Meterologie

Luftfronten

  • Eine Luftfront ist der Bereich, an dem sich verschiedene Luftmassen begegnen und an denen aktives Wettergeschehen stattfindet.
    • Dort findet eine sprunghafte Änderung statt
      • des Luftdrucks,
      • der Temperatur und
      • der Windrichtung.
  • Es gibt unter anderem folgende Arten:
    • Kaltfront
    • Warmfront
    • Okklusionsfront
    • Stationäre Front
  • Weitere Arten wie die Arktikfront, Polarfront, Suptropenfront usw. sind für mich hier gerade nicht relevant.

Lebenszyklus der Wolken

Entstehung

  • Cumulus-Wolken entstehen durch selbstständig aufsteigende Luft.
  • Stratus-Wolken entstehen, wenn Luft durch Hebungsvorgänge zum Aufstieg gezwungen wird. Sie entstehen daher an den Grenzen zu Luftmassenfronten.

Thermische Wolkenbildung

  • Wenn sich Luftmassen am Boden erwärmen, dadurch aufsteigen, mit zunehmender Höhe abkühlen bis zur Sättigung der Luftfeuchtigkeit und dann bei der weiteren Steigung zu kondensieren anfangen, spricht man von thermischer Wolkenbildung.
  • An den Rändern eines Bereichs aufsteigender Luft, wo sich eine Wolke bildet, drängt kältere Luft nach unten. Daraus folgt: Fliegt man unter einer solchen Cumulus-Wolke durch,
    • kommen zunächst abwärts gerichtete Winde der kalten Luft,
    • danach turbulente Winde,
    • danach ruhige, aufsteigende Winde der warmen Luft,
    • danach turbulente Winde,
    • danach abwärts gerichtete Winde der kalten Luft.

Orographische Wolkenbildung

  • Wenn feuchte Luft gegen aufgrund der Topologie des Bodens zum Aufsteigen gezwungen wird, muss sie sich dabei abkühlen. Sobald sie in einer bestimmten Höhe den Taupunkt erreicht hat, beginnt die Wolkenbildung bis zu der Höhe, an dem nichts mehr zu kondensieren da ist bzw. „bis sie über dem Berg ist“.

Entwicklung

  • Wolken „regenerieren“ sich, solange weiter warme und feuchte Luft aufsteigt, die den Kondensationsverlust ausgleicht.
  • Solange sich eine Wolke regeneriert, sind ihre „Kanten“ scharf.

Auflösung

  • Sobald die Luftfeuchtigkeit sinkt oder die Lufttemperatur, lösen sich Wolken aufgrund der fortlaufenden Kondensation der bestehenden Wolken nach einiger Zeit auf.
  • Die Kanten von Wolken werden „unscharf“.

Die Wolkengattungen

Die Wolkengattungen bilden die primäre Beschreibungsebene zur Klassifizierung von Wolken. Für jede Wolkengattung definieren die Wolkenarten Wolken weiter nach ihrem spezifischen Aufbau und ihrer Gestalt.

Die Klassifikation richtet sich nach der Höhe und Form der Wolken. Zunächst wird die Höhe angegeben und danach die Form.

1. Klassifikation nach der Wolkenhöhe

HöheAbkürzungPräfix
Unteres Stockwerkbis 2 kmCL
Mittleres Stockwerk2 bis 7 kmCMalto
Oberes Stockwerk5 km bis zur TropopauseCHcirro
Stockwerksübergreifendnimbus

2. Klassifikation nach der Wolkenform

Deutsche NameLateinischer NameAbkürzungBeispiel
QuellwolkeCumuluscu
SchichtwolkeStratusst
WellenwolkeLenticularislent

3. Zusammensetzung von Wolkenhöhe und Wolkenform

HöhenpräfixFormName
CumulusCumulus
altoCumulusAltocumulus
cirroCumulusCirrocumulus
StratusStratus
altoStratusAltostratus
cirroStratusCirrostratus
LenticularisLenticularis
altoLenticularisAltoenticularis
cirroLenticularisCirrolenticularis
Stratus + CumulusStratocumulus
nimbusStratusNimbostratus
nimbusCumulusCumulonimbus

