Klima – Phänomen in stetigem Wandel

Klima – Phänomen in stetigem Wandel Jahrhundertelang war die Mehrheit der Bevölkerung in der Landwirtschaft tätig, und das Klima beeinflusste tagtäglich ihr Leben. Ein einziges Unwetter oder ein verregnetes Frühjahr konnten Hungersnöte und Auswanderungswellen nach sich ziehen. Deswegen behielt man den Himmel stets im Blick und tauschte Hinweise auf das Wetter der nächsten Zeit aus. Heute lassen wir die Entwicklung der Klimaelemente – etwa Temperatur, Luftdruckschwankung, Feuchtigkeit, Wind, Niederschlag, Ozonwerte – weltweit von einem dichten Netz von Instrumenten verfolgen, um die Folgen extremer Witterungsereignisse rechtzeitig zu erkennen und einzudämmen. Der wichtigste Klimaproduzent, der Motor des ganzen Wettergeschehens, ist ein riesiger Kernreaktor in 150 Mio. km Entfernung: die Sonne. Ihre energiereichen Strahlen fallen mit unterschiedlichem Winkel auf die Erdoberfläche ein und lassen verschiedene Klimazonen entstehen: Am Äquator, wo die Sonneneinstrahlung am intensivsten ist, liegen die niederschlagsreichen und heißen Tropen, nach Norden und Süden schließen sich die warmen Subtropen an, weiter polwärts folgen die gemäßigten Breiten und die kalten Subpolar- und Polarzonen. Nicht weniger entscheidend für das Klima und das Leben auf der Erde ist die Atmosphäre. Wir verdanken ihr unsere Luft zum Atmen. Auch filtert sie die gefährliche ultraviolette Strahlung aus dem Sonnenlicht. Die Sonnenstrahlen, die es bis zur Oberfläche der Erde schaffen, werden zunächst an der Erdoberfläche und anschließend an der Atmosphäre reflektiert. Ohne diesen »natürlichen Treibhauseffekt« würden Pflanzen, Tiere und Menschen nicht überleben. Durch Langzeitmessungen ist in den letzten Jahrzehnten immer deutlicher geworden, dass Lebewesen – allen voran der Mensch – nicht nur Nutznießer oder Opfer des Klimas sind, sondern es auch verändern. Vieles deutet darauf hin, dass die Luftverschmutzungen der Industrie, des Verkehrs und der Haushalte die Atmosphäre – den Schutzschild der Erde – bereits stark geschädigt haben. Atmosphäre: Lufthülle der Erde Warum brauchen wir die Atmosphäre? Ohne die Atmosphäre könnte auf der Erde kein Leben existieren, unser Planet wäre so unwirtlich wie die übrigen im Sonnensystem. Die Atmosphäre schenkt den Erdbewohnern nicht nur die zum Atmen notwendige Luft, sie schützt auch vor den tödlichen Teilchen und Strahlen aus dem Weltall, deren Bombardement die Erde ständig ausgesetzt ist. In der Atmosphäre spielen sich alle wetterbestimmenden Vorgänge ab. Die Schwerkraft bindet diese Lufthülle an die Erde. Woraus besteht die Atmosphäre? In den untersten 20 km besteht die Atmosphäre aus Gasen und gasförmigen Elementen. Stickstoff nimmt mit 78 % den größten Teil ein, Sauerstoff macht etwa ein Fünftel aus, die restlichen Bestandteile sind Wasserdampf, Argon, Wasserstoff, Kohlendioxid und Edelgase. In den unteren Abschnitten der Atmosphäre sind daneben erhebliche Mengen an Schwebeteilchen (Aerosole) vorhanden. Zu diesen Verunreinigungen zählen Staub, Rauch, Dämpfe und Mikroorganismen. Wo spielt sich das Wetter ab? Für das Wetter von entscheidender Bedeutung ist die je nach Breitenlage 9–18 km hohe untere Schicht, die Troposphäre. Je 100 Höhenmeter nimmt die Temperatur um 0,5–0,6 °C ab. In der oberen Grenzschicht, der Tropopause, schwankt die Temperatur zwischen –50 °C und –60 °C. Darüber schließt sich bis in Höhen von etwa 50 km die Stratosphäre an. Die Temperatur ändert sich mit zunehmender Höhe nur wenig. In der oberen Stratosphäre steigt sie sogar auf 10 °C an, weil das in ihr schichtartig angereicherte Gas Ozon die UV-Strahlung der Sonne aufsaugt. Über der Grenzschicht Stratopause folgt die gut durchmischte Mesosphäre, in der die Temperatur wieder abnimmt. An der oberen Grenzschicht, der Mesopause, die in einer Höhe von etwa 85 km liegt, beträgt die Temperatur –80 °C. Die nachfolgende Thermosphäre reicht bis in Höhen von 450 km. Die starke Einwirkung der Sonnenstrahlen lässt die Temperatur auf 1700 °C ansteigen. Mit den unteren Luftschichten findet kaum noch ein Wärmeaustausch statt. Die anschließende, 500 km dicke Exosphäre regelt den Stoffaustausch mit dem weiten interplanetaren Raum. Wie viel Sonnenenergie gelangt auf die Erde? Die Atmosphäre filtert einen großen Teil der Sonnenenergie: Von der Sonnenstrahlung, die auf die Erde strahlt, gelangt nur ein Viertel ungestört zur Erdoberfläche. Der Rest der Strahlen wird von der Atmosphäre reflektiert oder absorbiert, also »geschluckt«. Auch ein Teil des reflektieren Lichtes gelangt als sog. diffuses Himmelslicht auf die Erde. Die Erdoberfläche erreicht so – direkte und indirekte Strahlung zusammengerechnet – etwa die Hälfte der auf die äußere Erdatmosphäre einfallenden Sonnenenergie. Strahlt auch die Erde? Ja, wenn auch nur indirekt. Wenn die Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche ankommt, ist sie kurzwellig. Dort wird sie in langwellige Strahlung umgewandelt und als sog. Gegenstrahlung wieder ausgestrahlt. Ein Teil der