Donnerwetter

2 Die Atmosphäre

2.1 Der Aufbau der Atmosphäre

Die Erde ist von einer Lufthülle umgeben, die Atmosphäre genannt wird. Sie besteht aus einem Gasgemisch, wobei Stickstoff (N2) mit 78%Volumen den größten Anteil ausmacht. Sauerstoff (O2) ist mit rund 21% vertreten. Daneben finden sich in der Luft noch Spuren der Edelgase Argon, Neon, Helium, Krypton und Xenon. Meteorologisch wichtigster Bestandteil ist das Wasser.

Abb. 2.1: Die Atmosphäre

Dessen Konzentration schwankt stark von 0% bis 4%. Dazu kommen noch Spuren von Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO2), Methan (CH4), Ozon (O3) u.a..

Die Atmosphäre wird in verschiedene Schichten aufgeteilt, wobei das Wettergeschehen und das zivile Fliegen in der sogenannten Troposphäre bis rund 15 km Höhe stattfinden.

Der Temperaturverlauf sinkt bis zur Tropopause auf ungefähr minus 55 °C. Aufgrund der Absorption von UV-Strahlung durch die Ozonschicht steigt die Temperatur in der anschließenden Stratosphäre an. In etwa 50 km Höhe herrscht fast wieder die gleiche Temperatur wie am Boden! Die Atmosphäre reicht bis in rund 640 km Höhe, wobei die Gasdurchmischung nur bis rund 100 km Höhe gleich ist (Homosphäre). Ab einer Höhe von 80 km (NASA), respektive 100 km (FAI), beginnt nach deren Definition der Weltraum.

2.1.1 Die Tropopause

Zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre besteht eine Trennschicht. Diese Schicht wird Tropopause1 genannt. Sie ist durch eine deutliche Veränderung im Temperaturverlauf geprägt und ist die wichtigste Grenzschicht der Atmosphäre. Die Tropopause stellt eine dünne, aber beständig über den gesamten Globus verlaufende Inversionsschicht dar. Die Tropopause ist sehr wichtig für die Erde. Darunter regnet fast der gesamte Wasserdampf ab, und es kann kaum Wasser durch die Tropopause in die oberen Schichten und letztendlich in den Weltraum entweichen. Ohne diese Sperrschicht würde die Erde in kurzer Zeit ihr gesamtes Wasser verlieren.

2.1.2 Die Troposphäre

Die Troposphäre reicht vom Erdboden bis zur Tropopause. Sie ist an den Polen nur etwa 8km dick, erreicht aber am Äquator eine Höhe von bis zu 16km. Ferner unterliegt ihre Ausdehnung jahreszeitlichen Schwankungen. In Europa schwankt sie von Winter bis Sommer zwischen einer Höhe von 10 bis 12km. In der Troposphäre finden sich rund 90% der gesamten Luft des Planeten, sowie fast das gesamte Wassergas der Atmosphäre. Da sich in der Troposphäre der Großteil des Wetters abspielt, spricht man auch von der Wetter-oder Advektionsschicht. Die Troposphäre wird nur in geringem Maß durch Absorption in Wasserdampf, Staub usw. durch die Sonne erwärmt. Der größte Teil der Wärme wird von der Erde aufgenommen. Dies ist einer der Gründe, warum die Lufttemperatur in der Troposphäre im Schnitt um rund 0,65 °C pro 100m abnimmt.

2.1.3 Die konvektive Grundschicht

Die konvektive Grundschicht2 auch Peplosphäre genannt,3 bildet den untersten Teil der Troposphäre und somit auch den hauptsächlichen Lebensraum des Menschen. In der Grundschicht hat die Sonneneinstrahlung die größten Auswirkungen. Dies führt zu den thermischen Austauschvorgängen, die nutzbare Aufwinde generieren. Das Gelände gibt aber nicht nur Wärme an die Luft ab, es hat auch einen großen Einfluss auf die lokale Windentstehung. Der geostrophische Wind wird durch Reibung gebremst und weht nicht mehr wie in der freien Atmosphäre parallel zu den Isobaren, sondern in Bodennähe nun in Richtung des tiefen Luftdrucks. Die Windrichtung erfährt also in der nördlichen Hemispäre mit zunehmender Höhe eine Abweichung nach rechts.

Die Grundschicht ist die Wetterschicht, in welcher Gleitschirme und Hängegleiter hauptsächlich fliegen. In der Grundschicht kommt es häufig zur Bildung einer Dunstschicht, bedingt durch Anreicherung von Aerosolen. Die Höhe der Konvektionsschicht ist abhängig vom Gelände. Die Obergrenze ist deshalb in den Alpen höher, als im Flachland. Im Modell (Abb. 2.2) ist die Grenze bei rd. 1.500m eingezeichnet. An dieser Grenze findet sich an etwa 50% aller Tage eine Inversion, die sogenannte Peplopause (s. Kapitel 2.1.4). Sie entsteht durch Absinken von Luft aus größerer Höhe. Während dieses Absinkens erwärmt sich diese Luft adiabatisch um 1 °C pro 100m, kumuliert so unter sich die Wärme und bildet eine Inversion. Als stabile Schicht unterbindet diese Inversion den vertikalen Luftaustausch fast gänzlich. Unter ihr findet hingegen ein reger Austausch der Luftmassen statt. Diese Durchmischung führt dazu, dass der Temperaturgradient bis 1 °C pro 100m annimmt, was die Thermikentwicklung fördert. Weil sich auch die Feuchtigkeit gut durchmischt, ist der Gradient des Taupunktes bis zur Peplopause rd. 0,2 °C pro 100m.

