Wetterelemente und ihre Messung

Das Wetter ist eine Kombination verschiedener natürlicher Einflüsse wie z.B. Niederschlag, Wind oder Luftdruck. Um das Wetter messen, verstehen und vorhersagen zu können, betrachtet man diese einzelnen "Wetterbausteine". Man nennt sich Wetterelemente.

Jede Wetterlage zeigt eine eigene Kombination aus diesen Wetterelementen, das heißt, dass bei jeder Wetterlage eine individuelle Kombination aus Temperatur, Luftdruck, Wind, Bewölkung etc. herrscht.

Man kann einzelne Wetterelemente messen, um aus der Gesamtheit dieser Messdaten die Wetterlage zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort beschreiben zu können.

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.