Arbeitsblatt: Wetter

UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen DIE ENTSTEHUNG DER JAHRESZEITEN Die Jahreszeiten wechseln, weil die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne eine geneigte Achse hat. Wenn die nördliche Halbkugel der Sonne zugeneigt ist, erwärmt sich das Land – es ist dort Sommer. Ist die nördliche Halbkugel der Sonne abgewandt, wird das Land weniger beschienen – es ist dort kälter und Winterzeit. Entscheidend für die Jahreszeiten ist der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche. Wenn die Sonnenstrahlen senkrecht stahlen, wird am meisten Wärme übertragen. Auf der Süd- und der Nordhalbkugel der Erde herrschen jeweils die entgegengesetzten Jahreszeiten: Ist im Süden Sommer, so herrscht auf der Nordhalbkugel Winter, und umgekehrt. In tropischen und subtropischen Gebieten unterscheidet man stattdessen zwischen Regen- und Trockenzeit. In den Tropen gibt es zwei Regenzeiten pro Jahr, welche sich jedoch mit zunehmender geografischer Breite zu einer einzelnen, zweigipfeligen und schließlich in den Subtropen zu einer eingipfeligen Regenzeit wandeln. Experiment 1: Nimm an, eine Taschenlampe sei die Sonne und lass sie schräg auf einen Risch scheinen. Die Lichtstrahlen bedecken dann ein grösseres Stück des Tisches als die senkrecht auftreffenden Strahlen. Die Lichtmenge bleibt gleich, wird aber über eine grössere Fläche verteilt, und so mss die Lichtstärke, auf jeden Quadratzentimeter Fläche gerechnet, geringer werden. Die Sonnenstrahlen treffen im Winter in einem sehr flachen Winkel auf die Erde. Die gleiche Menge Sonnenstrahlen bestreicht daher eine grössere Fläche. Jedes Stückchen Erdboden erhält weniger Sonnenstrahlen und daher weniger Wärme, als wenn die Sonnenstrahlen steiler auf die Erde treffen. Experiment 2: Dieser Versuch soll dir die Ursache zeigen, weshalb die Erde im Sommer so warm wird: Nimm ein Stück schwarzes Papier und schneide es in zwei gleich grosse Teile. Das eine Stück wird flach auf den Boden gelegt, so dass die Sonne direkt darauf scheinen kann. Das andere ist so aufgestellt, dass die Sonnenstrahlen in einem spitzen Winkel auftreffen. Lass die Sonne auf beide Blätter scheinen. Notiere hier deine Beobachtung: In der gleichen Weise wird die Erde durch die steiler auftreffenden Strahlen der Sommersonne stärker erwärmt als durch die schräger fallenden Strahlen während der anderen Jahreszeiten. LÖ Die Sonnenstrahlen treffen im Winter in einem sehr flachen Winkel auf die Erde. Die gleiche Menge Sonnenstrahlen bestreicht daher eine grössere Fläche. Jedes Stückchen Erdboden erhält weniger Sonnenstrahlen und daher weniger Wärme, als wenn die Sonnenstrahlen steiler auf die Erde treffen. In der gleichen Weise wird die Erde durch die steiler auftreffenden Strahlen der Sommersonne stärker erwärmt als durch die schräger fallenden Strahlen während der anderen Jahreszeiten. KLEINE WOLKENKUNDE UE: Wetter 2. Wolkenbilder Wolken kommen in den unterschiedlichsten Formen vor. Ihr Aussehen hängt davon ab, wie warm und wie feucht die aufsteigende Luft ist, wie schnell diese aufsteit und in welcher höhe sich die Wolken bilden. Recht warme feutchte Luft, die schnell aufsteigt, führt zum Beispiel in mittlerer Höhe zu Wolken, die einem Wattebauch ähneln. Mässig warme feuchte Luft, die langsam aufsteigt, erzeigt dagegen bereits in niedriger Höhe flache Wolken. Die gestalt, die Farbe und die Höhe von Wolken, aber auch ihre Grösse und Menge sind für die Wettervorhersage von grosser Bedeutung. Deshalb haben die Menschen vor gut 200 Jahren damit angefangen, Wolken zu beschreiben und zu ordnen. Es gibt vier Wolkenfamilien und zehn Wolkengattungen. Die Gattungen ergeben sich aus der Gestalt der Wolken und der Höhe ihrer Untergrenze. Bei der Gestalt unterscheidet man tiefe, mittelhohe und hoh Wolken sowie Wolken, die sich über zwei oder drei dieser Stockwerke erstrecken. Welche Wolkengattung wie aussieht und wo sie auzutrreffen ist, zeigt dir diese Übersicht. Hohe Wolken Mittelhohe Wolken Tiefe Wolken Wolken mit grosser senkrechter Ausdehnung Sie bilden sich in grossen Höhen aus Luft, die sehr wenig Wasserdampf enthält, und bestehen aus Eiskristallen. Ihre Untergrenze liegt zwischen 5 und 14 Kilometern Höhe. Hohe Wolken sind meist ein Zeichen für schönes Wetter, können aber auch unbeständiges Wetter ankündigen. Sind Mischwolken, d.h. sie bestehen zum Teil aus Eiskristallen und zum Teil aus Wassertröpfchen. Ihre Untergrenze liegt zwischen zwei und fünf Kilometern Höhe. Sie sind nicht leicht zu bestimmen und bringen oft Niederschlag. Sie bestehen meist vollstänig aus Wassertröpfchen, sind also reine Wasserwolken. Ihre Untergrenze reicht vom Erdboden bis in zwei Kilometern Höhe. Sie bringen meistens Regen. Wolken dieser Gattung erstrecken sich über zwei oder gar drei der Wolkenstockwerke. Sie bestehen grösstenteils aus Wassertropfen, aber auch aus Eiskristallen (vor allem oben). Mit Ausnahme der Schönwetter-Haufenwolke bringen sie meistens heftige Niederschläge. Hohe Wolken Federwolke (Cirrus) Kleine Schäfchenwolke (Cirrocumulus) Mittelhohe Wolken Grosse Schäfchenwolke (Altocumulus) Mittelhohe Schichtwolke (Altostratus) Tiefe Wolken Haufenschichtwolke (Stratocomulus) Tiefe Schichtwolken (Stratus) Wolken mit grosser senkrechter Ausdehnung Regenwolke (Nimbostratus) Schönwetter – Haufenwolke (Cumulus) Sie bilden sich in grossen Höhen aus Luft, die sehr wenig Wasserdampf enthält, und bestehen aus Eiskristallen. Ihre Untergrenze liegt zwischen 5 und 14 Kilometern Höhe. Hohe Wolken sind meist ein Zeichen für schönes Wetter, können aber auch unbeständiges Wetter ankündigen. Sind Mischwolken, d.h. sie bestehen zum Teil aus Eiskristallen und zum Teil aus Wassertröpfchen. Ihre Untergrenze liegt zwischen zwei und fünf Kilometern Höhe. Sie sind nicht leicht zu bestimmen und bringen oft Niederschlag. Sie bestehen meist vollstänig aus Wassertröpfchen, sind also reine Wasserwolken. Ihre Untergrenze reicht vom Erdboden bis in zwei Kilometern Höhe. Sie bringen meistens Regen. Wolken dieser Gattung erstrecken sich über zwei oder gar drei der Wolkenstockwerke. Sie bestehen grösstenteils aus Wassertropfen, aber auch aus Eiskristallen (vor allem oben). Mit Ausnahme der Schönwetter-Haufenwolke bringen sie meistens heftige Hohe Schleierwolke (Cirrostratus) Gewitterwolke (Cumulonumbus) Niederschläge. