Witterung und Klima

Die Atmosphäre erstreckt sich als erdumspannende Gashülle von der Oberfläche bis in ca. 1000 km Höhe. Sie stellt insgesamt und besonders in ihren unteren und mittleren Teilen einen wichtigen Umweltfaktor dar. Das Wetter mit seiner meist stark ausgeprägten Veränderlichkeit ist für Natur und Gesellschaft von ebenso großer Bedeutung wie das Klima als Ausdruck für den Zustand der Atmosphäre an einem Ort über einen längeren Zeitraum. Es ist deshalb nicht erstaunlich, dass es schon in den frühen Stadien der Zivilisation ernsthafte Bemühungen um Aufklärung dessen gab, was es mit Luft und Atmosphäre (ατμoς = Dampt, σøєιρα = Kungel) auf sich hat. Im antiken Griechenland war das zu Erforschende τά, μєτέωρα d. h., das zwischen Erde und Mond „Dazwischen-seiende“. Es entstand die Meteorologie über deren Gegenstand der griechische Philosoph Aristoteles (384 – 322 v. Chr.) das erste Lehrbuch „Meteorologica“ schrieb. Die in diesem Werk enthaltenen, inzwischen natürlich längst überholten meteorologischen Anschauungen, wurden bis in das 17. Jahrhundert hinein gelehrt. Der Begriff Meteorologie indes hat sich bis heute als Bezeichnung für die Wissenschaft von der Atmosphäre erhalten. Die Meteorologie entwickelte sich zum einen innerhalb der Geografie, zum anderen innerhalb der Physik. Die sich daraus ergebenden Entwicklungslinien lassen sich bis in die Gegenwart verfolgen. In den Rang einer modernen Naturwissenschaft gelangte die Meteorologie mit der Entwicklung der Physik der Atmosphäre im 19. Jahrhundert. Ihre Grundlage bildet die klassische theoretische Physik, insbesondere die Thermodynamik und Hydrodynamik. Die Quantenphysik spielt hingegen für die Physik der Atmosphäre kaum eine Rolle, wenn man von der Erklärung der Natur der elektromagnetischen Strahlung absieht. Es bildete sich die Geophysik heraus, zu der im allgemeinen (weiteren) Sinn neben der Physik des Erdkörpers (Geophysik im engeren Sinn) auch die Physik der Hydrosphäre (inbesondere Ozeanografie) und die Physik der Atmosphäre gehören (Abb. 1.1).

Die Atmosphäre ist eine Mischung aus Gasen, die durch die Schwerkraft am Erdkörper gehalten wird. Sie bildet ein offenes und physikalisch determiniertes System, das sich in Wechselwirkung mit der Erdoberfläche und dem erdnahen kosmischen Raum befindet. Die raum-zeitlich unterschiedlich einfallende Strahlungsenergie der Sonne und ihre Transformation in Wärme erzeugt eine gleichfalls raum-zeitlich differenzierte Erwärmung und Abkühlung der Atmosphäre, was zur Ausbildung der großräumigen Zirkulation der Luft führt (s. Kapitel 7).

Die Sonne bestimmt als Hauptenergiequelle für Erdoberfläche und Atmosphäre die entscheidenden Prozesse in der Atmosphäre wie auch die Herausbildung des Klimas in seiner räumlichen Differenzierung. Die Energiezufuhr von der Sonne ist um den Faktor 10⁴ bis 10⁵ höher als der Wärmestrom aus dem Inneren der Erde oder die aus der Dissipation der Luft- und Wasserbewegungen umgewandelte Wärmeenergie. Insgesamt gibt die Sonne, vor allem in ihrer Photosphäre, die im Sonneninneren durch Kernfusion erzeugte Energie in einem etwa konstanten Fluss elektromagnetischer Wellenenergie von L ≈ 3,82·10²⁶ W ab. Es kann angenommen werden, dass dieser quasikonstante Prozess noch weitere 5 – 6 Mrd. Jahre anhält. Bezieht man den Energiefluss auf die Oberfläche der Photosphäre der Sonne Kugelfläche = 4 · π · r _S ² , r_S = 6,956·10⁸ m), so erhält man die Strahlungsflussdichte L₀ ≈ 6,35·10⁷ W m⁻². Die Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit radial in den kosmischen Raum aus. Mit der Vergrößerung der damit verbundenen Kugelwelle der Strahlung nimmt der Wert jedoch mit dem Quadrat der Entfernung ab.