Die Wolken

  • Indogermanische Wurzel: „feucht“, „nass“
  • Eine Wolke ist eine abgrenzbare Ansammlung feiner Wassertröpfchen in der Atmosphäre.
  • Sie entstehen, wenn aufsteigende Luft eine Luftfeuchtigkeit von 100 % erreicht und etwas weiter steigt und dabei bis zu einer Luftfeuchtigkeit von maximal 101 % dabei gleichzeitig teilweise kondensiert.
    • Unterhalb von 100 % Luftfeuchtigkeit kann die Luft weiteren Wasserdampf aufnehmen.(Siehe den Artikel zur Luftfeuchtigkeit.)
    • Ab einer Luftfeuchtigkeit von 100 % wird weiter Wasserdampf aufgenommen, aber es kondensiert dann in gleichen Maße vorhandener Wasserdampf zurück in Wasser.
    • Bei einer minimal höheren Luftfeuchtigkeit bis 101 % kondensieren Wassertröpfchen um Kondensationskerne wie (Staub-) Partikel in der Atmosphäre und bleiben dort schweben.
  • Wolken werden nach ihrer Wolkengattung und Wolkenart klassifiziert.
    • Die Wolkenarten unterteilen die zehn Wolkengattungen weiter nach ihrem Aufbau und ihrer Gestalt.

Die Luftfeuchtigkeit

  • Als Luftfeuchtigkeit bezeichnet man den Grad der Sättigung der Luft mit Wasserdampf bei einer gegebenen Luftdichte.
    • Dies bedeutet, dass Regen oder Schnee nicht zur Luftfeuchtigkeit gerechnet wird.
    • Je dichter die Luft ist, desto mehr Teilchen enthält sie und umso mehr Energie kann sie aufnehmen.
  • Luftfeuchtigkeit entsteht, indem Wasserteilchen verdunsten.
    • Dies geschieht bei jeder Temperatur über dem absoluten Nullpunkt. Ein kleiner Teil der Wasserteilchen hat aufgrund der nie perfekt gleichen Energieverteilung immer minimal mehr Energie gespeichert als ihre Umgebung, um sich von den anderen Wasserteilchen zu lösen.
    • Dies geschieht umso schneller, je wärmer es ist.
  • Luft kann nur eine bestimmte maximale Menge an Wasserdampf aufnehmen.
  • Je höher die Lufttemperatur, desto mehr Wasser kann die Luft aufnehmen.
    • Die Luftteilchen haben mit höherer Temperatur eine höhere Energie und bewegen sich schneller; dadurch dehnt sich die Luft aus und hat „mehr Platz“ für zusätzliche Energie in Form von Wasserdampf.
    • Dieses Verhältnis ist nicht-linear. Mit steigender Temperatur steigt die Menge an speicherbarem Wasserdampf stark an, während sie bei fallender Temperatur schnell sinkt. Daraus folgt:
      • Sehr kalte Luft ist immer sehr trocken.
      • Sehr warme Luft kann sehr feucht werden und dadurch enorme Energiemengen speichern, die sich dann um so schneller wieder entladen können.
  • Ist die Sättigungsgrenze erreicht, führt neu hinzukommender Wasserdampf dazu, dass im gleichen Maße Wasser aus der Luft kondensiert. Beispiel:
    • 1 Kubikmeter Luft kann bei 30° C maximal ca. 30 Gramm Wasser aufnehmen.
    • Liegt die aktuelle Luftfeuchtigkeit bei 66%, enthält die Luft aktuell ca. 20 Gramm Wasser.
    • Die Temperatur sinkt nun.
    • Bis zu einer Temperatur von 20° C passiert nichts, außer das die Luftfeuchtigkeit nun 100% beträgt.
    • Unterhalb von 20° C beginnt die Kondensation und Wärmeabgabe. Die Luftfeuchtigkeit bleibt trotz des geringeren Wasseranteils konstant bei 100%, wenn gleichzeitig auch die Temperatur immer weiter sinkt.
    • Bei 10° C liegt die Luftfeuchtigkeit weiterhin bei 100% und der Wasseranteil bei ca. 10 Gramm. D.h. in der Zeit-/Temperaturspanne von 20° auf 10 ° C sind ca. 10 Gramm Wasserdampf zu Wasser kondensiert.
  • Der Wasserzyklus:
    1. Wasser ist flüssig.
    2. Energie wird hinzugefügt, z.B. durch Wärmestrahlung.
    3. Durch die Wärmestrahlung beginnen obere Wasserteilchen schneller zu schwingen, wodurch sie sich durch die höhere kinetische Energie lösen und aufsteigen. Wasser verdunstet.
    4. Der Wasserdampf wird von der Luft aufgenommen. Die Luft hat nun ein höheres Energiepotential als zuvor.
    5. Wenn es außen herum kälter wird, wird die Energie wieder abgegeben, um das Energie-Gleichgewicht wieder herzustellen. Dabei
      1. kondensiert der Wasserdampf und fällt in Form von Wasser zurück auf den Boden und
      2. es wird durch die Kondensation auch die gespeicherte Wärme wieder abgegeben.
  • Kondensation führt immer zu einer Erwärmung der Luft (Kondensationswärme).
  • Durch diesen Zyklus findet ein Energietransfer innerhalb der Atmosphäre statt.
  • Dampf = Energie
  • Folgende Größen definieren die Menge des Wasserzyklus‘:
    • Größe der Wasseroberfläche. Je größer die Oberfläche, desto mehr kann verdunsten. Die Oberfläche ist dabei bei Wellengang höher als bei völlig windstillem, ruhigen Wasser.
    • Temperatur des Wassers. Je höher, desto schneller kann Wasser verdunsten.
    • Temperatur der Luft. Je höher, desto mehr Wasserdampf kann aufgenommen werden.
    • Sättigungsgrad der Luft. Je niedriger, desto mehr Wasserdampf kann noch aufgenommen werden.

