[18]2    Meteorologische Grundlagen

2.1   Meteorologie als Wissenschaft

Seit jeher versteht man unter Meteorologie die »Lehre von allen Naturphänomenen, welche sich in der Schwebe, also zwischen dem Himmel und der Erde, abspielen« (Klose 2016). Sie gehört zu den Wissenschaften, die sich mit der Atmosphäre der Erde beschäftigen, aber auch naturgemäß Schnittstellen zu anderen Geowissenschaften hat. Meteorologie ist, einfach gesagt, die Lehre vom Wetter und seinen Erscheinungen (Wetterkunde), die den Zustand der Atmosphäre »um uns herum« zu beschreiben, zu erklären und vorauszusagen versucht.

Meteorologie ist die Lehre von den physikalischen Erscheinungen und Vorgängen in der Atmosphäre, die sich mit den unteren Teilen der Atmosphäre befasst, in denen sich fast alle das Wetter bestimmenden Vorgänge abspielen (weitere Definition z. B. in Dunlop 2008, S.166). Die Klimatologie ist hingegen die Lehre vom Klima und seinen Veränderungen. Klima wiederum ist die Gesamtheit der Wettererscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre sowie den durchschnittlichen Ablauf der Witterung an einem Ort oder in einem bestimmten Gebiet der Erdoberfläche charakterisieren.

Bild 2: Verschiedene Bereiche der Meteorologie

Um zu verstehen, wie Wetter z. B. in Mitteleuropa entsteht, sind insbesondere die allgemeine Meteorologie und die synoptische Meteorologie (Synoptik) von Bedeu[19]tung. Ohne das Grundlagenwissen über die verschiedenen Wetterelemente und ihre gegenseitige Abhängigkeiten funktioniert keine Wettervorhersage, um die sich im Wesentlichen die Synoptik kümmert.

2.2   Die Atmosphäre der Erde

Was ist nun Wetter und wie entsteht es? Wetter spielt sich in unserer Atmosphäre ab, deshalb ist die Meteorologie auch die »Wissenschaft über die Physik der Atmosphäre«. Bei der von der Schwerkraft eines Planeten fest gehaltenen Gashülle handelt es sich um die Atmosphäre, deren Zusammensetzung von der Größe, der Masse und der physikalisch-chemischen Zusammensetzung eines Himmelskörpers abhängig ist.

Die Erdatmosphäre ist im Vergleich zu Größe unseres Planeten erschreckend gering; es ist eine dünne Hülle innerhalb der sich die Erde befindet. Die Geschichte unserer Atmosphäre ist in gewisser Weise auch die Geschichte eines ewigen Kampfes zweier starker Komponenten, die beide lebenswichtig sind: Kohlenstoffdioxid (CO2) und Sauerstoff (O2). Gleichwohl betrachten wir die Luft, die uns in Form der Atmosphäre umgibt, meistens als leeren und im Vergleich zum Wasser eher nicht greifbaren Raum. Die Atmosphäre ist aber in Wirklichkeit eine Flüssigkeit, die sich in ständiger Zirkulation befindet, die Atmosphäre steht nie still. Diese globale atmosphärische Zirkulation ist grundlegend für das Leben, denn - das liegt im wahrsten Sinne in der Natur der Sache - sie gleicht die Wärmeenergie der Sonne aus und transportiert eben diese Wärme aus den Tropen, die die volle Sonnenkraft aufnehmen, zu Nord- und Südpol, wo die Sonnenstrahlung wesentlich geringer ist, weil sie in einem flachen Winkel auftrifft. Die Natur ist um Ausgleich bemüht. Die unermüdliche Bewegung der Atmosphäre wird dabei im Wesentlichen vom Temperaturunterschied zwischen Äquator und den beiden Polen bewirkt. Dieser unaufhaltsame Wärmeaustausch ist letztlich auch die Quelle von Wind, Regen, Blitzen, Donner und jedem anderem Wetterphänomen, das auf das Leben der Erde und seiner Bewohner einwirkt. Die Atmosphäre besitzt daher auch eine außergewöhnliche physische Kraft, die die Erde immer wieder einmal in Extrem- oder Unwetterereignissen ansatzweise zu spüren bekommt.

Obgleich sich die Menschheit in dieser dünnen Lufthülle bewegt und von ihr absolut abhängig ist, besteht sie zu 78 % aus dem eher lebensfeindlichen Stickstoff; der für uns Menschen absolut lebensnotwendige Sauerstoff macht gerade einmal »nur« 21 % der Atmosphäre aus. Die restlichen 1 % verteilen sich auf Edelgase (< 1 % Argon, Neon etc.) und Kohlenstoffdioxid (ca. 0,03 %) sowie auf Spuren von [20]Wasserdampf, Ozon und sog. bodennahe Beimengungen (Staub, Verbrennungsprodukte, Salzkristalle, Bakterien, Luftkeime).

