Arbeitsblatt: Klima und ihre Ursachen

[KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Was ist Klima? Der Unterschied zwischen Wetter und Klima Es regnet. Wetter oder Klima? Es ist kalt. Wetter oder Klima? Es schneit. Wetter oder Klima? Es ist warm. Wetter oder Klima? Die Sonne scheint. Wetter oder Klima? . Diese Frage lässt sich beantworten, wenn man sich eine Definition für Klima betrachtet: Klima ist der Zustand der Atmosphäre an einem Ort, der über einen längeren Zeitraum durch Mittelwerte und Summen ausgewählter physikalischer Grössen beschrieben werden kann. Mittelwerte und Summen physikalischer Grössen sind z. B. Durchschnittstemperaturen, Niederschlagssummen, mittlere Sonneneinstrahlung oder Hauptwindrichtungen. Das Wort Klima ist also ein Sammelbegriff für alle Vorgänge in der Atmosphäre, an einem bestimmten Ort, über einen längeren Zeitraum. Klima kann nicht mit Wetter gleichgesetzt werden. Das Wetter ist zwar auch ein Sammelbegriff für meteorologische Vorgänge, jedoch unterscheiden sich diese beiden Begriffe bzgl. ihrer zeitlichen Gültigkeit: Wetter momentaner Zustand der Atmosphäre (1 Stunde, 1 Tag) Witterung Klima Charakter des Wetters mittlerer Zustand der über einige Tage oder eine Atmosphäre (z.B. 3040 Jahreszeit Jahre) Das Klima wird nach seiner räumlichen Ausbreitung in drei Bereiche geteilt: Makroklima (Grossklima) Nach ihm wird die Erde in Klimaregionen geteilt. Seite 1 von 21 Mesoklima (Regional und Lokalklima) Klima in einer Region (Deutschschweiz, Mittelmeerraum) oder an einem kleineren bestimmtem Ort (Tal, Siedlung, Insel) Mikroklima Klima in Bodennähe oder z. B. in einem Wald Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Die obigen meteorologischen Erscheinungen gehören also alle zum Wetter aber auch zum Klima. Wenn man wirklich wissen will, ob beispielsweise der Regen zum Wetter oder Klima gehört, dann muss man sich fragen Wie lange regnet es? Klimasystem Wie oben erwähnt wurde, lässt sich Klima über Mittelwerte und Summen beschreiben. Klima wurde deshalb auch lange als Statistik über die Atmosphäre und die Klimatologie als eine Wissenschaft verstanden, deren Aufgabe es ist, statistische Daten über die Atmosphäre zu sammeln. Heute wird Klima nicht nur als eine statistische Grösse verstanden, sondern darüber hinaus als ein System von Wechselwirkungen. Dieses Klimasystem umfasst dabei folgende Teilsysteme: die Atmosphäre mit gross und kleinräumigen Prozessen wie globalen Windsystemen oder der Wolkenbildung die Kryosphäre (Eishülle der Erde) mit GebirgsGletschern und den Polkappen die Lithosphäre (Gesteinshülle) mit Vulkanen oder Rohstoffen die Hydrosphäre (Wasserhülle) mit Flüssen, Seen und Meeren und Prozessen wie der Verdunstung die Biosphäre (Vegetation, Tier und Pflanzenarten) den Mensch, der durch seine Handlungen in alle Sphären eingreift. Seite 2 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] In diesem Klimasystem haben alle Teilsysteme einen Einfluss auf das Klima (im Sinne statistischer Grössen über atmosphärische Zustände und Prozesse) und das Klima hat wiederum einen Einfluss auf die anderen Teilsysteme des Klimasystems. i K i a o o i : ie Wissenschaft vom Klima Die Klimatologie (Klimakunde) ist das Teilgebiet der physischen Geographie und der Meteorologie, das sich mit dem Klima der Erde beschäftigt. Als Teilbereich der physischen Geographie wird die Klimatologie auch als Klimageographie bezeichnet. Die physische Geographie ist im Gegensatz zur Human oder Anthropogeographie der naturwissenschaftliche Teil der Geographie, dem neben der Klimageographie auch die Geomorphologie (Erdoberfläche, Relief), Bodengeographie, Hydrogeographie und Biogeographie