Weltenwetter

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Wilhelm Wien – der dunkle Strahlung sichtbar machte

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Er ist einer der berühmtesten Söhne der Provinz Ostpreußen und dennoch den meisten Ostpreußen weitestgehend unbekannt. Er ist der 12. Nobelpreisträger der Physik und wird selbst unter Physikern nur wenig genannt. Ist er ein Opfer des Zeitgeistes? Er ist ein Produkt des klassischen preußischen Humboldt’schen Bildungssystems, das einst vorbildlich in der Welt war.

Doch wer ist dieser Mann? Wer ist diese fast vergessene Geistesgröße, der der Welt ein Gesetz schenkte, mit der unsichtbares Licht sichtbar gemacht wurde? Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien wurde am 13. Januar 1864 in dem Örtchen Gaffken bei Fischhausen in Ostpreußen geboren.


Die ehemalige Provinz Ostpreußen
(Karte wird durch Anklicken vergrössert)
Quelle:
Die http://www.preussisch-eylau.de/

Sein Vater war der Rittergutsbesitzer Carl Wien. 1866 zog die Familie nach Drachstein in den Kreis Rastenburg. Nach dem Abitur in Königsberg 1882 studierte Wilhelm Wien Physik an den Universitäten Göttingen und Berlin. Im Jahre 1886 erlangte er seinen Doktortitel und arbeite danach als Assistent des berühmten Physikers Hermann von Helmholtz an der Physikalisch Technischen Reichsanstalt. 1892 habilitierte er sich und entwickelte in den Jahren 1893/94 zuerst das „Wiensche Verschiebungsgesetz“ und dann 1896 das „Wiensche Strahlungsgesetz“. 1911 erhielt Wilhelm Wien den 12. Nobelpreis für Physik als Anerkennung für seine großartigen Arbeiten zur Wärmestrahlung. 


Wilhelm Wien (1864-1928), Quelle:Wikipedia

Was ist das Außergewöhnliche an der Leistung von Wilhelm Wien? Die für alle Menschen wohl vertraute und unverzichtbare Wärmestrahlung ist ein volkstümlicher Begriff die Infrarotstrahlung. Diese ist für unser menschliches Auge unsichtbar und wird von jedem Körper in Abhängigkeit von seiner Temperatur ausgesandt. Diese Strahlung wird daher auch Temperaturstrahlung genannt, die wiederum wie alle Strahlung eine elektromagnetische Strahlung ist. Diese hat je nach Wellenlänge oder Frequenz völlig verschiedene Wirkungen und reicht von den Röntgenstrahlen bis zu den Radiowellen.


Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen
(Bild wird durch Anklicken vergrössert)
Quelle:Wikipedia

Der Übergang von der sichtbaren zur unsichtbaren Sonnenstrahlung, die beim Sonnenbad als wohltuende Wärme empfunden wird, liegt bei 0,78 Mikrometer. Die unsichtbare Wärmestrahlung wurde von Friedrich Wilhelm Herrschel im Jahre 1800 entdeckt. Er ließ das weiße Sonnenlicht durch ein Prisma fallen und spaltete es in seine Regenbogenfarben auf. Dann legte er unter jede Spektralfarbe ein Thermometer. Jenseits des roten Lichts legte er auch ein Thermometer und stellte fest, dass dieses eine höhere Temperatur zeigte als die anderen. Die für unser Auge unsichtbare, die Ultrarot– oder später Infrarotstrahlung war entdeckt.

Während das sichtbare Licht die Erde und alle Gegenstände auf ihr in unendlich bunter Vielfalt erscheinen lässt, wird die Erde hauptsächlich „unsichtbar“ erwärmt. Die Sonne ist zwar die Strahlungs– und Energiequelle für alles Leben auf der Erde, doch ihre Strahlung wird nach dem langen Weg durch Weltraum und Atmosphäre hauptsächlich von der Erdoberfläche absorbiert. Die Erdoberfläche ist die Energieumsatzfläche. Von ihr aus wird die Luft erwärmt und von ihr aus abgekühlt. So ist die Erde Empfänger solarer Strahlungswärme und zugleich Emittent terrestrischer Wärmestrahlung. Beide, die Sonnen- und die Erdstrahlung, haben völlig verschiedene Temperaturen und damit Wellenlängen. Doch wie hängen Temperatur und Wellenlänge zusammen? Dies in eine Formel gekleidet zu haben, ist das große Verdienst von Wilhelm Wien. Das „Wiensche Verschiebungsgesetz“ setzt Temperaturen und Wellenlängen in direkte Beziehung, beschreibt die Verschiebung des Wellenlängenmaximums mit der Temperatur.


Wiensches Verschiebungsgesetz: Mit steigenden Temperaturen verschiebt sich das Maximum
der abgestrahlten Energie zu kürzeren Wellenlängen hin Quelle: http://www.geographie.ruhr-uni-bochum.de
 

 
 
 
 
 
 

 

Wird ein Körper erwärmt, steigt seine Temperatur und dabei verschiebt sich das λmax oder Wellenlängenmaximum seiner Ausstrahlung in den kürzeren, sinkt sie, so wandert es in den längeren Wellenlängenbereich. Ein Beispiel: Erhitzt man ein Hufeisen, so wird ab einer bestimmten Temperatur die unsichtbare Wärmestrahlung sichtbar, das Eisen beginnt sichtbar zu strahlen, zuerst als Grauglut, dann als Rot-, Gelb- und schließlich Weißglut, fast so weiß wie die Sonne.

