Sachinformationen für Lehrkräfte - Einführung

Das Wetter an einem bestimmten Ort ist der augenblickliche physikalische Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt. In Abgrenzung davon versteht man unter Klima die mittleren Ergebnisse einer Beobachtung über einen Zeitraum von mehr als 30 Jahren.

Das Wetter wird durch ein sehr komplexes Wechselspiel zwischen Sonnenstrahlung, Luft und Wasser innerhalb der Lufthülle um die Erde, der Atmosphäre, bestimmt. In der Tabelle 1 sind diese drei für das Wettergeschehen wesentlichen Elemente mit relevanten Größen und Vorgängen zusammengestellt.

Tabelle 1: Elemente Luft, Wasser und Sonnenstrahlung

Aufbau, Zusammensetzung und Eigenschaften der Atmosphäre

Auf die Teilchen in der Atmosphäre wirkt die Erdanziehungskraft, welche die Teilchen in Richtung der Erdoberfläche zieht. Dadurch werden die Luftteilchen daran gehindert, die Atmosphäre zu verlassen und in den Weltraum zu fliegen. Stellt man sich die Luft als kleine Pakete vor, die auf der Erdoberfläche nach oben hin aufeinandergestapelt werden, so werden die unteren Pakete  durch die darüber liegenden Luftpakete stärker zusammengepresst werden, als Pakete in mehreren Kilometern Höhe. Daraus folgt, dass ein Liter Luft am Erdboden mehr Luftteilchen enthält als ein Liter Luft in großer Höhe. Zudem nimmt der Luftdruck nach oben hin immer stärker ab. In 10 km Höhe ist der Luftdruck auf etwa ein Viertel abgesunken und ein Liter enthält dort nur noch etwa den dritten Teil eines Liters Luft am Erdboden. Der Luftdruck gibt an, wie stark die Luft zusammengepresst ist (und umgekehrt: wie stark das in ein Gefäß eingeschlossenes Gas von innen gegen die Gefäßwände drückt).

Der Luftdruck wird in der Einheit hPa (Hektopascal) angegeben (früher Millibar, wobei 1 hPa = 100 Pa = 1 mbar). Auf Meeresniveau beträgt er im Mittel 1013 hPa. Auf einem 5400 m hohen Berg ist er auf die Hälfte abgesunken.

1 Liter Luft hat auf Meeresniveau und bei 20°C eine Masse von 1,2 g, 1 m³ Luft ist demnach etwa 1,2 kg schwer.

Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht zu 78 % aus molekularem Stickstoff und zu 21 % aus molekularem Sauerstoff sowie mehreren Einzelgasen (z.B. Kohlendioxid, Edelgase, Wasserdampf und Partikel wie Salzkriställchen oder Rußteilchen). Für Wetterphänomene ist insbesondere der Wasserdampf von großer Bedeutung (Bildung von Wolken).

Tabelle 2: Zusammensetzung der Luft (in Anlehnung an Malberg (1997), S.5)

Die Schichten der Atmosphäre

Die Atmosphäre wird in übereinanderliegenden Schichten eingeteilt. Die unterste Schicht (Troposphäre) enthält ca. ¾ der Masse der gesamten Atmosphäre und ist die eigentliche Schicht, in der sich das Wetter abspielt. Sie reicht bis ca. 12 Kilometer über der Erdoberfläche und geht anschließend in die Tropopause über. Die Höhe der Tropopause ist von der mittleren Temperatur der Troposphäre abhängig. Steigt die Temperatur in der Troposphäre, nimmt die Höhe der Tropopause zu. Bei sinkender Temperatur in der Troposphäre ist die Obergrenze der Tropopause niedriger. Über dem Äquator ist die Obergrenze der Tropopause aufgrund erhöhter Lufttemperaturen in der unteren Atmosphärenschicht höher und in den Polregionen aufgrund niedriger Lufttemperaturen entsprechend geringer.

Oberhalb der Tropopause schließt sich die Stratosphäre an und erstreckt sich bis ca. 50 km oberhalb der Erdoberfläche. Ein wichtiger Prozess in der Stratosphäre ist die Bildung des Ozons in einer Höhe zwischen 15-25 km. Ozon reduziert die UV-Strahlung, die die Erde erreicht und erwärmt. Die Ionosphäre grenzt an die Stratosphäre an und erstreckt sich bis ca. 350 km. Diese Schicht ist unterschiedlich stark mit Elektronen und Ionen angereichert. Daran angrenzend folgen die Suprasphäre und die Exosphäre bevor der Übergang in das absolute Vakuum (Weltraum) stattfindet. Es gibt keine feste Atmosphärengrenze. Die Luft wird nach oben hin immer „dünner“ und geht schließlich in den luftleeren Weltraum über.

Die Lufttemperatur gibt an, wie warm die Luft ist. Eine ausführliche Sachinformation zu Temperatur und Temperaturmessungen ist im Sachinformationen für die Lehrkraft zu finden.

Für das Wetter ist die Luftfeuchtigkeit von großer Bedeutung. Die Luftfeuchtigkeit gibt an, wieviel Wasserdampf in der Luft enthalten ist. Als Wasserdampf bezeichnet man die einzelnen H₂O-Molekule, die wie die anderen Gasteilchen in der Luft herumschwirren. Der in der Luft enthaltene Wasserdampf spielt für die Entstehung von Wolken eine entscheidende Rolle.

Bei jeder Temperatur kann nur eine bestimmte Menge Wasserdampf in der Luft enthalten sein. Bei höherer Temperatur kann deutlich mehr Wasserdampf in der Luft sein. In Wirklichkeit ist meist weniger Wasserdampf als dieser Maximalwert vorhanden.

Die absolute Feuchtigkeit gibt an, wie viel Wasserdampf (g/m³) tatsächlich in der Luft enthalten ist. Das Verhältnis zwischen der tatsächlichen (absoluten) Feuchtigkeit zu der maximal möglichen (absoluten) Feuchtigkeitsmenge in der Luft wird relative Feuchtigkeit genannt. Beispiel: Bei 22°C kann maximal 20 g/m³ Wasser in der Luft sein; ist tatsächlich nur 10 g/m³ Wasser in der Luft, haben wir eine relative Luftfeuchtigkeit von 50 %.

Da warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann, nimmt die relative Luftfeuchtigkeit immer dann ab, wenn die Lufttemperatur steigt, ohne dass der Wassergehalt der Luft sich ändert. Sinkt hingegen die Temperatur, nimmt die relative Luftfeuchtigkeit zu, da kalte Luft weniger Wasserdampf aufnehmen kann. Die relative Feuchte schwankt zwischen 0 % und 100 %. Der Maximalwert 100 % wird auch Sättigungsfeuchte genannt (diese ist temperaturabhängig!). Sinkt dann die Temperatur (z.B. Abkühlen in der Nacht oder durch Aufsteigen von warmen, wasserdampfhaltigen Luftblasen) weiter, wird das Wasserhaltevermögen der Luft überschritten und es kommt zur Kondensation in Form von kleinen Wassertröpfchen. Es entstehen Nebel, Wolken oder Tau. Beispiel: Wenn sich Luft von 22°C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit (also mit 10 g/m³ Wasser) auf 11°C abkühlt, ist eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % erreicht, da bei 11°C maximal 10 g/m³ Wasser in der Luft sein können.