02.12.2002 · Unsere Atmosphäre ändert ständig ihren Zustand. Vom »Wetter« sprechen wir, wenn wir einen bestimmten Zustand der Atmosphäre beschreiben wollen.
Unsere Atmosphäre ändert ständig ihren Zustand. Vom »Wetter« sprechen wir dabei, wenn wir einen Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit beschreiben wollen. Dies geschieht dann durch die Messung und Vernetzung einer ganzen Reihe meteorologischer Daten, die sich aus dem Luftdruck, der Temperatur, der Luftfeuchte oder den Windverhältnissen ergeben. Das Klima schließlich ist nichts anderes als das statistische Mittel der gemessenen und beschriebenen Wetterzustände über einen Zeitraum von Jahren.
Die Mittelwerte der Wetterdaten wie Luftdruck, Temperatur, Feuchtigkeit, Niederschläge, Sonnenschein, Bewölkung, Wind etc. helfen bei der Charakterisierung und Einordnung eines Klimas. Und von dieser Einordnung haben wir alle schon einmal gehört: Denn gemeint ist damit die Unterteilung in Tropen, Subtropen, gemäßigte Breiten oder auch Polarzonen.
In einem Hochdruckgebiet - der Name sagt es schon - definiert der Luftdruck dieses Gasgebilde. Luftdruck ist die Kraft, die die Luftmoleküle durch ihre Bewegung und ihr Gewicht auf eine Fläche ausüben.
Unsere Atmosphäre ist schließlich nichts anderes als ein Gemisch aus Gasen mit einem Gewicht von etwa 5.300 Billionen Tonnen, das von der Schwerkraft auf der Erde festgehalten wird. Ein enormes Gewicht, das da auf unseren Schultern lastet. Auf der Erdoberfläche ist es am höchsten, und wenn man auf einen Berg steigt, nimmt die Masse des Gewichtes, das sich über einem befindet, ab. Und damit auch der Druck.
Dieser Luftdruck wird in Hektopascal (hPa) nach dem französischen Physiker Blaise Pascal angegeben. Der »normale« Luftdruck wird auf dem Meeresspiegelniveau gemessen und liegt bei 1.013 hPa. Hochdruck und Tiefdruck können, in Messungsdaten ausgedrückt, folgendes bedeuten: Herrscht in Deutschland ein Luftdruck von 1.020 hPa und in Frankreich, Portugal und der Schweiz von 1.030 hPa, liegt ein Tief über Deutschland.
Durch die Schwerkraft werden die Unterschiede des Luftdrucks auf der Erde ständig ausgeglichen. Die Luft strömt vom schweren Hoch zum leichten Tief. Diese Luftbewegung kann man als Wind spüren. Wind bezeichnet die Bewegung in der Atmosphäre und ist durch eine Geschwindigkeit und eine Richtung gekennzeichnet.
Am deutlichsten wird das am Beispiel einer Raumheizung. Die von der Heizung erwärmte Luft dehnt sich aus, wird dünner und steigt auf. Es entsteht ein Tief. Von der Zimmerdecke - dort steigt der Luftdruck, es entsteht ein Hoch - strömt die Luft zur gegenüberliegenden Seite des Raumes (dort ist der Luftdruck an der Decke vergleichsweise niedrig, es herrscht dort ein Tief) und kühlt sich langsam ab. Dabei wird sie wieder dichter und schwerer und sinkt zu Boden. Hier entsteht dann wieder ein hoher Luftdruck, also ein Hoch. Von dort strömt die nun kalte und schwere Luft in die gegenüberliegende Seite des Zimmers zurück zur Heizung und gleicht den Luftdruck wieder aus. Bleibt die Heizung an und somit die Wärmezufuhr erhalten, wird die Luft wieder erwärmt. Es bildet sich ein Kreislauf.
