Wie entsteht überhaupt das Wetter?

Der "Motor" unseres Wetters ist die Sonne. Dieser Himmelskörper stellt das Zentralgestirn unseres Planetensystems dar. In ihrem Inneren entsteht durch Kernfusion Energie. Diese Energien werden als. elektromagnetische Schwingungen freigesetzt, zu denen neben einer Vielzahl von anderen Unterarten auch das sichtbare Licht zählt. Trifft diese nun auf die Erde auf, dann allerdings nicht überall gleichmäßig , sondern mit unterschiedlicher Steilheit je nach Region, was auf der Kugelform der Erde beruht. Bei einem steileren Einfallwinkel der Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche verteilt sich die Energie auf einer relativ kleinen Fläche, steht die Sonne schräg, verteilt sie sich auf eine dementsprechend grössere Fläche. Aus diesem Grund haben wir in Äquatornähe (steiler Strahlungseinfall) ein heisses Klima, in Polnähe (flacher Einfallwinkel) ein kaltes.

Dass es am Äquator aber nicht immer heisser wird und in Polnähe nicht immer kälter, dafür sorgt unsere Atmosphäre. Heisse Luft hat nämlich die Eigenschaft aufzusteigen, da sie leichter wird, kalte Luft hingegen ist schwer und sinkt zum Boden hin ab. Durch das Aufsteigen der Luft am Äquator entsteht dort allerdings ein Luftdefizit am Boden, ein Unterdruck. An den Polen ist es umgekehrt, dort entsteht ein Überdruck, da die schwere (kalte) Luft dort zum Boden hin absinkt. Die Atmosphäre versucht diesen Druckunterschied ständig auszugleichen, , daher strömt von den Gebieten höheren Luftdrucks (den Polen) ständig Luft zu den Gegenden niederen Luftdruckes (Äquator). Diese Bewegung wird durch eine Gegenströmung in grosser Höhe über dem Boden kompensiert, da hier die Verhältnisse genau umgekehrt sind: grosse "Luftmengen" in grosser Höhe über dem Äquator (die ja vorher vom Boden aufgestiegen sind), Luftdefizit in grosser Höhe über den Polen .

Wetter ist also - vereinfacht ausgedrückt- eine Ausgleichsbewegung der Atmosphäre zum Temperaturgegensatz.
Zu diesen sehr vereinfacht dargestellten Verhältnissen kommen Modifikationen durch Wasser-Land-Verteilung, Erdrotation, Vegetationsbedeckung, Relief und schließlich noch die Tages- und Jahreszeiten hinzu.

Tages- und Jahreszeiten:

Wie kommt es nun dazu, dass sich Sonnenstand und Tageslänge binnen eines Jahres ständig verändern?

Dazu muss man wissen, dass die Erde ein Planet mit einer geneigten Polachse ist. Diese Achse (Verbindung von Pol zu Pol) steht nicht genau lotrecht auf der Ebene, die die Zugbahn der Erde um die Sonne projiziert (Skizze), sondern um 23,5° versetzt . Diese geneigte Polachse ist zwar feststehend, doch durch die Rotation der Erde um die Sonne verändert sich die Neigung der Tagseite der Sonne gegenüber. Die Sonne bescheint so während eines halben Jahres die Nordhälfte intensiver, während der anderen Jahreshälfte den Süden. Zweimal jährlich steht die Erde so, dass auf der Tagseite die Nord- und Südhalbkugel gleichmäßig beschienen werden und die Sonnenstrahlung genau senkrecht auf den Äquator trifft. Diese Tage werden als Tag-und-Nachtgleichen, oder wissenschaftlich, als "Äquinoktien" bezeichnet. Sie fallen auf den 21. März und den 23. September. Außerdem gibt es noch zwei Punkte im Laufe eines Jahres, an denen die Sonne einmal an der nördlichsten Position ihren Zenit- (Senkrecht-) Stand erreicht, ein anderes Mal an der südlichsten. Da die Sonne an disem Punkt immer wieder scheinbar "umkehrt", werden diese Zeiten auch als Sonnenwenden oder Solstitien bezeichnet. Sie fallen auf den 21. Juni (Nordsommer) und 21. Dezember (Südsommer). Bescheint die Sonne stärker die nördliche Halbkugel, steht sie auch in unseren Breiten steiler, was mehr Energie und mehr Wärme bedeutet, ist ihr die Südhalbkugel zugewandt, steht die Sonne in unseren Breiten flacher und es ist Winter. Den Unterschied bemerkt Jeder, der sein Gesicht schon einmal an einem klaren Wintertag in Richtung Sonne gewandt hat. Die dann flach stehende Sonne verfügt kaum über wärmende Kraft im Gegensatz zum Sommer, wenn sie steil steht und alles stark erhitzt. Die unterschiedliche Tageslängen kommen zustande, indem die Sonne auf der ihr zugewandten Halbkugel auf die geographische Breite bezogen, größere Teile der Erdoberfläche beleuchtet. Dies wird um so auffälliger, je näher man dem Pol der entsprechenden Halbkugel kommt. Dadurch verkürzt sich die Nacht, der Tag verlängert sich. Auf der sonnenabgewandten Halbkugel verhält es sich umgekehrt.

