Grundlagen der Meteorologie: Atmosphäre, Wetter und Klima

Branchen der Meteorologie

• Deskriptive Meteorologie

  Behandelt die Variablen (Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Wind).

• Klimatologische Meteorologie

  Behandelt die Faktoren (Klima, Erde, Sonne, Pflanzen, Fauna).

• Dynamik und Wettervorhersage

  Behandelt atmosphärische Phänomene.

Die Atmosphäre

Definition der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist die gasförmige Schicht, die die Erde umgibt. Sie reicht vom Erdboden bis zu einer Höhe von etwa 1000 km.

Schichten der Atmosphäre

Die Atmosphäre wird basierend auf der Temperatur in fünf Hauptschichten unterteilt:

1. Troposphäre

   • Höhe: ca. 13 km (variabler Dicke).
   • Enthält den Großteil des Wasserdampfs und der atmosphärischen Masse.
   • Hier finden die meisten Wetterphänomene statt.
   • Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab.
   • Begrenzt durch die Tropopause, wo auch der Jetstream auftritt.

2. Stratosphäre

   • Höhe: 13 bis 50 km.
   • Temperatur: -40 °C bis -3 °C.
   • Enthält die Ozonschicht, die UV-Strahlung absorbiert und die Luft erwärmt.
   • Die Luft ist hier weniger dicht.

3. Mesosphäre

   • Höhe: 50 bis 85 km.
   • Die Temperatur sinkt mit der Höhe und erreicht ein Minimum von ca. -90 °C.
   • Der Druckwert beträgt hier etwa 1 hPa.

4. Thermosphäre

   • Höhe: 85 bis 500 km.
   • Die Temperatur steigt mit der Höhe, da solare Strahlung absorbiert wird.

5. Exosphäre

   • Höhe: 500 bis 1000 km.
   • Befindet sich innerhalb der Magnetosphäre.
   • Dies ist die Übergangszone zwischen der Erdatmosphäre und dem interplanetaren Raum.
   • Künstliche Satelliten, wie polare Satelliten, umkreisen die Erde in dieser Schicht.

Die Ionosphäre

Die Ionosphäre ist eine Region der Atmosphäre mit großen Mengen an Elektronen und Ionen. Atome werden durch die Wirkung der Sonneneinstrahlung ionisiert. Sie erstreckt sich von 60 km bis 500 km und besteht aus drei Hauptschichten:

• D-Schicht: 50-90 km
• E-Schicht: 90-140 km
• F-Schicht: 140-210 km

Wettervariablen

Wichtige Variablen

• Temperatur
• Dichte
• Druck (p)
• Wasserdampf (H₂O)

Weniger wichtige Variablen

• Wolken
• Niederschlag
• Winde

Wetter und Klima

• Wetter

  Der Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort.

• Klima

  Die Kumulation von täglichen und saisonalen Wetterfaktoren in einer Region über einen längeren Zeitraum.

Luftdruck

Definition des Luftdrucks

Luftdruck ist die Kraft pro Flächeneinheit, genauer gesagt das Gewicht der Luftsäule pro Oberfläche. Der Druck nimmt mit der Höhe ab, mit einer Rate von etwa 1 hPa pro 9 Meter Höhenunterschied.

Messung des Luftdrucks

Die Messung des Luftdrucks ist eine physikalische Größe, die seit dem 17. Jahrhundert durch Experimente von Viviani und Torricelli möglich ist. In der Meteorologie werden Quecksilberbarometer und Aneroidbarometer verwendet, oft ergänzt durch Barographen.

Bei Quecksilberbarometern werden drei Korrekturen vorgenommen:

• Instrumentelle Korrektur
• Temperaturkorrektur
• Schwerkraftkorrektur

Einheiten: In der atmosphärischen Physik wird der Druck oft auf Meereshöhe, 45° Breite und 0°C bezogen. Die SI-Einheit ist Pascal (Pa). Es gilt:

• 1 hPa = 1 mbar
• 1 Newton ≈ 100 g Gewicht
• 1 atm = 101325 Pa = 1013,25 hPa
• 1 hPa = 1 mbar

Konzepte des Luftdrucks

• Druckgezeiten

  Regelmäßige tägliche Schwankungen der Druckkurve.