Dieses Beispiel zeigt auch, daß über einem Tief am Boden immer ein Hoch liegt. Ebenso herrscht über einem Hoch am Boden ein geringerer Luftdruck, also ein Höhentief. Dieses einfache Beispiel, beschrieben am Heizkörper in einem Zimmer, zeigt, wie sich Wetter im großen und ganzen abspielt. Draußen ist das natürlich viel komplexer und auch komplizierter. Dazu kommen wir jetzt.
Sonne macht Wind
Im Laufe eines Jahres umkreist die Erde die Sonne in einem Abstand von etwa 150 Millionen Kilometern auf einer kreisförmigen Bahn. Der perfekte Zufall. Bei einem nur um zehn Millionen Kilometer geringeren Abstand würde die Atmosphäre nämlich verdampfen, bei einem entsprechend größeren Abstand die Erde vereisen. Die Lage der Erde im All ist gegenüber der Ebene, auf der sie um die Sonne wandert, um 23,5° geneigt. Einen Teil des Jahres scheint die Sonne mehr auf die Nordhalbkugel, den anderen Teil mehr auf die Südhalbkugel. Die Folge der unterschiedlich intensiven Einstrahlung sind die Jahreszeiten.
Am Äquator, dem größten Breitenkreis der Erde, strahlt die Sonne fast immer senkrecht auf die Erde. Entsprechend groß ist dort die vorhandene Energiemenge. Im Gegensatz dazu kühlt es sich in der Polarnacht, die am Nordpol vom 23. September bis zum 21. März dauert, extrem ab. Und nun können wir das oben Gelernte bereits einsetzen, wobei wir uns an den Heizkörper erinnern: Aus der unterschiedlichen Erwärmung der Erde folgt auch eine unterschiedliche Luftdruckverteilung. Vom Höhentief am Äquator kann die Luft direkt zum Hoch an den Polen strömen. Dabei steigt sie am Äquator warm und ausgedehnt auf eine Höhe von 17 Kilometern, während an den Polen die kalte, schwere Luft im Winter sechs und im Sommer zehn Kilometer Höhe erreicht.
Um den Äquator entsteht also eine Art Berg, von dem die Luftteilchen in Richtung der kalten Täler an den Polen rollen: Es entwickelt sich eine endlos von
Süden nach Norden strömende Luftmasse, die in Bodennähe einen ununterbrochen wehenden Nordwind zur Folge hätte, wenn man diese schematische Vereinfachung der Luftzirkulation zugrunde legt. Am
Ende hätte das einen Nordwind zur Folge, der kalte Polarluft zum Äquator transportierte und unsere Temperaturen selbst im Sommer dicht an der Nullgrad-Grenze hielte. Wie unangenehm.
Westwind
Glücklicherweise aber dreht sich unsere Erde in 24 Stunden einmal von Westen nach Osten um ihre eigene Achse, was man sich anhand eines Globusses leicht vorstellen kann und eigentlich auch jedem bekannt sein dürfte. Dabei erreicht sie am Äquator eine Geschwindigkeit von 1.670 km/h und an den Polen eine Geschwindigkeit von ? Genau: Dort sind es 0 km/h.
Die über dem Äquator erwärmte Luft behält die hohe Geschwindigkeit bei, wenn sie sich in 14 bis 15 Kilometern Höhe zu den Polen bewegt. Dabei kommt sie aber in die Regionen, in denen sich die Erde mit einer immer geringeren Geschwindigkeit bewegt. Schon am 30. Breitengrad überholen die hohen Luftschichten die Erde bereits mit einer Geschwindigkeit von annähernd 220 km/h und sind bis dahin zu einem konstanten Westwind abgelenkt worden. Fachleute sprechen dabei von der Corioliskraft, die zu dieser Ablenkung der hohen Luftströmung führt. Die Kraft wird nach ihrem Entdecker, dem französischen Ingenieur und Physiker Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843), genannt.
