Wetterelemente und ihre Messung

Als Wetterelemente bezeichnet man die natürlichen Einflüsse wie z.B. Niederschlag, Wind oder Luftdruck, die in Kombination das Wetter bzw. die jeweilige Wetterlage ausmachen. Um das Wetter verstehen und vorhersagen zu können, betrachtet und misst man die Wetterelemente einzeln. Auf der Grundlage der Gesamtheit dieser Messdaten kann man die Wetterlage zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort beschreiben.

Lufttemperatur

Unter Lufttemperatur versteht man normalerweise die Temperatur der bodennahen Luftschicht, gemessen in Grad Celsius (°C) oder Kelvin (ohne „Grad“ gesprochen). In den USA auch in Grad Fahrenheit (°F).

Die Temperatur der Luft wird im Wesentlichen von der Einstrahlung der Sonne beeinflusst, allerdings hauptsächlich indirekt: die Strahlen der Sonne durchdringen die Atmosphäre, wärmen das Land und das Meer auf und diese erwärmen größtenteils die Atmosphäre, das heißt: die Luft. Das heißt, auf dem Weg von der Sonne zur Erde erwärmen die Strahlen der Sonne die Luft nur wenig. Die Strahlen der erwärmten Erde (Infrarotstrahlen, die wir mit unseren Augen nicht sehen können) erwärmen auf dem Weg von der Erde weg die Atmosphäre stark.

Verschiedene Wellenlängen

Dieses unterschiedliche Verhalten beim Weg „nach unten“ und beim Weg „zurück in den Weltraum“ hängt mit der unterschiedlichen Wellenlänge der Strahlung zusammen. Die Abbildung zeigt, wie man sich die Wellenlängen vorstellen kann.

Es gibt dazu zwei einfache Grundsätze

1. Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273°C = 0 K) liegt, gibt Strahlung ab.
2. Je heißer ein Körper ist, desto kurzwelliger ist die von ihm abgegebene Strahlung.

Daraus folgt, dass sowohl die Sonne als auch die Erde Strahlung abgeben und dass die Strahlung von der Sonne kurzwelliger ist als die Strahlung, die die Erde abgibt (weil die Sonne heißer als die Erde ist).

Die Luft der Atmosphäre lässt die kurzwellige Sonnenstrahlung gut durch, hält aber von der langwelligen Ausstrahlung der Erde viel zurück, so dass diese langwellige Ausstrahlung länger in der Atmosphäre verweilt und die Atmosphäre erwärmt. Dies nennt man den natürlichen Treibhauseffekt. Ohne diesen Treibhauseffekt, läge die durchschnittliche Temperatur auf der Erde bei -18°C. Mit dem Treibhauseffekt liegt sie bei 15°C (siehe die folgenden Abbildungen).

Die Temperatur der Luft ist am Boden am höchsten und nimmt mit zunehmender Höhe ab. Das liegt zum einen daran, dass die Atmosphäre „von unten“ beheizt wird (durch die Erdoberfläche). Zum anderen nimmt der Luftdruck nach oben hin ab – und geringerer Luftdruck bewirkt ebenfalls niedrigere Temperaturen.

Luftdruck

Tiefdruckgebiet über Island

Der Luftdruck entsteht durch das Gewicht der Luft, die aufgrund der Erdanziehung auf die Erdoberfläche drückt. Jedes Objekt auf der Erde erfährt Druck von allen Seiten (auch von unten nach oben), weil die Gase der Atmosphäre frei beweglich sind.

Der Luftdruck hat großen Einfluss auf das Wetter, z.B. weil Druckunterschiede in der Atmosphäre zu Ausgleichsströmungen führen (diese nennen wir „Wind") und weil große Druckgebilde mit tieferem oder höherem Druck als in der Umgebung (Tief- und Hochdruckgebiete) bestimmte Wettererscheinungen verursachen. Auf den Satellitenbildern erkennt man gut die Tiefdruckgebiete, da sie ein spiralförmiges Erscheinungsbild besitzen. Die Ursache für dieses spiralförmiges Erscheinungsbild ist die Corioliskraft.

Messung

Der Luftdruck wird mit Barometern gemessen. Häufig verwendete Barometertypen sind Dosenbarometer und Flüssigkeitsbarometer. Die gängige Maßeinheit für den Luftdruck ist Hektopascal (hPa) oder Bar (bar). Der Normaldruck auf Meereshöhe beträgt 1013 hPa, was etwas mehr als 1 bar entspricht (1000 hPa = 1 bar).

Eine ältere Maßeinheit ist Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) – diese Maßeinheit beruht auf dem ersten entwickelten Barometer, das ein Flüssigkeitsbarometer mit Quecksilber als Steigflüssigkeit war und dessen Steighöhe in Millimeter angegeben wurde (s.u.).

Funktionsprinzip eines Dosenbarometers		Dosenbarometer Das Funktionsprinzip von Dosenbarometern beruht darauf, dass eine hohle Dose (meist aus Metall) vom Luftdruck verformt wird. Über einen Anzeigemechanismus, der an der Dose befestig ist, wird die Verformung auf einer Skala ablesbar. In der Dose herrscht ein Unterdruck, aber kein Vakuum. Diese Restluft in der Dose dient dazu, den Einfluss der Temperatur auf den Luftdruck auszugleichen. Der Luftdruck in einem geschlossenen Behälter steigt, wenn die Temperatur der Luft darin steigt. Dies gilt im Prinzip auch für die Atmosphäre, auch wenn hier andere Einflüsse dazu kommen.
Funktionsprinzip eines Flüssigkeitsbatometers		Flüssigkeitsbarometer Bei einem Flüssigkeitsbaromter wirkt der Luftdruck auf eine bestimmte Menge Flüssigkeit, die dadurch in einem Steigrohr steigt oder sinkt und damit den Luftdruck anzeigt.
Barograph		Barograph Barographen werden eingesetzt, wenn man die Veränderung des Luftdrucks über einen längeren Zeitraum aufzeichnen möchte. Ein Barograph ist oft ein Dosenbarometer, an dessen Zeiger ein Stift befestigt ist, der auf eine sich drehende Papierrolle schreibt (s. Abb.)

