Atmosphäre, Variablen und Meteorologie

Die Atmosphäre: Schichten und Variablen

Die Atmosphäre ist die Gasschicht, die die Erdoberfläche umgibt. Sie erstreckt sich über etwa 1000 km und ist in 5 Schichten unterteilt. Sie enthält unter anderem Wasserdampf.

Schichten der Atmosphäre

Die Schichten der Atmosphäre werden anhand ihrer Temperaturveränderungen definiert:

• Troposphäre:
  • Reicht bis ca. 13 km Höhe (variiert zwischen 16 km am Äquator und 7-8 km an den Polen).
  • Enthält den größten Teil des Wasserdampfs.
  • Hier finden die meisten Wetterphänomene statt.
  • Temperatur nimmt mit der Höhe ab (ca. 6,5 °C pro 1000 m).
  • Tropopause bildet die Obergrenze.
  • Jetstreams treten hier auf.
• Stratosphäre:
  • Erstreckt sich von 13 bis 50 km Höhe.
  • Temperatur steigt von -40 °C auf -3 °C.
  • Enthält die Ozonschicht, die UV-Strahlung absorbiert und die Luft erwärmt.
  • Geringere Luftdichte.
• Mesosphäre:
  • Erstreckt sich von 50 bis 85 km Höhe.
  • Temperatur nimmt mit der Höhe ab und erreicht ein Minimum von -90 °C.
  • Luftdruck beträgt etwa 1 hPa.
• Thermosphäre:
  • Erstreckt sich von 85 bis 500 km Höhe.
  • Temperatur steigt mit der Höhe, da Sauerstoffmoleküle (O2) Sonnenstrahlung absorbieren.
• Exosphäre:
  • Erstreckt sich von 500 bis 1000 km Höhe.
  • Geht in die Magnetosphäre über.
  • Übergangszone zwischen Erdatmosphäre und interplanetarem Raum.
  • Hier befinden sich polumlaufende, künstliche Satelliten.
  • Nahezu unschätzbare Luftdichte.

Ionosphäre:

• Region der Atmosphäre mit vielen Elektronen.
• Atome werden durch Sonneneinstrahlung aufgebrochen, wodurch Ionenpaare entstehen.
• Ionen beeinflussen elektromagnetische Wellen.
• Erstreckt sich von 60 bis 500 km Höhe.
• Unterteilt in drei Schichten: D (50-90 km), E (90-140 km) und F (140-210 km).

Atmosphärische Variablen

• Wichtigste Variablen: Temperatur, Dichte, Druck, Wasserdampfgehalt.
• Weniger wichtige Variablen: Wolken, Niederschlag, Wind.

Wetter: Atmosphärische Bedingungen zu einem bestimmten Zeitpunkt und Ort.

Klima: Ansammlung und saisonale Entwicklung der täglichen Wetterelemente einer Region über einen längeren Zeitraum.

Druck

Der Druck ist die Kraft pro Flächeneinheit, die durch das Gewicht der Luftsäule ausgeübt wird. Er nimmt mit der Höhe ab (ca. 1 hPa pro 9 m Höhenzunahme).

Messung

Der Luftdruck kann experimentell gemessen werden (Experimente von Viviani und Torricelli im 17. Jahrhundert). In der nautischen Meteorologie werden Quecksilber- und Aneroidbarometer (Barographen) verwendet. Quecksilberbarometer müssen auf Instrumentalfehler, Temperatur und Schwerkraft korrigiert werden.

Einheiten

• Physikalische Atmosphäre (atm): Meeresspiegel, 45° Breite, 0 °C.
• Pascal (Pa): Kraft von 1 Newton pro Quadratmeter (N/m²).
• Barye: CGS-Einheit (dyn/cm²).
• Millibar (mb): 1000 dyn/cm².
• 1 mb = 1 hPa.
• 1 atm = 101325 Pa = 1013 hPa.

Konzepte

• Barometrische Flut: Tägliche, regelmäßige Schwankungen des Luftdrucks.
• Instabilität: Unregelmäßige Schwankungen des Luftdrucks in tropischen Regionen.
• Barometrischer Trend: Druckänderung zwischen zwei Punkten.
• Isobaren: Linien, die Punkte gleichen Luftdrucks verbinden.
• Isallobaren: Linien, die Punkte mit gleichem barometrischen Trend verbinden.
• Isohypsen: Linien, die Punkte gleicher Höhe (geopotentiell) verbinden.
• Gradient: Druckunterschied pro Entfernungseinheit.

Isobare Formen

Verschiedene Konfigurationen von Isobaren auf einer Wetterkarte. Oberflächenkarten zeigen nur Isobaren an der Oberfläche.

Buys-Ballot-Gesetz: In der nördlichen Hemisphäre (NH) steht man mit dem Rücken zum Wind, wenn man auf ein Tiefdruckzentrum blickt.

Wichtige isobare Formen

• Antizyklonen (Hochdruckgebiete)
• Depressionen (Tiefdruckgebiete)

Sekundäre isobare Formen

• Rücken (Hochdruckrücken)
• Umgekehrtes "U"
• Trog (Tiefdruckrinne)
• "V"-Form
• Sattelpunkt
• Antizyklonale Brücke
• Pass
• Barometrisches Sumpfgebiet (Gebiet mit parallelen Isobaren)

Höhenwetterkarten

Typische Höhen für Höhenwetterkarten:

• 850 hPa: ~1500 m
• 700 hPa: ~3000 m
• 500 hPa: ~5500 m
• 300 hPa: ~9000 m
• 250 hPa: ~10300 m
• 200 hPa: ~11800 m

Druck und Temperatur: Gesetz von Gay-Lussac

Der Druck eines Gases ist eine Funktion der Temperatur. Warme Luft hat einen höheren Druck als kalte Luft.

