Klimatologie: Atmosphäre, Hydrosphäre & Wetterphänomene

Einführung in Atmosphäre und Hydrosphäre

Die Atmosphäre und die Hydrosphäre sind Flüssigkeitsschichten, die zusammen die Klimamaschine der Erde bilden.

Der Wasserkreislauf

Wasser gelangt durch Verdunstung in die Atmosphäre, kondensiert und bildet Wolken sowie Niederschlag (Regen). Es gibt mehrere Wege, wie Wasser auf der Erde zirkuliert:

• Oberflächenabfluss: Wasser fließt über die Oberfläche ab.
• Speicherung: Wasser wird in Seen, Flüssen oder Gletschern gespeichert.
• Infiltration: Wasser versickert und bildet unterirdischen Abfluss.

Atmosphärische Parameter und Bewegungen

Ein Gradient ist die Differenz eines atmosphärischen Parameters (Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck) zwischen zwei beliebigen Punkten.

Vertikale Bewegungen

Vertikale Bewegungen beider Flüssigkeiten (Luft und Wasser) hängen von ihrer Temperatur ab:

• Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Wärmere Luft ist tendenziell weniger dicht und steigt auf.
• Wasser ist ein besserer Wärmeleiter, weshalb vertikale Bewegungen nur bei Erwärmung der Oberfläche auftreten.

Horizontale Bewegungen

Horizontale Bewegungen entstehen durch thermische Kontraste, die durch ungleichmäßige Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche verursacht werden.

Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Atmosphäre besteht aus drei Hauptgruppen von Gasen:

• Mehrheit:
  • Stickstoff (N2): 78 %
  • Sauerstoff (O2): 20 %
  • Argon (Ar): 0,9 %
  • Kohlendioxid (CO2): 0,03 %
  • Andere Gase: 0,14 %
• Minderheit:
  • Reaktive Gase: CH4, CO, SO2, O3, NO, NO2, NH3
  • Nicht-reaktive Gase: He, Ne, Kr, Xe, H2, N2O
• Variable Bestandteile: Wasserdampf

Struktur der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist in verschiedene Schichten unterteilt:

• Troposphäre: Die unterste Schicht der Atmosphäre, die an der Tropopause (12 bis 16 km Höhe) endet. Hier findet der Treibhauseffekt statt. Sie ist die Schicht des Klimas (mit den meisten Wolken und Niederschlägen). Die untersten 500 m sind die am stärksten verschmutzte Schicht.
• Stratosphäre: Sie reicht bis zur Stratopause (50-60 km Höhe). Hier befindet sich die Ozonschicht.
• Mesosphäre: Sie reicht bis zur Mesopause. Hier verglühen die meisten Meteore (Sternschnuppen).
• Ionosphäre: Sie erstreckt sich bis zu 600 km Höhe.
• Exosphäre: Sie erstreckt sich bis zu 800 km Höhe.

Die Ozonschicht

Ozon (O3) ist ein dreiatomiges Molekül, das sich in der Stratosphäre zwischen 15 und 30 km Höhe konzentriert.

Regulierende Funktion der Atmosphäre

Das Strahlungsgleichgewicht der Sonne hängt von der Strahlungsbilanz der Atmosphäre ab und führt zu den besonderen thermischen Bedingungen auf unserem Planeten.

Atmosphärische Dynamik

Die vertikalen Bewegungen in der Troposphäre werden als Konvektion bezeichnet.

Arten der Konvektion

• Thermische Konvektion: Diese Bewegungen entstehen durch Temperaturunterschiede, die thermische Luftströmungen bilden.
• Feuchtigkeitskonvektion: Sie wird durch das Vorhandensein von Wasserdampf in der Luft verursacht.

Messung des Wasserdampfs

Wir können den Wasserdampf auf zwei Arten messen:

• Absolute Luftfeuchtigkeit: Die Menge an Wasserdampf in einer bestimmten Luftmenge.
• Relative Luftfeuchtigkeit: Der prozentuale Anteil an Wasserdampf in einem Kubikmeter Luft.

Wenn eine Luftmasse aufsteigt, kondensiert sie und wird als Wolke sichtbar. Damit sich eine Wolke bilden kann, müssen Kondensationskeime vorhanden sein.

Vertikale Bewegungen durch Luftdruck

Ein Hochdruckgebiet ist ein Bereich mit hohem Druck, während ein Tiefdruckgebiet (Sturm) ein Bereich mit niedrigem Druck ist.