Etwa 50 Prozent der Sonnenstrahlung zählen zu der nahen Infrarotstrahlung. Sie reicht von etwa 0,8 bis zu Wellenlängen von 3 Mikrometer. Die im Strahlungskegel der Sonne rotierende Erde absorbiert diese Strahlung je nach Beschaffenheit der Oberfläche und wird erwärmt. Die erwärmte Erde ist selbst ist wie jeder temperierte Körper auch eine Strahlungsquelle, denn jeder Körper oberhalb einer Temperatur von O Kelvin, dem absoluten Nullpunkt bei -273 Grad Celsius, sendet Wärmestrahlung aus. Die Intensität der Strahlung steigt proportional der 4. Potenz der absoluten Temperatur eines Körpers und kann einfach mittels des Stefan-Boltzmann-Gesetzes abgeschätzt werden. Hätte die Erdoberfläche eine Einheitstemperatur von +15 Grad Celsius, dann läge das Maximum der abgestrahlten Energie bei einer Wellenlänge von 10 Mikrometer (µm). Hätte sie eine Temperatur von -80 Grad, so läge das Maximum bei 15 µm. Dies ist auch der Grund, warum das Kohlendioxid, das eben diese 15 μm-Strahlung absorbiert, nicht verhindern kann, dass nach einem sonnigen Tag, an dem sich die Erde auf 30 und mehr Grad erwärmen konnte, in klaren Nächten die Wärmestrahlung der Erde ungehindert in den Weltraum entweichen und sich die Erde unter 10 Grad abkühlen kann.

Hatte Wilhelm Wien den Wellenlängen eine Temperatur gegeben, so dauerte es noch Jahrzehnte, bis dieses technisch umgesetzt und aus Temperaturaufnahmen mit Kameras Wärmebilder konstruiert werden konnten. Solche Infrarotkameras werden daher auch Wärmebildkameras genannt. Sie sind ein technisches Meisterwerk und wurden nach der Kuba-Krise 1962 Mitte der sechziger Jahre entwickelt. Erst sie ermöglichten die militärisch wichtige und inzwischen unverzichtbare nächtliche Luftaufklärung. Nun war es möglich, die Nacht zum Tage zu machen, denn jeder Körper verrät sich durch die ihm eigene und nur von seiner Temperatur abhängende Wärmestrahlung. Diese durchdringt jedes perfekte Tarnnetz. Dank Wilhelm Wien war lange nach seinem frühen Tod im Jahre 1928 die berührungslose Temperaturmessung möglich geworden, war die Fernerkundung geboren. Von Hubschraubern, Flugzeugen und Satelliten ist es möglich, jeden Gegenstand über seine Infrarotstrahlung zu orten. Seit 1977 sind alle europäischen Wettersatelliten mit Infrarotkameras ausgerüstet, kann der Tagesgang der Erdoberflächetemperaturen fotografiert und nachvollzogen werden.


Aufnahme der Erde im visuellen und infraroten Wellenlängenbereich. Im Infraroten werden auch auf der Nachtseite der Erde die vorher unsichtbaren Einzelheiten gut erkennbar.
Quelle:
http://www.ssec.wisc.edu/data/geo/index

Dies ist aber nur deswegen möglich, weil in dem Wellenlängenbereich zwischen etwa 8 und 13 µm, der von Temperaturen zwischen – 50 und +100° Celsius reicht, die Atmosphäre durchsichtig, transparent oder diatherman ist und ein stets offenes „atmosphärisches Strahlungsfenster“ besitzt. Nur deswegen konnte sich die Erde, deren Atmosphäre vor Millionen von Jahren zeitweise fast ausschließlich aus Wasserdampf und Kohlendioxid bestand, abkühlen und damit Leben ermöglichen.

Wilhelm Wien reiht sich würdig ein in die Reihe der großen Experimentalphysiker des 18. und 19. Jahrhunderts. Das Licht war ja seit Sir Isaac Newton zum Gegenstand der physikalischen Forschung geworden. Jahrhunderte ist gestritten worden, ob das Licht Welle oder Korpuskel ist, bis die Physik sich zu der Erkenntnis durchrang, dass Licht sowohl Welle als auch Korpuskel ist und gemäß Max Planck aus Quanten oder nach Albert Einstein aus Photonen besteht. Wenn die Polizei in finsterster Nacht per Hubschrauber mit Hilfe von Wärmebildkameras auf Verbrecherjagd geht, Tornados nächtliche Aufklärung betreiben oder Spionagesatelliten jede Bewegung und Tätigkeit auf der Erdoberfläche überwachen, die Umsetzung einer Strahlungsinformation in eine Temperatur, die Eichung der Wärmebilder liefert das Wiensche Verschiebungsgesetz.

Wilhelm Wien baute auf den Erkenntnissen seines berühmten Landsmannes Gustav Robert Kirchhoff auf, der am 12. März 1824 in Königsberg geboren wurde. Kirchhoff ist nicht nur bekannt für seine Regeln der elektrischen Stromkreise. Kirchhoff hat auch zusammen mit Robert Wilhelm Bunsen die Elemente Caesium und Rubidium entdeckt. Beide erklärten im Jahre 1858 die schon 1814 entdeckten dunklen „Fraunhoferschen Linien“.


Der Fingerabdruck unserer Sonne,Originalzeichnung von Joseph Fraunhofer
(Bild wird durch Anklicken vergrössert) Quelle:http://www.goethe.lb.bw.schule.de
Joseph von Fraunhofer gilt als Wegbereiter der astronomischen Spektroskopie. Er beobachtete, daß die Flammenspektren in seinem Labor und diejenigen der Sonne durch dunkle Linien unterbrochen wurden. Solche Linien sah Fraunhofer 1814 auch beim Studium der Sterne Betelgeuse, Capella, Castor, Pollux, Procyon und Sirius.

Nach zahllosen Experimenten hatten sie herausgefunden, dass es sich um Absorptions– und ebenso Emissionslinien von Molekülen in der Sonnenatmosphäre handelt. Kirchhoff und Bunsen begründeten die Spektralanalyse und legten damit die Grundlagen für die moderne Astronomie und Astrophysik, aber auch Atomphysik. Über die Spektrallinien konnte man alle Elemente identifizieren und die stoffliche Zusammensetzung von Sternatmosphären bestimmen.

Der Königsberger Kirchhoff konstruierte auch den „Schwarzen Körper“ als Eichkörper für das Wiensche Verschiebungsgesetz, wonach Wellenlänge und Temperatur in direkte Beziehung gesetzt werden können. Von Kirchhoff stammt ebenso das „Kirchhoffsche Strahlungsgesetz“. Es besagt, dass Materie gleich welcher Art eine elektromagnetische Strahlung aussendet, die je nach Temperatur sichtbar oder unsichtbar ist. Die Emission und Absorption erfolgt bei festen und flüssigen Körpern wie der Erde kontinuierlich über ein breites Wellenlängenspektrum mit einem genau bestimmbaren Maximum, bei Gasen dagegen aber nur diskontinuierlich, selektiv, stoffspezifisch. Jeder gasförmige Stoff kann daher anhand seiner nur ihm eigenen Spektrallinien identifiziert werden, wie Menschen anhand ihrer unterschiedlichen Fingerabdrücke. Gustav Kirchhoff starb in Berlin am 17. Oktober 1887. Er wäre des ersten Nobelpreises für Physik im Jahre 1900 würdig gewesen.