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen KLIMA UND WETTER Was ist das Klima? Klima ist das Produkt aus dem Zusammenspiel von Wind, Wasser und Land. Das Sonnenlicht erwärmt die Atmosphäre und sorgt dabei für aufsteigende oder sinkende Luftschichten. Diese rufen zusammen mit der Erdrotation atmosphärische Strömungen hervor, die ihrerseits für die globalen Meeresströmungen verantwortlich sind. Klima ist nicht dasselbe wie Wetter. Klima bezieht sich auf die langfristigen Erscheinungen, das Wetter dagegen auf die atmosphärischen Bedingungen an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit – z.B. darauf, ob es in Cham letzten Mittwoch regnete oder nicht. Die fünf grossen Klimazonen sehr kalt Zone sehr kühle und kurze Sommer, lange und sehr kalte Winter, geringe Niederschläge kaltgemässigte Zone warme bis kühle Sommer, lange und sehr kalte Winter geringe Niederschläge kühlgemässigte Zone Ausgeprägte Jahreszeiten, warme Sommer und kühle Winter, Niederschläge über das ganze Jahr verteilt, wobei im Sommer die meisten Niederschläge fallen warmgemässigte Zone Sehr heisse und trockene Sommer, warme Winter. In der Wüste kaum Niederschläge, im Mittelmeer-raum im Winter wider mehr Niederschläge heisse Zone Ganzjährig heiss mit besonders vielen Niederschlägen im Bereich des Äquators. Mit der Entfernung vom Äquator nehmen die Niederschläge ab und hören schliesslich ganz auf. Weltwindsystem und Klima Auf der Welt gibt es grosse Gebiete, mit einem höheren Druck als in den anderen Gebieten. Wie kommt das zustande? Der Grund für den Druckunterschied ist die unterschiedliche Erwärmung der Erde. Da die Sonne am Äquator nahezu das ganze Jahr beinahe senkrecht auf die Erde auftrifft, wärmen sich diese Gebiete viel schneller auf als an den Polen. Durch die starke Erhitzung am Äquator steigt die Luft dort auf. Das Aufsteigen der Luft verursagt eine „Sogwirkung, es entsteht ein tieferer Druck. Diese Erscheinung nennt man die äquatoriale Tiefdruckrinne. Das Tiefdruckgebiet am Äquator saugt wiederum Luft aus dem Norden und dem Süden an. Durch die Drehung der Erde wirkt eine Kraft auf die Luftmassen, die Corioliskraft. Aus diesem Grund strömt die kältere Luft nicht direkt aus dem Norden oder Süden, sondern aus dem Südosten oder dem Nordosten zum Äquator. Die warme, aufsteigende Luft sinkt etwa auf dem 25. und 30. Breitengrad wieder ab. Dort bildet sich deshalb die sogenannte subtorpische Hochdruckzone. Dieses Hochdruckgebiet wurde von den Seefahrern „Rossbreiten genannt. Die vorherrschende Windstille setzte die Segelschiffe manchmal wochenlang auf ihrer Position fest. Die Zwangspause führte zu Wassermangel. Die mitgeführten Pferde verdursteten damals zuerst. Deshalb der Name Rossbreiten. Wetter In speziellen Sendungen sprechen Fachleute (Meteorologen) über das Wetter. Sie erklären die Ursachen und die Hintergründe der Wetterentwicklung. Aufgaben: 1. Nimm eine beliebige Tageszeitung und versuche die Wettersituation mit Hilfe der Wettersymbole zu lesen. Erklärung der Wettersymbole abwechselnd sonnig sonnig bewölkt, vereinzelt Schauer und Gewitter bewölkt, Schauer und Gewitter bewölkt, kräftige Schauer und Gewitter bewölkt, etwas Regen bewölkt, Regen bewölkt, ergiebiger Regen bewölkt, vereinzelt Schauer bewölkt, Schauer bewölkt, kräftige Schauer bewölkt, leichter Schneefall bewölkt, Schneefall bewölkt, ergiebiger Schneefall bewölkt, vereinzelt Schneeschauer bewölkt, Schneeschauer bewölkt, kräftige Schneeschauer unterschiedlich bewölkt, Schauer und Gewitter unterschiedlich bewölkt, kräftige Schauer und Gewitter unterschiedlich bewölkt, Regen unterschiedlich bewölkt, ergiebiger Regen unterschiedlich bewölkt, Schauer unterschiedlich bewölkt, kräftige Schauer unterschiedlich bewölkt, leichter Schneefall unterschiedlich bewölkt, Schneefall unterschiedlich bewölkt, ergiebiger Schneefall unterschiedlich bewölkt, vereinzelt Schneeschauer unterschiedlich bewölkt, Schneeschauer unterschiedlich bewölkt, kräftige Schneeschauer meist sonnig bewölkt unterschiedlich bewölkt unterschiedlich bewölkt, vereinzelt Schauer und Gewitter unterschiedlich bewölkt, etwas Regen unterschiedlich bewölkt, vereinzelt Schauer 2. Du siehst eine Wetterprognose. Schreib dazu mit eigenen Worten, wie das Wetter laut der Porgnose sein wird. 3. Besorge dir verschiedene Wetterprognosen vom selben Tag! 4. Betrachte jede Prognose und vergleiche sie miteinander (Welche sind verständlich? Welche sind sehr ausfürlich? Sagen alle dasselbe aus? 5. Vergleiche deine Arbeit in einer 3-er Gruppe und erzähle, was du herausgefunden hast. UE: Wetter 2. Wolkenbilder LUFTSCHICHTEN ATMOSPHÄRE LÖ Die Erde wird von einer Lufthülle umgeben, diese Lufthülle wird in verschiedene Schichten eingeteilt. In der Troposphäre nimmt die Temperatur ab, je höher man kommt. In der Stratosphäre steigt die Temperatur langsam wieder auf 0C. Hier befindet sich die Ozon-Schicht. In der Mesosphäre wird es wieder zunehmend kälter. Die Thermosphäre kann sich dann wieder bis etwa 1000C erwärmen. Das Wetter mit seinen Wolken und Niderschlägen entsteht nur in den untersten 11 bis 16 km, also in der Troposphäre und Tropopause. UE: Wetter 2. Wolkenbilder LUFTSCHICHTEN ATMOSPHÄRE Die Erde wird von einer Lufthülle umgeben, diese Lufthülle wird in verschiedene Schichten eingeteilt. In der Troposphäre nimmt die Temperatur ab, je höher man kommt. In der Stratosphäre steigt die Temperatur langsam wieder auf 0C. Hier befindet sich die Ozon-Schicht. In der Mesosphäre wird es wieder zunehmend kälter. Die Thermosphäre kann sich dann wieder bis etwa 1000C erwärmen. Das Wetter mit seinen Wolken und Niderschlägen entsteht nur in den untersten 11 bis 16 km, also in der Troposphäre und Tropopause. LUFTSCHICHTEN ATMOSPHÄRE Termosphäre Mesopause Mesosphäre Stratopause Stratosphäre Troprpause Troposphäre Ozonschicht Erdatmosphäre Thermosphäre Die Thermosphäre, zusammengesetzt aus thermos (aus dem Griechischen: warm, heiss) und sphaira (griechisch (Erd)kugel), ist ein Stockwerk der Atmosphäre, beginnt in etwa 80 bis 85 km Höhe und reicht bis etwa 500 1000 km Höhe. In der Thermosphäre steigt die Temperatur von -90C auf etwa 1000C an der Obergrenze der Schicht. Allerdings: Die Obergrenze dieser Schicht (und damit die Grenze der Atmosphäre) ist nicht exakt festzulegen. Die Anzahl Luftmoleküle pro Volumeneinheit nimmt zwar stetig ab; ab welcher Höhe keine Luftmoleküle mehr vorhanden sind, lässt sich aber nicht bestimmen. Die Thermosphäre (von griechisch , thermós „warm, heiß und , sfära „Kugel) ist die vierte und zweitäußerste der Schichten der Erdatmosphäre. Sie erstreckt sich von der in etwa 80 bis 85 Kilometer Höhe liegenden Mesopause, der oberen Grenze der Mesosphäre, bis unter die Exosphäre in etwa 500 bis 600 Kilometern über der Erdoberfläche. Die mittlere freie Weglänge einzelner Gasteilchen beträgt hier mehrere Kilometer, so dass ein Energieaustausch zwischen den Teilchen aufgrund seltenen Kontakts kaum stattfindet. Diese Gasmoleküle der extrem dünnen Atmosphärenschicht werden von der eintreffenden energiereichen kosmischen Strahlung ionisiert, also in Ionen und freie Elektronen gespalten, daher ist die Thermosphäre auch ein Teil der Ionosphäre. Aufgrund der geringen Dichte der Ionosphäre können diese Teilchen lange existieren, ehe sie wieder rekombinieren. Die Temperatur beträgt auch abhängig von der Sonnenaktivität bis über 1.700 C und nimmt mit der Höhe zu. Dies spielt aufgrund des geringen Wärmeaustausches zum Beispiel für Astronauten keine Rolle. In der Thermosphäre umkreisen unter anderem das Space Shuttle und die Internationale Raumstation (ISS) die Erde. Obwohl die Atmosphäre hier außerordentlich dünn ist, macht sich der Luftwiderstand über längere Zeit bemerkbar. Die ISS, die in zwischen 350 und 400 km Höhe die Erde umkreist, würde ohne regelmäßige Anhebung ihrer Umlaufbahn durch Raketentriebwerke innerhalb weniger Jahre so stark abgebremst werden, dass sie auf die Erde stürzen würde. Meteore werden beim Eintritt in die Erdatmosphäre meist in der unteren Thermosphäre sichtbar. Auch beim Wiedereintritt von