Gegenstrahlung geht direkt in den Weltraum. Die Atmosphäre absorbiert eine weitere Portion. Der größte Teil der Gegenstrahlung wird jedoch in der Atmosphäre reflektiert und gelangt wieder auf die Erde zurück. Diese langwellige Strahlung erwärmt die unteren Luftschichten und regt den Wasserkreislauf der Erde an. Der Wechsel von Ausstrahlung und Gegenstrahlung hält die globalen Durchschnittstemperaturen bei etwa 15 °C. Ohne ihn wäre die Erde mit einer Durchschnittstemperatur von –18 °C eine Eiskugel. Wie entstehen Polarlichter? Polarlichter entstehen, wenn energiegeladene Sonnenteilchen – Elektronen und Protonen – mit hoher Geschwindigkeit auf die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Luft treffen und diese zum Leuchten bringen. Doch Sonnenteilchen können nur in der Nähe der magnetischen Pole der Erde zwischen 65 ° und 75 ° geografischer Breite in die Atmosphäre eintauchen. Daher gibt es nur dort Polarlichter. Bei außergewöhnlich starkem Sonnenwind können die Nordlichter auch von Mitteleuropa aus beobachtet werden. Zuletzt war das 2003 der Fall. Die Lichterscheinungen werden auf der Nordhalbkugel als Nordlicht (Aurora borealis) und auf der Südhalbkugel als Südlicht (Aurora australis) bezeichnet. Das Farbenspiel findet in Höhen von 70–1000 km statt. Wussten Sie, dass … man erst mit der Erfindung bemannter Heißluftballons – 1783 durch die Brüder Montgolfier – in die höheren Schichten der Troposphäre vorstoßen konnte? 1960 der erste Wettersatellit in eine polare Umlaufbahn geschossen wurde und man schon 1961 mithilfe der Satellitenbilder einen Hurrikan vorhersagen konnte? Atmosphärische Zirkulation: Luft in ständiger Bewegung Wie bewegt sich die Luft um den Globus herum? Die Luftmassen der unteren Atmosphäre gleiten in gewaltigen Strömen um die Erde. So steigen sie am Äquator in die Höhe und strömen von dort nach Norden und Süden. Motor und Steuerung der Luftmassen ist der Luftdruck. Dieser hängt vor allem von der unterschiedlichen Erwärmung der Erde in den verschiedenen Breitenlagen der Erde ab, da warme Luft auf- und kalte Luft absteigt. Das weltweite Rotieren der Luftmassen wird als atmosphärische Zirkulation bezeichnet. Durch Auf- und Abstieg ordnen sich die Luftmassen zu Luftdruckgürteln. Welche Luftdruckgürtel gibt es? Es wechseln sich Gürtel hohen und niedrigen Luftdrucks ab: Der sog. äquatorialen Tiefdruckzone am Äquator schließen sich nach Norden und Süden die subtropischen Hochdruckgürtel, die subpolaren Tiefdruckgürtel und schließlich die Polarhochs an. Am heißen Äquator ist die Sonnenstrahlung besonders hoch. Die erwärmte Luft steigt nach oben. Am Boden »fehlt« sie dann, und es entsteht eine Zone niedrigen Luftdrucks, die sich als äquatoriale Tiefdruckzone um den Erdball zieht. An den beiden Wendekreisen sinkt die Luft dagegen aus der Höhe auf die Erdoberfläche herab und lässt am Boden einen subtropischen Hochdruckgürtel entstehen. An den Polarkreisen verlaufen die beiden subpolaren Tiefdruckgürtel, über den Polen thronen die beiden Polarhochs. Wie entstehen Passatwinde? Die tropische Zirkulation sorgt für einen ständigen Luftaustausch zwischen der Tiefdruckzone am Äquator und den beiden subtropischen Hochdruckgürteln. Daher ist sie auch für die Passatwinde verantwortlich. Dem Druckgefälle folgend, wehen die Passatwinde in Bodennähe von den Subtropen zum Äquator. Die Erdrotation macht aus ihnen Ostwinde, die Reibung an der Erdoberfläche lenkt sie zu Nordost- und Südostpassaten ab. Mit durchschnittlich 20 km/h treffen die Passate am Äquator aufeinander und vereinigen sich im Bereich der äquatorialen Tiefdruckrinne zur innertropischen Konvergenzzone (ITC). In dieser 100–200 km breiten Zone steigen die Luftmassen nach oben. In der Höhe strömt die Luft nach Norden bzw. nach Süden in Richtung der beiden Wendekreise. Dort sinkt sie, mittlerweile abgekühlt, im subtropischen Hochdruckgürtel zur Erdoberfläche und richtet sich abermals als Passatwind auf den Äquator aus – der Kreislauf beginnt von neuem. Übrigens: Jahrhundertelang ließen sich die Seefahrer mit den verschiedenen Winden treiben. Besonders beliebt war der Nordostpassat, mit dem die Schiffe von Europa nach Zentral- und Südamerika gelangten. Die Passate wurden zu regelrechten Handelswinden. Auf Englisch heißen die Passate noch heute »trade wind« (Handelswind). Der deutsche Begriff Passat leitet sich dagegen von »Passage« ab. In den gemäßigten Breiten treiben die Westwinde die Seefahrer und ihre Schiffe dagegen schnell von Westen nach Osten. Warum ist das Wetter bei uns so wechselhaft? Wir leben in der Zyklonenzone. Zyklonen sind große Luftwirbel, die in den gemäßigten Breiten mit dem Westwind nach Osten wandern. Sie sind für unser unbeständiges Wetter, mal mit Sonnenschein, mal mit Regen, verantwortlich. Die Luftzirkulation der gemäßigten Breiten wird durch das Luftdruckgefälle zwischen den subtropischen Hochdruckgürteln und den subpolaren Tiefs in Gang gehalten – starke Westwinde versuchen die Luftdruckunterschiede auszugleichen. Doch beim Zusammentreffen