Energy balance of the arctic

Summary Evaporation and sensible heat flux have been calculated for each month over the Polar Ocean and the Norwegian-Barents Sea. Sverdrup's evaporation formula was used, and it was first examined how the K-coefficient in that formula depends on the wind speed frequency distribution. Thus the effect of the Arctic wind conditions could be taken into account. Seasonal maps were constructed of mean wind speed. Previously obtained surface temperatures were used, but some additional examinations were carried out, using various assumptions for extreme surface temperatures in summer and winter.Evaporation and sensible heat flux were calculated separately for the following areas: Central Polar Ocean, Kara-Laptev Sea, East Siberian Sea, Beaufort Sea, and belts of 5° latitude of the Norwegian-Barents Sea.The values for the different areas are presented in tables and figures. Evaporation over ice surfaces has a double maximum—in spring and fall—and a main minimum in winter. Over open water surfaces the evaporation shows a summer minimum and a broad maximum in winter. If small parts of the ocean were to remain open longer in the fall, or during the whole winter, the heat loss would increase very rapidly.Sensible heat flux is often calculated from evaporation by theBowen ratio. The small evaporation values over the Polar Ocean give unreliable values for sensible heat flux, and instead the formula byShuleikin was used. This permits the determination of sensible heat flux independent of evaporation. The characteristic sensible heat flux curves are quite similar to the evaporation curves. The open water areas in the Polar Ocean show very high values for sensible heat flux. One percent open water, from October to May would increase the heat flux from the Central Polar Ocean from 3.7 to 5.2 Kcal cm^–2, year^–1. Open areas must remain small as there is not sufficient energy available to maintain such fluxes.Finally, a table gives the monthly values of the total heat loss for the various areas, by evaporation and sensible heat flux.

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Zusammenfassung Monatswerte für Verdunstung und Wärmefluß wurden für das Polarmeer und für Nordmeer-Barentssee berechnet. Zur Verdungstungsberechnung wurde die Formel vonSverdrup benutzt, deren K-Koeffizient in seiner Windabhängigkeit neu berechnet wurde. Auf Grund neu konstruierter jahreszeitlicher Karten der mittleren Windgeschwindigkeit konnten die arktischen Windverhältnisse berücksichtigt werden. Wegen der Unsicherheit früher bestimmter Oberflächentemperaturen wurden zusätzliche Berechnungen für Extremfälle im Sommer und Winter durchgeführt, um mögliche Fehlerquellen abzuschätzen. Verdunstung sowie Wärmefluß wurden gesondert für die folgenden Gebiete berechnet: Zentrales Polarmeer, Kara-Laptev-See, Beaufort-See sowie für Bänder von 5° Breite im Gebiet Nordmeer-Barentssee.Die Resultate für die einzelnen Gebiete werden an Hand von Diagrammen und Tabellen diskutiert. Über Eis zeigt die Verdunstung ein doppeltes Maximum im Frühling und Herbst und das Hauptminimum im Winter, während sich über offenem Wasser ein Sommerminimum und ein breites Wintermaximum ergeben. Es zeigt sich, daß bereits relativ kleine Wasserflächen, die länger im Herbst oder während des ganzen Winters offen bleiben, im Polarmeer zu sehr hohen Wärmeverlusten führen.Der Wärmefluß wird oft auf Grund der Verdunstung mit Hilfe derBowen-Formel berechnet. Wegen der geringen Verdunstung über dem Polarmeer führt diese Formel jedoch zu unrichtigen Werten, und es wird deshalb hier dieShuleikin-Formel benützt, die eine Bestimmung des Wärmeflusses unabhängig von der Verdunstung ermöglicht; die charakteristischen Kurven des Wärmeflusses sind den Verdunstungskurven sehr ähnlich. Offenes Wasser im Polarmeer führt auch hier zu sehr hohen Werten; eine offene Wasserfläche von 1% in der Zeit von Oktober bis Mai würde den Wärmefluß vom zentralen Polarmeer von 3,7 auf 5,2 Kcal/cm² pro Jahr erhöhen. Offene Flächen müssen daher klein bleiben, da der Energievorrat nicht genügend groß für die Aufrechterhaltung eines solchen Energieflusses wäre. Zum Schlusse werden in einer Tabelle Monatswerte der gesamten Wärmeverluste durch Verdunstung und Wärmefluß für die verschiedenen Gebiete gegeben.

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Résumé On a calculé des valeurs mensuelles de l'évaporation et du flux de chaleur pour l'Océan Glacial Arctique et pour la région située entre la Mer du Groenland et la Mer de Barents. Dans le cas de l'évaporation, on s'est servi de la formule deSverdrup dont on a déterminé à nouveau le coefficient K en tenant compte de sa dépendance du vent. Il a été possible de tenir compte du vent dans les régions arctiques grâce à l'établissement récent de cartes saisonnières de la vitesse moyenne du vent. En raison de l'incertitude des déterminations antérieures de la température de surface, on a procédé à des calculs supplémentaires pour des cas extrêmes en été et en hiver afin d'évaluer les sources d'erreurs possibles. On a calculé séparément l'évaporation et le flux de chaleur pour les régions suivantes: Centre de l'Océan Glacial Arctique, Mer de Kara-Mer de Laptev, Mer de Beaufort ainsi que pour de bandes de 5° de largeur dans la région comprise entre la Mer du Groenland et la Mer de Barents.On discute les résultats obtenus pour ces différentes zones en partant de diagrammes et de tableaux. Au-dessus de la glace, l'évaporation présente deux maximums, l'un au printemps, l'autre en automme et un minimum principal en hiver. Sur la mer libre, on constate au contraire un minimum en été et un maximum très large en hiver. Il en résulte que des surfaces libres de glace relativement peu étendues qui se maintiennent en automne, voire durant tout l'hiver peuvent déjà provoquer des pertes de chaleur considérables dans l'Océan Glacial Arctique.On calcule souvent le flux de chaleur en se basant sur l'évaporation selon la formule deBowen. Cependant, en raison des faibles évaporations constatées sur l'Océan Glacial, cette formule conduirait à des valeurs fausses. On a donc utilisé ici la formule deShuleikin qui permet la détermination du flux de chaleur indépendamment de l'évaporation. Les courbes caractéristiques du flux de chaleur sont très semblables à celles de l'évaporation. Les surfaces libres de glace de l'Océan Glacial conduisent ici aussi à des valeurs très élevées. Une surface d'eau de 1% restant libre de glace d'octobre à mai augmenterait de flux de chaleur de l'océan de 3,7 à 5,2 Kcal/cm² par année. Les surfaces d'eau doivent donc rester très petites, car les réserves d'énergie sont insuffisantes pour maintenir un tel flux d'énergie calorifique. On donne enfin dans une table les pertes mensuelles totales de chaleur dues à l'évaporation et au flux de chaleur et cela pour chacune des régions considérées.

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With 6 Figures

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The research reported in this paper was sponsored in part by the Air Force Cambridge Research Laboratories, Office of Aerospace Research, under Contract AF 19(604)7415.     

Seasonal heat storage in the ocean and heating of the atmosphere

Summary One method of computing the seasonal heat budget of the atmosphere involves the seasonal heat storage in the oceans. On the basis of bathythermograph data and ocean surface temperatures, the heat added to, or released by the ocean was computed month by month. The heat stored in the ocean was then compared withGabites' estimate of the heat added by radiation and by means of the latent heat of water vapor. From this comparison, the heating of the atmosphere was approximated. In middle latitudes, the net heating of the atmosphere is close to zero during most of the year, so that even the sign of the atmospheric heating is in doubt there. During most of the year, the atmosphere undergoes net heating in low latitudes, and net cooling in high latitudes. The excess is removed by motions of the atmosphere and the ocean.

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Zusammenfassung Eine Methode, das jahreszeitliche Wärmebudget der Atmosphäre zu berechnen, hat auch der Wärmespericherung in den Ozeanen Rechnung zu tragen. Auf Grund von Wasserthermographenwerten und Ozeanoberflächentemperaturen wurden die dem Ozean zugeführten oder von ihm abgegebenen Wärmemengen monatsweise berechnet. Die im Ozean gespeicherte Wärme wurde dann mit der vonGabites aufgestellten Schätzung der durch Strahlung und durch die latente Wärme des Wasserdampfs zugeführten Wärmeenge verglichen und von dieser Vergleichung wurde auf die Erwärmung der Atmosphäre geschlossen. In mittleren Breiten liegt der Erwärmungszuwachs der Atmosphäre während des Großteils des Jahres bei Null, so daß sogar das Vorzeichen der Erwärmung zweifelhaft ist. Während des Großteils des Jahres erfährt die Atmosphäre dagegen in niederen Breiten einen Wärmezuwachs, in hohen Breiten einen Überschuß an Abkühlung. Diese Überschüsse werden durch Bewegungsvorgänge in der Atmosphäre und im Ozean verfrachtet.

