Meteorologie und Umwelt

Dem Wort nach ist die Meteorologie jene Wissenschaft, die sich mit den Vorgängen in der Atmosphäre beschäftigt, denn in dem Wort ‚Meteorologie‘ sind die griechischen Wörter ‘meta’ (in Zusammensetzungen: mit, zwischen, nach, hinzu; drückt häufig einen übergang oder Veränderung aus), und ‚eora‘ (das Schweben) enthalten, bzw. ‚meteoron‘ (‚in der Luft befindlich‘, d.h. die „Erscheinungen im Dunstkreis der Erde“).

Die Erde ist ein dynamisches System (s. Germann u.a.1988), das der übersichtlichkeit halber im allgemeinen in die ebenfalls dynamischen Teilsysteme „feste Erde“, „Hydrosphäre“ und „Atmosphäre“ unterteilt wird. Diese sind aber nicht jeweils in sich abgeschlossen, sondern stehen in Wechselwirkung miteinander. Nicht nur, daß die Erde im Verlauf ihrer geologischen Geschichte ihr äußeres Erscheinungsbild, d.h. die Land-Meer-Verteilung und ihre Oberflächengestalt, z.B. durch die Plattentektonik („Kontinentalverschiebung“), die Bildung und Abtragung von Gebirgen, laufend veränderte, ein Großteil der in und auf ihr ablaufenden Vorgänge und beobachteten Erscheinungen ist zudem in vielfältig miteinander vernetzten Stoff- und Wirkungs-Kreisläufen organisiert. In diese ist der Mensch mit vielen seiner Aktivitäten häufig mit einbezogen, wofür in den folgenden Kapiteln einzelne Beispiele gegeben werden. In Abb. 1.4 war bereits versucht worden, diese prinzipielle Verknüpfung schematisch zu verdeutlichen. Die angesprochene Vernetzung bedeutet, wie schon aus Abb. 1.1 hervorgeht, daß im System neben rein linearen Kausalverknüpfungen zahlreiche Rückkopplungen (engl. “feedback loops”) enthalten sind, in denen das Ausgangssignal („Wirkung“) auf den Eingang („Ursache“) rückwirkt.

Die Atmosphäre empfängt Energie in Form von Strahlung von der Sonne, vom Mond und von den Sternen, aber auch durch die sogenannte Höhenstrahlung (Kosmische Strahlung) sowie durch Wärmeleitung aus dem Erdinnern. Ein Vergleich der Größenordnungen der entsprechenden Energieflüsse (s. Tab. 3.1) zeigt: Die Sonne ist der für die Atmosphäre relevante Energielieferant! Sie liefert das fast Zehntausendfache der Summe aller übrigen Quellen.

Die Wärmebilanz der Erdoberfläche Q^⋆ setzt sich zusammen aus der Strahlungsbilanz Q, dem Wärmeaustausch mit den tiefer gelegenen Bodenschichten (bzw. Wasserschichten) B, sowie dem Warmeaustausch mit der Atmosphäre durch Wärmeleitung L und Verdunstung V (s. hierzu Abb. 4.1):

Wir hatten bereits (s. Kap. 2.1) die sog. „Gasgleichung“ kennengelernt, die allgemeine Zustandsgleichung für ideale Gase: worin p = Luftdruck [Pa]; ρ = Luftdichte [kg m⁻³]; T = Temperatur [K]; R_L = 287,0 J kg⁻¹ K⁻¹ = spezielle Gaskonstante für trockene Luft. Diese Zustandsgleichung gilt, wie gesagt, in der Atmosphäre in guter Näherung, solange keine Phasenumwandlungen des Vasserdampfes stattfinden.

Der Wind ist physikalisch gesehen eine vektorielle Größe, beschrieben durch Richtung, die Windrichtung, und skalaren Betrag, die Windgeschwindigkeit. Wie wir sehen, ist der Sprachgebrauch im Deutschen nicht ganz sauber, denn die Geschwindigkeit wäre physikalisch abermals ein Vektor, wir benennen damit aber ein Skalar. Es ist daher zwischen der skalaren und der vektoriellen Windgeschwindigkeit stets sorgfältig zu unterscheiden. Im Englischen heißt dagegen die vektorielle Windgeschwindigkeit “wind velocity”, die skalare “wind speed”. Wir werden für die vektorielle Größe meist den allgemeinen Begriff “Wind” gebrauchen oder betonen: Windvektor.

Die planetarische Grenzschicht (engl. “planetary boundary layer”= PBL), häufig auch Bodenreibungsschicht oder, verkürzt, nur Reibungsschicht genannt (engl. “friction layer”), ist jene ca. 1000m mächtige, der Erdoberfläche - ob diese flüssig ist oder fest - sich anschmiegende Luftschicht, die die Atmosphäre nach unten begrenzt.

In der allgemeinen Hydrodynamik unterscheidet man zwei Betrachtungsweisen von Strömungsvorgängen, die nach den beiden Mathematikern Euler und Lagrange benannt sind. Betrachtungsgegenstand der sog. Euler-Methode ist das zeitliche Verhalten von Parameterfeldern in einem festen Koordinatensystem. Das beste Beispiel hierfür sind die Wetterkarten, in denen zu einem Zeitpunkt bzw. für einen möglichst eng begrenzten Zeitraum i.a. mehrere Parameterfelder gleichzeitig in ihrer räumlichen, meist horizontalen Verteilung dargestellt sind; gewöhnlich handelt es sich dabei urn die Datenfelder von Druck, Wind, Temperatur, Feuchte, Bewölkung, Niederschlag etc. Dies ist traditionell die fast ausschließliche Betrachtungsweise in der Meteorologie. Fast sämtliche, nicht nur die hier vorgestellten Beschreibungs- und Vorhersagemodelle für die Atmosphäre basieren auf diesem Prinzip; mit ihm liegen die ausgiebigsten Erfahrungen vor; die Heteorologen denken praktisch „Eulersch“. Euler-Felder geben aber jeweils nur einen momentanen Zustand wieder, und hinsichtlich der stattfindenden Bewegungsprozesse läßt z.B. ein Stromlinienfeld — ganz gleich, ob es sich urn echte oder aus dem Druckfeld geostrophisch-zyklostrophisch approximierte Stromlinien handelt — allenfalls Schlüsse über kurzzeitige Tendenzen von Bewegung und Entwicklung zu; es erlaubt aber keine Aussage über individuelle Bahnen („Trajektorien“) von Luftteilchen oder Beimengungen — es sei denn, das Euler-Feld ist stationär, d.h., es ändert sich zeitlich nicht.