der heißen Tropenluft und der kalten Polarluft entsteht in der schmalen Zone höchster Temperaturunterschiede eine Polarfront. Sie bildet keine einheitliche Linie, sondern wird von den großen Luftwirbeln der Zyklonen durchsetzt, die Durchmesser von bis zu 1000 km erreichen. Sie driften mit dem Westwind nach Osten. Was bringen Warm- und Kaltfront? Immer Regen. Auf ihrer Vorderseite besteht eine Zyklone aus Warmluft, die gegen die polare Kaltluft vorrückt. Diese sog. Warmfront wird von großflächigem Dauerregen begleitet. Hinter der Warmfront reißt die Bewölkung auf und für einige Zeit ist es trocken. Dann folgt die Kaltfront. Sie entlässt heftige Schauer aus ihren hoch reichenden Wolken. Meistens bilden vier bis sechs Zyklonen, die nacheinander in Richtung Osten jagen, eine sog. Zyklonenfamilie. Für ihren Auf- und Abbau benötigt eine Zyklonenfamilie etwa ein bis zwei Wochen. Besonders häufig treten Zyklonen im Spätherbst auf und werden dann von heftigen Schauern und kräftigen Winden begleitet. Aus einzelnen Zyklonen können sich Sturmzyklonen entwickeln, die mit orkanartigen Winden einhergehen. Wie ist das Wetter in der Arktis? Garantiert »schlecht«, denn nach dem gleichen Prinzip wie die Polarfront entsteht in der Arktis die Arktikfront. Allerdings wird es in der Arktis nicht so kalt wie in der Antarktis mit ihren riesigen Eismassen. Über der Arktis trifft relativ warme Luft, die sich auf ihrer weiten Reise über das Meerwasser der gemäßigten Breiten erwärmt hat, auf die eiskalte Arktisluft. Auch die Arktikfront weist Wellenstörungen wie die Polarfront auf, die sich zu Zyklonen weiterentwickeln. Besonders häufig ziehen sie vom Seegebiet zwischen dem Nordkap und Spitzbergen nach Westsibirien. Warum regnet es am Mittelmeer im Winter? Im Winter gerät die Region in den Einflussbereich der Westwindzone mit ihren Niederschlag bringenden Zyklonen. Im Sommer steht das europäische Mittelmeer dagegen unter dem Einfluss des trockenen subtropischen Hochdruckgürtels – es regnet kaum. Der Grund für das unterschiedliche Wetter im Sommer und Winter liegt in der »Wanderung« der verschiedenen Luftdruckgürtel und des Systems der atmosphärischen Zirkulation: Im Nordsommer pendelt es nach Norden und im Südsommer nach Süden. Ausgelöst wird diese Wanderung durch die Verschiebung der innertropischen Konvergenzzone (ITC), also der Zone des Zusammenfließens der Passate. Die ITC orientiert sich an der Zone der höchsten Sonneneinstrahlung, die im Laufe des Jahres zwischen den beiden Wendekreisen hin und her pendelt. Dabei wandert die ITC nicht ganz so weit, sie schafft es nur wenige Breitengrade über den Äquator hinaus. Mit der Verlagerung der ITC verschiebt sich die gesamte atmosphärische Zirkulation. Das Mittelmeer liegt im Sommer in der subtropischen »Schönwetterzone« und im Winter in der »Wind- und Regenzone« der gemäßigten Breiten. Allerdings wird es auch im Winter am Mittelmeer nicht so kalt wie in Mitteleuropa. Warum wehen die Westwinde auf der Südhalbkugel so heftig? Weil durch die riesige Eismasse der Antarktis das Temperaturgefälle zwischen Pol und Äquator sehr ausgeprägt ist. Diese durchgehend beständigen Westwinde bringen die Segelschiffe schnell von West nach Ost und heißen in der Seemannssprache auch die »Braven Westwinde«. Je weiter sich die Seefahrer jedoch nach Süden wagen, desto heftiger wehen die Winde um sie herum. So heißen die Breiten zwischen 40° und 50° Süd die »Roaring Forties« (»Brüllende Vierziger«), die zwischen 50° und 60° die »Furious Fifties« (»Wilde Fünfziger«) und die Zone zwischen 60° und 70° die »Screaming Sixties« (»Heulende Sechziger«). Wussten Sie, dass … eine überwiegend windstille Zone im subtropischen Hochdruckgürtel rund um die Wendekreise auch Rossbreiten genannt wird? Zur Zeit der Segelschifffahrt kamen die Schiffe in dieser Gegend kaum voran. Da der Proviant für die mitgeführten Pferde oft nicht reichte, wurden die Tiere geschlachtet oder einfach über Bord geworfen. es am Äquator so viel regnet, weil die Passatwinde dort »zusammenprallen«, die Luftmassen nach oben schnellen und hoch aufragende Gewitterwolken bilden? Diese entladen ihre feuchte Fracht in heftigen Schauern über den inneren Tropen. das Elbhochwasser 2002 die Folge eines außergewöhnlichen zyklonalen Wirbels über der nördlichen Adria war? Durch ihn wurde feuchte und warme Mittelmeerluft nach Norden gepumpt. Die folgenden ungewöhnlich starken Niederschläge lösten das Hochwasser aus. ein »Hoch« auf der Wetterkarte bedeutet, dass der Druck im Zentrum eines Gebietes stärker ist als in der Umgebung? Bei einem »Tief« ist er dagegen im Zentrum niedriger. Warum hoffen die Menschen in Asien auf den Monsun? Der Sommermonsun wird in Südasien sehnlich erwartet. Er treibt nach der winterlichen Trockenzeit Feuchtigkeit vom Indischen Ozean auf das Land. Weite Regionen Südasiens verwandeln sich dann in fruchtbares Gebiet. Das Umschlagen des trockenen, winterlichen Nordostmonsuns in den feuchten, sommerlichen Südwestmonsun bezeichnet man als das »Kentern des