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Résumé Une méthode visant à calcular le bilan thermique annuel de l'atmosphère doit tenir compte de la chaleur mise en réserve dans les mers. Des mesures de température de l'eau de mer en profondeur et en surface permettent d'établir les quantités de chaleur fournies mensuellement à la mer ou enlevée à celle-ci. La chaleur accumulée fut alors comparée à celle qu'estimeGabites en considérant la chaleur fournie par rayonnement et par la chaleur latente de la vapeur d'eau; on en a tiré une conclusion relative au réchauffement de l'atmosphère. Aux latitudes moyennes, l'accroissement de chaleur de cette dernière est voisine de zéro la plus grande partie de l'année, de sorte que même le signe est douteux. Aux latitudes basses par contre l'atmosphère reçoit de la chaleur pendant la plus grande partie de l'année; elle en perd aux latitudes élevées. Ces gains et ces pertes s'équilibrent in globo par les mouvements de l'air et de l'eau.

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With 4 Figures

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Presented at the 11th General Assembly, IUGG (IAM), Toronto, Septemer 1957.

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Dedicated to Dr.Anders K. Ångström on the occasion of his 70th birthday.     

Die Weiterentwicklung der Meßtechnik des Wassergehalts des Bodens auf thermischer Grundlage

Zusammenfassung Durch Untersuchungen vonJ. Bracht [3] und dem Verfasser wurde im Jahre 1940 festgestellt, daß die Wärmeleitfähigkeit des Bodens nicht bei allen Bodenarten eindeutig mit dem Wassergehalt zusammenhängt. Es wird eine Erklärung für diese Erscheinung durch die Verscjiedenheit der Wasserablagerung zwischen den Bodenpartikeln bei Wasseraufnahme und Wasserabgabe gegeben. Von allen Wärmekonstanten des Bodens ist nur die Wärmekapazität wahrscheinlich eindeutig abhängig von dem Wassergehalt des Bodens. Diese Größe kann am einfachsten als der Quotient aus der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit des Bodens bestimmt werden. Es mu\ also außer der Wärmeleitfähigkeit auch noch die Temperaturleitfähigkeit gemessen werden.In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung dieser letzteren Größe beschrieben. Hierbei wird als Geber das Doppelthermometer benutzt, das zur Messung der Wärmeleitfähigkeit des Bodens vom Verfasser [2] beschrieben wurde. Von den beiden Thermometern dieses Doppelthermometers wird das eine in halbstündigen Intervallen je eine Viertelstunde lang geheizt. Gemessen wird dann außer dem Temperaturunterschied zwischen geheiztem und ungeheiztem Thermometer auch der Temperaturgang des ungeheizten Thermometers allein. Aus dem Temperaturunterschied zwischen beiden Thermometern wird in der üblichen Weise die Wärmeleitfähigkeit und aus der Amplitude des Temperaturganges und seiner Phasenverschiebung gegen die Heizung die Temperaturleitfähigkeit des Bodens berechnet.

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Summary Researches ofJ. Bracht [3] and of the present author have shown in 1940 that the thermal conductivity of the soil is not exactly coherent with the content of water in all kinds of soil. An explanation of this phenomenon is given by the difference of water deposit between the soil particles under conditions of imbilition and desiccation of water. Of all thermal constants of the soil solely the heat capacity probably is distinctly dependent on the water content of the soil. This value can be determined in the simplest manner as the quotient of thermal conductivity and thermal diffusivity of the soil. Beside thermal conductivity therefore thermal diffusivity must be measured too.A procedure for the determination of this last value is developed in this paper. The double thermometer which has been described by the author [2] for measuring the thermal conductivity is used as indicator. One of the two thermometers of this double thermometer is being heated during a quarter of an hour at intervals of half an hour. Beside the difference of temperature between heated and unheated thermometer the variation of temperature of the unheated thermometer itself is measured. Then the thermal conductivity is calculated in the usual manner from the difference of temperature between the two thermometers and the thermal diffusivity of the soil from the amplitude of the temperature variation and its shift of phase against heating.

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Résumé Des recherches deJ. Bracht [3] et de l'auteur en 1940 ont montré que la conductibilité calorifique de certains sols ne dépend pas uniquement de leur teneur en eau. On tente d'expliquer cette anomalie par le fait que l'eau s'insère différemment entre les particules du sol lors de l'imbibition et lors de la dessication. Parmi toutes les constantes calorifiques du sol, la capacité calorifique est probablement la seule qui soit en relation univoque avec la teneur en eau. Cette grandeur peut se définir le plus simplement par le quotient de la conductivité calorifique et de la transmission thermique du sol. Il faut donc mesurer séparément ces deux grandeurs.On décrit dans le présent mémoire un procédé permettant la mesure de la transmission thermique. On se sert comme indicateur du thermomètre double décrit par l'auteur [2] en vue de la mesure de la conductibilité du sol. L'un de ces thermomètres est chauffé pendant un quart d'heure toutes les demi-heures. On note alors non seulement la différence de température entre les deux instruments, mais encore les variations du thermomètre non chauffé: la différence de température permet comme d'ordinaire le calcul de la conductibilité, tandis que l'amplitude de la variation du thermomètre non chauffé et son décalage par rapport à l'autre permettent le calcul de la transmission thermique.

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Mit 4 Textabbildungen.     

The energy exchange within a vegetation layer

Summary The concept of vegetation as a multi-layered heat exchange system is discussed with reference to measurements in a barley field. These measurements included the monitoring of net radiation at various levels inside the crop and the conducted heat flux in the soil for typical clear and overcast days. The diurnal variations of the components of the heat balance throughout the crop are discussed, computing the combined flux of sensible and latent heat as a remainder term. The results show a complete reversal of the flux of sensible and latent heat from the top of the crop to the soil surface: during the night the surface loses heat by eddy diffusion as well as radiation and during the day it gains heat through both these processes. The total heat exchange between the crop and the atmosphere gives the usual heat gains by eddy diffusion during the night and losses during the day. The radiation absorbed by a layer of vegetation is converted into sensible and latent heat and 80% of the total energy exchange takes place in the upper half of the crop. The magnitude of the exchange process falls off rapidly with depth in the crop.

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Zusammenfassung Die Vegetation wird als mehrschichtiges System im Hinblick auf den Wärmeaustausch betrachtet, wobei Messungen in einem Gerstenfeld verwendet werden. Die Messungen umfaßten die Registrieuung der Wärmebilanz in verschiedenen Höhen im Getreidestand und des Wärmeflusses im Boden an typischen klaren und bedeckten Tagen. Der Tagesgang der Komponenten der Wärmebilanz durch die Vegetationsschicht wird untersucht, dabei wird die Summe des Fluesses von fühlbarer und von latenter Wärme als Restglied berechnet. Die Resultate zeigen eine vollkommene Umkehr des Flusses von fühlbarer und latenter Wärme von der Obergrenze des Getreidestandes zum Boden: während der Nacht verliert die Erdoberfläche Wärme sowohl durch turbulenten Austausch wie durch Strahlung, während des Tages nimmt sie durch beide Prozesse Wärme auf. Der gesamte Wärmeastausch zwischen dem Getreidefeld und der Atmosphäre ergibt die gewöhnlichen Wärmegewinne durch turbulenten Austausch bei Nacht und die Wärmeverluste bei Tag. Die von der Vegetationsschicht absorbierte Strahlung wird in fühlbare und latente Wärme umgesetzt, wobei 80% des gesamten Wärmeaustausches in der oberen Hälfte der Vegetationsschicht erfolgen. Die Größe des Austauschprozesses vermindert sich rasch mit der Tiefe in der Vegetationsschicht.

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Résumé On considère ici la végétation comme un système à plusieurs strates vis à vis des échanges de chaleur. Pour cela on se sert de mesures effectuées dans un champ d'orge. Ces mesures comprenaient l'enregistrement du bilan de chaleur à différentes hauteurs dans le dit champ ainsi que du flux de chaleur dans le sol à des jours typiques: couverts ou clairs. On étudie l'évolution diurne des composantes du bilan de chaleur au travers de la couche végétale. Pour ce faire, on clacule la somme du flux des chaleurs sensible et latente comme terme final de l'équation. Les résultats montrent une inversion complète du flux de ces deux chaleurs de la surface supérieure du champ jusqu'au sol. Pendant la nuit, la surface du sol perd de la chaleur aussi bien par des échanges turbulents que par rayonnement. Pendant le jour, le sol reçoit de la chaleur par ces deux processus. L'échange total de chaleur entre le champ d'orge et l'atmosphère présente les gains de chaleur ordinaire par turbulence de nuit et les pertes de jour. Le rayonnement absorbé par la couche végétale est transformé en chaleur latente et sensible. 80% de la totalité des échanges de chaleur se passent dans la moitié supérieure de la couche végétale. L'importance des processus d'échange diminue rapidement avec la profondeur de la couche végétale.