angehören. Die Meteorologie ist die Wissenschaft vom Wetter und Klima, d. h. sie beschäftigt sich mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften und Prozessen der Atmosphäre. Die Arbeit der Meteorologen und Klimatologen stützt sich u. a. auf folgende Hilfsmittel: Meldungen von Wetterstationen: An Messstationen wird die Ausprägung der Klimaelemente (z.B. Temperatur, Niederschlag, Luftdruck, .) gemessen. Satellitenbilder: Es umkreisen mehrere WetterBeobachtungssatelliten die Erde und senden in regelmässigen Abständen ihre Aufnahmen an die Empfangsstationen. Ein bekannter Wettersatellit ist METEOSAT. Wettermodelle: Computermodelle werden eingesetzt, um die Entwicklung des Wetters oder des Klimas zu simulieren. Auf diesen Modellen beruht die Wettervorhersage und die Klimamodellierung. weitere Messdaten von RegenRadargeräten, Wetterballons, Bojen, Schiffen und Flugzeugen. l m f k o e u d l m e e e t : Wovon ist das Klima abhängig? Das Klima ist nicht überall auf der Erde gleich. Dies liegt daran, dass bestimmte Faktoren in verschieden Räumen unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Diese Einflüsse, die ein Klima eines Ortes bestimmen, werden als Klimafaktoren bezeichnet. Klimafaktoren Geographische Breite: Am Nordpol ist es kälter als bei uns in Mitteleuropa und am Äquator ist es wärmer, weil die gleiche Menge Sonnenstrahlen an den Polen eine viel grössere Fläche beleuchten muss als am Äquator. Die Erwärmung ist Seite 3 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] am Äquator also höher, da der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen recht hoch ist und so die gleiche Anzahl Strahlen am Äquator einen viel kleineren Raum erwärmen braucht als am Pol. Die geographische Breite bestimmt also die grundsätzlichen Temperaturen einer Region. Lage zum Meer: In einem Ort am Meer fällt in der Regel mehr Regen (Niederschlag) als im Binnenland. Ausserdem nehmen die Meere im Sommer Wärme auf, die sie im Winter wieder abgeben. So sind die Temperaturschwankungen am Meer geringer. Meere bestimmen also die Temperaturen und Niederschläge eines Ortes. Höhenlage/Lage zu Gebirgen (Relief): Mit zunehmender Höhe nehmen die Temperaturen ab. So ist es auf der Zugspitze kälter als in München. Weiterhin haben Luvseiten (Luv dem Wind zugewandt) von Gebirgen mehr Niederschläge als die Leeseiten (Lee dem Wind abgewandt). Beispielsweise fällt westlich des Harzes mehr Niederschlag als östlich davon, da der Wind in Mitteleuropa meistens aus Westen kommt. Bodenbedeckung: In Städten mit dunklem Asphalt ist die Erwärmung höher (Stadtklima), als beispielsweise auf schneebedeckten Flächen, da dunkle Flächen die Wärme besser aufnehmen. Die Klimafaktoren geographische Breite, Höhenlage und Relief, Lage zum Meer sowie Bodenbedeckung sind in verschiedenen Regionen unterschiedlich stark ausgeprägt. Wie bereits oben beschrieben wurde, bestimmt die geographische Breite im Wesentlichen die Temperaturen eines Ortes. Neben der Temperatur bestimmen die Klimafaktoren auch noch andere Dinge, die das Klima messbar machen. Diese Dinge bezeichnet man als Klimaelemente. Seite 4 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Klimaelemente Meteorologische Elemente oder Klimaelemente sind Messgrössen, die durch Messgeräte oder Beobachtung erfasst werden und zur Beschreibung des Wetters bzw. des Klimas dienen. Die Klimaelemente berechnen sich dabei aus den meteorologischen Elementen durch z. B. die Bildung von TemperaturMittelwerten oder Niederschlagssummen. Die Klimaelemente (meteorologischen Elemente) sind u. a.: Klimaelement Einheiten (Auswahl) Messgerät Temperatur F, C, (Grad Fahrenheit, Grad Celsius, Kelvin) 