Monsuns«. Welcher Wind bremst sogar Düsenjets aus? Im Zweiten Weltkrieg entdeckten amerikanische Piloten die Jetstreams, starke Strahlströme mit einer Geschwindigkeit zwischen 150 und 600 km/h, die in einer Höhe von 10–15 km dahinsausen. Ihre Flugzeuge kamen trotz höchster Schubkraft kaum voran. Diese unbeständigen Luftströmungen wehen von West nach Ost. Es gibt zwei Typen: Der Polarjet strömt um den 35. Breitengrad, der Subtropenjet bewegt sich zwischen 20 ° und 35 ° geografischer Breite. Die Jetstreams entstehen in Frontalzonen durch den großen Temperaturunterschied zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Was ist ein Zyklonenfriedhof? So nennen die Meteorologen umgangssprachlich die Gebiete, in denen die Zyklonen immer langsamer werden und schließlich von den nächstfolgenden eingeholt werden. Ganze Familien – die Zyklonenfamilien – finden auf dem Zyklonenfriedhof ihre letzte Ruhe. Die meisten der über Mitteleuropa hinwegziehenden Zyklonen »sterben« auf dem Zyklonenfriedhof zwischen dem Baltikum und Nordwestrussland. Warum hoffen die Menschen in Asien auf den Monsun? Der Sommermonsun wird in Südasien sehnlich erwartet. Er treibt nach der winterlichen Trockenzeit Feuchtigkeit vom Indischen Ozean auf das Land. Weite Regionen Südasiens verwandeln sich dann in fruchtbares Gebiet. Das Umschlagen des trockenen, winterlichen Nordostmonsuns in den feuchten, sommerlichen Südwestmonsun bezeichnet man als das »Kentern des Monsuns«. Welcher Wind bremst sogar Düsenjets aus? Im Zweiten Weltkrieg entdeckten amerikanische Piloten die Jetstreams, starke Strahlströme mit einer Geschwindigkeit zwischen 150 und 600 km/h, die in einer Höhe von 10–15 km dahinsausen. Ihre Flugzeuge kamen trotz höchster Schubkraft kaum voran. Diese unbeständigen Luftströmungen wehen von West nach Ost. Es gibt zwei Typen: Der Polarjet strömt um den 35. Breitengrad, der Subtropenjet bewegt sich zwischen 20 ° und 35 ° geografischer Breite. Die Jetstreams entstehen in Frontalzonen durch den großen Temperaturunterschied zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Was ist ein Zyklonenfriedhof? So nennen die Meteorologen umgangssprachlich die Gebiete, in denen die Zyklonen immer langsamer werden und schließlich von den nächstfolgenden eingeholt werden. Ganze Familien – die Zyklonenfamilien – finden auf dem Zyklonenfriedhof ihre letzte Ruhe. Die meisten der über Mitteleuropa hinwegziehenden Zyklonen »sterben« auf dem Zyklonenfriedhof zwischen dem Baltikum und Nordwestrussland. Luftdruck und Luftfeuchtigkeit: Motoren des Klimas Wie viel Druck lastet auf der Erde? Die Atmosphäre lastet mit etwa 1 kg Gewicht auf jedem Quadratzentimeter der Erdoberfläche. Je höher man sich von der Erdoberfläche nach oben bewegt, desto geringer wird die Last des Luftdrucks. Der Luftdruck liegt auf Meereshöhe bei ca. 980–1040 hPa (Hektopascal) und nimmt pro 8–16 Höhenmeter um etwa 1 hPa ab. Herrscht auf gleicher Höhe auch der gleiche Luftdruck? Nein! Die Unterschiede des Luftdrucks hängen von der jeweiligen Lufttemperatur ab. Diese variiert mit der unterschiedlichen Erwärmung durch die Sonne und der Ausstrahlung warmer Wasser- oder Landmassen. Bei warmer Luft bewegen sich die Gasmoleküle aufgrund ihrer höheren Energie stärker und halten mehr Abstand zueinander – die Luftmasse ist also weniger dicht. Erwärmte Luft steigt als Blase nach oben und hinterlässt am Boden ein Tiefdruckgebiet. Dieses »Loch« gilt es zu füllen. Je größer das Druckgefälle zum Umland, desto heftiger fällt die Ausgleichströmung in Richtung dieses Tiefs aus. Wenn sich die warme Luft in den kühleren höheren Atmosphärenschichten abkühlt, wird sie wieder dichter. Sie strömt zur Seite und dann wieder zum Boden zurück – so schließt sich der Luftkreislauf. Eine solche sog. Konvektion wird häufig durch Wolken sichtbar, denn wenn sich die aufsteigende Luft abkühlt, kann sie nicht mehr so viel Wasserdampf halten, und dieser kondensiert zu Tröpfchen. Daher sind Tiefdruckgebiete oft mit Regenwetter verbunden. Wie funktioniert ein Barometer? Den Luftdruck an einem bestimmten Ort auf der Erde misst man mit Barometern. Flüssigkeitsbarometer messen die Gewichtskraft einer Flüssigkeitssäule, die mit dem Luftdruck das Gleichgewicht hält. Dazu füllt man ein etwa 1 m langes, an einer Seite geschlossenes Glasrohr mit Quecksilber. Das Rohr taucht man in ein offenes, ebenfalls mit Quecksilber gefülltes Gefäß. Aus dem Rohr läuft anschließend so lange Quecksilber aus, bis das im Rohr verbleibende Quecksilber den gleichen Druck wie das Quecksilber im Gefäß ausübt. Bei steigendem Luftdruck hebt sich die Oberfläche des Quecksilbers im Messrohr, bei fallendem Luftdruck sinkt die Oberfläche ab. An der Länge der Quecksilbersäule lässt sich der jeweilige Luftdruck ablesen. Bei einem sog. Aneroid-Barometer handelt es sich um ein Metallbarometer. Es besteht aus mehreren übereinander angeordneten, luftdicht abgeschlossenen Metalldosen. Bei einer Änderung des Luftdrucks werden die Dosen deformiert. Ein Hebelsystem überträgt diese Deformierung