Geografie-PHZH | 7: Klimatologie und Meteorologie

Dabei handelt es sich um Klimadaten, die indirekt durch die Analyse von Eisbohrkernen, Pollenprofilen, Baumholzproben usw., aber auch durch die Auswertung historischer Quellen (z. B. Erntestatistiken, Katastrophenberichte) gewonnen werden.

Die Atmosphäre (griech. «atmos» = Dampf, «sphaira» = Kugel) umfasst die Lufthülle der Erde. Sie lässt sich aufgrund des Temperaturverlaufes in «Stockwerke» gliedern:

• Troposphäre (Polen: bis 8 km / Äquator: bis 18 km)

• Stratosphäre (bis 50 km)

• Mesosphäre (bis 80 km)

• Thermosphäre (bis etwa 400 km)

Das Wettergeschehen spielt sich weitgehend in der Troposphäre ab. Die darüberliegenden Luftschichten sind aber als Schutzfilter lebenswichtig, da sie die kurzwellige, energiereiche und für den Menschen gefährliche Strahlung der Sonne absorbieren und in Wärme umwandeln.

In der Troposphäre (griech. «trope» = Wende) spielt sich das eigentliche Wettergeschehen ab. Die mittlere Temperatur nimmt von 15°C auf Meereshöhe auf durchschnittlich -55°C an der Tropopause, der Grenze zur Stratosphäre, ab.

Die Tropopause liegt über dem Äquator auf maximal 18 km Höhe, über den Polen noch auf 8 km. Innerhalb der Troposphäre verzeichnet die Temperatur im Durchschnitt eine Abnahme um 0,65°C pro 100 m Höhenzunahme.

In der Stratosphäre (griech. «stratos» = Schicht) bleibt die Temperatur oberhalb der Tropopause zunächst tief, um dann weiter oben bis zur Stratopause in 50 km Höhe auf etwa + 10°C anzusteigen. Hier wird die energiereiche Ultraviolettstrahlung, die für Mensch, Tier und Pflanzen gefährlich ist, durch Sauerstoff und Ozon (griech. = das Riechende) grösstenteils absorbiert und in Wärme umgewandelt.

Der Ozonschicht kommt damit eine wichtige Schutzfunktion zu. Zudem wirkt die Temperaturzunahme in der Stratosphäre als Inversion und blockiert den vertikalen Austausch zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre. Das für die Erdoberfläche wichtige meteorologische Geschehen beschränkt sich somit auf die Troposphäre.

Die über der Stratosphäre folgende Mesosphäre (griech. «meson» = Mitte) wird durch eine starke Temperaturabnahme von etwa + 10°C an der Stratopause (50 km Höhe) bis etwa -80°C an der Mesopause in 80 km Höhe gekennzeichnet.

In der anschliessenden Thermosphäre (griech. «thermos» = warm) steigt die Temperatur wiederum stark an, in der durch die UV-Strahlung ebenfalls Sauerstoffmoleküle zu atomarem Sauerstoff gespalten werden, der hier aber aufgrund der geringen Gasdichte keine weiteren Bindungen eingeht.

Da ab etwa 80 km Höhe ionisierte, also elektrisch geladene Gasmoleküle bzw. Gasatome vorkommen, spricht man hier auch von der Ionosphäre. Durch das Auftreffen des «Sonnenwindes» auf das Magnetfeld der Erde folgen die Elektronen und Protonen den Feldlinien des Magnetfeldes und tauchen über den Polen tief in die Atmosphäre ein. Dadurch werden in der Höhe zwischen 70 und 80 km Sauerstoffatome und Stickstoffmoleküle angeregt und emittieren Licht, was dann als Polarlicht («Nordlicht» und «Südlicht») sichtbar wird.

Der allmähliche Übergang der Atmosphäre ab etwa 400 km Höhe in den Weltraum wird als Exosphäre (griech. «exo» = ausserhalb) bezeichnet.

Die Zusammensetzung der Luft bleibt bis in etwa 80 km Höhe (Mesopause) konstant. Trockene Luft besteht aus folgenden Bestandteilen (Volumenprozente):

Stickstoff

78,08%

Sauerstoff

20,95%

Argon

0,93%

Kohlendioxid

340 ppm (parts per million)

Neon

18 ppm

Helium

5 ppm

Methan

2 ppm

Krypton

1 ppm

Der Wasserdampfgehalt der Luft variiert zeitlich und räumlich stark und kann bis zu 4 % betragen.

Messinstrumente:

Pyranometer, Pyrheliometer

Masseinheit:

Intensität: W/m2

Dauer: Sonnenscheindauer in Stunden

Messinstrumente:

Thermometer

Masseinheit:

°C

Messinstrumente:

Hygrometer

Masseinheit:

Relative Luftfeuchtigkeit: %

Messinstrumente:

Barometer

Masseinheit:

hPa (früher: 1 mb (= 1 hPa) = 760 mm Quecksilbersäule)

Messinstrumente:

Anemometer, Windfahne

Masseinheit:

m/s, Windrichtung

Messinstrumente:

Regenmesser

Masseinheit:

mm/m2, (1mm/m2 = 1 LiterWasser/m2)

Sonne Energie hauptsächlich in Form kurzwelliger Strahlung erhält und diese vor allem am Boden in langwellige Strahlung umgewandelt wird, die dann von der Atmosphäre aufgenommen werden kann und als erwärmte Luft wahrgenommen wird. Man spricht von einem natürlichen Treibhauseffekt.

Je weiter ein Ort vom Äquator entfernt liegt, desto geringer ist aufgrund des Einfallswinkels der Strahlung die eingestrahlte Sonnenenergie, und desto geringer ist damit die mittlere Jahrestemperatur.

