Vorlesung 5: Klimaelemente I – Temperatur, Luftdruck und Wind

Maß für den Wärmezustand der Luft, der durch die turbulente Wärmeabgabe der Erde bestimmt wird

Physikalisch: -Summe der molekularen Bewegungsenergie in einem Luftkörper -Annahme: ideales Gas (punktförmige Teilchen, elastische Stöße) → bei Stößen geht keine (Impuls) Energie verloren und geht lediglich auf andere Teilchen über -innere Energie (U) = Summe der Bewegungsenergie aller Teilchen -Wärme (innere Energie) = durch ständige Zusammenstöße der Luftmoleküle ungeordnete Molekülbewegung • Meteorologisch: -Temperatur ist, was ein gut vor der Sonne geschütztes, ordnungsgemäß aufgebautes Thermometer anzeigt -Instrument soll auf 1.2 – 2 m über ebenem Grund aufgebaut sein -Messung soll repräsentativ sein für die Umgebung und nicht beeinflusst von Gebäuden oder Bäumen • Einheiten -Temperatur wird in der Meteorologie gemäß dem internationalen Einheitensystem in Kelvin [K] oder Grad Celsius [°C] gemessen

Richtlinien: -unter Ausschaltung aller Strahlungseinflüsse und kontinuierlicher Zuführung der Umgebungsluft an den Messfühler -Beseitigung des Trägheitsfehlers, der bei raschen Temperaturänderungen auftritt: Tiefpassfilterung • Prinzipien: -Volumenausdehnung (Quecksilberthermometer) -Widerstandselektrische Temperaturmessung (Proportionalität von Temperatur und elektrischem Widerstand; für „Fernmessung“ geeignet) -Mechanische Temperaturmessung (Bimetallthermometer) zur Temperatur proportionale Biegung wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zweier aneinander gelöteter Metalle; z.B. bei selbstregistrierender und somit schreibender Messung, Thermograph). • Instrument: Messhütte -2 m über dem Boden, weiße Hütte mit Lamellen (Ventilation durch natürliche Luftbewegung), Boden drumherum eben und in Radius von 3 m von Gras bewachsen

Bodennahe Lufttemperatur vom Strahlungsangebot gesteuert • Nehmen generell vom Äquator zum Pol ab • Abweichungen der Isothermen durch Topographie, Meeresströmungen -Bsp.: Europa vs. Nordamerika im Winter bei gleicher geographischer Breite →wegen Golfstrom →Ozeanität vs. Kontinentalität

Thermoisoplethen: Tageskurven der Lufttemperatur im Verlauf eines Jahres an einem Ort gezeigt. -viele, enge Linien schnelle Temperaturänderung • Bsp.: Singapur → Jahresgang gleichmäßig, Tagesgang variiert • Bsp.: Oxford → konzentrisch, deutliche Änderung im Jahres- und Tagesgang • Bsp.: Mc Murdo (südlich des Polarkreises) → sehr geringer Tagesgang, extremer Jahresgang, schnelle Änderung in Übergangsjahreszeiten und an Polartag- und -nacht gering

Grundsätzlich gilt: -Erdoberfläche bildet die Strahlungsreferenzfläche (Heizplatte), die Strahlungsbilanz ist im Mittel an der Erdoberfläche positiv und in der Atmosphäre negativ -im Mittel geht ein Strom fühlbarer und latenter Wärme von der Erdoberfläche in die Atmosphäre -im Mittel existiert ein Wärmegefälle vom Erdboden bis in die höhere Troposphäre -Maß für die vertikale Temperaturabnahme ist der geometrische Temperaturgradient (0,5 - 0,8 K/100 m rechnerisch 0,5 K/100 m)

Zeitlich: Gradient ist am Mittag und im Sommer am größten, nachts und im Winter klein • Räumlich: in der tropischen Atmosphäre nimmt die Temperatur schneller ab als an den Polen

Strahlungsumsatzfläche wird nach oben in angehoben → in Gebirgen Temperatur immer deutlich höher als auf gleichem Niveau in der freien Atmosphäre (Hochalpen 5 K, boliv. Altiplano 8 K) • Physisch- und humangeographische Höhenstufen sind innerhalb eines Gebirges höher als am Rande