auf eine Skala mit Zeiger. Übrigens: Den genauen Luftdruck in einer bestimmten Höhe berechnet man mit der sog. barometrischen Höhenformel, die die Lufttemperatur einbezieht. Wieso dreht nachts der Wind an der Küste? Die unterschiedliche Wärmespeicherkapazität von Land und Meer – und damit auch die unterschiedlichen Druckverhältnisse – sorgen für die See-Landwind-Zirkulation: Am Tage weht vergleichsweise kühle Seeluft an Land, nachts kühlt sich das Land so schnell ab, dass nun hier der höhere Luftdruck herrscht und der Wind vom Land aufs Meer hinaus streicht. Wann verdunstet Wasser am schnellsten? Je stärker die Sonneneinstrahlung, je schneller der Wind und je trockener die Luft, desto stärker ist die Verdunstung. Außerdem hängt sie von der jeweiligen Oberfläche der Erde ab: Ein Gebiet mit einer üppigen Vegetationsdecke befeuchtet die Atmosphäre viel stärker als ein kahles Stück Boden. Etwa 90 % des Wasserdampfes in der Atmosphäre stammt aus der Verdunstung von Meerwasser, der Rest vom Festland. Was unterscheidet absolute von relativer Luftfeuchtigkeit? Die absolute Luftfeuchtigkeit gibt die Menge Wasserdampf pro Kubikmeter in Gramm an. Dagegen drückt die relative Feuchte den prozentualen Anteil an der maximalen Wasserdampfmenge bei einer bestimmten Temperatur aus. Die absolute Feuchtigkeit sagt weniger über das Wetter und das Klima aus als die relative Feuchte. Je kühler die Luft ist, desto weniger Wasserdampf kann sie halten. Wann immer sich Luft abkühlt und dabei den sog. Sättigungs- oder Taupunkt erreicht, an dem die relative Feuchte 100 % beträgt, wird das gasförmige Wasser flüssig: Es kondensiert zu Nebel, Tau oder Wolken und setzt zugleich die Wärme wieder frei, die es beim Verdunsten gebunden hat. Bei Temperaturen unter 0 °C kann es auch sofort in den festen Aggregatzustand übergehen und Reif oder Eiswolken bilden. Was ist eigentlich ... ein Millibar? Eine ältere physikalische Maßeinheit für den Luftdruck, wobei ein Millibar (mbar) einem Hektopascal (hPa) entspricht. Wind? Horizontale Luftbewegungen, die durch Unterschiede des Luftdrucks innerhalb der Atmosphäre entstehen. Wasserdampf? Verdampftes, also gasförmiges Wasser, dessen Anteil in der Luft für die Luftfeuchtigkeit verantwortlich ist. Wolken und Niederschläge: Wasser in der Luft Wo kommt eigentlich unser Regen her? Das meiste Wasser, das als Regen oder Schnee auf die Erde fällt, ist zuvor als Wasserdampf aus dem Meer verdunstet. Das Regenwasser, das über Mitteleuropa niedergeht, stammt ursprünglich aus dem Atlantik. Dort ist es als Wasserdampf mit den Westwinden nach Europa verfrachtet worden. Ein Wassermolekül verweilt nach der Verdunstung im Durchschnitt neuneinhalb Tage als Wasserdampf in der Atmosphäre. Dort setzen sich die Wassermoleküle zu Wolken zusammen. Woraus bestehen Wolken? Wolken bestehen aus Luft, in der sich Wasserdampf zu Wasser verflüssigt bzw. zu Eis verfestigt hat. Da die Sonnenstrahlen die Luft über dem Meer erwärmen und warme Luft relativ leicht ist, steigen Wassermoleküle mit der warmen Luft schnell auf. Mit zunehmender Höhe kühlt die Luft ab. Im Gegensatz zu warmer Luft vermag es kalte Luft nicht, große Mengen an Wasserdampf aufzunehmen und zu halten. Der Wasserdampf kondensiert zu flüssigem Wasser. Dabei lagern sich die Wassermoleküle an winzigen, in der Luft schwebenden Partikeln an und schließen sich zu Wassertropfen zusammen. Als diese sog. Kondensationskerne dienen z. B. Salze, die durch den Schaum von brechenden Meereswogen in die Atmosphäre geschleudert werden. Wird es kälter, gefrieren die Wassertröpfchen zu Eis, oder es lagern sich Eiskristalle an die in der Luft schwebenden Partikel an, die dann als sog. Gefrierkerne dienen. Während Wasserdampf in der Luft unsichtbar ist, sind flüssiges Wasser und festes Eis in der Atmosphäre als Wolken sichtbar. Wie schichten sich die Wolken? Wie Wolkenkratzer können sich Wolken über mehrere Stockwerke erstrecken. Andere Wolken treten nur in bestimmten Stockwerken auf. Diese unterscheidet man in hohe, mittelhohe und tiefe Wolken. Ganz oben dominieren die aus Eiskristallen bestehenden Eiswolken. Im mittleren Stockwerk gibt es Wolken aus unterkühltem Wasser und Mischwolken, die sich aus flüssigem und gefrorenem Wasser zusammensetzen. Im niedrigsten Wolkenstockwerk schließlich finden sich nur noch Wasserwolken. Je nach Höhe und Form unterscheidet man zehn Wolkengattungen. Welches Wetter bringen Federwolken? Entgegen landläufiger Meinung schönes und schlechtes Wetter. Vereinzelt ziehende, weiße Federwolken, sog. Cirren, kommen als hohe Wolken in Höhen von 5–13 km vor. Bei uns kündigen die aus Eiskristallen bestehenden Wolken oftmals die Warmfront eines Tiefdruckgebiets an. Allerdings können die kleinen Federwolken auch als Schönwettercirren bei ausgesprochen stabilen Wetterlagen auftreten. Zu den hohen Wolken zählen auch die sog. Cirrostratuswolken. Das sind Schleierwolken, die einen durchscheinenden, weißlichen Wolkenschleier bilden. Durch sie können Sonne und Mond mit einem Halo erscheinen. Dieser