Raumfahrzeugen treten hier erste thermische Belastungen auf, die höchsten Temperaturen werden dabei in der Regel aber erst in der Mesosphäre erreicht. Die International anerkannte Definition der Grenze zwischen Erdatmosphäre und Weltraum ist die der Fédération Aéronautique Internationale und liegt in einer Höhe von 100 km, also auf Höhe der Homopause. Demnach wäre der größte Teil der Thermosphäre bereits Weltraums. Diese Definition ist mehr oder weniger willkürlich und hat kein gesondert hervorstechendes Kriterium. Mesopause Die Mesopause ist die Obergrenze der Mesosophäre. Sie liegt in einer Höhe von etwa 80 bis 85 km. Das Wort setzt sich zusammen aus mesos (aus dem Griechischen: Mitte) und pauein (aus dem Griechischen: beendigen). Die Mesopause ist die atmosphärische Grenzschicht zwischen Mesosphäre und Thermosphäre. Ihre Lage wird durch das zweite Minimum des atmosphärischen Temperaturprofils definiert. Die Mesopause liegt im Sommer in einer Höhe von ca. 80 bis 85 km und im Winter in einer Höhe von etwa 100 km. Nach der Definition der NASA und der US Air Force beginnt der Weltraum bereits in einer Höhe von etwa 80 km (50 Meilen) über dem Boden und entspricht daher in etwa der Mesopause. Diese Definition ist jedoch nur eine unter mehreren. Mesosphäre Die Mesosphäre, zusammengesetzt aus mesos (aus dem Griechischen: Mitte) und sphaira (griechisch (Erd)kugel), ist eine Schicht der hohen Atmosphäre, zwischen Stratopause (in etwa 50 km Höhe) und der Mesopause (in 80 bis 85 km Höhe). Die Temperatur sinkt von etwa 0C an der Stratopause auf etwa -90C. Der Temperaturgradient von knapp 3.0 K/km ist erheblich geringer als in der Troposphäre (6.5 K/km). Stratopause Die Stratopause ist die Obergrenze der Stratosphäre. Sie liegt auf rund 50 km Höhe. Das Wort setzt sich zusammen aus stratum (aus dem Griechischen: Decke) und pauein (aus dem griechischen: beendigen). Die Stratopause ist die atmosphärische Grenzschicht zwischen Stratosphäre und Mesosphäre. Die Lage der Stratopause wird durch das erste Maximum des atmosphärischen Temperaturprofils gekennzeichnet; sie liegt in etwa 50 km Höhe. Stratosphäre Die Stratosphäre, zusammengesetzt aus stratum (aus dem griechischen: Decke) und sphaira (griechisch (Erd)kugel), ist eine Schicht der Atmosphäre zwischen Tropopause (in 8 bis 17 km Höhe) und Stratopause (in etwa 50 km Höhe). Die Temperatur bleibt im unteren Teil der Stratosphäre zunächst etwa konstant und nimmt dann mit einem Temperaturgradienten von ungefähr 2.5 K/km zu. Grund für die Zunahme ist die Absorption von Strahlung an Molekülen, insbesondere in der Ozonschicht. Die Stratosphäre (von lateinisch stratum „Decke und griechisch , sfära „Kugel) ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre, nach der Troposphäre, in der sich auch eingeschränkte Wetterphänomene beobachten lassen. Sie ist Teil der Homosphäre. Die Temperatur nimmt mit steigender Höhe zu, wobei diese Steigung in der unteren Stratosphäre, bis etwa 20 Kilometer, noch verschwindend gering ist. Die untere Begrenzung der Stratosphäre ist die Tropopause, die Obergrenze heißt Stratopause. In größerer Höhe folgt die Mesosphäre. In der Erdatmosphäre erstreckt sich die Stratosphäre von 8–50 km an den Polen bzw. 18–50 km über der Erdoberfläche am Äquator. Ab der Höhe der Ozonschicht, welche ein Teil der Stratosphäre ist, steigt die Temperatur von ca. –60 C bis auf knapp unter 0 C an. Dieser Temperaturanstieg ist auf die Absorption der UV-Strahlung durch das Ozon zurückzuführen. Die Stratosphäre wurde ebenso wie die Tropopause im Jahr 1902 von dem französischen Meteorologen Léon-Philippe Teisserenc de Bort und dem Deutschen Richard Aßmann entdeckt. Heutzutage wird sie durch unbemannte Flugzeuge wie das High Altitude and Long Range Research Aircraft und Strato 2C erforscht. Tropopause Die Tropopause ist die Obergrenze der Troposphäre. Sie liegt in einer Höhe von etwa 8 km (über den Polen) bis 17 km (über dem Äquator). Das Wort setzt sich zusammen aus trope (aus dem Griechischen: Wende, Kehre, Wendung) und pauein (aus dem Griechischen: beendigen). Der Name wurde so gewählt, weil auf dieser Höhe die Temperatur ihre Talfahrt beendet und wieder zu steigen beginnt. Am Äquator liegt die Troposphäre höher, da dort wegen der starken Sonneneinstrahlung hochreichende Konvektion stattfindet. Die Tropopause ist die wichtigste Grenzschicht der Erdatmosphäre und liegt in den mittleren Breiten durchschnittlich zehn bis zwölf Kilometer hoch. Sie ist durch eine deutliche Änderung im Temperaturverlauf charakterisiert und trennt die vom Wetter geprägte Troposphäre von der darüber liegenden ruhigeren Stratosphäre. Knapp unterhalb liegt die so genannte Nullschicht, in der es kaum noch Vertikalbewegung gibt und diese weitgehend in horizontale, ausgleichende Winde zwischen Tief- und Hochdruckgebieten übergeht. Diese Winde werden Strahlströme (engl. jet streams) genannt und können in relativ schmalen Bändern oft Windgeschwindigkeiten bis 400 km/h erreichen. Markante Grenzschicht oberhalb der Wolken Die Tropopause stellt aus geophysikalischem Blickwinkel eine dünne, aber beständig über den ganzen Globus verlaufende Inversions-Schicht dar. Beobachtbar ist sie durch die Verbreiterung manch hoher Gewitterwolken, deren Obergrenzen oft nahe der Tropopause liegen. Von der Erdoberfläche bis hinauf zur Tropopause sinkt die Lufttemperatur relativ gleichmäßig bis auf etwa -50 oder -60 C, bleibt aber dann konstant. An dieser Grenzschicht enden konvektive Vorgänge des Wetters, da die Luft in der Stratosphäre stabil geschichtet ist. Die turbulente Durchmischung der Atmosphäre reicht aber noch weit darüber hinaus bis zur Turbopause, also in etwa 100 km Höhe. Da Wasser bei den niedrigen Temperaturen kaum noch als Wasserdampf vorliegt und praktisch ausschließlich konvektiv transportiert wird, bleibt es in der Troposphäre quasi gefangen. Daher ist die Atmosphäre oberhalb der Tropopause sehr trocken und es gibt praktisch keine Wolken mehr, was jedem Flugpassagier eines Jets durch die oft fantastische Fernsicht auffällt. Ausnahmen hiervon bilden zum Beispiel die polaren Stratosphärenwolken. Wegen des fehlenden konvektiven Luftaustausches, der vor allem für Aerosole wichtig ist, macht man sich aber seit längerem Sorgen über die Luftverschmutzung durch den stark zunehmenden Flugverkehr. Variable Höhe und Temperaturgradient Durchschnittliche Temperatur und molare Masse in Abhängkeit von der Höhe. Die aktuelle Höhenlage der Tropopause an einem Ort hängt vom regionalen Wetter und der Jahreszeit ab. Generell verläuft sie in niedrigen Breiten, also in Äquatornähe, in etwa 15 bis 18 km Höhe, liegt über Mitteleuropa durchschnittlich 10 bis 12 km hoch und sinkt jenseits der Polarkreise auf meist nur 6 bis 8 km Höhe. Diese Werte variieren merklich mit der Jahreszeit, wobei die geringeren Höhen im Winter auftreten (siehe hierzu auch Planetarische Zirkulation). An der Tropopause ändert sich plötzlich der vertikale Temperaturgradient der Atmosphäre. Während in der Troposphäre die Lufttemperatur mit der Höhe abgesehen von kleineren Inversionen um etwa 0,5 bis 0,7 C pro 100m sinkt (siehe auch Standardatmosphäre und barometrische Höhenformel), bleibt die Temperatur