32F 0C 273 212F 100C 373 Fahrenheit wird v.a. in Grossbritannien und den USA verwendet. Thermometer (Quecksilberthermometer) Luftdruck 0,75 mm Hg 1 mbar 1 hPa (0,75 Millimeter Quecksilbersäule 1 Millibar 1 Hektopascal) Die gebräuchlichste Einheit ist hPa! Der mittlere Luftdruck auf der Erde beträgt 1013 hPa. Barometer (Dosenbarometer) Windgeschwindigkeit/ stärke m/s (Meter pro Sekunde) Windstärke nach Beaufort: von 0 (still) bis 12 (Orkan) Schalenkreuzanemometer Beobachtung und Abschätzung Seite 5 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Windrichtung Himmelsrichtung oder Windsack, Windfahne 0, 90, 180, 270 Die Windrichtung gibt an, von wo der Wind kommt! Ein Wind von Westen nach Osten ist also ein Westwind. Niederschlag 1 /m 1 mm (1 Liter pro Quadratmeter 1 Millimeter Niederschlag) Niederschlagsmesser Luftfeuchtigkeit g/m, (Gramm pro Kubikmeter, Prozent) Hygrometer (Haarhygrometer) Bedeckung des Himmels 0/8 (wolkenlos) bis 8/8 (bedeckt) Abschätzen Wolken Wolkengattungen, arten und unterarten siehe Wolkenklassifikation Beobachtung Diese und andere meteorologischen Elemente werden an den Wetterstationen gemessen und dann an die Wetterdienste weitergeleitet. Früher wurde um 7, 14 und 21 Uhr gemessen. Diese Uhrzeiten werden auch als Mannheimer Stunden bezeichnet. Um noch einen zusätzlichen Wert für die Nacht zu ermitteln, wurde der Wert von 21 Uhr doppelt gezählt. Damit erzielte man zumutbare Arbeitsbedingungen für die Wetterbeobachter an den Messstationen. Heute werden die meisten meteorologischen Elemente jedoch automatisch gemessen und mit Hilfe von Computern gespeichert und weitergeleitet. Damit können heute die Messwerte fortlaufend erfasst werden. Während früher nur drei Messungen pro Tag vorlagen, gibt es heute praktisch jede Minute Messungen. So sind die Ergebnisse und damit auch die Wettervorhersagen wesentlich genauer. Die Klimaelemente beeinflussen sich auch gegenseitig. Diesen Sachverhalt soll das folgende Beispiel verdeutlichen: Seite 6 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Die Klimafaktoren (z. B. Lage zum Meer) beeinflussen also das tägliche Wetter (z. B. Regen). Dieses bestimmt die Ausprägung der meteorologischen Elemente (Klimaelemente). Die Durchschnittswerte bzw. Summen dieser Messwerte über mehrere Jahre (mindestens 30 Jahre) ergibt so das eigentliche Klima. Klima ist also nichts anderes als die Verallgemeinerung des täglichen Wetters. Die Atmosphäre der Erde Die Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde, die von Gasen gebildet wird, welche durch die Erdanziehung auf ihrer Oberfläche gebunden werden. Die Atmosphäre die Lufthülle der Erde ist der Ort, in dem sich Klima und Wetter abspielen. Sie sorgt für den Temperaturausgleich zwischen Äquator und Polen, d.h. ohne sie wäre es unerträglich heiss bzw. kalt. Sie schützt uns ausserdem vor dem Einfall gesundheitsschädlicher Strahlung, z. B. vor der ultravioletten (UV) Strahlung. Wie die Grafik zeigt, wird die Atmosphäre auf Grund des vertikalen Temperaturverlaufes in verschiedene Schichten unterteilt. Die äussersten Hüllen der Erde sind die Thermosphäre und die Mesosphäre. In der äusseren Thermosphäre Seite 7 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] herrschen Temperaturen von bis zu 1000C. In etwa 80 km Höhe trennt die Mesopause die Thermosphäre von der Mesosphäre ab. Ozonschicht in der Stratosphäre In ca. 50 km Höhe befindet sich die Stratopause. Sie grenzt die Mesosphäre von der darunterliegenden Stratosphäre ab. In ihr befindet sich die Ozonschicht. Sie absorbiert (aufnehmen) die Ultraviolette (UV) Strahlung. Die UVStrahlung ist ein Teil der Sonnenstrahlung. Diese besteht aus