weiße Ring umgibt die Himmelskörper, wenn sie durch die Wolken zu sehen sind. Werfen alle Wolken Schatten? Nein. Hohe Wolken werfen keine Schatten auf die Erdoberfläche. Dagegen halten die mittelhohen Wolken die Sonne vom Erdboden fern: Es ist im Wortsinn »bewölkt«. Die mittelhohen Wolken reichen in den gemäßigten Breiten in Höhen von 2–5 km. Zu ihnen zählen u. a. die Altocumuluswolken – grobe Schäfchenwolken aus weißen oder grauen Flecken. Altostratuswolken bilden graue oder bläuliche Wolkenfelder oder -schichten. Wann ist das Wetter »grau in grau«? Für »graues« Wetter sind Schicht- bzw. Stratuswolken verantwortlich. Sie entstehen, wenn warme, feuchte Luft bei ihrer horizontalen Bewegung auf ein Hindernis prallt und so zum Aufstieg gezwungen wird. Dadurch kühlt die Luft ab, und es bilden sich Schichtwolken. Solche Wolken können sich horizontal über mehrere 1000 km² erstrecken. Aus der durchgehend grauen Wolkenschicht mit ihrer einheitlichen Untergrenze fallen Sprühregen, Eisprismen oder Schneegriesel. Welche Wolken zeigen ein Gewitter an? Cumulonimbuswolken. Massig und dicht erscheinen sie wie ein riesiges Himmelsgebirge. Der obere Teil breitet sich oftmals in der Form eines Ambosses aus. Die Gewitterwolke durchzieht alle drei Wolkenstockwerke. Wärmegewitter entstehen durch starke Aufheizung an der Erdoberfläche bei gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit. Deswegen treten sie in den gemäßigten Breiten nur im Sommer auf, in den Tropen dagegen ganzjährig. Durch die Erhitzung wird viel Luft nach oben getrieben, die in den höheren Regionen rasch abkühlt und dabei Wolken bildet. Dagegen bauen sich Frontgewitter unabhängig von der Erdoberfläche und deren Erhitzung auf. Wie entstehen Blitz und Donner? Gewitter sind stets an Cumulonimbuswolken gebunden. Durch heftige Aufwinde reichen diese Quellwolken sehr hoch. Die oberen Wolkenschichten vereisen, wodurch sich Ladungsdifferenzen zwischen den oberen, positiv geladenen und den unteren, negativ geladenen Wolkenteilen aufbauen. Die Gewitterelektrizität entlädt sich in Blitzen. Wolkenblitze zucken innerhalb der Gewitterwolke, Erdblitze zwischen der Wolke und der Erde. Selten sind Kugelblitze, eine kugelförmige leuchtende Masse, die sich mit mäßiger Geschwindigkeit nahe der Erdoberfläche fortbewegt. Die Blitzenergie verursacht eine schlagartige Erhitzung in der Blitzbahn. Dabei dehnen sich die Luftmassen explosionsartig aus. Die Druckwelle pflanzt sich als rollendes oder krachendes Geräusch fort – der Donner ist weithin hörbar. Können Wolken bis auf die Erde herabsinken? Ja, denn Nebel ist nichts anderes als eine auf dem Boden liegende Wolke. Winzig kleine Wassertröpfchen schweben in der Luft und lassen die relative Luftfeuchtigkeit auf nahezu 100 % ansteigen. Der weit verbreitete Strahlungsnebel entsteht, wenn durch starke Ausstrahlung – etwa in sternenklaren Nächten – die Temperaturen der bodennahen Luft kräftig zurückgehen. Die kalte Luft kann den Wasserdampf nicht mehr halten, und die Feuchtigkeit kondensiert zu kleinen Tröpfchen. Besonders häufig entsteht Strahlungsnebel in der Nacht oder in den frühen Morgenstunden relativ windstiller Herbst- oder Wintertage. Erwärmt sich die Luft bei Tag, löst sich der Nebel rasch wieder auf. Wie groß werden Hagelkörner? In den gemäßigten Breiten erreichen sie Durchmesser von bis zu 55 mm, in den Tropen können sie sogar bis auf 12 cm anwachsen. Hagel und Graupeln, beides Wasser in fester Form, entstehen durch mehrmaliges Auf- und Absteigen innerhalb von hoch türmenden Wolken. Reifgraupeln sind undurchsichtige Bällchen mit schneeartiger Beschaffenheit, die mehrere Millimeter groß werden können. Sie entstehen bei der Bildung weit verzweigter Schneesterne. Griesel sind eine Vorstufe von Reifgraupeln – sie werden nicht größer als 1 mm. Lagern sich unterkühlte Wassertröpfchen an die Reifgraupeln, entstehen Frostgraupeln. Sie sind halb durchsichtig und haben einen weißen Kern. Alle Graupelarten können nur aus Quellwolken fallen, denn nur dort wachsen sie durch mehrmaliges Auf- und Absteigen innerhalb der Wolke heran. In stark aufgetürmten Cumulonimben werden durch Aufwind immer neue Schichten an Frostgraupeln angelagert: Es entstehen Hagelkörner. Wann wird Tau zu Reif? Tau und Reif können nur entstehen, wenn Wasserdampf auf eine kalte Oberfläche trifft, die ihre Kälte an die Umgebung abgibt. Dadurch kondensiert der Wasserdampf der umgebenden Luft zu Wassertropfen, der sich als Tau auf den kalten Gegenstand niederschlägt. Liegt die Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt, bilden feine Eiskristalle Reif. Raureif entsteht, wenn es bei hoher Luftfeuchtigkeit – z. B. bei Nebel – friert. Die kleinen Eisnadeln wachsen stets dem Wind entgegen, denn mit diesem wird neue feuchte Luft zugeführt, aus der die Eisnadeln die Feuchtigkeit »aussaugen« und zu Eis verwandeln. Weht dabei ein kräftiger, kalter Wind, entsteht Raufrost. Wussten Sie, dass … sich die meisten Wolken auflösen, ohne dass aus ihnen Regen oder Schnee gefallen