Zyklonbildung (Tiefdruckgebiet)

Ein Zyklon entsteht, wenn eine Luftmasse mit geringer Dichte, die Kontakt mit der Landoberfläche hat, durch aufsteigende Thermik zu steigen beginnt. Infolgedessen entsteht in der Höhe ein Bereich mit geringerem Luftgewicht. Dann bewegt sich kalter Wind von außen zur Mitte, um diesen Bereich auszugleichen.

Antizyklonbildung (Hochdruckgebiet)

Ein Antizyklon entsteht, wenn eine kalte Luftmasse in einer bestimmten Höhe absinkt und den Kontakt mit dem Boden verringert. In der Kontaktzone sammelt sich viel Luft an, und die Winde strömen von der Mitte nach außen.

Stabilität und Instabilität der Atmosphäre

Vertikaler Temperaturgradient

Der vertikale Temperaturgradient ist der Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten bei einem Höhenunterschied von 100 m.

Instabile Bedingungen

Instabile Bedingungen herrschen, wenn eine Luftmasse aufsteigt und ihre Temperatur (Gradient der aufsteigenden Luft, GAS) höher ist als die der Umgebungsluft (Gradient der vertikalen Temperatur, GVT). Dies fördert die Konvektion, wenn GVT > GAS.

Stabile Bedingungen

Stabile Bedingungen herrschen, wenn die Absinkbewegung der Konvektion entgegengesetzt ist, da sie das Absinken einer kalten Luftmasse zur Oberfläche begünstigt. Es gibt zwei Stabilitätssituationen:

• Positiver GVT: Wenn GAS < GVT, herrscht atmosphärische Stabilität ohne vertikale Bewegung.
• Negativer GVT: Eine Inversion, die die Wolkenbildung hemmt.

Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre

Horizontale atmosphärische Zirkulation

Die horizontale atmosphärische Zirkulation wird durch den Wind verursacht.

Coriolis-Effekt

Der Wind zirkuliert in radialer Richtung von Hochdruckgebieten (Antizyklonen) zu Tiefdruckgebieten (Zyklonen) entlang des Druckgradienten. Aufgrund der Coriolis-Kraft wird die Bewegung jedoch abgelenkt. Das Ergebnis ist eine Drehung im Uhrzeigersinn um Hochdruckgebiete und gegen den Uhrzeigersinn um Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel.

Globale Zirkulationszellen

In der Äquatorregion führt intensive Erwärmung zu äquatorialen Tiefdruckgebieten. In den Polargebieten herrschen polare Hochdruckgebiete.

• Hadley-Zelle: In den äquatorialen Tiefdruckgebieten steigt Luft bis zur Tropopause auf, wo sie sich horizontal in Richtung beider Pole bewegt. Der Coriolis-Effekt bewirkt ihre Ablenkung. Bei etwa 30 Grad Breite sinkt die Luft in den subtropischen Hochdruckgebieten ab, die ihren Ursprung am Äquator haben und Wüsten verursachen. Die Zelle schließt sich durch die Passatwinde, die von diesen Antizyklonen in Richtung Äquator wehen und die Intertropische Konvergenzzone (ITCZ) bilden.
• Polarzelle: Entsteht durch subpolare Tiefdruckgebiete.
• Ferrel-Zelle: Gebildet durch die Wirkung der Westwinde an der Oberfläche.

Dynamik der Hydrosphäre

Die Hydrosphäre besteht zu 97 % aus den Ozeanen, der Rest aus Flüssen und anderen terrestrischen Systemen. Die Bewegung des Wassers in terrestrischen Systemen ist eng mit dem Wasserkreislauf verbunden.

Die Meeresbrise

In Küstengebieten haben die Grenzbereiche einen geringeren Temperaturbereich. Die Meeresbrise fungiert als Thermostat und Regulator.

Meeresströmungen

Oberflächenströmungen

Die wichtigsten Meeresströmungen verlaufen durch die zentralen Bereiche der großen Ozeane. Ihre Bewegung beginnt mit den Passatwinden. Wenn sie die Westküste erreichen, kehren sie als Westwinddrift zu ihrem Ursprungsort zurück. Wenn sie die Ostküste erreichen, erfahren sie Abweichungen in Richtung Äquator und Pole.