verschiedenen Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge (elektromagnetisches Spektrum Physik), von denen wir optisch nur das Licht wahrnehmen können. In der Ozonschicht ist die Konzentration an Ozon einem Molekül mit drei Sauerstoffatomen sehr gross. Zur Bildung von Ozon muss kurzwellige Ultraviolette Strahlung absorbiert werden. Damit das Ozon wieder abgebaut wird, wird langwelligere UVStrahlung absorbiert. Zur Ozonbildung und vernichtung wird also sowohl lang als auch kurzwellige UVStrahlung benötigt. Dadurch wird in der Ozonschicht die UVStrahlung nahezu vollständig absorbiert. An die Erdoberfläche gelangen so nur das sichtbare Licht, die infrarote Strahlung (Wärmestrahlung) sowie andere langwelligere Strahlungen. Die Absorption von UVStrahlung ist eine Voraussetzung für Leben auf der Erde. Die ultraviolette Strahlung bewirkt Mutationen und ruft beim Menschen Hautkrebs hervor. So schützt die Ozonschicht in der Atmosphäre also vor gefährlicher Strahlung. Wenn in einigen Regionen der Ozonschicht nur sehr wenig Ozon vorhanden ist, spricht man vom Ozonloch. Dort wird folglich nur sehr wenig UVStrahlung absorbiert und gelangt zur Erdoberfläche. Daher ist es besonders in Australien wichtig, dass man sich gut vor der Sonnenstrahlung schützt, da dort das Ozonloch stark ausgeprägt ist. Die Troposphäre als Ort des Wetters Seite 8 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Die Troposphäre ist für den Meteorologen die interessanteste Schicht, weil sich nur hier das gesamte Wettergeschehen abspielt. Diese unterste Schicht der Atmosphäre wird durch aufsteigende Warmluft erwärmt und kühlt sich an anderer Stelle wieder ab. Dadurch entstehen nicht nur Temperatur sondern auch Luftdruckunterschiede, die wiederum Winde und Wolken bewirken. Diese Erscheinungen sind das Wetter. Die Troposphäre wird nach oben durch die Tropopause abgegrenzt, die in den Tropen höher liegt als an den Polen, weil sich die warme Tropikluft gegenüber der kalten Polarluft stärker ausdehnt. Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre Durch die Anziehungskraft der Erde werden auf ihrer Oberfläche Gase gebunden die Atmosphäre. Zusammensetzung der untersten 100 km ( Homosphäre): 78,08% Stickstoff 20,95% Sauerstoff 0,93% Argon Gase, die einen Anteil von weniger als 1% haben, werden als Spurengase bezeichnet. Dazu gehören u.a. 0,03% Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Ozon. Einige Spurenelemente wirken als Treibhausgase, d.h. sie absorbieren Wärmestrahlung und halten so die 15C Durchschnittstemperatur der Erde aufrecht. In der untersten Schicht der Atmosphäre der Troposphäre spielt sich das gesamte Wetter und Klimageschehen ab. t a l n s n W ä m h u sh l d r r e Woraus resultiert die atmosphärische Zirkulation? Seite 9 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Die wichtigste Energiequelle der Erde ist die Sonne. Doch was passiert mit den Sonnenstrahlen, wenn sie auf der Erde ankommen? Etwa 1370 W/m an Energie erreichen an der Obergrenze der Atmosphäre eine Fläche, die senkrecht zu den einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlen steht. Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. Da die Erde jedoch eine Kugel ist und ein Ort in Abhängigkeit von der Jahreszeit und seiner geographischen Lage unterschiedlich stark von der Sonne bestrahlt wird, fallen im globalen Jahresmittel nur 342 W/m ein. 19% dieser solaren Einstrahlung werden durch die Atmosphäre und die Wolken sofort absorbiert, d.h. durch Gase (CO2, H2O, u.a.) aufgenommen und in Wärme umgewandelt. 