Die Luft in der Höhe kühlt sich um den 30. Breitengrad herum ab und sinkt zu Boden. Es entsteht ein Ring, der sich als subtropischer Hochdruckgürtel um die Erde spannt. In Bodennähe verlangsamt sich die Luft wegen der Reibung an der Erdoberfläche und strömt wieder in Richtung der äquatorialen Tiefdruck-rinne. Das ist dann der Passatwind. Er weht auf der Nordhalbkugel aus Nordost und auf der Südhalbkugel aus Südost, weil sich die Luft nun langsamer bewegt, als sich die Erde dreht, und in westliche Richtung abgelenkt wird.
Dieses sich ständig ändernde Luftmassentransportunternehmen sorgt in der Westwindzone für die Entstehung der aus dem Wetterbericht bekannten Hoch- und Tiefdruckgebiete. Wird in Bodennähe kalte Luft von warmer verdrängt, fällt dort der Luftdruck, und es entsteht ein Tief. In dem Gebiet, wo am Boden die Kaltluft hinströmt, steigt der Luftdruck, und ein Hoch entsteht.
Warum ist es auf den Bergen kälter als im Tal?
Wie aber kommt es, daß auf den Berggipfeln, die der Sonne eigentlich am nächsten sind, niedrigere Temperaturen als in den Tälern herrschen? Die eis- und schneebedeckten Gipfel in den tropischen Gebieten zeigen dies schließlich am deutlichsten. Nun, die Ursache ist vor allem darin zu sehen, daß die gasförmige Lufthülle der Erde (Atmosphäre) durch die Sonne nicht von oben aufgeheizt wird, sondern durch die erwärmte Erdoberfläche von unten. Je weiter man sich von dieser Heizfläche entfernt, desto kälter wird die Luft.
Wolkenbildung
Nun ist diese Heizfläche nicht überall gleich beschaffen. Da gibt es Sandflächen, Steine, Getreidefelder und Äcker, aber auch Wiesen, Wälder und Seen. Natürlich erwärmen sich die eher trockenen Flächen schneller als ein Wald oder ein See. Neben der Flächenbeschaffenheit spielt aber auch die Flächenneigung eine wesentliche Rolle bei der Erwärmung. Zur Sonne geneigte Hänge erwärmen sich stärker als ebenes Gelände.
Über den stärker erwärmten Flächen bilden sich Warmluftblasen, in denen die Luft eine geringere Dichte besitzt als in der Umgebung. Bei ausreichendem Auftrieb heben sie sich vom Boden ab und steigen auf. Das nennt man dann Thermik. Erinnern wir uns an das Beispiel mit der Heizung: Als Ersatz für die in zumeist engen Rohren aufsteigende Warmluft sinkt nämlich wieder kältere Luft herab. Hier kommt die Luftfeuchte ins Spiel: Die Luftfeuchte ist ein Maß für die Menge an Wasserdampf (also gasförmigem Wasser) in der Atmosphäre. Die aufsteigenden Warmluftblasen enthalten ebenfalls Wasserdampf.
Kalte Luft kann diesen nicht in dem Maße aufnehmen wie warme Luft. Daher wird irgendwann aufgrund der beim Aufsteigen erfolgenden Abkühlung eine Temperatur erreicht, bei der die Luft keinen Wasserdampf mehr aufnehmen kann; sie hat ihren Sättigungsgrad erreicht. Wird die aufsteigende Luft noch weiter abgekühlt, muß sie einen Teil des Wasserdampfes in Form sehr kleiner Tropfen abgeben. Dieser Vorgang heißt Kondensation. Die Temperatur, bei der die Kondensation einsetzt, wird Taupunkt genannt. Innerhalb der thermischen Blasen bilden sich dann Wolken, die als isolierte Haufen am Himmel sichtbar werden.