oberhalb der Tropopause zunächst fast konstant bei unter -50 C. Mit zunehmender Höhe erwärmt sich die Stratosphäre wieder bis auf etwa 0 C (273,15 K). Die Temperaturerhöhung der hier schon äußerst dünnen Luft wird durch die Absorption der solaren UV-Strahlung (UV CB) an den Molekülen des stratospärischen Ozon verursacht (chem. O3). Oberhalb von 15 bis 20 km absorbiert das Ozon fast den gesamten UV-Wellenlängenbereich des Sonnenlichts, obwohl es in dieser Höhe anteilsmäßig nur maximal 0,0005 Prozent der Atmosphärengase ausmacht. Dadurch wird die Umgebung erwärmt, manche Luftteilchen werden dissoziiert und in größeren Höhen sogar ionisiert. Entdeckung Die Grenzschicht der Tropopause wurde in den Jahren 1901/1902 im Zuge eines spektakulären Ballonaufstiegs auf 10.800 Meter von R. Süring und A.Berson entdeckt. Die beiden Ballonfahrer fielen trotz guter Versorgung mit Sauerstoff zwischen 10 und 11 km Höhe in eine tiefe Ohnmacht, zogen aber knapp vorher die lebensrettende Leine zum Sinken. Als der Luftdruck von nur mehr etwa 25 in rund 6 km Höhe wieder fast 50 betrug, erwachten sie gleichzeitig, konnten das rasche Absinken 2 km über dem Boden stabilisieren und eine glatte Landung herbeiführen. Im Mai 1902 publizierten die Meteorologen Richard Aßmann der Chef der o.e. Ballonfahrer und Léon-Philippe Teisserenc de Bort gleichzeitig über die Existenz einer darüber liegenden Stratosphäre. Der Ballon war etwas über die Tropopause hinaus gestiegen und die Forscher konnten so die nach oben nicht weiter sinkende Lufttemperatur nachweisen. Durchstößt man im Flugzeug die Tropopause, kann es zu leichten Turbulenzen kommen (siehe auch Clear Air Turbulence). Darüber erwartet einen aber tiefes Himmelsblau in dem schon ein kleiner Feldstecher die helleren Sterne zeigt und kein nennenswertes Wettergeschehen. Nur an einigen heraufragenden „Wolkentürmen lässt sich das irdische Wettergeschehen darunter erahnen. Umweltschutz Der stark zunehmende Flugverkehr in Höhe der Tropopause und die lange nachwirkende Emission von unter anderem Fluorchlorkohlenwasserstoffen bedrohen diese bis 1950 fast unberührte Natursphäre: Einerseits durch merkliche Zunahme von Aerosolen und Feinstäuben, andererseits was das Spurengas Ozon betrifft. Es tritt zwar erst oberhalb 20 km mit mehr als einigen Millionsteln (ppm) auf, wirkt aber durch Erwärmung tief hinunter und ruft dadurch die Tropopause erst hervor. Weil die Ozonschicht eine so markante Trennschicht ist, wird der Luftaustausch oben-unten verhindert und der Abbau künstlicher Schadstoffe verlangsamt. Nur manche Tiefdruckgebiete wirbeln so stark, dass im Föhn etwas stratosphärisches Ozon an die Erdoberfläche gelangt und die uns vertrauten Luftschichten in größere Höhen. Tropospäre Die Troposphäre, zusammengesetzt aus trope (aus dem Griechischen: Wende, Kehre, Wendung) und sphaira (griechisch (Erd)kugel), ist eine Schicht der Atmosphäre, zwischen Erdoberfläche und der Tropopause (in 8 bis 17 km Höhe). Die Temperatur sinkt von etwa 15C am Boden (gemäss StandardAtmosphäre) auf etwa -56C. Der Temperaturgradient beträgt im Durchschnitt 6.5 K/km. Die Troposphäre ist die Wetterschicht. Hier ist fast der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre versammelt, hier finden wir etwa 3/4 der gesamten Masse der Atmosphäre. Die Troposphäre (von griechisch , tropé „Wendung, Kehre und , sfära „Kugel) ist die unterste Schicht der Atmosphäre und Teil der Homosphäre. Die Troposphäre reicht vom Erdboden bis zur Tropopause. Ihre Dicke beträgt etwa 8 Kilometer an den Polen, wo sie im Winter bis zu 2 Kilometer niedriger ist als im Sommer, und 18 Kilometer am Äquator. In der Troposphäre sind etwa 90 Prozent der gesamten Luft sowie beinahe der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre enthalten. Da sich in ihr der Großteil des Wetters abspielt, spricht man auch von der Wetterschicht (oder Advektionsschicht) der Atmosphäre. Die Troposphäre wird nur in geringem Maße direkt durch Sonnenstrahlen erwärmt. Der größte Teil der Wärme wird vom Erdboden aufgenommen, weswegen die Lufttemperatur im Schnitt um etwa 6,5 C pro Kilometer Höhe abnimmt (Definition der Standardatmosphäre). Im einzelnen beträgt die Temperaturabnahme in trockenadiabatischen ( wolkenlosen) Abschnitten durchschnittlich 1 Grad auf je 100 Meter (DALR), im feuchtadiabatischen (wolken-und nebelreichen) Raum sind es pro 100 Meter etwa 0,6 Grad (SALR). An der Tropopause beträgt die Temperatur um -45 C (an den Polen) bis -75 C (am Äquator). Das heißt aber auch, dass warme Gase hochsteigen und kalte absinken. Die Luft wird dadurch durchmischt, die Entstehung von Wetter wird möglich. Deswegen spielen sich alle Vorgänge, die das Wetter beeinflussen, in der Troposphäre ab. Durch den vorhandenen Wasserdampf werden Wolken gebildet, Regen entsteht und die Troposphäre wird von gelösten Gasen und Feststoffen gereinigt. Die nächst höhere Luftschicht über der Troposphäre ist die Stratosphäre (bis 50 km Höhe), mit der nur ein geringer Luftaustausch stattfindet, da hier zunächst eine sogenannte Isothermie herrscht (Temperatur bleibt mit zunehmender Höhe gleich). Ab dem Beginn der Ozonschicht (zwischen 20 und 50 km Höhe) nimmt die Temperatur sogar wieder zu (Inversion) bis etwa 0 C. Die Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre wird als Tropopause bezeichnet. Ozonschicht In etwa 30 km Höhe bildet sich Ozon. Es absorbiert einen grossen Teil der lebensfeindlichen UV-Strahlung und ermöglicht damit Leben auf der Erde. Ozonbildung und Ozonabbau in der Ozonschicht stehen in einem Gleichgewicht. Der Mensch greift durch Freisetzung von gewissen Gasen (FCKW) in die Atmosphäre in dieses Gleichgewicht ein. Die FCKW-Gase entwickeln enorme Zerstörungskraft. Die UV C-Strahlung wird absorbiert, die dabei aufgenommene Energie spaltet ein Chloratom (Cl) ab. Dieses reagiert mit einem Ozonmolekül (O3) zu Sauerstoff (O2) und Chloroxid (ClO). Gleichzeitig findet die natürliche Reaktion statt, die Ozon abbaut (ein Photon wird absorbiert und ein Ozonmolekül (O3) in ein Sauerstoffatom (O) und ein Sauerstoffmolekül (O2) zerlegt). Das einzelne reagiert mit dem Chloroxid (ClO) zu Chlor und O2. Durch diese und andere Reaktionen gewinnt der Ozonabbau gegenüber der Ozonbildung an Bedeutung. Diese Reaktionen finden in der gesamten Ozonschicht statt und schwächen diese, so dass mehr UV-Strahlung auf die Erdoberfläche gelangt, wo sie beim Menschen bei ungeschütztem und übermässigem Sonnenbaden, Hautkrebs hervorrufen kann. Besonders prekär wird die Situation jeweils im Frühjahr über dem Südpol (Oktober). Im strahlungsarmen Winter können sich in der Stratosphäre Wolken bilden. In diesen stratosphärischen Wolken können sich Chloratome (in Molekülen gebunden) ansammeln und ein Reservoir bilden. Im Frühjahr, wenn die Strahlungsstärke wieder zunimmt, beginnen die Reservoirteilchen zu reagieren und das Ozon abzubauen. Über dem Norpol ist der Reservoireffekt etwas abgeschwächt, weil die Stratosphärischen Wolken in einem Austausch mit südlicheren Luftmassen stehen. Das FrühjahresOzonloch über dem Nordpol (April) ist weniger gross, als über dem Südpol (Oktober). Die Ozonschicht ist ein Teil der Stratosphäre, der vergleichsweise hohe Konzentrationen