26% werden durch die Atmosphäre und durch Wolken reflektiert, also ins All zurückgeworfen. Ein Teil der Strahlung wird durch die Wolken und durch Partikel in der Atmosphäre gestreut und gelangt als diffuse Strahlung auf die Erdoberfläche. Die Strahlen, die nicht gestreut werden, heissen direkte Strahlung. Diffuse und direkte Strahlung werden zusammen als Globalstrahlung bezeichnet. Davon werden noch 4% durch die Erdoberfläche reflektiert (Reflexstrahlung). Das Verhältnis der reflektierten zur einfallenden Strahlung wird als Albedo bezeichnet. Die restlichen 51% der gesamten einfallenden Sonnenstrahlung werden durch die Erdoberfläche absorbiert. Dort werden sie über die Photosynthese in Biomasse umgewandelt oder sie erhitzen Gewässer und die Erdoberfläche. Bei diesen Prozessen entsteht aus der kurzwelligen Sonnenstrahlung langwellige Wärmestrahlung (Thermalstrahlung des infraroten Bereiches). Jedoch werden 98% der absorbierten kurzwelligen Sonnenstrahlung als infrarote Strahlung (Wärmestrahlung) wieder von der Erdoberfläche abgegeben. Dies ist die Ausstrahlung der Oberfläche. Ein Teil davon wird von Wolken aufgenommen und als Wärmestrahlung wieder zur Erdoberfläche zurückgegeben (77%). Dies wird als Gegenstrahlung bezeichnet. Es wird also nur ein Teil der Ausstrahlung der Erdoberfläche tatsächlich in den Weltraum ausgestrahlt (21%). Dieser Teil ist die effektive Ausstrahlung. Die Gegenstrahlung bewirkt den natürlichen Treibhauseffekt Seite 10 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] und damit die Aufrechterhaltung der 15C Durchschnittstemperatur auf der Erdoberfläche. Die Atmosphäre selbst strahlt 49% langwellige Strahlung in den Weltraum aus. Abhängigkeit des Strahlungshaushaltes vom Ort Die Sonneneinstrahlung unterscheidet sich wie bereits oben erwähnt vom Ort. So ist sie am Äquator höher als an den Polen. Dies soll das folgende kleine Modell verdeutlichen: Wenn man einen Globus (die Erde) mit einer Taschenlampe (die Sonne) bestrahlt, dann ist der Lichtkegel an den Polargebieten grösser als am Äquator, d.h. die gleiche Anzahl Sonnenstrahlen beleuchtet am Pol eine viel grössere Fläche als am Äquator. Die Sonne führt dem Äquator daher mehr Energie zu als den Polen. Wie die Beschreibung des Strahlungshaushaltes ausserdem zeigte, ist die Nettostrahlung eines Ortes neben der Sonneneinstrahlung auch von der Reflexion und Absorption der kurzwelligen Sonnenstrahlung durch die Erdoberfläche abhängig. der Absorption und Reflexion von Strahlung wird v. a. beeinflusst vom Vorhandensein und der Art der Wolken bzw. der Albedo. Der Albedo ist der Anteil an einfallender kurzwelliger Sonnenstrahlung, der durch eine bestimmte Oberfläche wieder reflektiert wird. Er ist für verschiedene Oberflächen unterschiedlich. So reflektiert Schnee etwa 80 bis 85% der einfallenden Sonnenstrahlung, Sand 20 bis 30%, Wolken je nach Mächtigkeit von 25 bis 80%, Wald bis zu 10% und Wasser nur 5%, wenn die Sonne nahe am Zenit steht, aber bis zu 80%, wenn die Sonnenstrahlung im flachen Winkel einfällt. Insgesamt nimmt das System Erde Atmosphäre also genauso viel Energie von der Sonne auf wie es wieder abgibt. Im langjährigen Mittel ist die Strahlungsbilanz der Erde somit ausgeglichen. Innerhalb des Systems zeigt sich aber, dass die Erdoberfläche einen Energieüberschuss von 30% und die Atmosphäre ein Defizit von 30% hat. Um dieses Verhältnis auszugleichen wird Energie von der Erdoberfläche in die Atmosphäre transportiert. Dies kann in verschiedenen Formen stattfinden: Formen des Energietransportes in die Atmosphäre Fühlbare (Sensible) Wärme . ist die Wärme, die mit einem Thermometer gemessen werden kann. Diese wird transportiert durch: Seite 11 von 21 Latente Wärme . ist die Wärme, die als Energie im gasförmigen Wasserdampf enthalten