Atmosphärischer Luftdruck und Strahlung

Nach den Überlegungen, die wir über die Jahreszeiten und Tageszeiten angestellt haben, müssen wir uns nun wieder der Atmosphäre, zuwenden, um an das oben angesprochene Basismodell des Wetters anzuknüpfen.
Die Atmosphäre versucht, verschiedene Energiebilanzen, Drücke und Temperaturen auszugleichen. Der in den Wetterberichten häufig strapazierte Begriff des Luftdruckes beruht auf dem "Gewicht" der Luft und hat indirekt mit Einstrahlung und Energiebilanz zu tun. Luft ist zwar leicht, aber dennoch nicht schwerelos. Eine 350km hohe Luftsäule drückt mit einem Gewicht von etwa 1 kg pro Quadratzentimeter auf die Erdoberfläche (auf Meereshöhe), was einem Druck von 1 bar oder 1000 Millibar entspricht. Wir kennen die Bezeichnung Millibar aus dem Fernsehen. Haben wir in einer Region starke Einstrahlung und damit eine Erwärmung der Luft, steigt diese auf. Da sie sich damit von der Erde fortbewegt, sinkt ihr Druck auf die Erdoberfläche. Wir sprechen von tiefem Luftdruck. Umgekehrt ist es in einer Gegend, in der Luft Wärme verliert (z.B. nachts). Sie sinkt dadurch zum Boden hin ab und übt so stärkeren Druck auf die Erdoberflächen hin aus. Wir sprechen von Hochdruck.

Luftdruck und Wind:

Die Atmosphäre versucht immer, solche Gegensätze auszugleichen. Wenn nun in einer Region ein hoher Druck herrscht und in einer anderen ein niedriger, bedeutet dies vereinfacht, dass in Ersterer ein "Luftüberschuss" herrscht und in der anderen Region ein "Luftdefizit".

Gradient:

Den Unterschied zwischen den Luftdrücken der beiden Regionen bezeichnet man auch als "Gradient", was wörtlich übersetzt "Gefälle" bedeutet. Die herrschende Ausgleichsbestrebung der Atmosphäre lässt sich mit einem einfachen Experiment am sinnvollsten beschreiben. Hat man in einem Zimmer auf der einen Seite ein geöffnetes Fenster und auf der anderen eine laufende Heizung, besteht ein Temperaturunterschied (oder: Gradient) zwischen beiden Zimmerseiten. Kühle Luft strömt zum Fenster ein, sinkt aufgrund ihrer Schwere zum Boden hin ab und zieht zur anderen Zimmerseite hin. Dort trifft sie auf die Heizung, die nun die Luft erheblich erwärmt. Folglich steigt sie auf und erreicht die Zimmerdecke und strömt dort wieder zum -Fenster hin. Auf dem Boden strömt gleichzeitig kühle Luft zur heißen Zimmerseite,. Ein künstliches Drucksystem wurde erschaffen. Sobald ein Temperaturausgleich innerhalb des Raumes erreicht würde, würde auch das Strömungssystem in sich zusammenbrechen. Dies wäre beim Ausstellen der Heizung gegeben, was in unserer Atmosphäre dem Untergehen der Sonne entsprechen würde, oder beim schließen des Fensters.

"Gutes" und "Schlechtes" Wetter:

Was hat ein beheiztes Zimmer mit dem Wetter zu tun? Nun, in ihm entstehen auch sowohl "Hochdruck" als auch "Tiefdruck". In der Atmosphäre allerdings stellen sich Phänomene ein, die wir tatsächlich mit Hochdruck bzw. Tiefdruck assoziieren können. Im Allgemeinen verbinden wir den Begriff "Hoch" mit Schönwetter, "Tief" hingegen mit Schlechtwetter (Regenwetter). Was ist daran dran? Wir haben bereits gesagt, dass absinkende Luftmassen zu hohem Druck führen. Nun erwärmen sich sinkende Luftmassen, und ihre Fähigkeit, Wasser zu binden, wächst dabei an.. Bindet die Luft mehr Wasser, bringt sie Wolken zur Auflösung. Die Sonne scheint. Daher verbinden wir "Hochdruck" auch mit Schönwetter. Beim Tief verhält es sich genau umgekehrt: Luft steigt auf, kühlt ab und in ihr enthaltener Wasserdampf kondensiert, sobald der Sättigunspunkt (Wissenschaftlich: Taupunkt oder Kondensationsniveau) überschritten ist: eine Wolke entsteht, aus der vielleicht auch einmal Regen fällt.