Das Konzept des „schwarzen Körpers“ inspirierte nicht nur Wilhelm Wien, sondern auch die Physiker Stefan und Boltzmann und insbesondere Max Planck, der nach Sir Isaac Newton die Quantennatur der Strahlung nachwies, 1900 die Quantenphysik begründete und damit die Periode der klassischen mechanischen Physik beendete. Max Planck erhielt im Jahre 1919 den Nobelpreis für Physik. Dass Kirchhoff und Wien solch ein kulturloses Schattendasein führen, liegt in der unglückseligen Trennung zwischen den reinen Naturwissenschaften und den Geisteswissenschaften, der Trennung zwischen Natur und Kultur. Doch auch Naturwissenschaftler sind Kulturträger allerersten, ja höchsten Ranges und exzellente Geisteswissenschaftler. Wer das Erbe ostpreußischer Kultur hegen und pflegen will, darf solche Kultur- und Geistesgrößen wie Kirchhoff und Wien nicht geringer stellen als Agnes Miegel, Käthe Kollwitz oder Lovis Corinth. Dass nachts nicht mehr alle Katzen grau sind, das verdanken wir dem Nobelpreisträger Wilhelm Wien aus dem kleinen Gaffken bei Fischhausen im Samland.

Dipl.-Met. Dr.Wolfgang Thüne

Dr.Wolfgang Thüne wurde am 4. März 1943 in Rastenburg/Ostpreußen geboren.
Er studierte von 1962 bis 1967 an der Universität Köln und der freien Universität Berlin die Fächer Meteorologie, Geophysik, Mathematik, Physik und Geographie.
Anschließend, von 1967 bis 1974 arbeitete er beim Wetteramt Frankfurt. Dort war er ab 1968 Referendar des Deutschen Wetterdienstes (DWD) und bestand 1969 das Staatsexamen zum Wetterdienstassessor. Danach war er Meteorologe in der Analysen- und Vorhersagezentrale des DWD in Offenbach am Main. 1972 war er beratender Meteorologe bei den Olympischen Spielen in München.

In der Zeit von 1971 bis 1986 moderierte er nebenberuflich den Wetterbericht beim ZDF und wurde dadurch einer größeren Öffentlichkeit bekannt. Seit 1974 ist er beim Landesamt für Umweltschutz Rheinland-Pfalz. 1982-1986 absolvierte er ein Zweitstudium in Würzburg mit den Fächern Soziologie, Politische Wissenschaften und Geographie und promovierte zum Dr. phil. mit Auszeichnung. Von 1986 bis 1990 ließ er sich beim Landesamt beurlauben und ging als Repräsentant der Konrad-Adenauer-Stiftung (CDU) für Brasilien nach Rio de Janeiro.

1990 kehrte er zurück, wurde ins Umweltministerium Rheinland-Pfalz berufen, und übernahm dort die Leitung des Referates „Naturwissenschaftlich-technische Grundsatzfragen der Umweltpolitik“.

Dr.Wolfgang Thüne gilt als einer der führenden Köpfe der „Klimaskeptiker“ in Deutschland welche die zur Zeit vorherrschenden Ansichten zum Thema Klimawandel infrage stellen.

Written by jenschristianheuer

Juni 29, 2007 at 11:30 pm

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Die Wettermaschine (aktualisiert am 16.12.2008)

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Das Wetter betrifft uns in fast allen Lebenslagen und ist deshalb auch immer wieder ein beliebtes Gesprächsthema. Aber warum gibt es überhaupt Wetter, und wie funktioniert es? Wie bilden sich Wolken und wie entstehen die bei den meisten Menschen so unbeliebten Tiefdruckgebiete? Welche Rolle spielen  die Meeresströmungen, wie zum Beispiel der Golfstrom, in unserem Wettergeschehen ? Der folgende kleine Beitrag versucht, ein paar Antworten zu geben…

Das Wetter auf der Erde wird hauptsächlich durch die energiereiche Strahlung der Sonne angetrieben. Die bei der Erde eintreffenden Sonnenstrahlen gelangen nicht alle bis zur Planetenoberfläche, denn ein Teil der Strahlung wird von den Wolken in den Weltraum zurückgeworfen (reflektiert), ein weiterer eher kleiner Anteil wird von der Atmosphäre direkt geschluckt (absorbiert). Auch die Erdoberfläche reflektiert in Abhängigkeit von ihrer Beschaffenheit einen gewissen Anteil der Sonnenstrahlung. Ist die Erdoberfläche gar vereist, so wird die unten ankommende Sonnenstrahlung nahezu vollständig in den Weltraum reflektiert. Man spricht dann von einer hohen Albedo der durch das Eis sehr hellen Erdoberfläche. Die übrige Sonnenstrahlung wird vom Erdboden absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Erdboden erwärmt dann wiederum als Heizfläche von unten die Luft der Atmosphäre. Einen erheblichen Teil der Wärme gibt er aber als Infrarotstrahlung dirrekt in Richtung Weltraum ab. Diese Infrarotstrahlung wird aber auf ihrem Weg durch die sogenannten Treibhausgase (Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan, Lachgas) teilweise zurückgehalten. Die Moleküle der Treibhausgase absorbieren bei bestimmten ausgewählte Wellenlängen die Infrarotstrahlung des Erdbodens und geraten dadurch in Schwingungen. Da sie infrarotempfindlich sind, erwärmen sie sich also. Durch Zusammenstösse mit Nachbarmolekülen  wird die Schwingungsenergie  gleichmässig verteilt. Die Atmosphäre insgesamt erwärmt sich dabei ein wenig. Die schwingenden Treibhausgasmoleküle strahlen einen Teil der Wärmeenergie als infrarote Gegenstrahlung wieder in Richtung Erdboden, der dadurch wärmer wird bzw. langsamer auskühlt. Den Rest der aufgenommenen Wärmeenergie strahlen die Treibhausgasmoleküle in den Weltraum ab. Aufgrund der verzögerten Auskühlung erreicht der Erdboden durch die Sonnenstrahlung höhere Temperaturen, als wenn es keine Treibhausgase gäbe. Es stellt sich also ein Strahlungsgleichgewicht auf höherem Niveau ein.