     

Zur Mikrometeorologie der eisnahe Luftschicht

Zusammenfassung Es werden einige Ergebnisse von Messungen der Wind- und Temperaturschichtung in der etwa 2 m mächtigen eisnahen Luftschicht aus zwei mehrtägigen Meßreihen am Vernagtferner (Ötztaler Alpen, 2973 m) und am Hornkees (Zillertaler Alpen, 2260 m) mitgeteilt. Die vertikale Verteilung von Windgeschwindigkeit und Temperatur läßt sich in beiden Fällen durch logarithmische Gesetze beschreiben. Diese gestatten nachPrandtl die Ermittelung des Austauschkoeffizienten und damit die Berechnung des turbulenten Wärmestromes aus der Luft zum Eis im Rahmen der Wärmeumsatzbestimmung der Gletscheroberfläche. Dazu muß der Austauschkoeffizient nach dem Verfahren vonSverdrup oderLettau der vorhandenen, über der schmelzenden Gletscheroberfläche ausgeprägt stabilen thermischen Schichtung angepaßt werden. Die gleiczeitige Messung der Ablation und der Strahlungsbilanz ermöglicht eine direkte Kontrolle der Größenordnung der aus der Luft zugeführten Wärmemenge. Aus der gefundenen guten Übereinstimmung des empirisch ermittelten und der nach den Theorien vonSverdrup bzw.Lettau berechneten Austauschkoeffizienten geht hervor, daß in der eisnahen Luftschicht im Sommer, die durch das Fehlen thermischer Konvektion gekennzeichnet ist, der Austausch von Impuls, Wärme und Feuchtigkeit die gleichen Gesetze zu befolgen scheint.

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Summary Basing on two series of measurements carried out during several days on the Vernagt glacier (Oetztal Alps, 2973 m) and on the Hornkees (Zillertal Alps, 2260 m), results are given of measurements of the wind and temperature distribution within a surface air-layer, approximately 2 meters thick, above ice. In both cases the vertical distribution of wind velocity and temperature can be described by logarithmic formulas which allow to calculate, as shown byPrandtl, the exchange (Austausch) coefficient and thereby the turbulent heat-current from air to ice by determining the thermal economy of the glacier surface. For this purpose the exchange coefficient must be fitted, according to the methods ofSverdrup orLettau, to the very stable thermal stratification of the air above the melting surface of the glacier. The simultaneous measurement of ablation and radiation balance makes possible a direct control of the approximate quantity of heat supplied from the air. The good agreement of the exchange coefficient as obtained empirically and calculated by means of the theories ofSverdrup orLettau leads to the conclusion that, within the air-layer above an ice surface during summer where no thermal convection occurs, the exchange of impulse, heat, and humidity appears to obey the same laws.

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Résumé L'auteur communique quelques résultats de mesures de la distribution du vent et de la température dans la couche d'air d'environ 2 m d'épaisseur reposant sur la glace, mesures faites en deux séries de plusieurs jours sur le Vernagtferner (Alpes de l'Oetztal, 2973 m) et sur le Hornkees (Alpes du Zillertal, 2260 m). La distribution verticale de la vitesse du vent et de la température obéit à des lois logarithmiques, lesquelles permettent d'aprèsPrandtl le calcul du coefficient d'échange turbulent et celui du courant de chaleur par turbulence entre l'air et la glace dans le cadre de la détermination du bilan thermique de la surface glaciaire. Il faut pour cela adapter d'après le procédé deSverdrup ou deLettau le coefficient d'échange turbulent à la stratification thermique parfaitement stable de l'air reposant sur la surface glaciaire en fusion. La mesure simultaée de l'ablation et du bilan radiatif rend possible le contrôle direct de l'ordre de grandeur de la quantité de chaleur fournie par l'air. L'accord satisfaisant entre les valeurs du coefficient d'échange par turbulence trouvées expérimentalement ou tirées des théories deSverdrup ou deLettau montre que dans la couche d'air voisine de la glace, qui est caractérisée par l'absence de convection thermique, les échanges de quantité de mouvement (impulsion), de chaleur et d'humidité semblent obéir en été aux mêmes lois.

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Mit 2 Textabbildungen.     

Zur Frage des Einflusses der Land-und Meerverteilung auf die Lage der quasistationären Tröge in einer atmosphärischen Zonalzirkulation

Zusammenfassung Zur Erklärung der Lage der großen quasistationären Tröge wird einem Rechnungsgang vonCharney undEliassen folgend, neben dem Einfluß der Erhebung der Erdoberfläche auch noch derjenige der Wärmeaufnahme und-abgabe herangezogen, der sich noch größer als der erstgenannte erweist. Erst nach seiner Berücksichtigung steht das Resultat in befriedigender Übereinstimmung mit den beobachteten Werten.

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Summary In order to explain the position of the great quasi-stationary troughs and ensuing a computation ofCharney andEliassen, the author takes into consideration, apart from the influence of the upheavals of the earth's surface, also the supply and loss of heat. The latter influence proves to be more powerful than the first one, and taking it into consideration the result is in satisfactory agreement with the observed values.

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Résumé Afin d'expliquer la situation des grands creux quasistationnaires sont pris en considération, en suivant une méthode deCharney etEliassen, à part l'influence des élévations de la surface terrestre, celle due à l'apport et la perte de chaleur, qui se révèle encore plus efficace que la première. Seulement en en tenant compte le résultat correspond d'une façon satisfaisante aux conditions observées.

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Mit 3 Textabbildungen.     

Remarks on the distribution of solar radiation over the surface of the Earth

Summary The total amount of incoming radiation to the Earth' surface, for particular latitudes and for selected months, has been computed from recent investigations regarding the distribution of solar radiation penetrating the atmosphere. The charts constructed byBudyko andBerliand [1955] and byBlack [1956] under different theoretical assumptions are compared and discussed.The seasonal change in the amount of radiation has been investigated and the influence of prevailing cloudy conditions upon these amounts of heat has been illustrated by examples of desert and ocean regions. In desert regions the amount of radiation penetrating to the surface may reach a monthly mean of 74 per cent of the extraterrestrial solar radiation. Over ocean regions this percentage during months of maximum may reach only 50 per cent.The results give new evidence for two statements formulated elsewhere by the author (Burdecki [1955, 1957]) that (1) the thermal rhythm of the whole atmospheric ocean is dominated by the rhythm of the Northern Hemisphere; (2) the heat circulation over both hemispheres appears to be quite asymmetric.

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Zusammenfassung Die durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche gelangenden Globalstrahlungsmengen werden auf Grund neuer Forschungen über die Verteilung der Sonnenstrahlung für die einzelnen Breitengrade und für ausgewählte Monate berechnet. VonBudyko undBerliand [1955] und vonBlack [1956] unter Zugrundelegung verschiedener theoretischer Voraussetzungen konstruierte Karten werden verglichen und näher erörtert.Die jahreszeitliche Änderung der globalen Strahlungssummen wird untersucht und der Einfluß der vorherrschenden Bewölkung auf diese Wärmemengen wird durch Beispiele von Wüstenregionen und ozeanischen Gebieten näher erläutert. Im Wüstenklima kann die zur Erdoberfläche gelangende Wärmestrahlung im Monatsmittel sogar 74% der extraterrestrischen Sonnenstrahlung überschreiten. Für ozeanische Gebiete erreicht dieser Betrag in Monaten der Maxima höchstens 50%.Die Resultate weisen erneut auf zwei Feststellungen hin, die schon zuvor vom Verfasser (Burdecki [1955, 1957]) formuliert sind: 1. Die Wärmeschwankung des gesamten atmosphärischen Ozeans wird von der Schwankung der Nordhemisphäre beherrscht; 2. die Wärmezirkulation über beiden Hemisphären scheint in völliger Asymmetrie zu verlaufen.