ist. Wenn Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand verdunstet, muss es Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Wärme aufnehmen. Diese ist dann im Wasserdampf gespeichert und wird wieder abgegeben, wenn das Wasser in horizontal aufgleitende Luft den flüssigen Zustand wechselt (Advektion) (kondensiert). siehe auch: Luftfeuchtigkeit und Wolkenbildung und vertikal aufsteigende Luft (Konvektion) bei der Bildung von Wolken Wind Zusammenfassend kann gesagt werden: Die Strahlungsaufnahme eines Ortes ist abhängig von: der einfallenden Sonnenstrahlung (wird bestimmt durch Jahreszeit und geographische Breite), der Bewölkung, die Strahlung reflektiert, und der Beschaffenheit der Erdoberfläche, die auch unterschiedliche Albedo bewirkt. Die Strahlung die ein Ort abgibt, hängt ab: von der Wärme Erdoberfläche und von der Art der Erdoberfläche (unterschiedliche Oberflächen wie Sand, Wasser oder Wald haben unterschiedliche Fähigkeiten langwellige Strahlung abzugeben). Die Bewölkung beeinflusst die Ausprägung der Gegenstrahlung. So verursacht eine geringe Bewölkung eine hohe effektive Ausstrahlung, da kaum Reflexion stattfindet. (Temperatur) der Globale Energieverteilung und transporte Daraus ergibt sich, dass jeder Ort eine andere Strahlungsbilanz hat. Die polaren Regionen haben im langjährigen Mittel ein Strahlungsdefizit, weil sie ein halbes Jahr lang gar keine Einstrahlung haben (Polarnacht). Die tropischen Regionen haben ein Strahlungs und Energieüberschuss, weil sie das ganze Jahr über gleichmässig stark beschienen werden. Die Abhängigkeit der Nettostrahlung von der geographischen Breite zeigt auch die nebenstehende Abbildung. Seite 12 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Um die ungleiche Energieverteilung auf der Erde auszugleichen, muss Energie von den niederen Breiten in die hohen Breiten transportiert werden. Dies erfolgt durch globale Windsysteme der atmosphärischen Zirkulation aber auch durch Meeresströmungen. Die Ausgangsfrage Woraus resultiert die atmosphärische Zirkulation? ist also mit der unterschiedlichen Strahlungsenergieverteilung auf der Erde zu beantworten. Die atmosphärische Zirkulation und die Meeresströmungen resultieren also aus dem Strahlungs und Wärmeunterschied zwischen Pol und Äquator. Klimadiagramm Das Klimadiagramm ist eine Darstellung der mittleren Niederschläge und Temperaturen eines Ortes. Dabei werden die Tagesniederschläge und temperaturen von mindestens 30 Jahren zu Monatsmittelwerten verrechnet. In Klimadiagrammen werden die Durchschnittstemperaturen und die gesamten Niederschläge der einzelnen Monate erfasst. Man unterscheidet verschiedene Klimadiagramme: 1. Temperatur/Niederschlagsdiagramm Seite 13 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Die Temperaturen werden als Linie dargestellt, die Niederschläge als Säule (Säulendarstellung) oder als Kurve. Häufig wird das Verhältnis 1:2 (10C 20 mm, 20C 40 mm usw.) bei der Achsenbeschriftung verwendet, dies ist aber bei diesen Klimadiagrammen nicht zwingend erforderlich. 2. Klimadiagramme nach WalterLieth (ökologisches Klimadiagramm) Niederschläge und Temperaturen sind als Linie dargestellt. Dabei wird immer das Verhältnis 1:2 (10C 20 mm, 20C 40 mm usw.) eingehalten. Die Flächen zwischen den Kurven werden ausschraffiert, so kann man die Aridität bzw. Humidität einer Station bestimmen. Ist die Niederschlagskurve höher als die Temperaturkurve, wird die Fläche mit vertikalen Linien durchzogen (siehe Beispiel) das Klima ist humid. Wenn aber die Temperaturlinie höher als die Niederschlagskurve ist, wird die Fläche gepunktet das Klima ist arid. Bei Werten über 100 mm wird die Achseneinteilung verkürzt. Arbeitsschritte zum