ist? Tatsächlich muss sich eine Wolke etwa zehnmal neu bilden, bis die Tropfen so groß geworden sind, dass sie zu Regentropfen werden. Wassertröpfchen in den Wolken teilweise bei –25 °C noch flüssig sind? Man spricht dann von unterkühltem Wasser. die höchste Niederschlagsmenge, die bisher innerhalb von 24 Stunden gemessen wurde, mit 1870 mm im März 1952 auf die Insel Réunion fiel? Die größte Jahresmenge wurde 1860/61 in Cherrapunji in Indien gemessen: 26 461 mm! Wie schnell sind Regentropfen? Das hängt von ihrer Größe ab. Bei Regenschauern variiert die Größe der Tropfen zwischen 0,5 mm und 5 mm. Größere Tropfen werden bei ihrem Fall durch den Luftwiderstand auseinandergerissen. Die dicksten Tropfen sausen mit 9 m/s der Erde entgegen. Dagegen bringen es Tropfen mit 1 mm Durchmesser auf nur 5 m/s. Die Tröpfchen von Niesel- oder Sprühregen sind mit 0,05–0,25 mm winzig klein und erreichen gerade mal eine Geschwindigkeit von 20 cm pro Sekunde. Wie wird Niederschlag gemessen? Die Niederschlagsmenge in einer Region wird in Millimeter pro Zeitraum und Fläche berechnet: Die Zahl gibt also an, wie hoch eine Wassersäule auf einem Quadratmeter in einem bestimmten Zeitraum steht. Wegen des Flächenmaßes von einem Quadratmeter liefert die Zahl bei den Millimetern automatisch auch die Literzahl an Niederschlag. Für Berlin mit einem Jahresniederschlag von etwa 600 mm bedeutet dies, dass statistisch auf einen Quadratmeter in Berlin pro Jahr 600 Liter Niederschlag fallen. Tornados und Hurrikane: Rasante Drehungen der Luft Wann toben Orkane, wann Tornados? Orkane entstehen durch Zyklonen – Tiefdruckgebiete, die sich infolge starker Temperaturgegensätze zwischen warmer Meeresluft und kalter Polarluft zu einem Sturmtief entwickeln. Dagegen bilden sich Tornados, Wirbelstürme dort, wo über Land feuchte, warme Luft auf kühlere, trockene Luft trifft und dabei riesige Gewitterwolken bildet. Die Tiefdruckgebiete, aus denen Orkane entstehen, gehören zum normalen Wettergeschehen der gemäßigten Breiten. Dass sich aus ihnen ein Orkan entwickelt, ist jedoch relativ selten. Orkane wehen mit mehr als 118 km/h; sie entwurzeln Bäume, decken Dächer ab und reißen Oberleitungen ab. Tornados sind noch schneller. Sie sind kurzlebige, verhältnismäßig kleine Wirbelstürme, die über dem Festland beim Zusammentreffen von feuchter, warmer Luft und kühlerer, trockenerer Luft entstehen. Da kalte Luft wesentlich schwerer ist als warme, stürzt sie beim Zusammenprall mit warmer Luft viele Kilometer strudelförmig nach unten; um den Druckausgleich in der Höhe zu gewährleisten, strömt am Rand des Kaltluftzylinders warme Luft nach oben. Was dreht sich beim Tornado? Luft und Wolken. Wenn nämlich seitliche aufwehende Gewitterböen die aufsteigende Luft anstoßen, beginnt sie zu rotieren. Aus der rotierenden aufsteigenden Luft kann sich ein Wolkenschlauch bilden. Er reicht von der Gewitterwolke bis zum Boden herab und kreist senkrecht um seine eigene Achse. Der Rüssel von Tornados hat meist einen Durchmesser von etwa 500 m, manche erreichen mehr als 1 km. Einige Tornados erstrecken sich als sehr dünne Schläuche vom Boden bis zur Gewitterwolke, andere entwickeln sich zu einem breiten, nach oben erweiterten Trichter. Übrigens: Im Inneren liegt die Windgeschwindigkeit bei 600 km/h. Über Land bewegen sich die Schläuche mit 40–50 km/h fort, aber auch die doppelte Geschwindigkeit wurde schon gemessen. Die hohe Rotationsgeschwindigkeit und der extrem niedrige Luftdruck im Zentrum des Schlauches – er liegt etwa 80–100 hPa unter dem Luftdruck der umgebenden Luft – machen einen Tornado außerordentlich zerstörerisch. Wie muss man sich einen »unvorstellbaren Tornado« vorstellen? Ein »unvorstellbarer Tornado« der Stufe F6 der eigens für Tornados entwickelten Fujita-Skala rotiert mit mehr als 510 km/h. Ein solcher Tornado wurde bisher nicht registriert! Ein »unglaublicher Tornado« der Stufe F5 rotiert mit 417–510 km/h. Für sein Durchzugsgebiet bedeutet es totale Verwüstung, er hebt sogar stabile Gebäude aus ihren Fundamenten. Ein »verwüstender Tornado« (F4) bläst mit seinen 331–416 km/h nur leichte Gebäude fort, schleudert aber noch Autos durch die Luft. Auch ein »schwerer Tornado« der Stufe F3, in dessen Inneren die Winde 252–330 km/h schnell sind, kann noch Dächer und Wände stabiler Häuser zerstören und ganze Wälder entwurzeln. Dagegen sind »gemäßigte« und »bedeutende« Tornados (Stufen F1 und F2) relativ harmlos. Ein Sturmtornado der Stufe 0 bringt es gerade einmal auf 64–116 km/h. Nur 2 % aller Tornados gelten als verheerend und halten länger als eine Stunde an; 69 % sind schwach und lösen sich nach wenigen Minuten wieder auf. Welcher Tornado war der stärkste? Mit 510 km/h wurde am 3. Mai 1999 in einem Tornado der »unglaublichen« Art (F5) in Oklahoma/USA die bisher höchste auf der Erde registrierte Windgeschwindigkeit gemessen. 