von Ozon (bis ca. 8 ml/m) enthält und gefährliche UV-Strahlung absorbiert. Die höchste Dichte von Ozon befindet sich in gut 20 km Höhe, der höchste Volumenanteil in ca. 40 km Höhe. Die Ozonschicht wurde 1913 von den französischen Physikern Charles Fabry und Henri Buisson entdeckt. Würde man alles Ozon, das sich in der Atmosphäre befindet, extrahieren und auf Normaldruck komprimieren, ergäbe das eine 3 mm hohe Schicht auf der Erdoberfläche. Zum Vergleich: Die Luftsäule mit den anderen Gasen (vor allem Stickstoff und Sauerstoff) wäre 8 km hoch. Bestimmte Gase, insbesondere FCKW, können durch katalytische Effekte einen beschleunigten Abbau des Ozons bewirken. Dieses führt zum Ozonloch, das nach Ende der Polarnacht vor allem über dem Südpol beobachtet wird, inzwischen aber auch über dem Nordpol auftritt. Mit der aufgehenden Sonne werden Moleküle vom Sonnenlicht gespalten, die die Katalysatoratome freisetzen. Zwar baut sich das Ozon wieder auf, aber nur mit einer gewissen Verzögerung (einige Wochen nach Sonnenaufgang). Während dieser Phase treffen verstärkt UV-Strahlen auf die Erdoberfläche, was zum Beispiel das Plankton in den Polarmeeren schädigt oder beim Menschen zu einer Zunahme von Hautkrebserkrankungen führt. Abbau von Ozon durch FCKW Die FCKW werden durch UV-Strahlung im 424-nm-Bereich aufgespalten, wodurch unter anderem ein freies Chloratom entsteht. Das Chloratom entzieht dem Ozon eines seiner Sauerstoffatome und reagiert zu ClO. Trifft es nun auf ein anderes freies Sauerstoffatom, wird dieses wieder abgegeben. Ozon wird in normalen molekularen Sauerstoff umgewandelt. Bei dieser Reaktion tritt das Chloratom nur als Katalysator auf. Ein Chloratom kann bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören. Erdatmospäre Die Erdatmosphäre (v. griech.: atmós Luft, Druck, Dampf sfära Kugel), die Atmosphäre der Erde, ist die gasförmige Hülle oberhalb der Erdoberfläche. Sie stellt eine der Geosphären dar und ihr Gasgemisch ist durch einen hohen Anteil an Stickstoff und Sauerstoff und somit oxidierende Verhältnisse geprägt. Eine Darstellung der Konzentration der Atmosphärengase sowie deren Charakteristika bietet der Artikel Luft. Entwicklung Der Vulkanismus als wesentlicher Einflussfaktor der Atmosphärenentwicklung Hauptartikel: Entwicklung der Erdatmosphäre Die Entwicklung der Erdatmosphäre ist ein Teil der chemischen Evolution der Erde und zudem ein wichtiges Element der Klimageschichte. Sie wird heute in vier wesentliche Entwicklungsstufen unterschieden. Am Anfang stand die Entstehung der Erde vor etwa 4,56 Milliarden Jahren. Dabei verfügte sie schon sehr früh über eine vermutlich aus Wasserstoff (H2) und Helium (He) bestehende Gashülle, die jedoch wieder verloren ging. Durch die langsame Abkühlung der Erde und den dabei auftretenden Vulkanismus kam es zu einer umfangreichen Ausgasung aus dem Erdinneren. Die dadurch erzeugte Atmosphäre bestand zu etwa 80 aus Wasserdampf (H2O), zu 10 aus Kohlendioxid (CO2) und zu 5 bis 7 aus Schwefelwasserstoff. Dabei handelt es sich um ebenjene Produkte des Vulkanismus, wie wir sie auch heute noch beobachten können. Der hohe Anteil des Wasserdampfs erklärt sich dadurch, dass die Atmosphäre zu diesem Zeitpunkt noch zu warm war, um Niederschläge bilden zu können. Es gab also noch keine Gewässer auf der Erde. Der eigentliche Ursprung des Wassers ist umstritten. Nachdem die Temperatur der Atmosphäre unter den Siedepunkt des Wassers fiel, kam es zu einem extrem langen Dauerregen, nach dessen Ende sich die Ozeane gebildet hatten und dementsprechend die anderen Atmosphärengase relativ zum Wasserdampf angereichert wurden. Die hohe UV-Einstrahlung bedingte eine photochemische Zerlegung der Wasser-, Methan- und Ammoniakmoleküle, wodurch sich Kohlenstoffdioxid und Stickstoff ansammelten. Die leichten Gase wie Wasserstoff oder Helium verflüchtigten sich in den Weltraum, vor allem Kohlendioxid wurde in großen Mengen in den Ozeanen gelöst. Unverändert blieb der inerte Stickstoff. Dieser sammelte sich mit der Zeit an und bildete vor etwa 3,4 Milliarden Jahren den Hauptbestandteil der Atmosphäre. Der Sauerstoff O2 spielt die Hauptrolle bei der weiteren Entwicklung zur heutigen Atmosphäre. Die ersten oxygen photosynthetisch aktiven Cyanobakterien führten zwar beginnend vor etwa 3,5 Milliarden Jahren zu einem Absinken der Kohlenstoffdioxidkonzentration, die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre blieb jedoch trotz der Sauerstoffproduktion dieser Phototrophen gering. Denn Sauerstoff wurde in den Ozeanen bei der Oxidation von Eisen(II)-Ionen und Schwefelwasserstoff verbraucht und sammelte sich erst vor etwa zwei Milliarden Jahren an als die Sauerstoff-verbrauchenden Stoffe knapp wurden. Vor einer Milliarden Jahre überstieg die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre ein Prozent, wodurch sich wenige hundert Millionen Jahre später eine erste Ozonschicht bilden konnte. Der heutige Sauerstoffgehalt von knapp 21 wurde schließlich vor 350 Millionen Jahren erreicht und blieb seitdem recht stabil. • • • • • Die Troposphäre von 0 km (Gebirge, Stratosphärendurchbruch) bis zwischen 7 km (Polargebiete) und 17 km (Tropen), begrenzt durch die Tropopause, die Stratosphäre von zwischen 7 und 17 km bis 50 km, begrenzt durch die Stratopause, die Mesosphäre von 50 km bis zwischen 80 und 85 km, begrenzt durch die Mesopause und die Thermosphäre von zwischen 80 und 85 km bis über 640 km. die Exosphäre von zwischen 500 und 1.000 km bis etwa 100.000 km (in den interplanetaren Raum übergehend). Die Troposphäre wird auch als untere Atmosphäre, Stratosphäre und Mesosphäre gemeinsam als mittlere Atmosphäre und Thermosphäre und Exosphäre zusammen als obere Atmosphäre bezeichnet. Zudem zeigt sich vor allem in der Troposphäre – der Wettersphäre – eine Dynamik innerhalb der Temperaturschichtung, weshalb dort auch die jeweilige Schichtungsstabilität eine große Rolle spielt. Die oberen Schichten bestehen aus sehr dünnem Gas, das nicht mehr in Molekülen, sondern in Atomen und Ionen vorliegt (daher der Name Ionosphäre). Dies liegt daran, dass die von der Sonne eingestrahlte hochenergetische Strahlung die Moleküle dissoziieren lässt, die so entstehenden Ionen aber erst nach längerer Zeit auf einen Partner treffen. Ferner kommt es auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse, weshalb sich mit zunehmender Höhe leichtere Gase wie Wasserstoff konzentrieren (siehe Abbildung 2). Diese sind unter Umständen auch in der Lage in den Weltraum zu entweichen, was sich jedoch aufgrund der extrem dünnen Atmosphäre in diesen Höhen und den dadurch sehr geringen Masseverlusten mit dem Eintrag beispielsweise durch den Sonnenwind ausgleicht. Für die Entstehung des Wetters ist neben der Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung hauptsächlich der Gehalt an Wasserdampf verantwortlich. Dieser kommt in wechselnder Konzentration von 0 Vol. bis etwa 4 Vol. in der Luft vor. Grenze zum Weltraum Der Übergang zwischen Exosphäre und Weltraum ist kontinuierlich und man kann daher per se keine scharfe Obergrenze der Erdatmosphäre ziehen. Seitens der Fédération Aéronautique Internationale wird daher die Homopause bzw. eine Höhe von rund 100 km als Grenze angesehen, da hier mit einer Temperatur von -90 ºC und einem Luftdruck von einem Hektopascal (0,1 des Luftdrucks auf Meereshöhe) bereits nahezu Weltraumbedingungen herrschen. Diese Definition ist international weitestgehend anerkannt, wenn sie auch keine uneingeschränkte Gültigkeit besitzt. So wird zum Beispiel von der NASA die Mesopause (etwa 80 km) als Grenze definiert. Erforschung Die untere Atmosphäre, insbesondere die Troposphäre, ist das Forschungsfeld der Meteorologie, wohingegen die mittlere und obere Atmosphäre (Stratosphäre, Mesosphäre) in den Bereich der Aerologie gehören. Messungen erfolgen in Bodennähe mit dem vollen Spektrum der meteologischen Messgeräte. In der Höhe, besonders in Bezug auf Höhenprofile, stellen Radiosonden, meteorologische Raketen, Lidars, Radars und Wetterbeziehungsweise Umweltsatelliten die wichtigsten Messverfahren dar. In der Zukunft werden voraussichtlich auch Höhenplattformen wie das High Altitude and Long Range Research Aircraft eine größere Rolle spielen. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 1 Sozialform Material Korrektur AB: „Das Thermometer abgeben Auftrag: 1. Nimm ein Arbeitsblatt. Lies das Blatt gut durch. 2. Führe den Auftrag aus, der auf dem Blatt steht. Ziele: • Du kannst ein Thermometer genau aufzeichnen und beschriften. • Du weisst, wie ein Thermometer funktioniert und was man damit misst. • Du weisst, wie die Temperatur angegeben wird. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 2 Sozialform Material Korrektur AB: „Das Barometer Bild vom Barometer Selbstkontrolle, dann abgeben Auftrag: 1. Lies den Text über das Barometer genau durch. 2. Klebe das Bild vom Barometer auf und führe den Auftrag aus, der auf dem Blatt steht. 3. Fülle nun den Lückentext über das Barometer aus. Ziele: • Du weisst, was man mit einem Barometer misst. • Du weisst, wie der Luftdruck angegeben wird. • Du kannst erklären, wie ein einfaches Barometer funktioniert. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 3 Sozialform Material Korrektur AB: „Das Hygrometer Bild vom Hygrometer abgeben Auftrag: 1. Lies den Text über das Hygrometer gut durch. 2. Klebe das Bild vom Hygrometer unter den Text. 3. Führe den Auftrag aus, der auf dem Arbeitsblatt steht. Ziele: • Du weisst, was man mit einem Hygrometer misst. • Du weisst, dass die Luftfeuchtigkeit in (Prozent) angegeben wird. • Du weisst, was als normale, niedrige und hohe Luftfeuchtigkeit gilt. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 4 Sozialform Material Korrektur AB: „Das Aneometer abgeben Auftrag: 1. Lies den Text über das Aneometer sorgfältig durch. 2. Führe den Auftrag aus, der auf dem Arbeitsblatt steht. Ziele: • Du weisst, was ein Aneometer ist und was damit gemessen wird. • Du weisst, was die Beaufort – Skala aufzeigt und du kennst dich darauf aus. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 5 Sozialform Material Korrektur AB: „Die Windfahne Selbstkorrektur, dann abgeben Auftrag: 1. Lies den Text über die Windfahne gut durch. 2. Wenn du alles verstanden hast, nimm ein Blatt und decke den Text damit ab. Versuche nun die Fragen ohne zu schauen zu beantworten. Ziele: • Du weisst, wozu man eine Windfahne gebrauchen kann. • Du weisst, dass der Wind nach dieser Richtung benannt wird, aus der er kommt. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 6 Sozialform cc Material Korrektur AB: „Der Regenmesser abgeben Auftrag: 1. Führe den Auftrag aus, der auf dem Blatt steht. Ziele: • Du hast einen eigenen Regenmesser entwickelt und aufgezeichnet. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 6 Das Thermometer Mit dem Thermometer wird die Temperatur gemessen. Die Temperatur wird in Grad Celsius aufgeschrieben. Zum Beispiel 18 Grad Celsius oder 18C. Wie funktioniert ein Thermometer? In dem Glasröhrchen befindet sich Quecksilber oder Alkohol. In der warmen Luft dehnt sich die Flüssigkeit im Innern des Glasröhrchens aus. Auf der Skala können wir dann die Temperatur ablesen. Zeichne ein Thermometer. Schau zuerst das Bild des Thermometers genau an. Zeichne das Thermometer so gross, dass man die Einteilung gut erkennen kann. Benutze dazu die ganze untere Hälfte des Blattes. Beschrifte es mit den folgenden Wörtern: Skala Flüssigkeit Glasröhrchen 0Celcius 20Celcius UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen DAS BAROMETER Mit dem Barometer wird der Luftdruck gemessen. Der Luftdruck wird in Hektopascal angegeben. Die Abkürzung von Hektopasacal ist hPa. Man sagt z. B.: „Heute beträgt der Luftdruck 1000 hPa. Wie funktioniert ein Barometer? Wenn der Luftdruck hoch ist, wird die Flüssigkeit im Röhrchen nach unten gedrückt. Wenn er tief ist, steigt die Flüssigkeit nach oben. Klebe unter den Text das Bild des Barometers. Zeichne mit einem Pfeil ein, wo die Luft bei hohem Luftdruck die Flüssigkeit nach unter drückt. Lückentext: Den Luftdruck misst man mit einem. Er wird in angegeben. Die Abkürzung davon ist . Bei. Luftdruck wird die Flüssigkeit im Barometer nach unten gedrückt. Bei tiefem Luftdruck kommt die Flüssigkeit im Röhrchen nach . UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen DAS BAROMETER Mit dem Barometer wird der Luftdruck gemessen. Der Luftdruck wird in Hektopascal angegeben. Die Abkürzung von Hektopasacal ist hPa. Man sagt z. B.: „Heute beträgt der Luftdruck 1000 hPa. Wie funktioniert ein Barometer? Wenn der Luftdruck hoch ist, wird die Flüssigkeit im Röhrchen nach unten gedrückt. Wenn er tief ist, steigt die Flüssigkeit nach oben. Klebe unter den Text das Bild des Barometers. Zeichne mit einem Pfeil ein, wo die Luft bei hohem Luftdruck die Flüssigkeit nach unter drückt. Lückentext: Den Luftdruck misst man mit einem Barometer. Er wird in Hektopascal angegeben. Die Abkürzung davon ist hPa. Bei hohem Luftdruck wird die Flüssigkeit im Barometer nach unten gedrückt. Bei tiefem Luftdruck kommt die Flüssigkeit im Röhrchen nach oben. UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen DAS HYGROMETER Das Hygrometer misst die Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchtigkeit wird in Prozent angegeben. Man sagt z. B.: „Heute beträgt die Luftfeuchtigkeit 45 %. Von 0% 40% spricht man von tiefer Luftfeuchtigkeit, es ist trocken. Von 40% 80% spricht man von normaler Luftfeuchtigkeit. Von 80% 100% spricht man von hoher Luftfeuchtigkeit. Zeichne mit verschiedenen Farben ein. Gelb: Die normale Luftfeuchtigkeit Rot: Wenig Luftfeuchtigkeit (trocken) Blau: Viel Luftfeuchtigkeit (feucht) UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 6 Mit dem Anemometer wird die Windstärke gemessen. Von Herrn Beaufort stammt diese Skala, die heute noch gebraucht wird. Er hat die Windstärken in 12 Stufen eingeteilt. Die Beaufort-Skala Beaufort Bezeichnung Beschreibung 0 Winstille Keine Luftbewegung, Rauch steigt senkrecht. 1 Leiser Zug Windrichtung nur an ziehendem Rauch erkennbar. 2 Leichte Brise Wind im Gesicht fühlbar. 3 Schwache Brise Blätter werden bewegt, leichte Wimpel gestreckt. 4 Mässige Brise Kleine Zweige werden bewegt, schwere Wimpel gestreckt. 5 Frische Brise Grössere Zweige werden bewegt; Wind im Gesicht schon unangenehm. 6 Starker Wind Grosse Zweige werden bewegt; Wind singt in der Takelage. 