Abb. 2.2: Grundschicht der Troposphäre

2.1.4 Die Peplopause

Die Peplopause ist eine Grenzfläche, bedingt durch Absinkprozesse von Luft aus größerer Höhe. Normalerweise setzen sich diese Absinkvorgänge nicht bis zur Erdoberfläche durch und es entsteht eine Inversion auf 1.000m bis 2.000m über Grund. Die Peplopause begrenzt die darunterliegende atmosphärische Grundschicht (planetary boundary layer) von der freien Atmosphäre. Peplopausen sind relativ häufig anzutreffen. Sie bilden sich im Winter an ca. 55% der Tage und im Sommer an etwa 35% der Tage.4 Unter der Peplopause bildet sich vielfach ein eigenständiges Wetter aus, da der Luftaustausch mit der darüber liegenden Schicht eingeschränkt ist. Thermiken werden an ihr gebremst oder sogar gestoppt. Windsysteme unter der Peplopause können, speziell bei weiter absinkender Inversion, beschleunigt werden.

2.2 Strahlungshaushalt der Erde

Die kurzwellige Sonnenstrahlung wird zu rund 30% von Atmosphäre und Erde wieder in den Weltraum reflektiert. Die Albedo5 der Erde entspricht deshalb 0,3. Von den verbleibenden 70% werden rund 20% von der Atmosphäre und 50% von der Erde absorbiert. Diese Energie wird dann wieder durch Konvektion und Wärmestrahlung an die Lufthülle abgegeben und bewirkt so das Wettergeschehen. Abb. 2.3 ist nicht maßstabgetreu, veranschaulicht aber den Prozess des Strahlungshaushaltes.

Abb. 2.3: Strahlungsbilanz

2.3 Eigenschaften der Luft

Wie bereits erwähnt, ist die Luft ein Gasgemisch. Luft lässt sich komprimieren und kann je nach Druck und Temperatur unterschiedlich viel Wasser aufnehmen. Im Mittel sind es zwar nur 0,4 %, allerdings verursacht und beeinflusst dieser scheinbar geringe Teil im Wesentlichen das Wettergeschehen. Die Molekülmasse von Wasser6 entspricht nur 62,5% der Luft. Wasserhaltige Luft ist deshalb leichter als trockene und kann gegenüber trockener Luft aufsteigen. Weiter enthält die Luft kleine Staubteilchen, die bei der Kondensation von Wassergas eine Rolle spielen. Die Gesamtmasse der Luft (trocken) beträgt 5,135 x 1015 Tonnen, also 5,135 Peta (Billiarden) Tonnen.7

2.4 Luftdruck und Luftdichte

Die Luft übt unter dem Einfluss der Schwerkraft einen Druck auf die Erdoberfläche aus. Man kann sich dazu eine Luftsäule vorstellen, bei der sich die Gewichte der übereinanderliegenden Luftmoleküle addieren, um schließlich den Bodendruck bzw. das Gewicht pro gegebener Fläche am Boden zu erzeugen. Der Luftdruck am Boden hängt von der Höhe der darüber befindlichen Luftsäule, sowie von der Temperatur und Luftdichte ab. Weil sich Luft (im Gegensatz z.B. zu Wasser) komprimieren lässt, ist die Luftdichte am Boden am höchsten. Umgekehrt nimmt sie in nichtlinearer Weise mit zunehmender Höhe schnell ab. Torricelli8 hat diesen Umstand als erster beschrieben. Indem er ein mit Quecksilber gefülltes, einseitig verschlossenes Rohr in eine ebenfalls mit Quecksilber gefüllte Wanne tauchte, konnte er den, auf das in der Wanne befindliche Quecksilber wirkenden Luftdruck messen. Dieser Luftdruck war so groß, dass er die Säule in 760 mm Höhe halten konnte. Von Torricelli ist auch die heute veraltete Druckbezeichnung Torr abgeleitet. Ein Torr entspricht 1 mm Hg, also dem Gewicht, das eine 1 mm hohe Quecksilbersäule ausübt.

760 Torr (die o.g. 760mm) sind demnach 1.013 hPa (= 1atm =1,013bar = 1.013,0 mbar) und entsprechen dem mittleren Luftdruck auf Meereshöhe.

Der Luftdruck sollte nicht mit der Luftdichte verwechselt werden. Die Luftdichte bezeichnet das Gewicht der Luft bezogen auf das...