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Résumé Les résultats de récentes recherches sur la répartition du rayonnement solaire ont permis de calculer, pour différentes latitudes et pour certains mois, la quantité de rayonnement global qui, à travers l'atmosphère, parvient à la surface de la terre. L'auteur compare et discute les cartes qui ont été destinées parBudyko etBerliand en 1955 et parBlack en 1956 à partir de différentes hypothèses théoriques.On étudie en outre les variations saisonnières des sommes du rayonnement global; l'influence de la nébulosité dominante sur ces quantités de chaleur est discutée à l'aide d'exemples de régions à climat désertique et à climat maritime. Dans le climat désertique le rayonnement calorifique parvenant à la surface de la terre peut dépasser 74% du rayonnement solaire extraterrestre, tandis que dans les régions océaniques il atteint au maximum 50% pendant les mois les plus favorables.Les constatations que l'auteur avait faites ces dernières années (Burdecki [1955, 1957]) se voient confirmées: 1) le rythme thermique de tout l'océan atmosphérique est dominé par le rythme de l'hémisphère nord; 2) la circulation thermique au-dessus des deux hémisphères semble être tout à fait asymétrique.

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With 5 Figures     

Some comments on physical processes at and near the tropopause

The major physical processes at and near the tropopause are evaluated; these processes are radiation, convection and turbulence, advection and vertical convergence. Calculations of instantaneous long wave radiative temperature change for observed and postulated moisture distributions show that radiation usually acts to smooth the temperature profile. Observations and the principle of continuity show that convection is infrequent and unimportant in establishing the tropopause. General principles and numerical integration of the heat conduction equation for special cases show that turbulence will act to smooth the temperature profile unless flux has a certain relationship to hydrostatic stability. Observations, calculations and the principle of continuity show that advection and vertical convergence cannot be universal mechanisms of tropopause formation.

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Zusammenfassung Die grundlegenden physikalischen Prozesse an und in der Nähe der Tropopause werden bestimmt; diese Prozesse sind Strahlung, Konvektion und Turbulenz, Advektion und Vertikalakonvergenz. Berechnungen von momentanen Temperaturänderungen durch langwellige Strahlung für beobachtete und vorgegebene Feuchtigkeitsverteilungen lassen erkennen, daß die Strahlung gewöhnlich das Temperaturprofil auszugleichen sucht. Beobachtungen und das Kontinuitätsprinzip zeigen, daß Konvektion selten und für die Bildung der Tropopause unwichtig ist. Allgemeine Prinzipien und numerische Integration der Wärmeleitungsgleichung für spezielle Fälle zeigen, daß die Turbulenz das Temperaturprofil auszugleichen sucht, außer wenn der Wärmestrom in spezieller Beziehung zur hydrostatischen Stabilität steht. Beobachtungen, Berechnungen und das Kontinuitätsprinzip führen zu der Feststellung, daß Advektion und vertikale Konvergenz nicht als allgemeine Mechanismen für die Bildung der Tropopause angesehen werden können.

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Résumé L'auteur évalue les processus physiques fondamentaux de la tropopause et à sa proximité; ces processus sont le rayonnement, la convection et la turbulence, l'advection et la convergence verticale. Le calcul de variations instantanées de la température dûes au rayonnement de grande longueur d'onde, par une distribution observée et supposée de l'humidité, montre qu'en général le rayonnement semble atténuer et égaliser le profil de la température. Les observations et le principe de continuité font admettre que la convection est rare et de peu d'importance pour la formation de la tropopause. Des principes généraux et une intégration numérique de l'équation de transmission de chaleur pour des can spéciaux montrent que la turbulence tend à égaliser le profil de température à moins que le flux de chaleur ne soit en relation spécifique avec la stabilité hydrostatique. Des observations, des calculs et le principe de continuité prouvent que l'advection et la convergence verticale ne peuvent être considérées comme étant des mécanismes généraux pour la formation de la tropopause.

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With 4 Figures

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The research reported here was supported in part by the Geophysical Research Directorate, A. F. Cambridge Research Center.     

Konstruktive und thermodynamische Eigenschaften des Piche-Evaporimeters

Zusammenfassung Im ersten Teil der Arbeit werden der Einfluß von Temperaturänderungen auf die Anzeige des Piche-Evaporimeters und der Einfluß des Lochdurchmessers im Filterpapier auf den Unterdruck im Rohr untersucht. In beiden Fällen ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem experimentellen Ergebnis und entsprechenden theoretischen Überlegungen.Messungen der Verdunstung des Piche-Evaporimeters, bei denen die Strahlung durch eine äquivalente elektrische Heizung des Filterpapiers ersetzt wurde, erlauben zusammen mit den Messungen der übrigen für die Verdunstung maßgebenden Parameter die Bestimmung der Wärmeübergangszahl des Filterpapierblättchens des Piche-Evaporimeters als Funktion der Windgeschwindigkeit. Das dabei gefundene Potenzgesetz, welches weitgehend den aus der Literatur bekannten Formeln für die Wärmeübergangszahl folgt, ermöglicht es, die Verdunstung und die Mitteltemperatur des Filterpapiers des Piche-Evaporimeters mit Hilfe der vonG. Hofmann angegebenen Formeln und der in ihnen auftretenden meteorologischen Parameter (Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Strahlungsbilanz, relative Luftfeuchtigkeit) zu errechnen. Auch hier ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung der berechneten Werte mit den gemessenen, so daß die Abhängigkeit der Meßwerte eines Piche-Evaporimeters von den für dessen Anzeige maßgebenden Parametern hinreichend geklärt erscheint.

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Summary First are investigated the effect of temperature variations on the readings of a Piche evaporimeter, and the effect of the size of the hole pierced into the filter paper on the underpressure within the tube. In both cases good agreement is found between experimental results and theoretical considerations.The heat transfer coefficient of the filter paper as a function of wind velocity was ascertained by observing evaporation and the pertinent parameters; radiation, however, was replaced by an equivalent electric heating of the filter paper. The relationship follows a power law and corresponds largely with other formulae given in the literature. By applyingG. Hofmann's formulae (containing air temperature, wind velocity, net radiation, and relative humidity) the relationship can be used to calculate the mean temperature of the filter paper and the amount of evaporation. The agreement between calculated and observed results is very good. It seems, therefore, that the relationship between the Piche evaporimeter readings and the meteorological parameters governing its reactions is sufficiently clarified.

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Résumé On étudie tout d'abord l'influence des variations de température sur les indications de l'évaporimètre de Piche, ainsi que l'effet du diamètre du trou du papier-filtre sur la dépression du tube. Dans les deux cas la théorie et l'expérience sont parfaitement d'accord.En mesurant ensuite l'évaporation de l'instrument exposé à un chauffage électrique équivalent à la radiation et en tenant compte des autres paramètres, on peut déterminer le coefficient de transfert de chaleur du filtre en fonction de la vitesse du vent. La loi exponentielle trouvée qui correspond bien aux formules connues pour le transfert de chaleur, permet alors de calculer l'évaporation et la température moyenne du filtre à l'aide des formules données parG. Hofmann et des paramètres météorologiques (température de l'air, vitesse du vent, bilan radiatif, humidité relative). Là aussi, l'accord entre la théorie et l'expérience est très satisfaisant, ce qui établit convenablement et de façon suffisante le lien entre les indications de l'évaporimètre de Piche et les conditions d'expérience.

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Mit 10 TextabbildungenTeil einer Diplomarbeit für Meteorologie an der Universität München (1959).     

Some results of micrometeorological measurements in antarctica

Summary Micrometeorological measurements made at Norway Station, Antarctica, indicate that the exchange of sensible heat between air and snow is excecuted by the aeration. The existence of a laminar sub-layer over permeable snow is in this connection questionable. A zig-zag profile found in the mean vertical distribution of the temperature near the surface indicates that the turbulence in this layer is systematized. From the temperature profile we have estimated the vertical displacement of the elements, and in connection with measurements of the frequency of temperature variations near the surface, we have calculated the heat transfer in the air. An expression for the eddy heat transfer coefficient which contains fairly well defined quantities and proportions has been derived.

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Zusammenfassung Aus mikrometeorologischen Messungen auf der Norway Station, Antarctica, wird gefolgert, daß der Austausch von fühlbarer Wärme zwischen Luft und Schnee durch Bodenatmung vor sich geht. Die Existenz einer laminaren Grenzschicht über einer porösen Schneedecke wird in diesem Zusammenhang bezweifelt. Die vertikale Temperaturschichtung der bodennahen Luftschicht zeigt ein Zickzack-Profil und deutet darauf hin, daß die Turbulenz in dieser Schicht systematische Züge enthält. Aus den Temperaturprofilen wird die vertikale Verschiebung der Turbulenzelemente geschätzt. Die gemessene Frequenz der Temperaturschwankungen in der bodennahen Luft ermöglicht die Berechnung der Größe des Wärmeaustausches. Abschließend wird ein Ausdruck für den turbulenten Wärmeaustausch-Koeffizienten abgeleitet, der verhältnismäßig wohldefinierte Größen und Verhältnisse enthält.