Arten der Luftfeuchtigkeit

  • Die maximale Luftfeuchtigkeit bezeichnet die maximale Menge an Wasser (in Gramm), die 1 m3 Luft aufnehmen kann.
  • Die tatsächliche (absolute) Luftfeuchtigkeit bezeichnet die aktuelle Menge an Wasser (in Gramm), die 1 m3 aufgenommen hat.
  • Die relative Luftfeuchtigkeit bezeichnet den Anteil der tatsächlichen im Vergleich zur maximalen Luftfeuchtigkeit.
  • Der Taupunkt bezeichnet diejenige Temperatur, bei der die maximale Luftfeuchtigkeit erreicht wird.
    • Unterhalb kann die Luft weiterhin Wasserdampf aufnehmen.
    • Darüber beginnt die Kondensation im gleichen Maße, wie zusätzlicher Wasserdampf aufgenommen wird.

Die Lufttemperatur

  • Sonnenstrahlen gelangen größtenteils auf die Erdoberfläche. Dort wird die Energie aufgenommen und in Form von Wärme wieder abgegeben.
    • Die Erwärmung erfolgt also von unten nach oben.
  • Erwärmte Luft enthält mehr Energie und steigt daher nach oben. Sie verdrängt vormals darüber liegende Luft, die nun nach unten gelangt. Dort wärmt sie sich ebenso auf und es entsteht so ein Kreislauf – eine Konvektionsströmung. Sie besteht so lange, wie es einen Temperaturunterschied gibt. Dabei entsteht Wind. Außerdem wird dadurch feuchte Luft – Wasserdampf -nach oben bewegt, bis sie ab einer bestimmten Höhe ihre Energie wieder abgibt in Form von KondenswasserRegen.
  • Wolken halten einen Teil der Wärmeenergie näher am Boden. Daher ist es Nachts wärmer, wenn es stark bewölkt ist. Ohne Wolken entweicht die zuvor gespeicherte Wärmeenergie im Boden in den Weltraum.
  • Normalerweise nimmt die Temperatur mit zunehmender Höhe ab. (Vereinfacht gesagt; genauere Darstellung unter Aufbau der Atmosphäre) Ist dies nicht der Fall und ist eine höhere Luftschicht wärmer als die darunterliegende Luftschicht, spricht man von Inversionen.
    • Mit zunehmendem Wind werden Inversionen unwahrscheinlicher, da er zu einer schnellen Luftdurchmischung führt.

Luftstabilität

  • Steigt wärmere Luft auf und kühlt nicht so schnell ab wie höhere Luftschichten, in die sie aufsteigt, steigt mit der Höhe ihre Temperaturdifferenz zur Umgebung immer stärker an. Entsprechend schneller kann sie dann auch aufsteigen. Eine solche Luft heißt labil.
  • Steigt wärmere Luft auf und kühlt sich relativ schnell ab, kann sie kaum noch steigen und bleibt stabil.

Das Wetter

  • [althochdeutsch] wetar = Wind, Wehen
  • Das Wetter bezeichnet einen kurzfristig messbaren Zustand in der Troposphäre an einem bestimmten Ort.
  • Das Wettergeschehen wird durch folgende abhängige Größen bestimmt:
    • Luftdruck
    • Lufttemperatur
    • Luftfeuchtigkeit
  • Die Veränderung der oben genannten Größen geschieht originär durch die energiereiche Strahlung der Sonne.
  • Die Wetterlage bezeichnet den Zustand in der Troposphäre eines größeren Gebietes an einem bestimmten Ort.
  • Die Witterung bezeichnet den durchschnittlichen Charakter des Wetter an einem bestimmten Ort über einen längeren Zeitraum.