Bild 3: Die Zusammensetzung der Atmosphäre (Quelle: Bildungsserver Hamburg)

Wie in den Bildern 4 und 5 zu sehen ist, besteht die dünne Hülle aus verschiedenen Schichten. In der untersten Schicht, der Troposphäre, spielt sich das Wettergeschehen ab. Die Erdoberfläche und die bodennahen Bereiche werden durch die Sonne als Energiegeber und Motor allen Wettergeschehens erwärmt und geben eben diese Wärme immer wieder an die Atmosphäre ab. Mit zunehmender Höhe jedoch nimmt die Lufttemperatur innerhalb der Troposphäre mit ca. 0,5 °C pro 100 m wieder ab. Der Übergang zur nächsten Atmosphärenschicht bildet die sog. Tropopause, die sich im Bereich der Tropen in ca. 18 km Höhe, in den Mittelbreiten in ca. 10 km Höhe und an den Polen in ca. 8 km Höhe befindet. Danach folgt die Stratosphäre, in der die Temperaturen über eine größere Vertikaldistanz nahezu gleichbleibend sind. Hier befindet sich auch die Ozon-Schicht, welche die für uns gefährliche UV-Strahlung absorbiert; in diesem schmalen Bereich erhöht sich die Temperatur daher kurzzeitig. Die dann folgenden obersten Schichten der Atmosphäre (Mesosphäre, Ionosphäre, Exosphäre) spielen für das Wettergeschehen eher keine Rolle mehr.

[21]Bild 6 veranschaulicht (nicht maßstabsgerecht) den Aufbau der Atmosphäre. Um es anschaulich zu machen, wurden Piktogramme ergänzt, damit leichter erkennbar ist, in welchen Höhen sich welches Geschehen abspielt. Es ist deutlich, dass sich in den [22]unteren 20 km die meisten Bewegungen abspielen, darüber hinaus handelt es sich eher schon um Raumfahrt. Unser Wetter entsteht dabei in den untersten Schichten bis ca. 2 km Höhe (zum Vergleich: Der höchste Berg der Erde ist 8.848 m NN hoch).

Bild 4: Die Atmosphäre der Erde [zurück]

Bild 5: Die atmosphärischen Schichten - von Verkehrsflugzeugen bis zur ISS [zurück]

Bild 6: Der Schichtaufbau der Erdatmosphäre mit Temperaturschichtung und Ereignissen (Quelle. DWD-Wetterlexikon, www.dwd.de) [zurück]

2.3   Wetterelemente und Klimafaktoren

2.3.1   Eine kurze Übersicht

Wir allen wissen, dass Wetter spürbar und erfahrbar ist. Es gibt Elemente, die viele täglich messen und über die sich fast jeder durch die Nachrichten informiert: Luftdruck, Temperatur, Niederschlag u. v. m. Wir erfahren damit messbare meteorologische Erscheinungen in unserer Atmosphäre. Und diese Wetterelemente sind es, deren Zusammenwirken das tägliche Wettergeschehen ergibt. Hinzu kommen noch [23]jeweils geographische Besonderheiten eines Gebietes als sog. Klimafaktoren, die aber auch Einfluss auf das Wettergeschehen nehmen.

Wetter ist eben das aktuelle Zusammenspiel von Wetterelementen und Klimafaktoren zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Gebiet. Klima ist hingegen Wetterstatistik, also das langjährige, durchschnittliche Wettergeschehen eines (größeren) Gebiets in einem längeren Zeitraum (i. d. R. gemitteltes, durchschnittliches Wetter in 30 Jahren). Anders formuliert:

• Wetter ist das, was man sieht, wenn man aus dem Fenster schaut.

• Witterung erlebt man dann, wenn man ein paar Tage aus dem Fenster schaut.

• Und wenn man es sich mit dem Kissen unter den Ellenbogen so richtig bequem macht und 30 Jahre lang aus dem Fenster schaut, kann man sich durch die ermittelten Wetterstatistiken einen Eindruck des Klimas machen.

Tabelle 2 gibt einige Beispiele für Aspekte, die Einfluss auf die Wetter-, bzw. Klimasituation nehmen können.

Tabelle 2: Wetterelemente und Klimafaktoren [zurück]

Wetterelemente

Klimafaktoren

Strahlung (Sonnenstrahlung)

Luftdruck und Luftdruckentwicklung

Wind und Windverhältnisse

Temperaturen (2 m-Höhe, bodennah, Oberfläche)

Bewölkung

Luftfeuchtigkeit und Taupunkttemperatur

Niederschlag (Regen, Schnee, Hagel etc.)

Verdunstung

.

Höhenlage

geographische Lage (Breite/Länge)

Lage zu Meer oder (größeren) Gebirgen

Meeresströmungen

Vegetation und Vegetationsdichte

Bodenbeschaffenheit

Topographie

.

Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Luftdruck und Wind werden wir im Folgenden aufgrund ihrer Bedeutung für das Wettergeschehen näher betrachten.

[24]2.3.2   Die Lufttemperatur

Ein wesentliches Wetterelement ist die Lufttemperatur, die für viele Wettervorgänge maßgebend ist und die auch mitunter ein Wetterrisiko darstellen kann. Daher lohnt es, sich mit der Lufttemperatur eingehender zu befassen.

Strahlungsenergie der Sonne

Der Strahlungshaushalt der Erde wird durch die Sonnenstrahlung und die Strahlungsbilanz bestimmt. Die Oberflächentemperatur der Sonne liegt bei ca. 5.700 K, durch elektromagnetische Wellen erfolgt von der Sonne aus die Energieübertragung u. a. auch zur Erde. Hier kommt aber nur der zweimilliardste Teil der Gesamtenergie an. Die Strahlungsenergie oberhalb der Erdatmosphäre beträgt 1.360 W/m². Mit dem Durchgang der einfallenden Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre erfolgt ein Energieverlust

1. durch die sog. diffuse Reflexion...