• Instabilität

  Eine Situation, in der die Druckkurve unregelmäßige Schwankungen aufweist.

• Barometrische Gezeiten

  Typisch für tropische Regionen.

• Tendenz

  Die Druckschwankung zwischen zwei Beobachtungen.

• Isobaren

  Linien, die Punkte gleichen Druckwerts verbinden.

• Isallobaren

  Linien, die Punkte gleicher barometrischer Tendenz verbinden.

• Isohypsen

  Stellen das Relief oder die geopotenzielle Höhe dar. Sie verbinden Punkte, die den gleichen Druckwert in verschiedenen Höhen haben.

• Gradient

  Die Druckdifferenz pro Distanz.

Buys-Ballots Gesetz

Wenn man mit dem Rücken zum Wind steht, befindet sich das Tiefdruckgebiet auf der linken Seite und das Hochdruckgebiet auf der rechten Seite (auf der Nordhalbkugel).

Formen von Isobaren

Verschiedene Konfigurationen von Isobaren auf einer Oberflächenkarte. Isobaren stellen nur die Oberfläche dar.

Hauptformen

• Hochdruckgebiete (Antizyklonen)
• Tiefdruckgebiete (Zyklonen/Depressionen)

Sekundäre Formen

• Dorsal (Rücken)
• Invertiertes U (Sattel)
• Vaguada (Trog, V-Form)
• Collado (Sattelpunkt)
• Antizyklonische Brücke
• Desfiladero (Engpass)
• Barometrischer Sumpf

Parallele Isobaren und Höhen

Beispielhafte Höhen für bestimmte Druckwerte:

• 850 hPa: ca. 1500 m
• 700 hPa: ca. 3000 m
• 500 hPa: ca. 5500 m
• 300 hPa: ca. 9000 m
• 250 hPa: ca. 10.300 m
• 200 hPa: ca. 11.800 m

Beziehung zwischen Druck und Temperatur (Gay-Lussac'sches Gesetz)

Der Gasdruck ist eine Funktion der Temperatur. Der Luftdruck ist in kalter Luft größer als in warmer Luft.

Dichte

Definition der Dichte

Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit.

Boyle'sches Gesetz

Die Dichte nimmt ab und steht in direktem Zusammenhang mit dem Druck und indirekt mit der Temperatur.

Temperatur

Konzept der Temperatur

Temperatur ist eine physikalische Eigenschaft, die den Grad der Wärme eines Körpers in einem messbaren numerischen Gleichgewichtszustand darstellt.

Messung der Temperatur

Die Temperatur wird durch die Ausdehnung einer Flüssigkeit (z.B. Quecksilber) gemessen. Sie ist eine skalare Größe, die die innere Energie eines Systems repräsentiert.

Temperatur in der Atmosphäre

Die Atmosphäre fungiert als Medium, durch das ein Wärmemotor (Sonne) Wärme an ein Kühlmittel (Masse) überträgt. Energiereiche Strahlung wird in Form von elektromagnetischen Wellen übertragen. Diese Wellen breiten sich im Vakuum mit 300.000 km/s aus.

• Langwellige Strahlung (terrestrische Strahlung)
• Kurzwellige Strahlung (solare Strahlung)

Formen der Wärmeübertragung

• Wärmeleitung

  Direkter Kontakt.

• Konvektion

  Vertikale Bewegung von Luftmassen.

• Advektion

  Horizontale Bewegung von Luftmassen.

• Strahlung

  Übertragung durch elektromagnetische Wellen.

Allgemeine Zirkulation

Die Sonnenstrahlung erreicht nicht alle Punkte der Erde gleichermaßen. Die allgemeine Zirkulation ist ein Ausgleichsmechanismus, der den Wärmeüberschuss vom Äquator zu den Polen transportiert und den Wärmemangel dort ausgleicht.