Wolken haben übrigens eine ähnliche Wirkung wie die Treibhausgase, nur wesentlich stärker, da sie die Infrarotstrahlung in allen in Frage kommenden Wellenbereichen absorbieren. Die Wolken strahlen natürlich auch einen Teil der absorbierten Wärmeenergie in Richtung Weltraum ab. Dies tun sie umso weniger, je grösser ihre vertikale Ausdehnung ist, denn in größeren Höhen ist die Wolkenoberseite deutlich kälter als die Unterseite. Die Infrarotabstrahlung der Wolkenoberseite in den Weltraum ist dann deutlich geringer als die infrarote Gegenstrahlung an der Wolkenunterseite. Die in grosse Höhen hinaufreichenden Quellwolken erzeugen also einen deutlich stärkeren Treibhauseffekt als eine flache Schichtbewölkung. Tagsüber wirken alle Wolken mehr oder weniger abkühlend, da sie das Sonnenlicht zu einem Grossteil in den Weltraum reflektieren.

Exkurs Wolken: Wolken bestehen aus winzig kleinen Wassertröpfchen und bilden sich immer, wenn ausreichend feuchte Luft aufsteigt, sich dabei ausdehnt und abkühlt bis sie schliesslich das Kondensationsniveau erreicht hat. In  feuchter Luft ist verdunstetes Wasser als Gas (Wasserdampf) gelöst. Damit Wasser verdunsten kann, muss eine Menge Energie zugeführt werden, weil sich die Moleküle des flüssigen Wassers untereinander relativ stark elektrisch anziehen und sich nur ungern voneinander trennen lassen, um sich danach in der umgebenden Luft zu verlieren. Die dafür notwendige Energie liefert die Sonne. Warme Luft kann wesentlich mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte Luft. Der Grund: In der kalten Luft bewegen sich die Lufttmoleküle deutlich langsamer und stossen deshalb weniger heftig untereinander und mit den Wassermolekülen zusammen. So können die Wassermoleküle leichter über ihre gegenseitigen elektrischen Anziehungskräfte miteinander Verbindung aufnehmen und sich zusammenlagern. Mit anderen Worten, das Wasser kann in kalter Luft leichter kondensieren. Das Kondensationsniveau ist dann erreicht, wenn die Luft mit Wasser gesättigt ist (Luftfeuchtigkeit 100%). Dann bilden sich unendlich viele, mikroskopisch kleine Wassertröpfchen, und es entsteht eine Wolke. Dabei wird die zur Verdunstung notwendige Energie, die latente Wärme, als Kondensationswärme wieder frei. Diese latente Wärme treibt ihrerseits die Wolkenbildung weiter an, denn nur solange die aufsteigende Luft wärmer ist als die Umgebungsluft, ist sie leichter und behält ihren Auftrieb. Die Wolkenbildung funktioniert nur dann richtig, wenn kleine Partikel vorhanden sind, an die sich die Wassermoleküle als Kondensationskeime anlagern können. Je mehr Kondensationskeime es gibt, umso kleiner werden die Wassertröpfchen und umso heller die Wolke. Bei den Kondensationskeimen handelt es sich um Staub- und Russteilchen, Sulfataerosole, aber auch um aetherische Öle von Pflanzen  (Terpene). Die Sulfataerosole stammen heutzutage zu grossen Teilen aus industriellen Abgasen. Sie werden aber auch von Pflanzen, vor allem von Meeresalgen in beachtlichem Umfang erzeugt.

Die Erwärmung der Erdoberfläche hängt entscheidend vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung ab. Je flacher die Strahlung einfällt, umso grösser ist die Fläche, auf die sie sich verteilt, und umso weniger wird ein beliebiges Flächenstück erwärmt. Bei steil einfallender Strahlung verhält es sich genau umgekehrt. Da sich die Erde um die eigene Achse dreht (Erdrotation), weist sie einen Wechsel von Tag und Nacht auf. Die Drehachse der Erde steht  zudem nicht genau senkrecht auf der Bahnebene um die Sonne, sondern ist um 23,5° gekippt ist, so dass es auch Jahreszeiten gibt.


Die Entstehung der Jahreszeiten  Quelle: Wikipedia 

Nord- und Südhalbkugel der Erde erhalten während eines Umlaufs um die Sonne abwechselnd einmal mehr und einmal weniger Sonnenstrahlung, denn diese trifft einmal steiler auf die Nordhalbkugel und flacher auf die Südhalbkugel und das andere Mal flacher auf die Nordhalbkugel und steiler auf die Südhalbkugel. Über das ganze Jahr gesehen erhält die Äquatorregion der Erde deutlich mehr Sonnenenergie als die mittleren Breiten oder gar die Polarregionen. Das ist nicht so selbstverständlich, wie es scheint, denn wäre die Drehachse deutlich stärker gekippt, dann sähe das ganz anders aus. Da der Erdboden die Luftschichten darüber erwärmt, sind auch die Luftmassen über der Äquatorregion deulich wärmer sind als über den Polen.

