellung für einen Ort in 50° geogr. Breite (Bam berg liegt in 50°N) zeigt folgende Abbildung (Skript): - Sonnenaufgang in BA am 21.6.? - Sonnenuntergang in BA am 21.6.? - Dauer des längsten Tages in BA? - Tageslänge des kürzesten Tages in BA? - Sonnenaufgang in BA am 20.4. in MESZ? - Sonnenuntergang in BA am 20.4. in MESZ? Wie verändert sich die Tageslänge (relativ) mit zunehmender geographischer Br eite im Sommerhalbjahr der entsprechenden Halbkugel (z.B. im Juli auf der NH K)? Dämmerung: Bei Sonnenuntergang wird es nicht schlagartig dunkel, sondern es tritt ein Übergangszustand ein, den man als D ämmerung bezeichnet. Dieses Phänomen beobachtet man auch bei Sonnenaufgang. Die Ursache der Dämmeru ng ist auf die Streuung der Sonnenstrahlen an den Luftmolekülen und Luftverunreinigungen und auf die optisch e Beugung des Lichtes über den Horizont zurückzuführen. Die Dämmerung ist umso heller, je weniger die Sonne unter dem Horizont steht. Als bürgerliche Dämmerung wird der Zeitraum bezeichnet, währenddessen man im F reien bei wolkenlosem Himmel ohne Licht lesen kann. Dies ist i.a. der Fall, wenn die Sonne weniger als 6° unter dem Horizont steht. Von astronomischer Dämmerung spricht man, wenn man nur Sterne mit einer Helligkeit bis zur Größenstufe 5 erkennen kann. Dies ist der Fall bei einem Sonnenstand bis zu 17° unter dem Horizont. Sinkt die Sonne tiefer als 17° unter den Horizont, tritt im astronomischen Sinne Dunkelheit (= Nacht) ein. Da die Dauer der Dämmerung von dem Winkel, mit dem die Sonne unter den Horizont abtaucht, abhängt (näml ich wie?), kann man den o.g. solaren Zonen auch unterschiedliche Dämmerungsdauern zuordnen: z.B. am Äqua tor 21 - 23 min, in 50° geogr. Breite 30 - 45 min. Je nach Jahreszeit und geographischer Breite kann es an einem Ort überhaupt keine astronomische Dunkelheit geben. Frage: Auf dem Mond gibt es keine Dämmerung. Warum nicht?

3. Die Erdatmosphäre Die Atmosphäre (atmos = Dampf; sphära = Kugel) ist ein umfassender Begriff wie u.a. die „Hydrosphäre“, „Lithosphäre“, „Pedosphäre“, Kryosphäre“, „Biosphäre“, „Anthroposphäre“. Atmosphäre (häufiges Synonym: Luft) = Gasgemisch + flüssige + feste Partikel (Aerosole + Wasserdampf, Wasser, Eis) + thermodynamische (chemische + physikalische) Kräfte. 3.1 Die vertikale Gliederung der Erdatmosphäre Der vertikale Aufbau der Atmosphäre kann nach verschiedenen Kenngrößen unterschiedlich unterteilt werden. Steht die chemische Zusammensetzung im Vordergrund unterscheidet man eine Homosphäre bis etwa 100 km Höhe, die von einer Heterosphäre überlagert wird. Bildet der Grad der Ionisierung das Unterteilungsmerkmal dann unterscheidet man eine Neutrosphäre bis ca. 80 km Höhe von einer darüberliegenden Ionosphäre (UVIonisation der Gase) und Protonosphäre (vor allem Protonen: ca. 45% H+, ca. 5% He2+, e-). Die klimatologisch wichtigste Unterteilung ist aber die nach dem vertikal...