1. Elemente des Wetters

1.1 Atmosphäre und Luftdruck

Ohne Atmosphäre kein Leben

Die Atmosphäre - von altgriechisch ?tµ?? (atmós, dt. "Dampf") und sfa??a (sfaira, dt. "Kugel") ist die Gashülle unserer Erde. Ohne sie gäbe es kein Leben auf diesem Planeten. Zum einen, weil ihre Ozonschicht den tödlichen, harten Anteil an der solaren Ultraviolettstrahlung herausfiltert. Zum anderen, weil ihre Gase dafür sorgen, dass auf der Erde anstatt lebensfeindlicher -18 °C eine Durchschnittstemperatur von +15 °C herrscht. Das wird als (natürlicher) Treibhauseffekt bezeichnet. Ohne die Erdatmosphäre und die Sonneneinstrahlung bliebe der Menschheit auch eine der schönsten Sportarten, der Wassersport, vorenthalten. Die gemäßigten Temperaturen ermöglichen den Aggregatzustand des Wassers in flüssiger Form, und damit auch Seen und Meere. Und wie später noch ausgeführt wird, führt die Kugelgestalt der Erde zu einer unterschiedlichen, von der Breitenlage abhängigen Erwärmungskraft der Sonne. Dies wiederum bewirkt Luftdruckunterschiede. Die Luftdruckunterschiede sind die Ursache des Windes, der das Wasser bewegt, unsere Segel füllt und ihnen Antrieb verleiht (ab S. 16).

Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Luft der Erde setzt sich aus verschiedenen Gasen zusammen. 99,9 % dieses Gasgemischs nehmen Stickstoff (78 %), Sauerstoff (21 %) und das Edelgas Argon (0,9 %) ein. Die restlichen 0,1 % teilen sich eine Reihe von Spurengasen unter sich auf - zu ihnen gehören zum einen die klimarelevanten Elemente Ozon und Kohlendioxid. Zum anderen der Wasserdampf, der in all seinen drei Aggregatzuständen nicht nur maßgeblich unser Klima, sondern auch den täglichen Wetterablauf mitgestaltet.

Der Wasserdampf beeinflusst wesentlich den Wärme- und Energiehaushalt der Atmosphäre. Er verwandelt sich in Wolken, Nebel und Niederschläge und ist damit auch ein Faktor der Sonnenscheinbedingungen und der Erwärmung auf der Erde. Die unterschiedlichen Temperaturverhältnisse auf der Erde steuern die großräumigen Luftmassentransporte, die besonders in den mittleren Breiten für den lebhaften Wetterwechsel verantwortlich zeichnen.

Der vertikale Aufbau der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist dank der großen Anziehungskraft des Erdkörpers ein fester Bestandteil unseres Planeten. Die Erdanziehung verleiht der Atmosphäre ein Gewicht, welches der Luftdruck ist. Aufgrund der geringen Molekülmasse am Oberrand der Atmosphäre und der dort sehr geringen Gravitationskraft ist ihr Übergang in den interplanetaren Raum nur schwer zu bestimmen. Er findet quasi fließend in Höhen von 500 bis 800 km statt.

Der höchste Druck der Atmosphäre wird an der Erdoberfläche gemessen. Er nimmt von der Erde aus mit der Höhe ungleichmäßig, also nicht linear, ab. Der vertikale Druckgradient beläuft sich in den untersten Luftschichten auf rund 1 Hektopascal pro 8 Höhenmeter, und ist damit viel größer als weiter oben in der Atmosphäre. Bereits in 5500 m Höhe wird etwa die Hälfte der atmosphärischen Gesamtmasse angetroffen, das heißt, dass hier der Luftdruck nur noch 50 % des am Boden gemessenen Drucks beträgt.

Der vertikale Temperaturgradient dagegen ist sehr unterschiedlich. Er ist die Grundlage für die Einteilung der Atmosphäre in sogenannte "Stockwerke".

Die Troposphäre nimmt rund 80 % der Atmosphärenmasse ein, ihre Obergrenze heißt Tropopause. In dieser Schicht der Atmosphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe für gewöhnlich ab, da die Umwandlung der solaren Strahlungsenergie in Wärme hauptsächlich am Erdboden stattfindet. Aufgrund der mit der Wärme zunehmenden Expansion der Luftmoleküle hat Warmluft einen größeren Platzbedarf als Kaltluft. So reicht die Troposphäre über den Polen nur bis in 7-8 km Höhe, in den Tropen dagegen ist die Troposphäre 16-18 km hoch.

In dieser untersten Atmosphärenschicht spielen sich alle wesentlichen Wettervorgänge ab. Denn nur hier ist genug Wasserdampf für Wolken und Niederschläge vorhanden, und im Zusammenwirken mit der vertikalen Temperaturabnahme, die das für unser Wetter wichtige Auf- und Absinken von Luftmassen begünstigt, vollzieht sich hier das wechselhafte Wettergeschehen auf der Erde. So nennt man die Troposphäre auch die Wettersphäre unseres Planeten.