Die bestimmenden Wettergrößen: Luftdruck, Luftdichte und Lufttemperatur

  • Aufgrund der Gravitationskraft dehnen sich die Gase der Atmosphäre nicht unendlich aus und sie werden an dem Planeten „gehalten“.
  • Da auch Luftteilchen eine Masse haben, erzeugen sie aufgrund der Gravitationskraft einen Druck. Den Luftdruck.
  • Die Luftdichte bezeichnet die Anzahl der Luftteilchen in einem bestimmten Raum.
    • Je stärker der Luftdruck ist, desto mehr Luftteilchen werden auf die gleiche Fläche gezwängt.
  • Je stärker die Gravitationskraft wirkt, desto höher ist der Luftdruck und die Luftdichte.
    • Der Luftdruck und die Luftdichte ist am Boden am höchsten.
    • Der Luftdruck und die Luftdichte nehmen mit zunehmender Höhe immer weiter ab – und zwar exponentiell.
  • Je höher das Volumen eines Gaskörpers ist, desto proportional niedriger ist sein Druck. Und umgekehrt.
  • Je höher der Druck, desto höher ist die Luftdichte.
  • Bei gleichbleibendem Luftdruck verringert sich die Luftdichte mit steigender Temperatur
    • Je wärmer die Luft ist, desto mehr Energie hat sie gespeichert.
    • Und umso mehr Platz braucht sie.
    • Deswegen ist die Troposphäre im Sommer höher als im Winter.
  • Je dichter man ein Gas komprimiert, desto wärmer wird es.
  • Luftdruck, Luftdichte und Lufttemperatur sind immer direkt voneinander abhängig.
  • Steigende Luft kühlt sich ab.
  • Absinkende Luft erwärmt sich.

Aufbau der Atmosphäre

  • Atmos-phäre = atmós-sfaira = Dampf-Kugel
  • Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle eines Planeten.
  • In der Erdamosphäre spielt sich das Wettergeschehen nur in den unteren 10 km statt. Darüber liegende Schichten haben praktisch keinen Einfluss auf das Wetter.
  • Man sagt Schicht, aber da die Erde eine Kartoffel Kugel ist, ist eigentlich Schale der bessere Ausdruck. Ich bleibe hier jedoch wie offenbar überall woanders bei dem Begriff Schicht.
  • Die folgende Tabelle zeigt den Aufbau der Atmosphäre.
Ungefährer HöhenbereichName der Schicht bzw. Schale
Exosphäre
80 – 600 kmIonosphäre / Thermosphäre
Mesopause
50 – 80 kmMesosphäre
Stratopause
11 – 50 kmStratosphäre
Tropopause
0 – [7 – 17] kmTroposphäre
  • Die Troposphäre ist die bodennahe Luftschicht. Sie reicht an den Polargebieten bis zu einer Höhe von 7 km und in den Tropengebieten bis zu einer Höhe von 17 km. Zwischen den Polargebieten und Tropen verändert sich ihre Höhe mit der Jahreszeit. Die Temperatur in ihr sinkt mit zunehmender Höhe kontinuierlich bis zur Tropopause.
  • Die Stratosphäre liegt über der Troposphäre bis zu einer Höhe von ca. 50 km. In den untersten 25 km bleibt die Temperatur annähernd gleich, danach steigt sie an, bis sie auf der Höhe der Stratopause wieder annähernd der Temperatur auf dem Erdboden entspricht.
  • Die Mesosphäre liegt über der Stratosphäre bis zu einer Höhe von ca. 80 km. In ihr nimmt die Temperatur kontinuierlich ab.
    • In diesem Bereich entstehen die Nordlichter.
  • Die Ionosphäre oder Thermosphäre liegt über der Mesosphäre und bildet einen kontinuierlichen Übergang zu dem Weltraum. Es gibt mehrere Definitionen, bis zu welcher Höhe sie reicht.
    • Nach der weithin akzeptierten Kármán-Linie liegt sie bei einer Höhe von 100 km. Ab ungefährt dieser Höhe ist die Teilchendichte so gering und die Zentrifugalkraft größer als aerodynamische Kräfte, so dass Luft-fahrt hier nicht mehr möglich ist und auch luft-betriebene Triebwerke keinen Schub mehr geben können.
  • Die Exosphäre bezeichnet den luftleeren Raum, der auf einer Höhe von ca. 600 km beginnt.