Die Thermodynamik der Atmosphäre ist eine Anwendung der allgemeinen Thermodynamik auf atmosphärische Prozesse. Bei entsprechenden Untersuchungen stehen die Anwendungen der phänomenologischen Thermodynamik auf Vorgänge in der Troposphäre und Stratosphäre im Vordergrund. Die sehr vielseitig gegebenen Anwendungsmöglichkeiten reichen von Energieumsetzungen in großräumigen Zirkulationsvorgängen über die Ausbildung von Vertikalbewegungen mit den sie begleitenden Wolkenformen und Wettererscheinungen sowie charakteristischen orographisch bedingten lokalen Wettererscheinungen, wie Stau und Föhn (s. Abschnitt 12.6.3.1), bis hin zu den Phasenumwandlungen des Wasserdampfes an Kondensationskernen (Kondensation) und Gefrierkernen (Sublimation).

In diesem Kapitel sollen die Ursachen für das Zustandekommen der als Wind bezeichneten Luftbewegungen und deren Modifikation durch die kombinierte Wirkung von Kräften, die in unterschiedlicher Weise Luftbewegungen der Erde beeinflussen, beschrieben werden. Bei einheitlichen Luftbewegungen über größeren Arealen sprechen wir von Luftströmungen. Sie verlaufen innerhalb der Atmosphäre aufgrund des Verhältnisses ihrer horizontalen Erstreckung zur Höhe der Atmosphäre und infolge der Entstehungsursachen überwiegend horizontal. Die vertikalen Luftbewegungen (Aufwärtsströmungen und Abwärtsströmungen) sind, sieht man von lokalen Ausnahmen ab, wesentlich kleiner, für die Wettergestaltung aber ebenfalls von großer Bedeutung. In Gang gesetzt werden die horizontalen Strömungen durch thermisch bedingte Unterschiede im Luftdruckfeld.

Unter der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre werden die großräumigen, dreidimensionalen turbulenten Luftbewegungen verstanden, deren Hauptfunktion in der ständigen Neuverteilung von Energie, Masse und Luftbeimengungen besteht. So trägt die Zirkulation in entscheidendem Umfang zum meridionalen Wärmetransport in der Atmosphäre bei, der verhindert, dass sich die Gebiete mit Wärmeüberschuss in den niederen Breiten immer mehr erwärmen und sich die Gebiete mit Wärmedefizit in den hohen Breiten kontinuierlich abkühlen. Zirkulationsprozesse sind mit den mächtigen saisonal bedingten Verlagerungen von Luft verbunden. Die Zirkulation bewirkt die Advektion von Luftmassen bestimmter klimatischer Eigenschaften über große Entfernungen sowie Ferntransporte und Vermischung von Luftbeimengungen verschiedener Art wie natürliche und anthropogene Spurengase. Wie in Abschnitt 10.6 erörtert wird, sind Zirkulationsprozesse die wesentlichen Träger von Fernwirkungen im Klimasystem. Die atmosphärische Zirkulation treibt nicht zuletzt die Zirkulation des Ozeans an, die für das Klima vergleichbare planetare Funktionen besitzt. So kommt der Zirkulation die Bedeutung eines sekundären Klimafaktors zu.

Es werden meteorologische Größen oder Klimaelemente bestimmt, die der Charakterisierung des atmosphärischen Zustandes an einem Ort zu einem gegebenen Zeitpunkt oder als Mittelwert bzw. Summe in einem festzulegenden Zeitintervall dienen. Routinemäßig bestimmte meteorologische Größen enthält Tab. 8.1. Man unterscheidet direkte und abgeleitete bzw. zusammengesetzte Mess- und Beobachtungsgrößen. Letztere werden auf der Grundlage physikalischer Zusammenhänge aus mehreren meteorologischen Größen gebildet (bspw. Verdunstung).