Für die Wolkenbildung sind allerdings sogenannte natürliche und anthropogene Kondensationskerne notwendig, die in der Luft enthalten sind. Das sind zum einen natürliche Kondensationskerne wie mikroskopisch kleine Staubkörner oder Meersalzkristalle. Diese hygroskopischen (wasseranziehenden) Salzkristalle können den Wasserdampf in der gesättigten Luft besonders gut binden. Zum anderen verursacht die vom Menschen hervorgerufene Luftverschmutzung feinen Staub und kleine Schwebeteilchen. Sie vergrößert die Anzahl der Kondensations- kerne zusätzlich.
Wolkenformen
Wolken kennzeichnen nicht nur den augenblicklichen Zustand des Wetters, sondern geben auch Aufschluß über vertikale und horizontale Luftbewegungen in der Atmosphäre. Sie liefern damit wertvolle Hinweise für die Wetterbeobachtung und -prognose. Die große Vielfalt der Wolkenformen wurde deshalb schon vor vielen Jahren geordnet und klassifiziert: Cirrus, Cirrocumulus, Cirrostratus, Altocumulus, Altostratus, Nimbostratus, Stratocumulus, Stratus, Cumulus, Cumulonimbus.
Eine erste Wolkenkennzeichnung stammt von dem Engländer Luke Howard (1772-1864) aus dem Jahre 1803. Auf ihrer Grundlage wurde später eine Einteilung der Wolken nach ihrem Aussehen und ihrer Höhenlage verfeinert. Heute ist die Weltorganisation für Meteorologie für die einheitliche Anwendung einer internationalen Wolkenklassifikation zuständig. Sie gibt sogar einen Atlas heraus: den Internationalen Wolkenatlas. Dieser Atlas unterscheidet nach Höhenlage und allgemeinem Aussehen der Wolken. Dabei kommt man dann auf zehn Wolkengattungen, die sich wiederum in mehrere Wolkenarten und -unterarten sowie Sonderformen unterscheiden lassen. Für unsere Zwecke führt das aber zu weit. Die Betrachtung der Wolkenbildung ist erst komplett, wenn wir auch die Entstehung von Niederschlag behandeln. Niederschlag ist kondensierter Wasserdampf, der die Erdoberfläche in flüssiger oder fester Form erreicht.
Von der Wolke zum Regentropfen
Natürlich gibt es viele Wolken, aus denen es nicht regnet. Die in ihnen enthaltenen winzig kleinen Tröpfchen schweben wegen ihres geringen Gewichts in der Luft oder werden vom Wind in der Schwebe gehalten. Damit überhaupt Niederschlag auf die Erde kommt, müssen die zwischen 0,01 und 0,1 Millimeter kleinen Tröpfchen in den Wolken erst einmal einen Durchmesser von 0,5 bis 5 Millimeter erreichen. Der einfachste Weg zum Regentropfen wäre das Zusammenfließen der vorhandenen kleinen Wolken-
tröpfchen. Das kommt allerdings nur in tiefen Schichtwolken vor, die sich zudem über mehrere Tage halten müssen. Schließlich braucht es mindestens 100.000 Wolkentröpfchen, um einen brauchbaren Regentropfen entstehen zu lassen.
Schneller und einfacher gelingt dies beispielsweise in den weiter hochragenden Wolken, den Quellwolken. Hier helfen Eiskristalle nach, die in einer Höhe von 2.500 bis 5.500 m und bei 12°C bis -35°C entstehen. Auf ihrem anschließenden Sinkflug durch das Wolkeninnere binden die Eiskristalle weitere Wolkentröpfchen an sich, indem sie sie festfrieren. Auf diesem Weg können sie dann innerhalb von ca. zwanzig Minuten um das Zehntausendfache wachsen. Ob der so entstehende Niederschlag dann als Regen, Schnee oder Graupel fällt, hängt am Ende von der Temperaturschichtung unterhalb der Wolke ab. Fallen die Eisklumpen allerdings mit einer derartigen Geschwindigkeit zu Boden, daß die Zeit in der warmen Luft nicht mehr zum Schmelzen des Eises ausreicht, spricht man, je nach Größe, von Graupel oder Hagel.