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Résumé Sur la base de mesures micrométéorologiques effectuées à Norway Station, Antarctique, on déduit que l'échange de chaleur sensible entre l'air et la neige s'effectue par le truchement de la respiration du sol. On met alors en doute l'existance d'une couche limite laminaire au-dessus d'une couverture poreuse de neige. L'étagement vertical des températures dans les couches d'air voisines du sol présente un profil en zig-zag. Par conséquent, la turbulence montre, dans cette zone, des traits systématiques. Par le moyen des profils de température, on estime le déplacement vertical des éléments de turbulence. La fréquence mesurée des variations de température au voisinage du sol permet de calculer l'importance des échanges de chaleur. On en tire, pour terminer, une expression du coefficient d'échange turbulent de la chaleur, expression qui contient des grandeurs et des relations relativement bien définis.

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With 1 Figure     

Zur Höhenabhängigkeit der Niederschlagsmenge in den Alpen

Zusammenfassung Im ersten Teil der Untersuchung werden die Gründe angeführt, welche die vonE. Ekhart entworfene Isanomalenkarte des Niederschlages, die sich über das gesamte Alpengebiet erstreckt, problematisch erscheinen lassen. An Hand von Beispielen aus der Schweiz wird gezeigt, daß die Höhenabhängigkeit dieses Elementes regional so wenig einheitlich ist, daß es unmöglich erscheint, eine allen Teilgebieten genügend angepaßte Form der Höhe—Niederschlags-Beziehung aufzustellen. Auch ergibt sich rein rechnerisch, daß der Gesamtgradient dieser Beziehung mit der Ausdehnung des zu untersuchenden Gebietes immer mehr verflacht. Anlaß zur Diskussion gibt ferner der vonE. Ekhart geltend gemachte Anspruch, die Existenz einer Höhenzone maximalen Niederschlages für die Alpen als Ganzes nachgewiesen zu haben.Der zweite Teil befaßt sich mit der Niederschlagsverteilung in einem Voralpental, dem Wägital. Mit Hilfe statistischer Untersuchungsmethoden wird gezeigt, daß nicht immer nur die Seehöhe das Verteilungsbild maßgebend beeinflußt. Die Topographie einer Gegend kann sich auch so auswirken, daß die Niederschläge infolge der Exposition zu den Regenwinden in einer bestimmten Richtung zunehmen. Das Wägital ist ein Beispiel dafür, daß der letztere Einfluß gelegentlich gegenüber dem der Seehöhe deutlich überwiegt. Recht instruktiv wirkt ein Isanomalenkärtchen des Wägitales, das auf einer kombinierten Beziehung der Niederschlagsmenge zur Hauptrichtung des Talverlaufes und zur Seehöhe aufgebaut ist.

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Summary In the first part of this paper the reasons are assigned which seem to reveal that the map of isanomals of precipitation traced out byE. Ekhart for the Alps is problematic. It is quoted from cases in Switzerland that dependency of precipitation on altitude is so far from being uniform that it appears impossible to calculate a correlation between precipitation and altitude which is sufficiently corresponding for the different regions of the country. In addition it results arithmetically that the total gradient of this correlation becomes levelled with increase of extension of the region to be regarded. A further reason for a discussion is the pretension asserted byE. Ekhart to have proved the existence of a zone of height with maximum precipitation for the Alps as a whole.The second part deals with the distribution of precipitation in a valley of the Lower Alps, the Wägital. It is shown by means of statistical methods that it is not always only the height above sea level which affects decisively the picture of distribution. The topography of a region can effect in such a manner that precipitation increases in a certain direction owing to the exposure to precipitation winds. The Wägital is an example that this influence occasionally predominates the altitude. A map of isanomals of the Wägital is very instructive, in it the amount of precipitation is put in a combined correlation to the chief direction of the valley and the height of its bottom.

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Résumé Dans la première partie de cette étude on expose les motifs pour lesquels on peut mettre en doute l'image cartographique des isanomales de précipitations dressée parE. Ekhart pour toute la région des Alpes. A l'aide d'exemples tirés des observations suisses, on montre que la loi de croissance des précipitations avec l'altitude est si variable d'une région à une autre qu'il semble impossible d'en trouver une qui soit valable pour toutes. Il apparaît en outre par simple voie de calcul que le taux de croissance se nivelle au fur et à mesure que la région considérée s'agrandit. On met aussi en discussion la prétention deEkhart d'avoir prouvé l'existence d'une zone de maximum de précipitation pour la totalité des Alpes.La deuxième partie de l'exposé est consacrée à la distribution pluviale dans une vallée préalpine, le Wägital. Grâce à des méthodes de recherche statistiques, on peut montrer que cette distribution ne dépend pas uniquement de l'altitude, mais que la topographie intervient en créant des zones d'excès dans une direction déterminée et conditionnée par le vent pluvieux. Le cas du Wägital prouve que ce facteur peut être dominant et l'emporter sur l'effet hypsométrique. Une carte d'isanomales du Wägital illustrant la dépendance combinée de la hauteur d'eau par rapport à l'axe principal de la vallée et à l'altitude est particulièrement instructive.

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Mit 8 Textabbildungen.     

Some maps of isanomalies in energy balance climatology

Summary A series of world maps of isanomalies of annual and seasonal global radiation, net radiation, latent heat flux, sensible heat flux, maps of residuals from regression, radiation efficiency, and the Bowen Ratio have been constructed on the data base ofBudyko's Atlas of the Heat Balance of the Earth, 1963. Among the major features observed was the dissimilarity in patterns of isanomalies for the eastern and western sectors of the world's semi-permanent subtropical highs and the great difference between oceanic and continental surfaces.

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Zusammenfassung Auf Grund der Werte vonBudykos Atlas der Wärmebilanz der Erde (1963) wurden eine Anzahl Weltkarten der Isanomalien der jährlichen und der jahreszeitlichen Werte für die Globalstrahlung, die totale Strahlungsbilanz, den latenten und den fühlbaren Wärmefluß sowie Karten für die Abweichungen von der Regressionsgeraden, für den Strahlungsgenuß und für den Bowen-Quotienten konstruiert. Als Hauptergebnisse sind die Unähnlichkeit im Verlauf der Isanomalien zwischen dem östlichen und dem westlichen Sektor der semipermanenten Hochdruckgebiete der Subtropen sowie die großen Unterschiede zwischen ozeanischen und kontinentalen Gebieten zu nennen.

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Résumé En partant des valeurs publiées parBudyko dans son Atlas du bilan thermique de la Terre (1963), on a établi un certain nombre de cartes du globe. Sur celles-ci, on a reporté les isanomalies des valeurs annuelles et saisonières de la radiation globale, du bilan total radiatif, du flux des chaleurs latente et sensible ainsi que l'écart à la droite de régression pour le rayonnement reçu et pour le rapport de Bowen. Le résultat principal en est l'appararition de dissemblances dans le cours des isanomalies entre les secteurs oriental et occidental des anticyclones semipermanents des zones subtropicales ainsi que de différences importantes entre les régions océaniques et continentales.

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With 28 Figures     

Eddy flux of sensible heat at different levels in the stratosphere

Summary Covariances of temperature and meridional wind component at 18 stations in the Northern Hemisphere were computed at 2km-intervals from the surface to 28 km. These covariances are proportional to the northward flux of sensible heat resulting from transient eddies. Cross sections of covariance of temperature and meridional wind component during January and July were constructed for 80°W. At this longitude during January a minimum of eddy heat flux occurred near an altitude of 20 km at all latitudes, and in the higher latitudes a sharp increase began somewhere between 18 km and 22 km. Eddy heat fluxes were generally quite small, in the part of the stratosphere below 20 km. A similar pattern was found at the French station of Chateauroux. The layer which separates the regions of small and large eddy heat fluxes appears to coincide with a null layer described byFaust. However, this sharp dividing line between a lower stratosphere with small eddy heat fluxes and an upper stratosphere with large eddy heat fluxes does not appear at all longitudes. Over Alaska one finds maximum eddy heat fluxes between 20 km and 22 km, and values in the lower stratosphere are much larger than those near 80° W.