Auswerten von Klimadiagrammen Arbeitsschritt Seite 14 von 21 Beispiel Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] 1. allgemeine Angaben (Ort, Höhe, Gradnetz, .) Dresden/Klotsche, 222 ü. NN, 5110N, 1346O 2. Analyse der Temperaturen Jahresmitteltemperatur 8,5C Maximum (Monat) 17,7C (Juli) Minimum (Monat) 1C (Januar) Amplitude (Differenz zwischen Maximum und Minimum) 18,7C grosse Amplitude Frostperiode (Monat) wenn vorhanden Januar Februar 3. Analyse der Niederschläge Jahresniederschlag 660 mm Maximum (Monat) 90 mm (Juli) Minimum (Monat) 34 mm (Februar) Niederschlagsverteilung (Jahreszeit) ganzjährig Niederschläge, im Sommer stärker Trocken/Regenzeit (Monat) wenn vorhanden keine Trocken und keine Regenzeit 4. Welche Klimazone/welcher Klimatyp lässt sich ableiten? Seite 15 von 21 gemässigte Zone, Übergangsklima (nach Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] (Angabe der verwendeten Klimaklassifikation) Neef) weitere Auswertungsschritte sind je nach Wissensstand und/oder entsprechenden Anforderungen möglich: Warum ist dieses Klima so? Begründung der klimatischen Verhältnisse mit Strahlungshaushalt, atmosphärischer Zirkulation, Meeresströmungen, Höhenlage, Relief . Auswirkung des Klimas auf andere Geofaktoren (Vegetation, Wasserhaushalt, geologischer Bau, Relief, Böden) Nutzungsmöglichkeiten bei diesem Klima (Land, Holzwirtschaft, etc.) Seite 16 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] i L f f u h i k i u d o lk n i d n Wolken bringen Niederschläge und sind damit klimatisch von besonderer Bedeutung. Ausserdem lassen sich an Hand ihrer Erscheinung Aussagen über den Zustand der Atmosphäre und über die weitere Wetterentwicklung treffen. Grundsätzlich gibt es zwei Grundformen: Cumuluswolken (scharf begrenzt) entstehen durch Konvektion. Stratuswolken (einheitliche, nicht abgegrenzte Wolkendecke) entstehen durch Advektion. Seite 17 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Konvektion ist das vertikale Aufsteigen von Warmluft. Advektion bezeichnet das horizontale Aufgleiten von Warmluft über kältere Luft. Um die Wolkenbildung zu verstehen, sollte man die Luftfeuchtigkeit kennen. Luftfeuchtigkeit In der Atmosphäre kommt Wasser in allen seinen Aggregatzuständen vor: fest (Eis, Schnee), flüssig (Regen) und gasförmig (Wasserdampf). Die Grösse des gasförmigen Wassers in der Luft ist die Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchtigkeit gibt also den Wasserdampfgehalt an. Seite 18 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Die Luftfeuchte verschieden angegeben: wird maximale Luftfeuchtigkeit (g/m) . gibt an, wie viel Wasserdampf höchstens in einen Kubikmeter Luft passt. Sie ist temperaturabhängig, d.h. in kälterer Luft ist sie kleiner als in wärmerer Luft absolute Luftfeuchtigkeit (g/m) . gibt an, wie viel Wasserdampf tatsächlich in der Luft enthalten ist. relative Luftfeuchtigkeit (%) . ist der Quotient aus absoluter und maximaler Luftfeuchtigkeit, multipliziert mit Hundert. LFrel (LFabs 100)/LFmax Das nebenstehende Diagramm ist die Taupunktkurve. Die Kurve selbst stellt die maximale Luftfeuchte bei verschiedenen Temperaturen dar. Aus ihr ist ersichtlich, dass die maximale Luftfeuchte temperaturabhängig ist. Der Taupunkt ist die Temperatur, bis zu der sich eine Luftmasse abkühlen muss, damit das in ihr beinhaltete Wasser kondensiert. Was passiert, wenn die absolute Luftfeuchte grösser als die maximale wird, wenn also die relative Luftfeuchte 100% übersteigt? Beträgt die relative Luftfeuchtigkeit mehr als 100%, dann ist die Luft übersättigt. Dann wechselt der gasförmige Wasserdampf in den flüssigen Zustand. Wasserdampf kondensiert also zu Wasser. Erst dann