48 Personen kamen ums Leben, und mit rund 1,1 Mrd. US-Dollar war es die bis dahin teuerste Naturkatastrophe dieser Art. Mit der außergewöhnlich hohen Geschwindigkeit von 95 km/h zog am 18. März 1925 ein Tornado über die drei US-Staaten Missouri, Illinois und Indiana hinweg. »Tri-State Tornado« nannten die Amerikaner dieses Phänomen, das innerhalb von 3,5 Stunden über 350 km verwüstete und fast 700 Todesopfer forderte. Gleich 148 Tornados querten am 3. und 4. April 1974 im »Super Outbreak« insgesamt 13 Staaten der USA. Was ist ein Willy-Willy? Der Name für einen tropischen Wirbelsturm in Australien. In anderen Weltregionen heißen sie anders: Als Hurrikane peitschen tropische Wirbelstürme über die karibischen Inseln und die südliche Ostküste der USA. Als Taifune fegen sie über die Philippinen, Japan und die Ostküste Chinas einschließlich Taiwan hinweg. Im Golf von Bengalen heißen sie Zyklone und im Seegebiet nördlich von Madagaskar Mauritius-Orkane. Was macht tropische Wirbelstürme so gefährlich? An der Küste können Wirbelstürme in kurzer Zeit große Schäden anrichten. Extrem hohe Windgeschwindigkeiten und sintflutartige Regenfälle gehen mit gewaltigen Sturmfluten einher, wenn der Sturm das Meerwasser zu hohen Wellen aufwühlt, die weit ins Landesinnere vordringen. In ihrer Wirkung sind sie dadurch viel verheerender als Tornados. Tropische Wirbelstürme bauen sich nur über Meeren mit einer Oberflächentemperatur von mindestens 27 °C auf. Die intensive Sonneneinstrahlung lässt große Mengen Wasser verdunsten, das von der Luft als Wasserdampf aufgenommen wird. In der Höhe kühlt die feuchtwarme Luft schnell ab und der Wasserdampf kondensiert zu Wolken und Niederschlägen. Dabei werden erhebliche Mengen an Wärmeenergie freigesetzt. Sie ist der Motor einer riesigen atmosphärischen Wärmekraftmaschine. Durch den Aufstieg warmer Luft herrscht am Boden niedriger Luftdruck. Er saugt von allen Seiten warme und feuchte Luftmassen an, die den Wirbel immer weiter »füttern«. Oberhalb der Wolken wird Luft nach außen geschleudert, wo sie zum Boden zurücksinkt. So entsteht ein ständiger Luftkreislauf. Welche Geschwindigkeit erreicht ein Hurrikan? Hurrikane kommen in Äquatornähe mit 8–32 km/h voran; in weiterer Entfernung vom Äquator legen sie bis zu 80 km in der Stunde zurück. Entscheidend sind die Windgeschwindigkeiten der rotierenden Wolkenringe. Sie erreichen meistens einen Durchmesser von 60 bis 200 km und können sich mit über 300 km/h drehen. Je länger sie über tropische Gewässer ziehen, desto mehr Wasserdampf verdunstet und desto heftiger dreht sich die Luft. Aus der Wolkenwand des Wirbelsturms fallen gewaltige Regenmengen, 500–1000 mm Niederschlag können innerhalb weniger Stunden niedergehen. Zum Vergleich: In Berlin werden pro Jahr durchschnittlich 600 mm Niederschlag verzeichnet. Warum ist es im Auge des Sturms windstill? Dort, im Zentrum des Wirbelsturms, liegt eine Zone niedrigen Luftdrucks. Während rundherum der Sturm tobt, ist es im »Auge« windstill und trocken. Das Auge erstreckt sich in der Regel über 30–60 km. Der Luftdruck in einem Hurrikan fällt vom Rand in Richtung Auge rapide ab. Dagegen nimmt die Windgeschwindigkeit von außen bis zur Wolkenwand, die das Auge umschließt, zu. In dieser Wand erreicht der Hurrikan seine höchste Geschwindigkeit. Wann gab es besonders viele Hurrikane? Nie war eine Hurrikansaison so katastrophal wie die von 2005. Vom 1. Juni bis 30. November wüteten gleich 27 tropische Stürme, von denen sich 15 zum Hurrikan entwickelten. Der stärkste von ihnen war »Wilma«, der sich innerhalb weniger Stunden von einem Tropensturm zu einem Hurrikan der Kategorie 5 entwickelte. In seinem Auge wurde mit 882 hPa der niedrigste jemals auf dem Atlantik gemessene Luftdruck verzeichnet. Den größten Schaden richtete »Katrina« an. Der Hurrikan brach zwei Deiche von New Orleans und setzte fast die gesamte Stadt unter Wasser. Zerstörte Erdölpipelines und -raffinerien ließen den Rohölpreis kurzzeitig ansteigen. Wussten Sie, dass … im mittleren Westen und dem Süden der USA jedes Jahr rd. 1200 Tornados wüten? auch in Europa jährlich 170 Tornados registriert werden? ein tropischer Wirbelsturm, der das Festland erreicht, schnell an Energie verliert? Die Reibung bremst ihn ab, außerdem versiegt über dem Land mit der fehlenden feuchten Luft seine Energiequelle. der längste bisher gemessene tropische Wirbelsturm 31 Tage wütete? Diesen Rekord stellte 1994 Hurrikan »John« auf. Wer jagt Tornados? Nicht nur Wissenschaftler jagen die großen Wirbel, auch Hobbymeteorologen und Fotografen sind dabei. Einem Tornado Auge in Auge gegenüberzustehen, ist das große Ziel aller Tornadojäger. Bei ihrer Jagd nach dem Sturm liefern sie der Tornadoforschung wertvolle Informationen. Sie ergänzen damit das Netz der ehrenamtlichen Beobachter, der sog. Spotter. Alle Informationen über gesichtete Tornados gehen in ein Kurzzeitwarnsystem ein. Zusätzlich werden Radarmessungen zur Früherkennung von Tornados eingesetzt. Mit ihrer Hilfe lassen sich verdächtige Rotationen in Gewitterwolken entdecken. Wie gliedert man Wirbelstürme mit der Saffir-Simpson-Skala? Tropischer Sturm: 55,6–118,5 km/h Kategorie 1 (schwach): 118,5–153,7 km/h, Zen