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Zusammenfassung Die Kovarianz zwischen Temperatur und meridionaler Windkomponente wurde für 18 Stationen der nördlichen Hemisphäre für 2km-Intervalle vom Boden bis 28 km berechnet. Diese Kovarianzen sind dem nach Norden gerichteten mittleren Strom der Wärme proportional, verursacht durch wandernde Wirbel. Für 80°W wurden Querschnitte der Kovarianz zwischen Temperatur und meridionaler Windkomponente konstruiert. In diesem Meridianschnitt tritt ein Minimum des turbulenten Wärmeflusses in nahezu 20 km Höhe in allen Breiten im Januar auf; in höheren Breiten beginnt eine plötzliche Zunahme mit der Höhe zwischen 18 und 22 km. Dieser turbulente Wärmefluß ist im allgemeinen in der unteren Stratosphäre unterhalb 20 km ziemlich klein. Ein ähnliches Verhalten wird bei der französischen Station Chateauroux gefunden. Die Schicht, welche die Regionen des kleinen und des großen turbulenten Wärmeflusses trennt, scheint mit einer vonFaust besprochenen Nullschicht zusammenzufallen. Diese scharfe Trennungslinie zwischen unterer Stratosphäre mit kleinem turbulenten Wärmefluß und der oberen Stratosphäre mit größeren Wirbelköpern der Wärme tritt jedoch nicht an allen Längengraden auf. Über Alaska findet man einen maximalen turbulenten Wärmestrom zwischen 20 und 22 km; auch die Werte in der unteren Stratosphäre sind dort viel größer als diejenigen um 80°W.

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Résumé On a calculé la covariance existant entre la température et la composante méridionale du vent. Ces calculs, ont été effectués pour des intervalles de 2 km du sol à 28 km et cela pour 18 stations, de l'hémisphère nord. Ces nord et provoqués par des tourbillons mobiles. On a construit des sections de la covariance entre température et composante méridionale du vent à 80° de longitude W. Sous cette longitude, on constate en janvier un minimum du flux turbulent de chaleur à environ 20 km d'altitude et cela sous toutes les latitudes. Dans les latitudes élevées, on constate en outre une brusque augmentation de ce flux avec l'altitude et cela entre 18 et 22 km. Ce flux turbulent de chaleur est en général assez faible dans les basses couches de la stratosphère, c'est à dire au-dessous de 20 km. On trouve des conditions similaires, à la station française de Chateauroux. La couche qui sépare les régions présentant des flux turbulents de chaleur faible et important semble coïncider avec la couche nulle deFaust. Cette nette ligne de séparation entre la stratosphère inférieure présentant un faible flux turbulent de chaleur et la stratosphère supérieure comportant des corps tourbillonnaires de chaleur importants ne se rencontre cependant pas sous toutes les longitudes. Au-dessus de l'Alaska, on rencontre un courant turbulent de chaleur maximum entre 20 et 22 km. Les valeurs de la stratosphère inférieure y sont aussi beaucoup plus grandes que celles trouvées à 80° de longitude ouest.

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With 4 Figures     

Über den nächtlichen Wärmeumsatz der gefrorenen Gletscheroberfläche

Zusammenfassung Nach Messungen am Vernagtferner (Ötztaler Alpen) in ungefähr 3000 m Höhe wird der nächtliche Wärmeumsatz der gefrorenen Gletscheroberfläche studiert. Es zeigt sich, daß die Schmelzwärme des gefrierenden Wassers als wesentliches Teilglied der Wärmebilanz in derselben Größenordnung in Erscheinung tritt wie der fühlbare Wärmestrom aus der Luft zum Eis. Schon ein sehr geringer Schmelzwassergehalt des Eises (geschätzt 0,026 g cm^–3) bedeutet für den nächtlichen Energieumsatz eine beeutende Wärmequelle. Die Abkühlung des Eises drint in klaren Nächten etwa 10 bis 15 cm in das Eis ein und kann mit 10 bis 15 cal cm^–2 angegeben werden. Theoretische Ansätze zeigen, daß die nach Frostnächten beobachtete Verzögerung des Beginns des Schmelzvorganges an der Oberfläche bei beginnender kurzwelliger Einstrahlung durch die Annahme eines Absorptionskoeffizienten des Gletschereises von etwa 0,15 cm^–1 auch quantitativ erklärt werden kann. Die Berechnung der Temperaturänderung des Eises nach Frostnächten wurde auf allgemeinere Störfunktionen erweitert.

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Summary On the basis of measurements carried out on the Vernagtferner (Oetztal Alps) at approximately 3000 m altitude the nocturnal heat balance of the frozen glacier surface is discussed. It was found that the heat of fusion of the freezing water is an essential component of the heat balance showing the same order of magnitude as the heat current from air to ice. A very small melting-water content in the ice (estimated 0,026 g·cm^–3) means quite aconsiderable source of heat for the nocturnal energy exchange. In clear nights, the cooling of the ice reaches depths of 10 to 15 cm and amounts to 10 to 15 cal. cm^–2. Theoretical considerations show that the delay of the beginning of the melting-process at the surface observed after frost nights, when short-wave radiation is setting in, can be explained also quantitatively by assuming an absorption coefficient of the glacier ice of about 0,15 cm^–1. The calculation of the temperature variation of the ice after frost nights is extended to more generalized perturbation functions.

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Résumé L'auteur présente une étude des échanges calorifiques nocturnes de la surface glaciaire d'après des mesures effectuées à environ 3000 m. d'altitude sur le Vernagtferner dans les Alpes de l'Oetztal. On constate que la chaleur de solidification de l'eau représente dans le bilan thermique un facteur ordre de grandeur que l'apport de chaleur de l'air à la glace. Une faible teneur de la glace en eau de fusion (estimée à 0,026 g · cm^–3) constitue pour les échanges calorifiques nocturnes déjà une source de chaleur appréciable. Le refroidissement de la glace par nuits claires se fait sentir jusqu'à 10 à 15 cm de profondeur et représente environ 10 à 15 cal·cm^–2. Des considérations théoriques montrent que le retard du début de la fusion superficielle après des nuits à gelée, dèe que commence le rayonnement à courte longueur d'onde, s'explique quantitativement en admettant und coefficient d'absorption de la glace d'environ 0,15 cm^–1. L'auteur calcule la variation de température de la glace après des nuits à gelés au moyen de fonctions généralisées de perturbation.

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Mit 4 Textabbildungen.     

Zur Berechnung kurzfristiger Änderungen der menschlichen Hauttemperatur

Zusammenfassung Unter Verwendung der physikalischen Gesetze für Strahlung und Wärmeleitung wird versucht, kurzfristige Änderungen der menschlichen Hauttemperatur unter dem Einfluß einer durchdringenden Strahlung von bekanntem Absorptionskoeffizienten zu berechnen. Es gelingt, eine passende Lösung der betreffenden Differentialgleichung abzuleiten. In Ergänzung zu einer früheren diesbezüglichen Untersuchung wird in der gegen-wärtigen Arbeit das Ansteigen des Wärmeverlustes der Hautoberfläche durch Ausstrahlung und Verdunstung mit wachsender Hauttemperatur berücksichtigt. Da die allgemeine Lösung für viele Fälle der praktischen Anwendung zu unhandlich ist, werden entsprechende Näherungsformeln abgeleitet, wobei die Grenzen der Anwendbarkeit dieser Formeln diskutiert werden. Die theoretischen Ergebnisse zeigen eine weitgehende Übereinstimmung mit direkten Messungen vonH. M. Bolz. Weitgehende Anwendungsmöglich-keiten dürfte eine Näherungsformel (33) haben die gestattet, die Zeitspanne abzuschätzen, innerhalb der eine Haut bestimmter Anfangstemperatur praktisch die den Strahlungsverhältnissen der Umgebung entsprechende Gleich-gewichtstemperatur annimmt.

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Summary Based upon the physical laws for radiation and heat transfer it is attempted to compute short range variations of human skin temperatures under the influence of incoming penetrating radiation with a given coefficient of absorption. A solution of the respective differential equation can be derived. In addition to a previous investigation on the same topic in the present study an increase of the net loss of heat from the skin surface by radiation and eva-poration with increasing skin temperature is allowed. Since the complete solution may be too complicated for practical applications in many cases approximative formulae are deduced and the limitation of their use discussed. A good agreement can be shown between the theoretical results and measurements byH. M. Bolz. A special application of the approximative formula (33) is to precalculate the time interval within which the skin-temperature will be practically raised from a given initial value to the temperature of radiative equilibrium.