Tiefenströmungen

Tiefenströmungen werden durch Dichteunterschiede des Wassers verursacht, die zum Absinken neigen und eine vertikale thermohaline Zirkulation bilden.

Globales Förderband der Ozeane

Ein System, das den größten Teil der Weltmeere durch Wasserströmungen verbindet.

Das El Niño-Phänomen

Das El Niño-Phänomen ist durch eine übermäßige Erwärmung der Oberfläche der Gewässer des östlichen Pazifiks gekennzeichnet. Es tritt alle 3-5 Jahre auf und dauert etwa 18 Monate. Es entsteht, wenn die Passatwinde nachlassen und kein Wasser nach Westen transportieren. Dann erwärmt sich das Wasser und bildet eine Warmwasseranomalie. Auftrieb von kaltem Tiefenwasser findet nicht statt, da die Sprungschicht (Thermocline) bestehen bleibt.

Grundlagen der Klimatologie

Klimatologie und Klima

• Klimatologie: Die Wissenschaft, die das Klima erforscht.
• Klima: Die Gesamtheit der Wetterphänomene, die einen Ort auf der Erde über einen längeren Zeitraum charakterisieren.

Niederschlag

Niederschlag ist Wasser, das in flüssiger oder fester Form auf die Erdoberfläche fällt.

Wolkenbildung

Wolken durch thermische Konvektion

Sie können verschiedene Formen annehmen und sich zu großen Wolken mit vertikaler Entwicklung in Turmform gruppieren, die als Cumulonimbus bezeichnet werden. Dies geschieht bei großen Temperaturunterschieden zwischen der Erdoberfläche und höheren Schichten.

Orographische Wolken

Entstehen durch das Aufsteigen einer feuchten Luftmasse an einem Berg. Die Entwicklung dieser Wolken ist horizontal; sie werden Schichtwolken genannt und führen zu Niederschlag, wenn sie mit dem Hang in Kontakt kommen.

Frontale Wolkenkonvektion

Tritt an einer Front zwischen zwei Luftmassen unterschiedlicher Temperatur und Feuchtigkeit auf. Es bilden sich drei Arten von Fronten:

• Kaltfront: Wenn eine kalte Luftmasse durch den Wind vorrückt und auf wärmere Luft trifft.
• Warmfront: Entsteht, wenn warme Luftmassen aus den Tropen auf kältere Luft treffen. Dies führt zur Bildung von Wolken mit geringer horizontaler Entwicklung (Nimbostratus) und höher (Altostratus). In den oberen Schichten entstehen Zirruswolken.
• Okklusionsfront: Entsteht, wenn eine Kaltfront eine Warmfront einholt und die warme Luft vom Boden abhebt.

Arten von Niederschlag

• Regen: Niederschlag in flüssiger Form.
  • Nieselregen (aus Altostratus)
  • Anhaltender Regen (aus Nimbostratus)
  • Schauer (aus Cumulonimbus)
• Gewitter: Bildet sich in Cumulonimbus-Wolken. Für ein Gewitter sind starke Konvektion und starke aufsteigende Thermik erforderlich.
• Schnee: Eiskristalle bilden sich zu Flocken und fallen als Schnee. Schnee ist gefährlich, besonders in Berggebieten, da seine Ansammlung Lawinenrisiken birgt.
• Hagel: Bildet sich im Frühjahr oder Sommer, wenn Eiskristalle von der Oberseite der Wolke in den mittleren Bereich fallen und dort mit Feuchtigkeit umhüllt werden.

Wetterphänomene und Zirkulation

Das Wetter in unseren Regionen wird durch die Position der Polarfront und des Jetstreams bestimmt.

Der Polarjetstream

Ein reißender Windstrom, der die Erde von West nach Ost umgibt.

Die Polarfront

Besteht aus einer Reihe von Warm-, Kalt- und Okklusionsfronten, die die Erde als eine Art Einheitsfront umgeben.

Der Polarwirbel

Eine Reihe von Tiefdruckgebieten, die entlang der Polarfront wandern.

Blockierende Antizyklonen

In einigen Fällen bleiben die Mäander der Polarfront bestehen, und blockierende Antizyklonen entstehen.

Regionale Klimaphänomene

Klima in Spanien

Wird maßgeblich durch die Lage des Azorenhochs bestimmt.