Wolken und Niederschlag:

Eine Wolke entsteht, indem sich aufsteigende Luft abkühlt. Irgendwann gerät sie an einen Punkt, an dem sie nicht mehr Wasser aufnehmen kann, als sie bereits enthält. Diesen Punkt nennt man Taupunkt. Kühlt sie noch weiter ab, kondensiert bereits gebundenes (gasförmiges) Wasser aus und lässt eine sichtbare Wolke entstehen. Man unterscheidet verschiedene Arten von Wolken. Die einfachste Unterscheidung erfolgt nach Wasser- und Eiswolken, Letztere bestehen aus gefrorenem (sublimiertem) Wasserdampf. Entgegen unserer Allgemeinen Vorstellung kann es nur aus solchen Wolken zu Niederschlägen (ausser Nebelnässen, Sprühregen) kommen, mit Ausnahme der Tropen, wo auch aus reinen Waserwolken intensiver Regen fallen kann. Eine weitere Unterteilung wird nach der Höhe vorgenommen, wobei man tiefe, mittelhohe und hohe Wolkentypen abgrenzt. Es gibt auch Übergangsformen. Eine weitere Unterteilung wurde nach der Form vorgenommen, hier griffen die Wissenschaftler auf lateinische Spezialnamen zurück, von denen vielleicht einige bekannt sind: Die Grundnamen lauten Cirrus, Stratus, Cumulus und Nimbus. Cirruswolken werend auch als Schleierwolken bezeichnet. Die feinen, fadenförmigen Gebilde, die bei Schönwetter gelegentlich über den Himmel ziehen, oder der sich verdichtende weisse Schleier bei einer näherkommenden Warmfront tragen diese Bezeichnung. Stratus werden auch Schichtwolken genannt. Sie lassen den Himmel mattgrau erscheinen und verdecken die Sonne häufig nicht völlig. Oft kann man um sie einen Hof (Halo) beobachten. Sie künden von schlechtem Wetter. Cumulus sind uns allen unter dem Namen Haufenwolken, oder poetischer: Schäfchenwolken bekannt. An heißen Sommertagen quellen sie gegen Mittag aus dem bis dahin ungetrübten himmelsblau hervor. Gelegentlich wachsen sie kräftig in die Höhe, verdüstern das ganze Firmament und entladen sich in kräftigen Gewittern. Dann werden sie allerdings als Cumulonimbus bezeichnet. Nimbuswolken sind Regenwolken, die in reiner Form eigentlich keinen Zugang in den Wetterjargon gefunden haben. Man verknüpft den Namen Nimbus mit anderen Wolkengruppen, ausser den Cumulonimbus wären noch die Nimbostratus zu erwähnen. Sie bringen das typische Grau-in-Grau von langandauernden Landregen.

Niederschläge wie Regen und Hagel entstehen, wenn Eiskristalle, die zunächst mikroskopisch klein sind, zu fallen beginnen, in tieferer Höhe aufgrund der höheren Temperaturen schmelzen und sich mit Wassertröpfchen verbinden, von Höhenwinden wieder nach oben gerissen werden. dort erneut gefrieren u.s.f.. Dieser Prozess wiederholt sich so lange, bis der Tropfen so schwer wird, dass er zu Boden fällt. Bei Hagel geschieht dieser Prozess so plötzlich. dass der Eiskern auf dem Weg nach unten nicht mehr schmilzt. Bei Schnee lagern sich auf dem Weg des Eiskristalles durch die Luft keine weiteren Wolkentröpfchen mehr an.

Wärme und Temperatur:

Physikalisch betrachtet, ist Wärme ein Abfallprodukt, das bei der Umwandlung von einer Energieform in eine andere freigesetzt wird. Ein Beispiel hierfür wäre die Abwärme, die frei wird, wenn Autos die in Benzin gespeicherte "fossile" Energie in kinetische oder Bewegungsenergie umwandelt. In diesem Falle wird die Abwärme noch genutzt, um die Heizung anzutreiben. Die physikalische Messgrösse zur Bestimmung der Wärme ist die Temperatur.

Die uns Mitteleuropäern geläufigste Skala zur Wärmemessung ist die schon erwähnte Celsiusskala, die im 18. Jahrhundert von dem Skandinavischen Physiker Anders Celsius entwickelt wurde. Daneben existieren noch die Fahrenheit-Skala (in Angelsächsischen Ländern, auf dem Rückzug), die veraltete Reoumur-Skala sowie die Kelvin-Skala, die als Nullpunkt die tiefste physikalisch mögliche Temperatur, den sogenannten absoluten Nullpunkt, hat. In Celsiusgraden entspräche dieser einer Temperatur von etwa -273,15°C, was eben 0° Kelvin wären.

Die Temperatur auf der Erdoberfläche nimmt vom Äquator zu den Polen hin ab, allerdings mit gewissen Modifikationen. So kann es in den Wüsten rund um die Wendekreise im Sommer wesentlich heisser werden als direkt am Äquator, da die Strahlung genauso hoch ist, die Luft über diesen Regionen aber absinkt (subtropischer Hochdruckgürtel) und kaum Feuchtigkeit enthält, was die Sonnenstrahlung ungehindert die Erdoberfläche erreichen lässt. Die Mittlere Temperatur auf Meeresniveau liegt bei +15°C, absolute Extremwerte sind +58,0°C (Libysche Wüste) und -89,2°C (Vostok in der Antarktis).