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Résumé En appliquant les lois du rayonnement et de la conductibilité calorifique, on tente de calculer les variations rapides de la température de la peau humaine sous l'effet d'un rayonnement pénétrant de coefficient d'absorption connu, et l'on arrive à établir une solution convenable de l'équation differentielle en question. En complément d'une étude antérieure, on considère ici l'accroissment de la perte de chaleur à la surface de la peau par émission et évaporation en fonction de la température de l'épiderme. Comme la solution générale est d'une application malaisée, on donne des formules approchées ainsi que les limites de leur emploi. Les résultats théoriques s'accordent fort bien avec les mesures directes deH. M. Bolz. La formule approchée (33) en particulier permet d'estimer le délai dans un épiderme de température initiale connue atteint sa température d'équilibre sous l'effet du rayonnement; elle doit avoir de nombreuses applications.

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Mit 2 Textabbildungen.     

On the role of eddy mechanisms in the meridional energy transports

Summary Meridional transports of sensible and latent heat associated with standing eddies were computed from climatic mean data, and are compared with information available in the literature. The standing eddy flux of latent heat has a main maximum in the latitude of the subtropical anticyclones, where longitudinal contrasts in the latent heat content of the atmosphere are also pronounced. The standing eddy flux of sensible heat has, in winter, a main maximum in the latitude of the subpolar lows, where marked land-sea contrasts in temperature occur. Longitudinal variations in the energy content of the atmosphere account for constrasts in the latitudinal and seasonal pattern of the standing eddy fluxes of sensible and latent heat.

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Zusammenfassung Mit ortsfesten Störmechanismen verbundene Meridionaltransporte von fühlbarer und latenter Wärme werden auf Grund klimatologischer Daten berechnet und mit den in der Literatur verfügbaren Werten verglichen. Die Störungsbewegung von latenter Wärme hat ein Hauptmaximum in der Breitenlage der subtropischen Hochdruckzellen, wo auch die zonalen Unterschiede im latenten Wärmegehalt der Luft ausgeprägt sind. Die entsprechende Störungsbewegung der fühlbaren Wärme hat im Winter ein Hauptmaximum in der Breitenlage der subpolaren Tiefdruckgebiete, wo auch starke ozeanisch-kontinentale Temperaturgegensätze auftreten. Zonale Unterschiede im Energiegehalt der Atmosphäre bedingen breitenmäßige und jahreszeitliche Gegensätze in der Störungsbewegung von fühlbarer und latenter Wärme.

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Résumé On calcule ici au moyen de données climatologiques les transports méridiens de chaleurs latente et sensible liés à des mécanismes perturbateurs immobiles. Les valeurs ainsi obtenues sont comparées à celles que l'on trouve dans la littérature. Le mouvement perturbateur de la chaleur latente a un maximum principal dans les latitudes des cellules anticycloniques subtropicales. C'est là aussi que l'on rencontre de grandes différences zonales du contenu de l'air en chaleur latente. Le mouvement perturbateur correspondant de la chaleur sensible a, en hiver, un maximum principal dans les latitudes des dépressions subpolaires où l'on rencontre aussi de fortes oppositions de températures entre les continents et les océans. Des différences zonales du contenu de l'atmosphère en énergie provoquent des contradictions saisonnières et en latitude du mouvement perturbateur des chaleurs latente et sensible.

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With 4 Figures     

Thermal stresses in the modern aircraft

Summary It is proposed for practical purposes to measure the severity of the bioclimate in extreme conditions, as encountered in aircraft, by the tolerance time. The author also suggests a more simple classification of the extreme bioclimates, as shown in Table 1. The probable kind of final fate of a human being in this bioclimate is used for its definition.The air friction causes the temperature of a modern fast airplane to rise in a degree that an equilibrium of temperature is no longer secured. The heat capacity of the cabin, of the clothes, and of the men therefore becomes important for avoiding too high temperatures.A new calculation of observed fast changes of temperature in man yields that the peripheral heat barrier of the body depends upon core temperature and not upon skin temperature. In hot environment the production of heat increases much more than has been supposed.As a consequence of recent experiments of the author about the thermal water loss from the skin the diffusion flow of the insensible perspiration can move in both directions, to and from the skin, according to the vapour pressure of the air; it represents simply the lowest value of osmotic diffusion. The diffusion ressstance of the skin is lowest when it is covered with water. Considerable amounts of water are flowing through the skin from water and solutions; amount and direction of these flows depend upon the concentration of the solutions. When the skin is sweating and exposed to the air the diffusion flow increases with sweating and can reach similar amounts. With a very damp air previously excreted sweat water can return back into the body by diffusion.

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Zusammenfassung Für Zwecke der Praxis wird vorgeschlagen, die Härte des Bioklimas unter extremen Bedingungen, wie sie in der Fliegerei auftreten, nach der Toleranzzeit zu bemessen (Fig. 1). Ferner wird angeregt, statt der verwirrenden Fülle extremer Bioklimate eine Einteilung wie in Tabelle 1 zu benützen. Dabei wird die wahrscheinliche Art des Endschicksals eines Menschen in diesem Bioklima für dessen Definition benutzt.Das moderne Schnellflugzeug wird durch Reibung so stark aufgeheizt, daß Temperaturgleichgewicht nicht mehr erreicht wird. Wärmekapazität von Flugzeugzelle, Kleidung und Mensch werden dadurch zu wichtigen Hilfsmitteln zur Vermeidung zu hoher Temperaturen.Eine Neuberechnung beobachteter schneller Temperaturgänge im Menschen ergibt, daß der periphere Wärmewiderstand des Körpers von der Innentemperatur und nicht von der Hauttemperatur abhängt. In heißer Umgebung steigt die Wärmebildung viel mehr an als bisher angenommen.Nach neuen Versuchen des Verf. über den thermischen Hautwasserverlust kann der Diffusionsstrom der insensiblen Perspiration, je nach dem äußeren Dampfdruck, von der Haut weg oder zu ihr hin gerichtet sein; er stellt nur den untersten Wert der osmotischen Diffusion dar. Der geringste Diffusionswiderstand der Haut findet sich bei Wasserbedeckung. Aus Wasser oder Lösungen fließen erhebliche Wassermassen durch die Haut; Größe und Richtung dieser Ströme richten sich nach der Konzentration der Lösungen. Bei schwitzender, der Luft ausgesetzter Haut nimmt der Diffusionsstrom mit dem Schwitzen zu und kann eine ähnliche Größe erreichen. Bei sehr feuchter Luft kann bereits ausgetretenes Schweißwasser wieder zurückdiffundieren.

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Résumé L'auteur propose, à des fins pratiques, d'évaluer la rigueur d'un bioclimat sous des conditions extrêmes comme on les rencontre dans l'aviation, par le temps de tolérance (fig.1). Il suggère en un tableau une subdivision plus simple des bioclimats extrêmes; pour cela il définit ce climat par le sort final probable de l'organisme humain qui s'y trouve exposé.La chaleur de frottement des avions modernes est telle que l'équilibre de température n'est plus atteint. La capacité calorifique de la cabine d'avion, des vêtements et de l'homme deviennent par conséquent des moyens importants d'éviter des températures trop hautes.Un nouveau calcul de fortes variations de température observées dans l'organisme humain montre que la résistence calorifique du corps dépend de sa température interne et non de celle de la peau. La formation de chaleur augmente par forte chaleur extérieure beaucoup plus qu'on ne l'admettait jusqu'ici.D'après de nouvelles recherches de l'auteur sur la perte calorifique en eau de la peau, le courant de diffusion de la perspiration insensible peut être dirigé vers l'extérieur ou vers l'intérieur, selon la pression de vapeur de l'air; il ne représente que la valeur la plus basse de la diffusion osmotique. La plus petite résistance de la peau à la diffusion s'observe lorsque celle-ci est couverte d'eau. Dans l'eau ou dans une solution, des quantités notables d'eau traversent la peau; la direction et l'importance de ces courants dépendent de la concentration des solutions. Lorsque la peau exposée à l'air transpire, le courant de diffusion augmente avec la transpiration et peut atteindre une grandeur semblable. Dans de l'air très humide, l'eau de transpiration expulsée peut rediffuser vers l'intérieur.

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With 3 Figures.

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Lecture given to the Symposium on Frontiers of man controlled flight. Los Angeles, Cal., April 1953. With the permission of the Institute of Transportation and Traffic Engineering, University of California, Los Angeles.     

Über die Verlagerung einzelner abgeschlossener atmosphärischer Wirbel (Kaltlufttropfen) bei ruhender Umgebung

Zusammenfassung In letzter Zeit hatC. G. Rossby zwei Arbeiten über die Verlagerung einzelner abgeschlossener Wirbel veröffentlicht. Wegen der Veränderlichkeit des Coriolisparameters mit der geographischen Breite findet eine Verlagerung des Wirbels auch bei vollständiger Symmetrie und bei ruhender Umgebung statt.C. G. Rossby konnte unter diesen Vereinfachungen einen Ausdruck für die Größe der auf den Wirbel wirkenden Kraft ableiten und zeigten, daß die Verlagerung in einer Nordsüdrichtung erfolgen müßte. Im nachfolgenden Artikel wird die Rolle der Reibungskräfte bei der Verlagerung untersucht. Unter der Annahme einer Windänderung mit der Höhe im Sinne der Ekmanspirale ergibt sich eine Abweichung der Bahn des Wirbels von der Nordsüdrichtung nach rechts bis zu einem Winkel von 20°.