Das nächsthöhere Atmosphärenstockwerk wird Stratosphäre genannt. Sie ist durch eine zunehmende Temperatur mit der Höhe gekennzeichnet. Dafür ist die hohe Konzentration von Ozon, vor allem in 25-50 km Höhe, verantwortlich. Das Ozon schützt uns vor dem lebensgefährlichen Anteil der UV-Strahlung, indem es diese Strahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt. Gemäß der Nomenklatur wird die Obergrenze der Stratosphäre Stratopause genannt.

Oberhalb der Stratopause befindet sich die Mesosphäre. Mit zunehmender Entfernung von der aufgeheizten Ozonschicht nimmt die Temperatur in diesen Höhen wieder ab.

Die äußerste Schicht unserer Atmosphäre ist die Thermosphäre. Dort steigt die Temperatur wieder an, auf über 100 °C, in ihrem obersten Bereich sogar über 1000 °C. Verursacht wird die starke Aufheizung durch die Röntgenstrahlung und die ungefilterte, extreme UV-Strahlung der Sonne. In dieser größtenteils ionisierten Luftschicht findet die Reflexion der Rundfunkwellen statt, was Ausstrahlungen über große Distanzen hinweg möglich macht. Meteore beginnen in diesen Höhen ihre Leuchtspur. Elektrisch geladene solare Teilchen kollidieren in großer Zahl und Intensität über den Polarregionen mit den irdischen Stickstoff- und Sauerstoffatomen und lösen Polarlichter aus.

Der Luftdruck in Meereshöhe

Die Masse der Atmosphäre ist gegeben durch die Summe ihrer Moleküle. Sie übt einen Druck aus, der von der Molekülmasse und der Temperatur abhängt. In Meereshöhe beträgt der Luftdruck 1013 hPa (Hektopascal). Dieser Wert gilt für eine Standardatmosphäre mit 15 °C in Erdbodennähe und ist raumzeitlich gemittelt über die ganze Erde. Das Auf und Ab des Luftdrucks, wie wir es tagtäglich erleben, und auch die regionalen Luftdruckunterschiede, wie sie in den Wetterkarten zum Ausdruck kommen, sind das Ergebnis unterschiedlicher Temperatur- und Windverhältnisse in der Atmosphäre. Diese verdichten die Molekülmassen oder dünnen sie aus - was sich in den wechselhaften Luftdruckbedingungen äußert (S. 56).

Der Luftdruck ist für den Wassersportler das Schlüsselelement in der Atmosphäre. Luftdruckunterschiede bringen die Luft in Bewegung, sie erzeugen den Wind und lassen über ihn je nach Temperatur- und Feuchtebedingungen Wolken entstehen und vergehen.

Die konventionelle Messung des Luftdrucks erfolgt mit dem Barometer. Es gibt verschiedene Verfahren. Ihr Messprinzip basiert auf dem Vergleich Vakuum vs. Normaldruck. Die Differenz lässt sich anhand von Flüssigkeitssäulen oder einer Verformung von Druckdosen, die auf ein Zeigerwerk übertragen wird, auf Skalen anzeigen.

Die Einheit der Druckmessung ist das Pascal. Gemäß der typischen Druckwerte wird der Luftdruck im 100-fachen der Einheit, in Hektopasacal (hPa), angegeben.

Barografen sind Barometer, die den Luftdruck auf einem mit einer Skala versehenen Registrierungsstreifen, der sich auf einer rotierenden Trommel befindet, auftragen. Die kontinuierliche Aufzeichnung des Drucks führt zu einer Linie auf dem Registrierungsstreifen, dem sogenannten Barogramm. Da für die Beurteilung der Wetterentwicklung die zeitliche Änderung des Luftdrucks, die Luftdrucktendenz, weitaus wichtiger ist als der einzelne am Barometer abgelesene Wert, sind Barografen für den Wassersportler das Mittel der Wahl, um die künftige Wetterentwicklung einschätzen zu können (S. 135, 139).

An den amtlichen Wetterstationen zählt der Luftdruck zu den Standardmessgrößen. Aus dem räumlichen Muster der Luftdruckwerte erstellen die Wetterdienste die Wetterkarten zu bestimmten Messterminen (meist 0, 6, 12 und 18 Uhr Weltzeit). Im einfachsten Fall (automatisch erstellte Luftdruckkarten) enthalten diese als Overlay über eine geografische Karte subkontinentalen Maßstabs (zum Beispiel Europa mit angrenzendem Nordatlantik) Linien gleichen Luftdrucks (Isobaren), reduziert auf die Meereshöhe und im 5- oder 4-hPa-Abstand, sowie Markierungen des regional höchsten ("H") und tiefsten Luftdrucks ("T").

Es gibt Wetterkarten-Varianten, die...