Dieser Temperaturunterschied erzeugt eine globale Luftumwälzung (globale Zirkulation), die zusammen mit den Meeresströmungen für einen gewissen Temperaturausgleich sorgt. Die damit verbundenen atmosphärischen Vorgänge erleben wir Tag für Tag als Wettergeschehen immer wieder neu. Das Wetter spielt sich dabei überwiegend in der untersten Schicht der Erdatmosphäre, der Troposphäre ab. Da der Luftdruck wegen der Wirkung der Schwerkraft mit zunehmender Höhe immer weiter abnimmt und die Luft sich immer mehr ausdehnt, sinken dementsprechend auch die Lufttemperaturen  (denn die Luftausdehnung verbraucht Bewegungsenergie der Luftmoleküle). Über der Troposphäre erstreckt sich die Stratosphäre. Hier ist die Luft schon sehr dünn und enthält nur noch wenig Feuchtigkeit. Die Stratosphäre enthält Ozon, das die gefährlichen Anteile der Ultraviolettstrahlung der Sonne absorbiert und über Eigenschwingungen in Wärme umwandelt. Aus diesem Grund nehmen in der Stratosphäre die Temperaturen verglichen mit der oberen Troposphäre wieder zu (Temperaturinversion). Die Troposphäre endet über dem Äquator in einer Höhe von etwa 18 km (Tropopause). Über den Polen sind es dagegen nur 6 – 7 km, da sich die kalte Polarluft relativ weniger in der Vertikalen ausdehnt.

Der grösseren vertikalen Ausdehnung der tropischen Warmluft über der Äquatorregion entspricht eine deutlich langsamere Abnahme des Luftdrucks mit zunehmender Höhe. Das ergibt ein mit der Höhe anwachsendes  Druckgefälle (Druckgradient) zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft. Über den Tropen bildet sich deshalb am oberen Rand der Troposphäre ein Höhenhoch, über den beiden Polen dagegen jeweils ein Höhentief.  In Bodennähe besteht zwischen warmer und kalter Luft zunächst kein Luftdruckunterschied, denn das Gewicht der beiden Luftmassen ist natürlich unabhängig von ihrer vertikalen Ausdehnung. Der Druckgradient in der Höhe erzeugt aber Gradientenkräfte vom Höhenhoch der Äquatorregion hin zu den Höhentiefs über den Polen. Diese Kräfte, deren Stärke vom Temperaturgefälle (Temperaturgradient) zwischen Warm- und Kaltluft abhängt, erzeugen polwärts gerichtete Höhenwinde über Nord- und Südhalbkugel.


Globale Luftzirkulation der Erde:E= Äquator, ITCZ = Innertropische Konvergenzzone, H= Hoch, T= Tief, WWZ= Westwindzone, Jetstream 

Die Erdrotation (Corioliskraft) lenkt diese Höhenwinde aber  nach Osten ab, so dass sich  jeweils eine Westwindzone (Westdrift) entwickelt, die sich bis zum Boden hin durchsetzen kann. Die Höhenwinde bewirken auf der Warmluftseite einen Masseverlust, wodurch dort der bodennahe Luftdruck fällt. So entsteht eine durchgehende Kette von Tiefdruckgebieten (Wärmetiefs), welche Luftmassen aus nördlichen und südlichen Richtungen ansaugen. Der Bereich, wo die beiden Luftmassen aufeinandertreffen, um dann nach oben auszuweichen, heisst Innertropische Konvergenzzone (ITCZ).

Über den Polen sammelt sich die polare Kaltluft in Bodennähe an, und es bilden sich linsenförmige Kältehochs. Von hier aus strömt die Kaltluft in Richtung  Äquator, wobei sie wiederum durch die Erdrotation (Corioliskraft) abgelenkt wird, diesmal aber nach Westen (Ostwinde der Polarregionen).

Tropische Warmluft und polare Kaltluft treffen in mittleren Breiten im Bereich der sogenannten Frontalzone (Polarfront)aufeinander und strömen wegen der Ablenkung durch die Erdrotation in entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbei. Der hohe  Temperaturgradient auf engstem Raum erzeugt besonders starke Höhenwinde, welche schlauchförmige Starkwindfelder innerhalb der Westwindzonen ausbilden, die sogenannten Polarfrontjetstreams. Der Temperaturgradient, der diese  Jetstreams antreibt, ist nicht an allen Abschnitten der Polarfronten  genau gleich gross, so dass auch die Windgeschwindigkeiten innerhalb der Jetstreams schwanken. Mit ansteigendem Temperaturgradienten zwischen Warm- und Kaltluft nehmen diese Unregelmässigkeiten immer mehr zu, bis die beiden Jetstreams zu mäandern beginnen. Dabei bilden sich sogenannte Rossby-Wellen mit Wellenbergen (Hochkeile, Höhenrücken) und Wellentälern (Höhentröge), und die Höhenströmung wird abwechselnd beschleunigt und  wieder abgebremst.

Ablenkung von bewegten Luftteilchen durch die Erdrotation (Corioliskraft): Die Erde dreht sich um die eigene Achse (Erdrotation) und die Luftteilchen ihrer Atmosphäre drehen sich mit. Je weiter man nach Norden gelangt, umso langsamer bewegen sich die Luftteilchen in Drehrichtung, denn die Breitenkreise werden ja immer kleiner und somit der zurückzulegende Weg während einer Erdumdrehung immer kürzer. Wenn sich ein Luftteilchen beispielsweise vom Äquator nach Norden bewegt, bekommt es also eine höhere Geschwindigkeit in Drehrichtung der Erde mit, als sie die in den höheren Breitengraden befindlichen Luftteilchen haben. Deshalb eilt es diesen in Richtung der Erdrotation nach Osten voraus, wird also nach rechts abgelenkt. Bewegt sich ein Luftteilchen von Norden in Richtung Äquator, so bekommt es eine niedrigere Geschwindigkeit in Richtung der Erddrehung mit als die sich auf den niedrigeren Breitengraden jeweils schon befindlichen Luftteilchen, und es bleibt diesen gegenüber zurück. Das Luftteilchen wird nach Westen, also ebenfalls nach rechts abgelenkt. Bewegt sich ein Luftteilchen auf einem mittleren Breitenkreis nach Osten in Richtung der Erdrotation, so wird es schneller als die es umgebenden Luftteilchen und bewegt sich zu einem Breitenkreis, der der höheren Geschwindigkeit entspricht, wird also nach rechts in Richtung Süden abgelenkt. Ein Luftteilchen dagegen, das sich auf einem mittleren Breitenkreis nach Westen entgegen der Erdrotation bewegt, verliert gegenüber den Luftteilchen der Umgebung an Geschwindigkeit und sucht sich einen dementsprechenden Breitenkreis. Es wird in Richtung Norden, also ebenfalls nach rechts abgelenkt.
In der Abbildung stehen die blauen Pfeile für die Gradientenkraft (entlang eines Druckgefälles), die die Luftteilchen in Bewegung setzt. Die roten Pfeile stehen für die ablenkende Corioliskraft und die schwarzen Pfeile zeigen die resultierende Bewegung der Luftteilchen. Quelle: Wikipedia