Kaltlufttropfen

Das Eindringen von kalter Luft in einer bestimmten Höhe, die plötzlich von wärmerer und schwererer Luft umgeben ist, neigt dazu, spiralförmig zur Oberfläche abzusinken. Dabei kann ein Sturm durch aufsteigende warme Konvektionsluft entstehen.

Tornados

Eine rotierende Säule aus Wind und Staub, die sich vom Boden bis zur Basis einer Cumulonimbuswolke erstreckt und bis zu 50 m breit sein kann. Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 km/h machen Tornados zu einem gefährlichen Klimaphänomen.

Monsun

Eine Art großer Meeresbrise, bei der die Land-Meer-Winde halbjährlich statt täglich wechseln. Im Winter der Nordhalbkugel, wenn die ITCZ am südlichsten liegt, führt dies zur Bildung eines kalten Hochdruckgebiets über dem Kontinent. Im Sommer verschiebt sich das Hochdruckgebiet über die ITCZ in Richtung Asien. Dann beginnen die Monsunregen in Indien und Südostasien.

Hurrikan

Ein sehr großer Sturm, der einen Durchmesser von bis zu 500 km haben kann und spiralförmig um einen zentralen Teil (das Auge des Hurrikans) rotiert. Die spiralförmige Drehung ist auf den Coriolis-Effekt zurückzuführen. Unterhalb des Hurrikanauges entstehen durch die Saugwirkung Wellen. Hurrikane bewegen sich von Ost nach West und verwüsten alles auf ihrem Weg. Die größte Gefahr eines Hurrikans ist die Windgeschwindigkeit.

Klimaschwankungen der Erdgeschichte

Klimaschwankungen vor dem Quartär

Wir wissen von der Existenz eines großen Kontinents namens Pangäa. Die langsame Bewegung dieses Kontinents und der Ozeanströmungen erklärt die präkambrische Eiszeit und die permokarbonische Vereisung. Die Wüstenbildung wurde durch den Einfluss eines großen Hochdruckgebiets über dem Superkontinent Pangäa verursacht. Im Mesozoikum und Tertiär stieg die Temperatur noch stärker an, insbesondere im Jura und in der Kreidezeit.

Temperaturschwankungen während des Quartärs

Im Quartär bis heute haben sich nicht nur die Verteilung von Land und Meer, sondern auch die Klimaschwankungen geändert, die durch die Variation der einfallenden Sonnenstrahlung gemäß den Milanković-Zyklen verursacht wurden.

Temperaturschwankungen in der historischen Vergangenheit

Vor etwa 10.000 Jahren begann die letzte Warmzeit nach der Eiszeit. Das Klimaoptimum, eine Periode maximaler Erwärmung, führte zu einem Meeresspiegelanstieg von etwa 3 m. Danach wechselten sich warme und kalte Perioden ab, wobei die Kälte um 1000-1200 n. Chr. dominierte. Nach dem mittelalterlichen Klimaoptimum folgte die Kleine Eiszeit (ca. 1200-1900 n. Chr.), in der es eine kleine Eiszeit gab.

Zukünftiger Klimawandel und Klimapolitik

Erwartete Auswirkungen des Klimawandels

• Anstieg des Meeresspiegels
• Verringerte Albedo
• Schmelzende Eisberge
• Tauwetter im Arktischen Ozean
• Verschiebung der Klimazonen in Richtung der Pole
• Steigende Temperaturen in der Troposphäre
• Änderungen in der Niederschlagsverteilung
• Reduzierung der Wasserqualität
• Gesundheitliche Probleme durch Hunger und Krankheiten infolge von Ernteausfällen
• Reaktivierung bestimmter durch Mücken übertragener Krankheiten

Internationale Klimapolitik

Der erste Versuch, eine Obergrenze für Treibhausgasemissionen festzulegen, war das Kyoto-Protokoll. Es wurden flexible Mechanismen wie der Emissionshandel und der Mechanismus für umweltverträgliche Entwicklung eingeführt.

• Auf dem Gipfel in Buenos Aires wurden Details zur Umsetzung der flexiblen Mechanismen erörtert. Eine endgültige Einigung über die Umsetzung des Kyoto-Protokolls wurde jedoch noch nicht erzielt.
• Auf dem Bonner Gipfel verpflichteten sich die europäischen Länder, zur Entwicklung beizutragen.
• Auf dem Weltgipfel für nachhaltige Entwicklung ratifizierten alle Länder das Kyoto-Protokoll, mit der einzigen Ausnahme der Vereinigten Staaten.