Die Ekliptikschiefe der Erdachse bedingt eine jahreszeitlich unterschiedliche Einstrahlung und damit ausserhalb der äquatorialen Regionen einen Jahresgang der Temperaturen.

Der Tagesgang der Sonne schlägt sich auch in tageszeitlich unterschiedlichen Temperaturen nieder. Dabei wird an einem vollen Strahlungstag das Maximum 1 bis 2 Stunden nach dem Sonnenhöchststand erreicht, das Tagesminimum in einer klaren Nacht kurz vor Sonnenaufgang.

Die Temperatur nimmt in der Troposphäre mit zunehmender Höhe ab.

Südexponierte Hänge erwärmen sich in den Gebirgsräumen der Nordhalbkugel stärker als Talböden und nordexponierte Hänge.

Ein kontinentales Klima zeichnet sich durch hohe Temperaturdifferenzen v.a. im Jahresgang der Temperaturen aus. Ein ozeanisches Klima wirkt temperaturausgleichend.

Durch die globale Zirkulation wird ein grossräumiger Luftmassenaustausch bewirkt, sodass vor allem für Orte, die im Einflussbereich der Polarfront liegen, rasche Temperaturwechsel möglich sind. Aber auch die kleinräumige Luftzirkulation (z. B. Seewind) vermag die Temperatur eines Ortes zu beeinflussen.

Die Temperatur nimmt in der Troposphäre mit zunehmender Höhe ab.

Bewölkung gleicht den Tagesgang der Temperaturen etwas aus, indem die Sonnenstrahlung tagsüber nur indirekt in Bodennähe auftrifft und die nächtliche Ausstrahlung (Abkühlung) durch die Bewölkung gemildert wird.

Wichtig für das Lokalklima sind zudem die Inversionswetterlagen. Mit Inversion (Umkehr) wird eine Wetterlage bezeichnet, in der die Temperatur in Bodennähe tiefer ist als in der darüberliegenden Luftschicht. Damit wird etwa in Tallagen eine Durchmischung der Bodenluftschicht mit der freien Atmosphäre verhindert. Die Luftschadstoffe bleiben im Talboden «gefangen» und reichern sich von Tag zu Tag weiter an

Die in einem Kubikmeter Luft enthaltene Wasserdampfmenge wird als absolute Luftfeuchtigkeit bezeichnet und in g/m3 angegeben.

Die Luft kann nicht beliebig viel Wasserdampf aufnehmen. Die maximale Menge ist abhängig von der Temperatur und wird als Sättigungsmenge bezeichnet.

Mit Taupunkt wird die Temperatur bezeichnet, auf die ein Luftpaket abgekühlt werden muss, damit Kondensation eintritt.

Aus der Sättigungsfnenge und der absoluten Feuchte lässt sich die relative Luftfeuchtigkeit berechnen, die sich in einem Hygrometer auch direkt ablesen lässt:

Relative Feuchte (in %) = [absolute Feuchte (g/m 3) X 100] : [Sättigungsmenge (g/m 3)]

Es gelten folgende Gesetzmässigkeiten: Aufsteigende Luft kühlt sich um 1°C pro 100 m Höhe ab (trockenadiabatischer Temperaturgradient), bis der Taupunkt erreicht ist. Steigt die Luftmasse nach Erreichen des Taupunktes noch weiter auf, beträgt die Abkühlung noch ca. 0,6°C pro 100 m Höhenzunahme (feuchtadiabatischer Temperaturgradient). Eine absinkende Luftmasse erwärmt sich um 1°C pro 100 m Höhenabnahme.

Unterschreitet die Temperatur einer Luftmasse den Taupunkt, kondensiert der Wasserdampf:

Um Kondensationskerne, die aus Salzkristallen, Staubpartikeln oder Eiskeimen bestehen können und einen Durchmesser < 0,001 mm haben, bilden sich kleine Wassertröpfchen. Diese feinen Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 0,01 mm verbleiben vorerst schwebend in der Atmosphäre und werden von innen als Nebel, von aussen als Wolke wahrgenommen.

In der internationalen Wolkenklassifikation werden die Wolken in zehn Wolkengattungen sowie in Arten und Unterarten eingeteilt:

• Cirrus (Ci)

• Cirrocumulus (Cc)

• Cirrostratus (Cs)

• Altocumulus (Ac)

• Altostratus (As)

• Stratocumulus (Sc)

• Stratus (St)

• Cumulus (Cu)

• Nimbostratus (Ns)

• Cumulonimbus (Cb)

Cirrus

Ein Cirrus ist eine reine Eiswolke in grosser Höhe. Ihrem Erscheinungsbild nach handelt es sich um kleine, isolierte, leuchtend weisse, zarte Fäden oder schmale Bänder mit einem seidigen Schimmer, deren Ränder meist durch die Höhenwinde ausgefranst sind. Im Deutschen werden sie daher auch «Federwolken» genannt. Sie treten häufig zusammen mit dem Cirrocumulus oder Cirrostratus auf. Falls sie sich verdichten und weite Cirrostratusflächen auftreten, kann dies als Vorzeichen einer Warmfront gewertet werden.

Cirrocumulus

Cirrocumuli sind dünne, weisse Flecken, Felder oder Schichten von Wolken ohne Eigenschatten, die aus sehr kleinen, körnig, gerippelt («kleine Schäfchenwolken») oder ähnlich aussehenden, miteinander verwachsenen oder isolierten Wolkenteilchen bestehen und mehr oder weniger regelmässig angeordnet sind. Die meisten Wolkenteile haben eine scheinbare Breite von weniger als einem Grad. Dies entspricht etwa der scheinbaren Breite des kleinen Fingers bei ausgestrecktem Arm.