Die Hochkeile enthalten tropische Warmluft und transportieren sie polwärts, in den Höhentrögen dagegen strömt polare Kaltluft äquatorwärts. Diese meridionale Zirkulation (Luftbewegung entlang der Längengrade) sorgt für einen Temperaturausgleich zwischen Warm- und Kaltluft. Auf der Rückseite – die Westseite bei einer von West nach Ost gerichteten Höhenströmung – eines Troges im Jetstream wird die Luft beschleunigt, denn die Luftteilchen erfahren neben der Gradientenkraft, die vom Höhenhoch zum Höhentief weist, eine Zentrifugalkraft in genau die entgegengesetzte Richtung. Die Höhenströmung wird langsamer und durch die noch ungebremste, mit grösserer Geschwindigkeit nachfolgende Luft gibt es einen Luftstau (Konvergenz). Die Luftsäule gewinnt in diesem Bereich an Masse, so dass der Bodenluftdruck steigt. Die Luft strömt ringsherum nach aussen (Divergenz in Boden), und es bildet sich ein abwärts gerichteter Hochdruckwirbel. So entstehen dynamische Hochdruckgebiete (Anticyclonen), die sich auf der Nordhalbkugel (Südhalbkugel) im Uhrzeigersinn (Gegenuhrzeigersinn) drehen und unter dem Enfluss der Corioliskraft äquatorwärts ausscheren. Da die Luft in einem solchen Hochdruckgebiet nach unten sinkt und sich dabei erwärmt, lösen sich vorhandene Wolken auf.

Jetstreams mit Rossby-Wellen. Die unterschiedlich starke Ausprägung der Jetstreams spiegelt die auf beiden Halbkugeln jeweils herrschenden Jahreszeiten wider. Auf der Südhalbkugel herrscht Winter, die Temperaturgegensätze zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft sind also ausgeprägter und der Jetstream natürlich entsprechend stärker. Quelle: http://meteorology.lyndonstate.edu/main/

Auf der Vorderseite eines Troges – die Ostseite bei einer von West nach Ost gerichteten Höhenströmung – nimmt die Strömungsgeschwindigkeit wieder zu, da die abbremsende Zentrifugalkraft wegfällt. Die mit einer noch geringeren Geschwindigkeit nachfolgende Luft kommt nicht mit, die Luftsäule in diesem Bereich verliert an Masse (Divergenz) und der Bodenluftdruck fällt dementsprechend. Die Luft strömt von ringsherum herbei, und es bildet sich ein aufwärts gerichteter Tiefdruckwirbel. Die so entstehenden dynamischen Tiefdruckgebiete (Cyclonen), drehen sich wegen der Corioliskraft auf der Nordhalbkugel (Südhalbkugel) im Gegenuhrzeigersinn (Uhrzeigersinn) und scheren polwärts aus. Die dynamischen Hoch- und Tiefdruckgebiete verwirbeln die tropische Warmluft mit der polaren Kaltluft.

Die Ablenkung durch die Corioliskraft sorgt dafür, dass der Druckausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten nicht auf geradem und direktem Wege erfolgen kann. Die Lebensdauer beider Druckgebilde, wird dadurch enorm verlängert.

Unregelmässigkeiten in der Strömung des Jetstreams lösen die Bildung dynamischer Tief- und Hochdruckgebiete aus. Die hellblauen Linien zeigen die 500 hPa-Fläche (Geopotential). Die 500 hPa-Fläche ergibt sich aus den jeweiligen Höhe über dem Erdboden in denen der Luftdruck auf 500 hPa zurückgegangen. Warme Luft dehnt sich in der Vertikalen mehr aus als kalte Luft, so daß der Luftdruck dementsprechend langsamer abnimmt und auch erst in vergleichsweise größerer Höhe auf 500 hPa gefallen ist. Die 500 hPa-Fläche ergibt eine Art „Landschaft“ mit „Bergen“ (Warmluft)und „Tälern“(Kaltluft). Die hellblauen Linien der 500 hPa-Fläche verbinden Orte miteinander, die jeweils in der gleichen Höhe über dem Erdboden liegen. Diese auch Isohypsen genannten Linien machen die Höhenwinde in der Westwindzone und damit auch den Jetstream sichtbar. Islandtief und Azorenhoch sind sehr gut erkennbar. Das Islandtief lenkt polare Kaltluft in die Westwindzone. Diese polare Kaltluft ist gut an der zellularen Bewölkung zu erkennen, die immer dann entsteht, wenn kalte Luft über eine noch relativ warme Wasseroberfläche strömt, die als Heizfläche wirkt. Durch die labile Luftschichtung  – die vom Wasser erwärmte Luft steigt wegen ihrer geringeren Dichte im Vergleich zur kälteren Umgebungsluft auf – bilden sich wabenartig angeordnete Konvektionszellen, in denen die Luft gehoben wird, wobei sie abkühlt. In der durch Wasserverdunstung feuchten Luft kommt es sehr schnell zur Wolkenbildung (Quellwolken, Cumulus), die duch die dabei frei werdende Kondensationswärme (latente Wärme) weiter angetrieben wird. Gegenüber dem Islandtief liegt im Süden das Azorenhoch. Es mischt tropische Warmluft in die Westwindzone. Beide Druckgebilde erhöhen so gemeinsam den Temperaturgegensatz an der Polarfront und fördern dadurch wiederum die Entstehung neuer dynamischer Hoch- und Tiefdruckgebiete. Am unteren Bildrand erscheint auch die ITCZ mit ihrer starken Quellbewölkung, die auch zahlreiche Gewitterzellen enthält. Quelle: Naval Research Laboratory