7 Steifer Wind Schwächere Bäume werden bewegt; fühlbare Hemmung beim Gehen gegen den Wind. 8 Stürmischer Wind Grosse Bäume werden bewegt, Zweige abgebrochen; beim Gehen erhebliche Behinderung. 9 Sturm Leichtere Gegenstände werden aus ihrer Lage gebracht; Schäden an Dächern. 10 Schwerer Sturm Bäume werden entwurzelt, Häuser beschädigt. 11 Orkanartiger Sturm Schwere Sturmschäden 12 Orkan Verwüstungen Zeichne zu den jeweiligen Windstärken ein passendes Bild. In jedem Quadrat sollte dasselbe Motiv vorkommen (Baum usw.) Stärke 0 Stärke 4 Stärke 8 Stärke 12 UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 6 Mit Hilfe einer Windfahne kann man die Windrichtung herausfinden. Der Wind wird immer nach der Himmelsrichtung benannt, aus der er kommt. Der Nordwind kommt von Norden und bläst nach Süden. Eine Windfahne hat jeweils einen langen Teil und einen kürzeren Teil. Der kürzere Teil zeigt uns, woher der Wind bläst. Beantworte die folgenden Fragen in ganzen Sätzen. 1. Woher kommt der Ostwind? 2. In welche Richting zeigt jeweils der kürzere Teil der Windfahne? 3. Welche anderen Möglichkeiten kennst du, um die Windrichtung zu erkennen? UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen WETTERBEOBACHTUNGEN 6 Mit Hilfe einer Windfahne kann man die Windrichtung herausfinden. Der Wind wird immer nach der Himmelsrichtung benannt, aus der er kommt. Der Nordwind kommt von Norden und bläst nach Süden. Eine Windfahne hat jeweils einen langen Teil und einen kürzeren Teil. Der kürzere Teil zeigt uns, woher der Wind bläst. Beantworte die folgenden Fragen in ganzen Sätzen. 1. Woher kommt der Ostwind? von Osten 2. In welche Richting zeigt jeweils der kürzere Teil der Windfahne? in die Richtung woher der Wind bläst 3. Welche anderen Möglichkeiten kennst du, um die Windrichtung zu erkennen? UE: Wetter 3. Klima und Klimazonen DER REGENMESSER Hast du eine Idee, wie man den Regen messen könnte? Zeichne deine Idee in den Kasten und beschreibe sie in einigen Sätzen. UE: WETTER 1. WETTERERSCHEINUNGEN (6 ZE) Ö Wolkenbildung, Nebel, Wassertropfen und Schneeflocken, Blitz Donner • • Einstieg ins Thema: Klasse wird in 4 Gruppen eingeteilt. In diesen Gruppen erlesen sie das zugeteilte Thema zu den 4 Wettererscheinungen (6-Schritt- Methode) Die Gruppen bereiten sich darauf vor, ihr Thema den anderen Kindern zu präsentieren. Ö alle stellen ein Arbeitsblatt her. 2. WOLKENBILDER • • • Luftschichten und Atmosphäre Kleine Wolkenkunde Experiment: Eingemachte Wolke 3. KLIMA UND KLIMAZONEN • • • • Entstehung der Jahreszeiten Weltsystem und Klima Klima und Wetter Ö Hagel Klimazonen 4. WINDE • • • Experiment (der Wind, der Wind) Lokale Winde Spezielle Winde Ö Föhn, Monsun, Scirocco, Mistral, Bora 5. STÜRME • • • Hurrikan Blizzard Tornado kurze Vorträge über diese Themen (je 3 Kinder, jedes Thema 2 Mal) UE: Wetter 4 Winde STÜRME Lies den Text und erzähle in einer 3-er Gruppe, was du noch weisst mit eigenen Worten. • Hurrikan Als Hurrikan wird ein tropischer Wirbelsturm bezeichnet, wenn er sich im Atlantik, in der Karibik, im Nordpazifik östlich der Datumsgrenze oder im Südpazifik östlich von 160 entwickelt. Das Wort Hurrikan kommt ursprünglich aus dem Indianischen und bedeutet so viel wie „Gott des Windes (siehe auch Huracan). Andere Namen für tropische Wirbelstürme sind Zyklon (Indien), Taifun (im westlichen Pazifik) oder tropical cyclone (Australien). Ein tropischer Wirbelsturm wird zum Hurrikan, wenn die Windgeschwindigkeit Orkanstärke erreicht (das entspricht mehr als 118 km/h oder Windstärke 12 auf der Beaufort-Skala). Sie können sich im Durchmesser hunderte Kilometer ausdehnen, dabei wochenlang bestehen und Flächen von tausenden Quadratkilometern verwüsten. Hurrikane entstehen auf der nördlichen Hemisphäre in der Zeit von Mai bis Dezember, die meisten zwischen Juli und September. Die offizielle Saison dauert vom 1. Juni bis zum 30. November. Die hohen Windgeschwindigkeiten, Wellen und schwere Niederschläge stellen eine große Gefahr dar. Entstehungsweise und Lebenszyklus Hurrikane entstehen grundsätzlich über dem Meer bei einer Wassertemperatur von über 26,5C. Diese Temperatur muss auch noch in einer Tiefe von etwa 50 vorhanden sein. Wenn ein gleichmäßiges Temperaturgefälle zu großen Höhen hin ein bestimmtes Maß übersteigt, kann sich ein tropischer Wirbelsturm ausbilden. Das Wasser verdunstet in großen Mengen und der spezifisch leichtere Wasserdampf steigt in große Höhen auf, wo sich durch Kondensation große Gewitterwolken ausbilden. Durch die aufsteigenden Luftmassen entsteht über der warmen Meeresoberfläche ein Unterdruck, aus der Umgebung strömt Luft mit einem hohen Wasserdampfanteil nach. Es bildet sich ein „Kamin, in dem diese Luftmassen gesammelt nach oben steigen, während die hohen Wassertemperaturen ständig „Nahrung liefern. Die aufsteigenden Luftmassen werden durch die Corioliskraft in Rotation versetzt, ein großflächiger Wirbel entsteht. Wichtige Voraussetzungen für die Sturmbildung sind: Das Meer muss eine Oberflächentemperatur von mindestens 26 Grad und die Luft eine gleichmäßige Temperaturabnahme zu großen Höhen hin aufweisen (bei sehr starker Temperaturabnahme, die das Aufsteigen der feuchtwarmen Luft begünstigt, können niedrigere Wassertemperaturen ausreichen; siehe auch Hurrikan Vince). Das betroffene Gebiet gleichmäßiger Bedingungen muss ausgedehnt sein, damit sich der bewegende Wirbelsturm über längere Zeit durch die Wasserdampfbildung aufbauen und genug Energie bis zur Stärke eines Hurrikans sammeln kann. Der Abstand vom Äquator muss groß genug sein (mindestens 5 Breitengrade oder 550km), da nur dann die Corioliskraft ausgeprägt genug ist, um den aufsteigenden Luftmassen die typische Drehung zu geben. Es darf keine große vertikale Windscherung auftreten, das heißt, dass zur Entstehung eines Hurrikans der Höhenwind mit ähnlicher Stärke und aus der gleichen Richtung wehen muss wie der Bodenwind. Ist dies nicht der Fall bekommen die aufsteigenden Winde eine Schräglage und der Mechanismus des Sturms kann nicht mehr funktionieren. Der Sturm braucht einen Nucleus, aus dem er sich aufbauen kann, zum Beispiel ein außertropisches Tief. Entstehungsorte Hurrikans entstehen oft im Bereich des Karibischen Meeres, der Westindischen Inseln und des Golfes von Mexiko. Sie entstehen meist aus Störungen der Passatströmung, welche immer über warmen Meeresgebieten liegen. Mit dem Hurrikan Vince bildete sich am 9.Oktober 2005 erstmals seit Beginn der Wetteraufzeichnung 1851 ein Hurrikan im östlichen Atlantik vor den Küsten Südeuropas und Nordafrikas. Vince bildete sich zwischen den Azoren und den Kanaren, schwächte sich aber noch vor Erreichen des Festlandes auf ein Sturmtief ab. Der tropische Sturm Delta, Hurrikan Epsilon, sowie der tropische Sturm Zeta sind ebenfalls im östlichen Atlantik entstanden, womit im Jahr 2005 erstmals, mit Vince und Delta, zwei Wirbelstürme die Küsten Europas erreicht haben. UE: Wetter 4 Winde STÜRME Lies den Text und erzähle in einer 3-er Gruppe, was du noch weisst mit eigenen Worten. • Blizzard Der Blizzard ist ein starker Schneesturm in Nordamerika. Als Blizzard bezeichnet man einen heftigen Schneesturm im Winter infolge eines kräftigen Kaltlufteinbruchs aus Norden bis