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Summary RecentlyC. G. Rossby has published two papers on the displacement of a solitary atmospheric vortex. Because of the variation of the Coriolisparameter with the latitude a displacement of the vortex takes place even if we assume that the vortex is originally symmetrical and embedded in resting air.C. G. Rossby was able to show that with these simplifications a displacement in a strict north-south direction has to occur. In the following article moreover the role of frictional forces is dealt with. Assuming a variation of the winddirection with height according to the Ekman spiral a deviation of the track of the vortex from the north-south direction to the right up to an angle of 20 degrees can be shown.

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Résumé C. G. Rossby a publié récemment deux travaux sur le déplacement de cyclones isolés et occlus. Par suite de la variation du paramètre de Coriolis avec la latitude géographique, le cyclone se déplace même par symétrie complète et calme à l'extérieur.C. G. Rossby a pu, dans cette hypothèse, exprimer la grandeur de la force agissant sur le cyclone et a montré que le déplacement devait se faire dans une direction Nord-Sud. On a étudié dans le présent article le rôle des forces de frottement dans ce déplacement. En admettant une variation du vent avec l'altitude du type de la spirale d'Ekman, on trouve une déviation de la trajectoire vers la droite par rapport à la direction Nord-Sud, allant jusqu'à 20 degrés.

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Herrn Prof. Dr.H. Benndorf zum 80. Geburtstag gewidmet.     

Untersuchungen zum Problem der Aktivität kleiner Kondensationskerne

Zusammenfassung Es werden Experimente mit Mischwolken- und Expansionskammern zur Prüfung der Aktivität der Aitkenkerne beschrieben und mit der Theorie vonH. Köhler undChr. Junge verglichen. Dabei wird festgestellt, daß eine Übersättigung von ungefähr einem halben Prozent ausreichend ist, um den größten Teil aller mit einem Aitkenkernzähler bei einer Volumenvergrößerung von 25% gezählten Kerne zu aktivieren. Da die genannte Theorie zur Aktivierung der Gesamtheit der Aitkenkerne eine wesentlich höhere Übersättigung erfordert, konnte eine Übereinstimmung zwischen Theorie und Meßergebnissen nicht gefunden werden.Es ließ sich ferner zeigen, daß bei adiabatischer Expansion der freiwerdende Wasserdampf sich in ungefähr 100 ms an den Kernen so weitgehend angelagert hat, daß sich der möglicherweise noch nicht kondensierte freie Dampf der Messung entzieht. Dieses Verhalten ist in erster Näherung unabhängig von der Expansionsgeschwindigkeit, bei sehr schneller Expansion ist die Wolke bereits nach 1 bis 2 ms nachweisbar. Die außergewöhnlich große Schnelligkeit, mit der sich die Kondensation vollzieht, läßt es wahrscheinlich erscheinen, daß die in der freien Atmosphäre sich ausbildenden Übersättigungen den Wert von 1 nicht überschreiten, so daß für die Bildung natürlicher Wolken nur die Gruppe von Kernen in Frage kommt, die bei so kleiner Übersättigung bereits aktiviert wird. Auf Grund der Versuchsergebnisse liegt die Annahme nahe, daß im Gegensatz zur bisher gewöhnlich vertretenen Auffassung ein sehr großer Teil der Aitkenkerne zu dieser hochaktiven Kerngruppe gehört.

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Summary The author describes experiments with mixed cloud and expansion chambers for the examination of the activity of Aitken nuclei and compares them with the theory ofH. Köhler andChr. Junge. He states that a supersaturation of about half a percent is sufficient to actuate most of the nuclei counted by means of an Aitken nucleus counter with an increase of volume of 25%. Since this theory requires a considerably higher supersaturation for actuating all Aitken nuclei, a correspondence between theory and results of measurements could not be found.Further-on it could be demonstrated that with adiabatic expansion the released water vapour combines with the nuclei in approximately 100 millisec to such an extent that possibly not yet condensed free vapour is not detectable. This reaction is in first approximation independent of the expansion speed; with very rapid expansion the cloud is already traceable after 1–2 millisec. The extremely high speed of the condensation makes it probable that the supersaturations of the free atmosphere do not exceed 1, so that in the formation of natural clouds only that group is involved which is already actuated with such small supersaturation. The results of the experiments lead to the assumption that, contrary to the conception hitherto generally recognized, a very large quantity of the Aitken nuclei belongs to this highly active group of nuclei.

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Résumé L'auteur décrit des expériences faites au moyen de chambres d'expansion et de nuages de turbulence, expériences destinées à déterminer l'activité des noyaux d'Aitken. Le résultat en est alors comparé à la théorie deH. Köhler et deChr. Junge. Au cours des dites expériences, on a constaté qu'une sursaturation de 0,5% environ suffisait pour rendre visible la plus grande partie de tous les noyaux pouvant être décomptés par un compteur de noyaux d'Aitken dans le cas d'une augmentation de volume de 25%. Comme la dite théorie réclame une sursaturation notablement supérieure pour permettre de dénombrer la totalité des noyaux d'Aitken, il est impossible d'établir un parallèle entre la théorie et le résultat des mesures.L'expérience démontre en outre qu'après 100 millisecondes la vapeur d'eau libérée en cas d'expansion adiabatique est déjà à tel point absorbée par les noyaux que celle qui pourrait ne pas s'être encore condensée échappe à la mesure. Ce comportement est, à la première approximation près, indépendant de la vitesse d'expansion. Si cette dernière est très rapide, on peut déjà constater la présence du nuage après 1 à 2 millisecondes. La rapidité extraordinaire avec laquelle la condensation se produit laisse à penser que, dans l'atmosphère libre, la sursaturation ne dépasse guère 1. Dans la formation des nuages naturels, le groupe de noyaux qui sont actifs par une aussi faible sursaturation entre seul en cause. Sur la base des dites expériences, on peut facilement admettre que, contrairement à ce qui était reconnu jusqu'ici, une très grande partie des noyaux d'Aitken se range dans ce groupe des noyaux hautement actifs.

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Mit 15 TextabbildungenVon der Fakultät für Allgemeine Wissenschaften der Technischen Hochschule Aachen genehmigte Dissertation (D 82 Diss. T.H. Aachen), Berichterstatter Prof. Dr.F. Schultz-Grunow und Prof. Dr.H. Israël, Tag der mündlichen Prüfung 28. Februar 1961.     

Richtlinien für eine an der Biometeorologie des Menschen ausgerichtete Klimaklassifikation

Zusammenfassung Es werden die Gesichtspunkte diskutiert, die bei der Aufstellung eines Klimasystems entsprechend den Bedürfnissen der Biometeorologie des Menschen zu beachten sind. Maßgebend für die Einteilung muß der Wärmehaushalt des Menschen sein. Entsprechend der verschiedenen Belastung des Organismus sind Klimagrenzen in erster Linie unter Benutzung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit festzulegen. Es ist anzustreben, Niederschlag und Strahlung (Sonnenscheindauer oder Bewölkung) wenigstens als zusätzliche Klimamerkmale zu berücksichtigen. Eine auf der Physiologie des Menschen begründete Klassifikation müßte stärker als eine auf der Vegetation aufgebaute Klassifikation von Häufigkeitswerten statt von Mittelwerten ausgehen.

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Summary Viewpoints for designing a climatic system taking into account the requirements of biometeorology of man are discussed. The classification must be based on the human heat balance. According to the different effects on the organism the climatic boundaries must be drawn first of all on the basis of temperature and humidity. Precipitation and radiation (sunshine duration or cloudiness) should be taken into account at least as secondary characteristics of climate. A classification based on the physiology of man instead of vegetation should use frequency values to a greater extent than mean values.

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Résumé Exposé des points de vue à considerer pour définir et classifier le climat par rapport à la biométeorologie de l'homme. L'économie calorifique de celui-ci doit servir de base à la classification. La température et l'humidité doivent avant tout servir à distinguer les climats, cela pour tenir compte des effets sur l'organisme, tandis que les précipitations et le rayonnement serviront de critères auxiliaires. Une classification climatologique fondée sur la physiologie humaine devrait user de distributions de fréquences plus que de moyennes.