können sich Wolken bilden; Wolken bestehen nämlich nicht aus Wasserdampf sondern aus flüssigem Wasser bzw. aus Eis! Seite 19 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Beispiele zum Berechnen von Luftfeuchten und dem Arbeiten mit der Taupunktkurve: Aufgabe 1: Bei einer Lufttemperatur von 15C beträgt die absolute Luftfeuchte 6,8 g/m. Wie gross ist die relative Luftfeuchte? geg.: LFabs 6,8 g/m; 15C ges.: LFrel in (Zum Berechnen wird die obige Gleichung verwendet. Wir brauchen noch die maximale Luftfeuchte. Sie ist der Taupunktkurve zu entnehmen. Bei 15C beträgt sie 12,8 g/m.) LFrel (6,8 g/m 100)/12,8 g/m 53,125% Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt in diesem Beispiel rund 53%. Aufgabe 2: An einer Wetterstation wurden folgende Werte gemessen: Lufttemperatur 20C, absolute Luftfeuchte 6,8 g/m. Wie gross ist der Taupunkt? (Überlegung: Taupunkt Temperatur, wo Luft kondensiert; also: Wie weit muss sich die oben gegebene Luftmasse von 20C abkühlen, damit die absolute Luftfeuchte gleich der Maximalen wird und so die Kondensation einsetzen kann?) Ablesen des Wertes aus der Taupunktkurve Die Luft muss sich bis auf 5C abkühlen, damit sie kondensiert. Der Taupunkt beträgt also 5C. Aufgabe 3: Bei einer Lufttemperatur von 0C beträgt die absolute Luftfeuchte 17 g/m. Wie gross ist die relative Luftfeuchte? geg.: LFabs 17 g/m; 0C ges.: LFrel in (Zum Berechnen verwenden wir die obige Gleichung. Wir brauchen noch die maximale Luftfeuchte. Sie ist ebenfalls wieder der Taupunktkurve zu entnehmen. Bei 0C beträgt sie 4,8 g/m.) LFrel (17 g/m 100)/4,8 g/m 354,16% Die relative Luftfeuchte beträgt etwa 354%. Die Luft ist damit übersättigt. Das letzte Beispiel zeigt es deutlich: ab einem bestimmten Zeitpunkt ist die Luft übersättigt. Dies geschieht, wenn die absolute Luftfeuchte grösser als die maximale ist, wenn also die relative Luftfeuchte Werte über 100% annimmt. Das bedeutet, dass es keine Luftfeuchte mehr gibt, sondern nun setzt die Kondensation ein und es bildet sich flüssiges Wasser, also Wolken. Seite 20 von 21 Ch, Wernli 2016 [KLIMA – KLIMAWANDEL WETTER] Wolkenbildung Mit diesen Vorkenntnissen über die Luftfeuchtigkeit lässt sich nun die Wolkenbildung erklären. Hier wird die Wolkenbildung durch Konvektion, also die Entstehung von Quellwolken (Cumulus) erklärt. Die Advektion verläuft aber nach dem gleichen Grundprinzip: Luft muss sich bis zum Taupunkt abkühlen! Durch eine hohe Erwärmung der Erdoberfläche verdunstet Wasser von Gewässern, Wäldern u.a. Diese Wasserteilchen steigen mit der warmen Luft auf, da die warme Luft sich stark ausdehnt und leichter als die Umgebungsluft ist. Wenn dieser Verdunstungsstrom in zunehmende Höhen gelangt, kühlt sich das in ihm mitgeführte Wasser um 1C pro 100 ab. Diesen Prozess bezeichnet man als trockenadiabatische Abkühlung. Die Luft kühlt sich so lange ab bis sie den Taupunkt erreicht: in einem Kubikmeter (m3) Luft ist so viel Wasser enthalten wie es nur möglich ist, die relative Luftfeuchte beträgt 100%, die Luft ist also gesättigt. Das Wasser im Luftpaket kondensiert. Die Höhe, in der dieser Vorgang abläuft, wird als Kondensationsniveau bezeichnet. Wenn die Wasserteilchen kondensieren, wechseln sie vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Dann lagern sie sich an atmosphärischen Dreck und Staub sogenannte Kondensationskerne an. Es bilden sich Quell/CumulusWolken. Diese Wasserteilchen steigen weiter auf, dabei kühlen sie sich aber nur noch um C pro 100 ab. Dies wird als feuchtadiabatische Abkühlung bezeichnet. Wenn die Wolke mit ihren Wasserteilchen zu schwer wird, entstehen Niederschläge (Regen, Schnee, Hagel, Graupel). Seite 21 von 21 Ch, Wernli 2016