Temperaturschwankungen

• Tägliche Temperaturschwankung

  Die maximale Temperaturkurve wird typischerweise um 14 Uhr erreicht, das Minimum um 6 Uhr.

• Jährliche Temperaturschwankung

  Abhängig von den Jahreszeiten.

Isothermen und Wärmeäquator

• Isothermen

  Linien, die Punkte gleicher Temperaturwerte verbinden.

• Wärmeäquator

  Die Linie, die Punkte mit den höchsten jährlichen Temperaturwerten verbindet. Diese Linie verläuft nicht parallel zu den Meridianen und stimmt nicht mit dem geografischen Äquator überein, da die Nordhalbkugel aufgrund der Kontinentalität höhere Temperaturwerte aufweist als die Südhalbkugel. Die Form der Linie ist wellenförmig.

Kontinentalität

Landgebiete, die weit vom Meer entfernt sind, weisen größere Temperaturunterschiede auf, da das Meer Wärme langsamer aufnimmt und abgibt als das Land.

Temperatureinheiten und Umrechnung

Einheiten: Celsius (°C), Fahrenheit (°F), Kelvin (K), Rankine (°R), Réaumur (°Ré), Delisle (°D), Newton (°N), Rømer (°Rø).

Umrechnungsformeln:

• °C zu °F: F = 1.8 * C + 32
• °F zu °C: C = (F - 32) / 1.8
• °C zu K: K = C + 273.15
• K zu °C: C = K - 273.15

Relative Luftfeuchtigkeit

Definition der relativen Luftfeuchtigkeit

Die relative Luftfeuchtigkeit ist ein Teil der Meteorologie, der den Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre behandelt. Der Wasserdampfgehalt in den unteren Schichten der Atmosphäre hängt von der Temperatur ab.

Wasserdampf in der Atmosphäre

Wasser existiert in der Atmosphäre in drei Zuständen (fest, flüssig, gasförmig).

Quellen von Wasserdampf

Ozeane, Meere, Flüsse, Seen.

Evaporation und Kondensation

• Evaporation (Verdunstung)

  Übergang von Wasser zu Wasserdampf.

• Kondensation

  Übergang von Wasserdampf zu Wasser.

Faktoren, die die Verdunstung beeinflussen: Wind, Temperatur (langsame Verdunstung bei niedriger Temperatur). Die Verdunstung ist umkehrbar.

Wasserdampfdruck (e)

Der Wasserdampfdruck (e) ist der Partialdruck, den der Wasserdampf zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Luft ausübt. Er wird in Millibar (mb) ausgedrückt.

Sättigungsdampfdruck (e_s)

Der Sättigungsdampfdruck (e_s) ist der Partialdruck, den der Wasserdampf in einer gesättigten Luftkammer ausübt. Er steigt als Funktion der Temperatur.

Verdampfungswärme

Die Atmosphäre ist eine Wärmekraftmaschine, die Energie benötigt. Wasserdampf ist freie Energie. Die Verdampfungswärme ist die Energiemenge (Kalorien), die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen (ca. 590 cal).

Kondensationswärme

Die Kondensationswärme ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn Wasserdampf kondensiert.

Feuchte-Indizes

• Absolute Feuchte (a)

  Die Menge an Wasserdampf in 1 m³ Luft.

• Relative Feuchte (h)

  Gibt an, wie nah die Luft an der Sättigung ist. Es ist das Verhältnis des vorhandenen Wasserdampfs zum maximal möglichen Wasserdampf in der Luft bei einer bestimmten Temperatur.

Taupunkt

Die Temperatur, die eine Luftmasse erreichen muss, um gesättigt (feucht) zu werden.

Psychrometrische Tabellen

Diese Tabellen werden verwendet, um die Feuchtigkeit zu bestimmen. Je größer der Unterschied zwischen Trocken- und Feuchttemperatur (gemessen mit einem Psychrometer), desto trockener ist die Umgebung.