Bezeichnet die Gewichtskraft pro Fläche, die die Atmosphäre auf die Oberfläche ausübt • Maß für die Masse der Luftsäule über einem Ort • setzt sich aus den Partialdrücken einzelner Gase zusammen • hydrostatisches Gleichgewicht

• Allgemeine (ideale) Gasgleichung: p x V/T sind konstant • Volumen- und Dichteänderung bei Abkühlung bzw. Erwärmung -Isotherm, isobar, isochor

• Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab -mit ansteigender Höhe wird die Luftsäule auf die gedachte Oberfläche kleiner -es lastet weniger Masse auf der Oberfläche und der Luftdruck ist geringer • in Bodennähe nimmt der Luftdruck schnell ab: -200 hPa auf 2 km -mit zunehmender Höhe verlangsamt sich ie Abnahme des Luftdruckes: -200 hPa auf 4,5 km • barometrische Höhenformel: -beschreibt die exponentielle Abnahme. → daraus ergibt sich die Faustregel, dass sich der Luftdruck nach 5,5 km um die Hälfte reduziert • auf NN 1030 mbar

• Wird ein Luftvolumen in die Höhe gehoben, gerät es unter geringeren Druck und dehnt sich aus • die zur Ausdehnung nötige Energie muss aus dem Luftvolumen selbst entnommen werden, da kein Austausch mit der Umgebung stattfindet (adiabatisch) → die Temperatur des Luftvolumens sinkt daher, da Wärmeenergie in Expansionsenergie umgewandelt werden muss • Trockenadiabatische Temperaturänderung eines auf und absteigenden Luftpaketes: ca. 1 °C pro 100 m Höhendifferenz • Potentielle Temperatur = diejenige Temperatur, die ein trockenes Luftpaket annehmen würde, wenn es trockenadiabatisch, also ohne Wärmeaustausch und ohne Kondensation oder Verdunstung, auf den Druck p0=1000 hPa gebracht würde

• Der Luftdruck nimmt in kalter Luft wesentlich schneller mit der Höhe ab als in warmer Luft • Aerologisches Grundgesetz: -in gleicher Höhe über Grund herrscht in der wärmeren Luftsäule ein höherer Luftdruck als in der kühleren Luftsäule →dieser Luftdruckgegensatz nimmt mit der Höhe zu, bis… -bis einem Hochdruckgebiet (= Antizyklone) in der wärmeren, ein Tiefdruckgebiet (= Zyklone) in der kälteren Luft gegenübersteht

• Atmosphärische Luftfläche mit konstantem Luftdruck -können wie topographische Landkarten gezeichnet werden→ statt Linien gleichen Druckes (Isobaren) Linien der gleichen geographischen Höhe (Isohypsen) • Höhenwetterkarten=Topografien -absolute Topografie: die Höhe der Druckfläche -relative Topografie: Höhenunterschiede zweier benachbarter Druckniveaus

• Bodenwetterkarten: Darstellung als Linien gleichen Drucks → Isobaren • Senken = Tiefdruckgebiete und Berge = Hochdruckgebiete

Wirkt zwischen Hoch- und Tiefdruckgebiet -Kraft wirkt vom hohen zum tiefen Luftdruck -Luftpaket wird beschleunigt → es entsteht ein Wind vom hohen zum tiefen Druck (Euler-Wind), um den Druckunterschied auszugleichen

• Verlagerung von Luftteilchen in Bezug auf deren Richtung und Geschwindigkeit → Wind ist ein Vektor aus Richtung und Intensität • Vertikalwind wir meist abgespalten → horizontaler Windvektor • Windrichtung wird in Grad [°] angegeben -die Bezeichnung erfolgt falschrum (Ostwind: von O → W) bzw. nach der Himmelsrichtung, aus der der Wind kommt • Grundeinheit für die Windgeschwindigkeit ist [m/s]

• Mit ihrer Hilfe kann anhand der Auswirkungen des Windes die Windstärke geschätzt werden