Die synoptische Meteorologie entwickelte sich ab Mitte des 19. Jahrhunderts, nachdem technische Mindestanforderungen erfüllt waren (Erfindung des elektrischen Telegrafen, Verwendung zuverlässig arbeitender Messinstrumente). Geradezu revolutioniert wurde ihre Weiterentwicklung im 20. Jahrhundert durch den Einsatz von Ballons, Spezialflugzeugen, Radiosonden, Raketen, Radargeräten und Satelliten sowie Hochleistungscomputern. Die freie Atmosphäre konnte in die nunmehr dreidimensionale synoptische (und klimatologische) Betrachtungsweise einbezogen werden. Die synoptische Meteorologie befasst sich mit der Diagnose der großräumigen Struktur und zeitlichen Änderung der atmosphärischen Zustandsgrößen (meteorologischen Parameter) auf der Basis synoptischer Beobachtungen. Dies ermöglicht ihre Präsentation in synoptischen Karten (Wetterkarten). Man betrachtet “zusammenschauend” (= synoptisch) den großräumigen Wetterzustand am Boden und in der Höhe zu den synoptischen Beobachtungsterminen, um daraus auf die kurz- und mittelfristige Wetterentwicklung für einen Ort oder eine Region zu schließen.

Wie bereits in Kapitel 1 ausgeführt wurde, kommt man aus der Zusammenfassung der Augenblickszustände der Atmosphäre (= Wetter) für einen Ort oder eine Region zu dem Begriff Klima. Vom griechischen Verb kλlv∈lv, (= neigen) abgeleitet, wurde er zunächst nur auf die unterschiedliche Sonneneinstrahlung in den verschiedenen Breitenzonen angewendet. Im modernen Sinne gehen in den Begriff Klima jedoch zahlreiche mess- oder beobachtbare Eigenschaften ein (vgl. Abschnitt 10.2). Seit dem 19. Jahrhundert sind zahlreiche Klimadefinitionen aufgestellt worden. Den modernen Auffassungen am besten entsprechen jene Klimadefinitionen, die Klima dem schnell veränderlichen Wetter gegenüberstellen, und es als die Synthese.

Den Begriff der Klimaschwankung kann man im Zusammenhang mit der in den Abschnitten 1.2 und 10.1 gegebenen Klimadefinition erklären. Danach liegt eine Klimaschwankung bzw. Klimaänderung immer dann vor, wenn sich die statistischen Eigenschaften eines oder mehrerer Klimaelemente signifikant ändern. Zu Klimaschwankungen kommt es, wenn die äußeren Einflüsse auf das Klimasystem Änderungen unterliegen, und wenn sich Eigenschaften des Klimasystems selbst verändern. Klimatische Schwankungen können aber auch als Folge von Wechselwirkungen zwischen den Teilen des Klimasystems ohne äußere Einwirkungen entstehen. Da die statistischen Größen im Allgemeinen nur für größere Datenkollektive sinnvoll bestimmbar sind, können Klimaänderungen aus den Differenzen statistischer Eigenschaften in verschiedenen Zeitabschnitten berechnet werden. International wurden schon 1935 dreißigjährige „Normal“- oder Referenzperioden eingeführt.

Die vorangegangenen Kapitel widmeten sich überwiegend den Belangen des Groß- beziehungsweise Makroklimas. Dessen wesentliche Merkmale werden durch die globale Zuordnung der Sonnenstrahlung, die Höhenlage, die Land-Meer-Verteilung sowie die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre festgelegt (s. Kapitel 7). Auf dieser generalisierenden Grundlage beruht letztlich die Einteilung in verschiedene Klimazonen, die Räume mit gleichartigem Klima repräsentieren und eine globalklimatische Gliederung der Erde anhand von Klimaklassifikationen zulassen (s. Kapitel 10).

Die Stadtklimatologie ist der Teil der Umweltmeteorologie, der sich mit den stofflichen und energetischen Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und dem urbanen Lebensraum beschäftigt. In Abhängigkeit von der Stadtgröße und dem Umfang der zugrunde liegenden Fragestellungen werden dabei Prozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht behandelt, die dem mikro- und mesoskaligen Bereich zuzuordnen sind.

Viele Bereiche des menschlichen Lebens werden von Wetter und Klima beeinflusst. In einigen Fachdisziplinen sind die Wirkungen des Wetters und des Klimas so markant, dass spezielle meteorologische Forschung und Beratung für diese Zweige notwendig sind. Hierzu zählen u.a. die Land- und Forstwirtschaft.