Wind

Passanten im Wind

Wind ist eine Luftbewegung mit einer bestimmten Richtung. Wind entsteht meist dadurch, dass der Luftdruck in zwei Gebieten unterschiedlich ist, das heißt, dass in einem Gebiet höherer Luftdruck (Hochdruckgebiet) als in einem anderen Gebiet (Tiefdruckgebiet) herrscht.

Anemometer, ein Messgerät für die Windgeschwindigkeit		Windgeschwindigkeit Die Windgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der sich die Luftteilchen bewegen, kann unterschiedlich sein. Sie hängt unter anderem davon ab, wie groß der Druckunterschied zwischen den beiden Druckgebieten ist. Ein großer Druckunterschied führt zu starkem Wind (das heißt zu einer schnellen Luftbewegung), ein kleiner Druchunterschied zu schwachem Wind (einer langsameren Luftbewegung). Man kann die Windgeschwindigkeit in Kilometer pro Stunde (km/h) angeben. Ein anderes Mess-System ist die so genannte Beaufort-Skala der Windstärken. Die Windgeschwindigkeit misst man mit einem Anemometer
Windfahne		Windrichtung Die Windrichtung ist ebenfalls eine wichtige Eigenschaft des Windes. Hier gibt man die Himmelsrichtung an, aus der der Wind kommt. Ein Nordwind weht also von Nord nach Süd. Ein Süd-Ost-Wind weht von Süd-Osten nach Nord-Westen. Die Windrichtung kann man zum Beispiel mit einer Windfahne messen.

Luftfeuchtigkeit

Die Luft enthält immer Wasserdampf (das heißt: gasförmiges Wasser). Wasserdampf ist unsichtbar und nicht das Selbe wie der „Dampf“ über dem heißen Kochtopf. Was wir im Alltag „Dampf“ nennen, sind winzig kleine Tröpfchen von flüssigem Wasser, die leicht genug sind, in der Luftströmung nach oben getragen zu werden. Wenn wir in der Wetterkunde von Wasserdampf sprechen, meinen wir gasförmiges Wasser, das wir nicht sehen können.

Die Menge des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs schwankt. Mal ist die Luft feuchter (das heißt: sie enthält viel Wasserdampf), mal ist sie trockener. Bei jeder Temperatur kann die Luft eine bestimme Höchstmenge von Wasserdampf enthalten.

Wird diese Höchstmenge überschritten, wird ein Teil des Wasserdampfes flüssig und es bilden sich Wolken. Diese bestehen aus winzigen Tröpfen von flüssigem Wasser.

Man kann die Luftfeuchtigkeit auf verschiedene Arten messen und daher auch verschiedene Arten von Luftfeuchtigkeit angeben.

Absolute Luftfeuchtigkeit

Im Zusammenhang mit der Luftfeuchtigkeit können wir zunächst fragen, wie viel Wasserdampf in der Luft überhaupt enthalten ist und die Menge in Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft (g/m³) angeben. Dieser Wert ist die absolute Luftfeuchtigkeit.

Die Luft kann nur eine begrenzte Menge Wasserdampf aufnehmen. Wenn diese Kapazität erreicht ist, nennt man die Luft „gesättigt“. Die Menge Wasserdampf (ebenfalls gemessen in Gramm pro Kubikmeter: g/m³), welche die Luft maximal aufnehmen kann, nennt man Sättigungsmenge.

Die Sättigungsmenge ist abhängig von der Temperatur der Luft: warme Luft hat eine größere Sättigungsmenge als kalte.

Relative Luftfeuchtigkeit

Für den Alltag ist die Relative Luftfeuchtigkeit eine wichtige Größe. Sie ist ein gutes Maß dafür, ob wir die Luft als trocken oder feucht empfinden.

Die relative Luftfeuchtigkeit ist die Menge des vorhandenen Wasserdampfes im Verhältnis zum maximal möglichen Wasserdampf, das heißt: die absolute Feuchtigkeit geteilt durch die Sättigungsmenge. Das Ergebnis gibt man in Prozent an und sagt zum Beispiel: „Die relative Feuchtigkeit beträgt 70%“.

Die relative Luftfeuchtigkeit kann maximal 100% erreichen, dann ist die Luft gesättigt (das heißt, die absolute Feuchtigkeit ist gleich der Sättigungsmenge).

Niederschlag

Wir Wasser aus der Atmosphäre ausgeschieden, spricht man von [Niederschlag]. Dieser kann [verschiedene Formen] haben: er kann z.B. flüssig oder fest sein. Flüssigen Niederschlag nennen wir Regen. Fester Niederschlaf fällt z.B. als Schnee, Graupel oder Hagel. Außerdem kann Niederschlag sich "absetzen", ohne sichtbar zu fallen: das ist z.B. bei Tau (flüssig) oder Reif (fest) der Fall.

Man kann den Niederschlag auf relativ einfache Art messen, indem man ihn in einem Gefäß auffängt und dann den Wasserstand abliest. Bei einem Gefäß mit geraden Wänden, bei dem die Öffnung genauso groß ist wie die Grundfläche, entspricht der Wasserstand in Millimetern der gefallenen Niederschlagsmenge in Liter pro Quadratmeter.