Bei den Tiefdruckgebieten stösst durch die vom Tiefdruckzentrum ausgehende Drehbewegung tropische Warmluft polwärts gegen die Kaltluft vor (Warmfront), und im Gegenzug  polare Kaltluft Luft äquatorwärts gegen die Warmluft (Kaltfront). An der Warmfront gleitet die Warmluft langsam über die Kaltluft nach oben. Dabei bilden sich Schichtwolken (Stratus), und es fängt oft über längere Zeit an zu regnen (Landregen). In grösseren Höhen, wo es noch kälter wird, bilden sich Eiswolken (Cirrus). Die Kaltfront und die dahinter befindliche Kaltluft bewegen sich wesentlich schneller als die vorauseilende Warmluft, welche sich wegen ihrer Aufgleitbewegung etwas langsamer vorwärts bewegt. Die Warmluft wird deshalb von der herannahenden Kaltluft  eingeholt und durchdrungen. Die Warmluft erfährt dabei, da sie leichter ist, einen starken Auftrieb (labile Luftschichtung), und es bildet sich eine ausgeprägte Quellbewölkung. Bei kräftigen Winden kommt es zu heftigen Regenschauern, oft auch zu Gewittern mit  Hagel. Ist der Warmluftsektor schliesslich ganz verschwunden, so vereinigen sich Warm- und Kaltfront  zu einer Mischfront (Okklusion).

Entwicklung und Aufbau eines Tiefdruckgebietes (Zyklone) nach Vilhelm Bjerknes (1862-1951), der die Polarfronttheorie entwickelte. Erklärungen im Text. Quellen: www.diercke.de

Das Tiefdruckgebiet löst sich dann nach und nach auf. Die durchschnittliche Lebensdauer dynamischer Tiefdruckgebiete liegt bei knapp einer Woche. Entlang der Kaltfronten älterer Tiefdruckgebiete können wiederum kleine Wellenstörungen auftreten und die Bildung weiterer dynamischer Tiefdruckgebiete (Randtiefs, Tochtertiefs) auslösen.

Wenn die beiden Jetstreams sehr stark mäandern (meridionale Zirkulation), können die Windgeschwindigkeiten so sehr abnehmen, dass die Höhenströmung  ganz und gar zusammenbricht. Die dynamischen Hoch- und Tiefdruckgebiete der Westwindzone bewegen sich dann nicht mehr weiter nach Osten, denn die  antreibende Höhenströmung fehlt nun. Die Hoch- und Tiefdruckwirbel werden  sozusagen „eingefroren“ und auf diese Weise von der Höhenströmung abgekoppelt („cut off“).  Polwärts bilden sich neue, zunächst nur schwach mäandernde Jetstreams mit dementsprechend hohen Windgeschwindigkeiten. Bei dieser zonalen Luftströmung (entlang der Breitengrade) findet aber kaum ein Temperaturausgleich zwischen Warm- und Kaltluft statt. Der Temperaturgradient zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft nimmt so allmälich wieder zu, bis die Jetstreams wieder stärker mäandern und sich erneut ein meridionales Zirkulationmuster ausbildet.

Da die „eingefrorenen“  Tiefdruckgebiete ursprünglich auf der Kaltluftseite der Polarfront entstanden sind, bestehen sie aus Kaltluft, die von der wärmeren Umgebungsluft auf der Warmluftseite vollkommen eingeschlossen wird. Daher werden diese Gebilde auch Kaltlufttropfen genannt. Als kalte Höhentiefs über relativ warmer Luft (eine labile Luftschichtung also) „saugen“ sie Luft von unten nach oben an. Die Luft kühlt dabei ab, und bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit entwickeln sich viele Quellwolken (Cumulus, Cumulunimbus). Heftige Niederschläge (Regen, Schnee) und Gewitter mit Hagelschauern sind dann keine Seltenheit. Da sich die Kaltlufttropfen von der Höhenströmung gelöst haben, werden sie nur noch durch die bodennahen Winde gelenkt.

Die „eingefrorenen“ Hochdruckwirbel zwingen  als blockierende Hochdruckgebiete, wiederum die dynamischen Tiefdruckgebiete zu grossen Umwegen, also zu einem „cut off“ (s.o.). Auf diese Weise können ihre Zugbahnen weit äquatorwärts verlaufen.

 

Zwei Kaltlufttropfen (Höhentiefs), einer über dem Nordatlantik, der andere über Nordeuropa, haben sich von der Westwindzone gelöst („Cut-Off“). Die Höhenkarte der Nordhalbkugel vom amerikanischen Wetterdienst hat viele Farbschattierungen, die jeweils anzeigen, in welcher Höhe der Luftdruck auf 500 hPa zurückgegangen ist (Höhenangaben in Dekametern!). Da sich warme Luft nach oben hin weiter ausdehnt als kalte Luft, nimmt mit zunehmender Höhe der Luftdruck auch dementsprechend langsamer ab. Je wärmer also die Luft umso grösser die Höhe in der der Luftdruck auf 500 hPa gesunken ist. Man erhält in einer zusammenfassenden Kartendarstellung dann eine 500 hPa-Fläche in Form einer Art “Landschaft” mit “Bergen” und “Tälern”. In den roten, orangefarbenen und gelben Bereichen befindet sich die warme Luft, deren Temperatur von gelb nach rot zunimmt; in den grünen, blauen und violetten Bereichen hingegen die kalte Luft, mit von grün über blau nach violett niedrigerer Temperatur. Die Isobaren des Bodenluftdrucks sind als weiße geschlossene Linien eingezeichnet. Isobaren verbinden die Orte gleichen Luftdrucks miteinander. Geringe Abstände der Isobaren zeigen ein großes Luftdruckgefälle an und umgekehrt. Die Luftdruckwerte sind bei den Isobaren eingetragen. Die schwarze Linie markiert den Verlauf der Polarfront und damit auch des Jetstreams.

Aus kleinen Wellenstörungen der Polarfrontjetstreams entstehen also dynamische Hoch- und Tiefdruckwirbel, die wie grosse Rührwerke Warm- und Kaltluft vermengen und so für einen Abbau des Temperatur- und Druckgradienten zwischen Äquatorregion und Polen sorgen.