Dichte

Masse pro Volumeneinheit. Gesetz von Boyle: Die Dichte nimmt mit zunehmendem Volumen ab und steht in direktem Verhältnis zum Druck und umgekehrt zur Temperatur.

Temperatur

Physikalische Eigenschaft, die den Grad der Wärme von Körpern beschreibt, die sich im Gleichgewicht befinden. Messbare Größe: Ausdehnung einer Flüssigkeit (Quecksilber). Skalare Größe, die mit der inneren Energie der Körper zusammenhängt.

Temperatur der atmosphärischen Luft: Wärmeübertragung von einer Wärmekraftmaschine (Sonne) auf ein Kühlmittel (Luftmasse). Energie wird in Form von elektromagnetischen Wellen übertragen, die sich im Vakuum mit 300.000 km/s ausbreiten. Langwellige terrestrische Strahlung und kurzwellige Sonnenstrahlung.

Wärmeübertragung

• Wärmeleitung: Durch Kontakt.
• Konvektion: Durch vertikale Bewegung von Massen.
• Advektion: Durch horizontale Bewegung von Massen.
• Strahlung: Durch elektromagnetische Wellen.
• Turbulente Übertragung.

Allgemeine Zirkulation

Die Sonneneinstrahlung erreicht nicht alle Punkte der Erde gleichmäßig. Die allgemeine Zirkulation ist ein Ausgleichsmechanismus, der dem Wärmeüberschuss am Äquator und dem Wärmedefizit an den Polen entgegenwirkt. Von 100 Einheiten Sonnenenergie werden 43 von der Erde und den Wolken reflektiert und 57 vom Land, den Wolken und der Atmosphäre absorbiert.

Tägliche Temperaturschwankung

• Tägliches Maximum: ca. 14 Uhr.
• Tägliches Minimum: ca. 06 Uhr.
• Isothermen: Linien gleicher Temperatur.
• Thermischer Äquator: Linie mit den höchsten Jahresmitteltemperaturen.
• Jährliche Temperaturschwankung der Stationen.

Kontinentalität: Landflächen, die weit vom Meer entfernt sind, weisen größere Temperaturunterschiede auf, da das Meer die Wärme langsamer verliert als das Land.

Isothermen: Linien, die Punkte mit gleichem Temperaturwert verbinden.

Thermischer Äquator: Linie, die die Punkte mit den höchsten Jahresmitteltemperaturen verbindet. Diese Linie wird von Meridian zu Meridian gezogen. Sie stimmt nicht mit dem geografischen Äquator überein, da die Nordhalbkugel eine größere Kontinentalität aufweist als die Südhalbkugel. Die Linie verläuft wellenförmig.

Einheiten

• Celsius (°C)
• Fahrenheit (°F)
• Rankine (°Ra)
• Kelvin (K)
• Réaumur (°Ré)
• Delisle (°De)
• Newton (°N)
• Rømer (°Rø)

Umrechnung:

• °F = 1.8 * °C + 32
• °C = (°F - 32) / 1.8
• K = °C + 273
• °C = K - 273

Relative Luftfeuchtigkeit

Teilgebiet der Meteorologie, das sich mit dem Wasserdampfgehalt der Atmosphäre befasst. Wasserdampf befindet sich hauptsächlich in den unteren Schichten der Atmosphäre. Der Zustand des Wassers (fest, flüssig, gasförmig) hängt von der Temperatur ab.

Luftfeuchtigkeit

Quellen des Wasserdampfs in der Atmosphäre: Ozeane, Meere, Flüsse, Seen. Verdunstung und Kondensation sind reversible Prozesse.

Faktoren, die die Verdunstung beeinflussen:

• Wind
• Temperatur (langsame Verdunstung bei niedrigen Temperaturen)
• Luftfeuchtigkeit

Faktoren der Luftfeuchtigkeit:

• Dampfdruck (e): Partieller Druck des Wasserdampfs in der Luft zu einem bestimmten Zeitpunkt (ausgedrückt in mb).
• Sättigungsdampfdruck (es): Partieller Druck des Wasserdampfs in gesättigter Luft. Er ist eine zunehmende Funktion der Temperatur.

Verdampfungswärme: Die Atmosphäre ist eine Wärmekraftmaschine. Beim Übergang von flüssig zu gasförmig wird Energie freigesetzt (Verdampfung) bzw. benötigt (Kondensation). Die latente Verdampfungswärme ist die Anzahl der Kalorien, die benötigt wird, um 1 Gramm flüssiges Wasser in Wasserdampf umzuwandeln (ca. 590 cal). Die Kondensationswärme ist die gleiche Energiemenge, die bei der Kondensation freigesetzt wird.

Feuchtigkeitsindizes

• Absolute Feuchte (a): Menge an Wasserdampf in 1 m³ Luft.
• Relative Feuchte (h): Gibt an, wie nah die Luft an der Sättigung ist. Es ist das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck in der Luft und dem Sättigungsdampfdruck.
• Taupunkt: Temperatur, bei der eine Luftmasse (bei konstantem Druck) Sättigung erreicht. Messung mit einem trockenen und feuchten Thermometer und psychrometrischen Tabellen. Je größer der Unterschied zwischen der trockenen und der feuchten Temperatur, desto trockener ist die Umgebung.