Die Tiefdruckwirbel werden in den Westwindzonen von Nord- und Südhalbkugel nach Osten getragen. In den Gebieten unter ihren Zugbahnen sorgen sie für ein mildes und feuchtes Wetter. Die äquatorwärts ausscherenden Hochdruckwirbel der beiden Westwindzonen bilden die subtropischen Hochdruckgürtel.

Zwischen den Subtropenhochs und den Wärmetiefs der ITCZ in der Äquatorregion wirkt eine Gradientenkraft. Diese erzeugt eine Luftströmung aus den Subtropenhochs in Richtung ITCZ, die aber schon bald durch die Erdrotation (Corioliskraft) zu einem Ostwind abgelenkt wird (Urpassat). Wegen der Bodenreibung überwiegt  in Bodennähe aber die Gradientenkraft, so dass auf der Nordhalbkugel ein Nordostwind (Nordostpassat) und auf der Südhalbkugel ein Südostwind (Südostpassat) weht. Die Luft wird auf ihrem Weg zur ITCZ in der Äquatorregion immer wärmer, bis sie am Ende schliesslich aufzusteigen beginnt. Damit beginnt die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) und der Luftkreislauf ist geschlossen.

Die aufsteigende Warmluft über der ITCZ ist sehr feucht, da in der Äquatorregion viel Wasser verdunstet. Es stammt aus dem Meer und von dem sehr üppigen Pflanzenbewuchs auf dem Festland. Die aufsteigende warme und feuchte Luft kühlt sich mit wachsender Höhe durch Ausdehnung immer mehr ab, und es bildet sich eine dichte Quellbewölkung. Die bei der Wolkenbildung freigesetzte latente Wärme treibt ihrerseits wieder die Wolkenbildung an, so dass sich gewaltige Wolkentürme ausbilden können. Immer wieder kommt es zu heftigen Gewittern mit Starkregen. Die Luft kann nur innerhalb der Troposphäre aufsteigen, weil hier die Lufttemperatur von unten nach oben abnimmt. In der nächsthöheren Schicht, der Stratosphäre, steigt die Lufttemperatur aber wegen des Ozongehalts mit zunehmender Höhe aber wieder an (s.o.). Luft, die in der Troposphäre vielleicht gerade eben noch gerade wärmer war, als die Umgebungsluft und deshalb weiter aufsteigen konnte, trifft in der Stratosphäre auf deutlich wärmere Luftschichten und verliert so ihren Auftrieb. Deshalb flachen die Wolkentürme über der Äquatorregion an der Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre plötzlich ab. Die Wolkenbildung setzt sich nur noch seitwärts fort und es entsteht die typische Ambossform der grossen tropischen Gewitterwolken.

Die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) verharrt nicht ortsfest am Äquator, sondern wandert in Abhängigkeit vom Sonnenstand und damit von den Jahreszeiten abwechselnd in Richtung einer der beiden Pole. Im Sommer auf der Nordhalbkugel liegt die ITCZ etwas nördlich vom Äquator, um dann im Herbst auf die Südhalbkugel überzuwechseln. Auf der  Südhalbkugel hat dann der Frühling begonnen. Die Wanderung der ITCZ verursacht die stetige Abfolge von Regenzeiten im Sommer (Monsun) und Trockenzeiten im Winter in den Regionen um den Äquator herum.

Im Bereich der Subtropenhochdruckgebiete, wo die Luftmassen grossflächig absinken und sich dabei erwärmen und die Wolken sich auflösen, ist es heiss und trocken. Häufig entstehen in den subtropischen Regionen Wüstengebiete wie beispielsweise die Sahara.

Zu guter Letzt soll noch die Rolle der Meeresströmungen bei der globalen Wärmeverteilung vom Äquator in Richtung der Pole erörtert werden. Neben der globalen Luftzirkulation gibt es auch eine globale Zirkulation der Meeresströmungen in den Ozeanen. Beide Zirkulationssysteme sind an der globalen Verteilung der empfangenen Sonnenenergie  je etwa zur Hälfte beteiligt.

Die globale Zirkulation des Meereswassers:Das Wasser der Meeresströmungen in der Tiefsee ist kalt und salzhaltig, in den oberflächennahen Meeresströmungen ist es dagegen verhältnismässig warm und salzarm. Quelle: Stefan Rahmstorf Homepage

Die turbulenten und stark verwirbelten Meeresströmungen werden einerseits durch die Winde, andererseits aber auch durch Unterschiede in Temperatur und Salzgehalt des Meereswassers  angetrieben (thermohaline Zirkulation). Das vom Äquator zu den Polen strömende Wasser gibt seine Wärme allmälich an die Luft darüber ab und kühlt so nach und nach ab. Es wird aber auch immer salzhaltiger, da auf seiner langen Wegstrecke sehr viel Wasser verdunstet. Die Dichte des Wassers nimmt mit ansteigendem Salzgehalt zu, bis es schliesslich so schwer geworden ist, dass es abzusinken beginnt. Diese Tiefenwasserbildung in den Absinkzonen verstärkt wie eine Pumpe die gesamte Zirkulation des Meerwassers. Das kalte Tiefenwasser strömt zurück in Richtung Äquator.

Zwischen den Meeresströmungen und der Luft besteht ein intensiver Wärmeaustausch. Das in der Äquatorregion aufgewärmte Wasser gibt in höheren Breiten seine überschüssige Wärme an die Luft darüber ab. So wird beispielsweise die Wärme, die der Golfstrom (und der Nordatlantikstrom) in den Norden transportiert, durch die Tiefdruckwirbel der Westwindzone nach Europa gebracht. Dem Golfstrom verdanken wir also unser vergleichsweise mildes Klima.

Jens Christian Heuer

Quellen:

Geo Special Nr. 2 Wetter 1982
Manfred´s Wetterseite (
www.met.fu-berlin.de/~stefan/sturm3.pdf)
Wasserplanet Ernst-Georg Beck (
http://www.biokurs.de/treibhaus/)
Water Planet Nicholas Short (
http://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect14/Sect14_1a.html)
Homepage Stefan Rahmstorf (
http://www.pik-potsdam.de/~stefan/
)
und nicht zu vergessen: der Diplom-Meteorologe Klaus-Eckart Puls aus Bad Bederkesa !

Written by jenschristianheuer

Dezember 22, 2006 at 8:00 pm

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