Nordwesten. Es dringt die Kaltluft rückseitig von nach Osten wandernden Tiefdruckgebieten aufgrund fehlender querlaufender Gebirge (die Rocky Mountains verlaufen in Nord-Süd-Richtung) bis weit nach Süden vor. Der Name leitet sich möglicherweise aus dem deutschen Wort blitzartig ab und beschreibt somit den raschen Kaltlufteinbruch. Der Blizzard Black ist ein Blizzard, der auch Ackerboden mit sich reißt. In den größeren Städten führt ein Blizzard meist zu Verkehrschaos. Charakteristisch für einen nordamerikanischen Blizzard sind folgende Erscheinungen: Tiefe Temperaturen (10 Grad Fahrenheit ( ca. -12 Grad Celsius) oder tiefer) Hohe Windgeschwindigkeiten (32 Meilen pro Stunde ( ca. 51.5 km/h, entspricht Windstärke 7 Bft.) oder mehr) Große Mengen an Schnee, die die Sichtweite auf 500 Fuß ( ca. 150 Meter) oder weniger herabsetzen. Richtige Blizzards sind relativ selten. Wenn sie auftreten, dann am ehesten in Kanada und in den Northern Plains der USA. Nichts desto trotz können sie aber auch den gesamten Nordosten der USA heimsuchen und für chaotische Wetterverhältnisse sorgen. Die Bezeichnung eines heftigen Schneesturms als Blizzard wurde später auch in anderen Regionen, wie z.B. in der Antarktis, übernommen. Der Blizzard ist nicht zu verwechseln mit einer extremen Form der Straßenglätte, dem sogenannten Blitzeis, welches häufig in Europa auftritt. • Blizzard Der Blizzard ist ein nordamerikanischer Schneesturm, der mit ausgesprochen starken Temperaturstürzen und teilweise orkanartigen Winden einhergeht. Blizzards entstehen, wenn kräftige Tiefdruckgebiete im Winter polare Kaltluftmassen mit einer Nord- bis Nordwestströmung weit nach Süden transportieren, was in den USA aufgrund fehlender ost-west-verlaufender Gebirgszüge stets möglich ist. So können einzelne Kaltluftvorstöße bisweilen sogar den Golf von Mexico und den Norden Floridas erreichen. Der Blizzard ist starker Schneesturm in den Vereinigte Staaten Amerika. Er weht aus Nordwest bis Nord und kann sich aufgrund der flachen Topographie östlich der Rocky Mountains praktisch ungehindert fortbewegen. In den grössekorrigiert.ren Städten führt ein Blizzard meist zu Verkehrschaos. Der Blizzard Black ist ein Blizzard, der auch Ackerboden mit sich reißt. Als Blizzard bezeichnetkorrigiert. mankorrigiert. in Nordamerika einen heftigen Schneesturm in dem korrigiert.Winter infolge eines kräftigen Kaltlufteinbruchs aus Norden bis Nordwesten. Hierbeikorrigiert. dringt die Kaltluft rückseitig von nach Osten wandernden TiefdruckBereichkorrigiert.en aufgrund fehlender querlaufender Gebirge (die Rocky Mountains sind ja Nord-Süd orientiert) bis weit nach Süden vor. Der Name scheint sich anscheinend nach meinen Quellen vom deutschen Wort blitzartig abzuleiten und wird dann wohl den raschen Kaltlufteinbruch beschreiben. Charakteristisch für einen nordamerikanischen Blizzard sind folgende Erscheinungen: · Tiefe Temperaturen (10 Grad Fahrenheit ( ungefähr korrigiert.-12 Grad Celsius) oder tiefer) · Hohe Windgeschwindigkeiten (32 Meilen pro Stunde ( ungefähr korrigiert.51.5 km/h, entspricht Windstärke 7 Bft.) oder mehr) · grosskorrigiert.e Mengen an Schnee, die die Sichtweite auf 500 Fuß ( ungefähr korrigiert.150 Meter) oder weniger herabsetzen) Richtige Blizzards sind eigentlich relativ selten. Wenn sie auftreten dann am ehesten in Kanada und in den Northern Plains der Vereinigte Staaten Amerikakorrigiert Nichts desto trotz können sie aber auch den gesamten Nordosten der Vereinigte Staaten Amerikakorrigiert. heimsuchen und für chaotische Wetterverhältnisse sorgen. Die Nennungkorrigiert. eines heftigen Schneesturms als Blizzard wurde später auch in anderen Regionen, wie z.B. in der Antarktis, übernommen. • Blizzard begräbt Teile der USA unter Schnee Unter einer 60 Zentimeter dicken Schneeschicht hat ein gewaltiger Wintersturm den Nordosten der USA begraben. Mindestens 14 Menschen kamen ums Leben, der Flugverkehr brach zusammen. Ein gewaltiger Schneesturm hat den Nordosten der USA unter einer teils mehr als 60 Zentimeter dicken Schneeschicht begraben und den Flugverkehr weit gehend lahm gelegt. Mindestens 14 Todesfälle wurden mit dem Blizzard in Verbindung gebracht. Boston versank am Sonntag unter einer knapp 80 Zentimeter dicken Schneedecke. Der Wind erreichte Spitzenwerte von 244 Stundenkilometern auf einem Berg in North Carolina. In den Staaten New Jersey, Massachusetts und Rhode Island wurde der Notstand ausgerufen. Über 20.000 Menschen in Massachusetts waren vorübergehend ohne Strom. Vielerorts wurden die Menschen aufgefordert, in ihren Häusern zu bleiben. Der meiste Schnee knapp ein Meter fiel in den Städten Salem und Plymouth in Massachusetts. UE: Wetter 4 Winde STÜRME Lies den Text und erzähle in einer 3-er Gruppe, was du noch weisst mit eigenen Worten. • Tornado Ein Tornado (span. tornar umkehren, wenden, Partizip tornado; tornear wirbeln, drechseln), auch Großtrombe, Wind- oder Wasserhose, amerikanisch Twister genannt, ist ein kleinräumiger Luftwirbel in der Erdatmosphäre. Der Wirbel erstreckt sich hierbei durchgehend vom Boden bis zur Wolkenuntergrenze. Diese Definition geht auf Alfred Wegener (1917) zurück und ist in dieser Form heute noch allgemein anerkannt. Die Begriffe Wind- und Wasserhose (engl.: Waterspout) bezeichnen im deutschen Sprachraum Großtromben (Tornados im weiteren Sinne) über Land beziehungsweise größeren Wasserflächen (Meer, große Binnenseen). Windhose ist dabei ein Synonym für einen Tornado im engeren Sinne über Land. Ein Unterschied zwischen Windhosen und Tornados besteht jedoch weder bezüglich ihrer physikalischen Natur, noch bezüglich ihrer Stärke. Entstehung Die Entstehung von Tornados ist sehr komplex und bis heute ein aktueller Forschungsgegenstand. Trotz offener Fragen im Bezug auf Details sind die Voraussetzungen und die prinzipiellen Mechanismen der Tornadogenese recht gut bekannt. Unter den entsprechenden Bedingungen können sich Tornados an jedem Ort während des ganzen Jahres bilden; die Atmosphäre „kennt weder den Kalender noch die Geographie. Grundlagen Für die Entstehung eines Tornados müssen zunächst die Voraussetzungen für hochreichende Feuchtekonvektion gegeben sein. Diese sind bedingte Labilität, also eine hinreichend starke vertikale Temperaturabnahme, genügendes Feuchteangebot (latente Wärme) in den unteren 1-2 km der Atmosphäre sowie Hebung der Luftmasse, um die Feuchtekonvektion auszulösen. Hebungsmechanismen können thermischer (Sonneneinstrahlung) oder auch dynamischer (Fronten) Natur sein. Wesentlicher Energielieferant solcher Stürme und von Gewittern allgemein ist die im Wasserdampf der feuchten Luftmasse gespeicherte latente Wärme, welche bei der Kondensation freigesetzt wird. Erst diese zusätzliche Wärmemenge ermöglicht ein hochreichend freies Aufsteigen der Luft (Feuchtekonvektion), da die Atmosphäre gegenüber trockener Konvektion abgesehen von bodennaher Überhitzung stabil ist. Im letzteren Fall kann es lediglich zur Bildung von Kleintromben kommen. Eine Art Übergangsform sind dynamisch ausgelöste Kleintromben, so genannte Böenfrontwirbel (Gustnado) an der Böenfront eines Schauers oder Gewitters. Diese können sich aber in einen Tornado entwickeln, sofern sie Kontakt zu dem feuchtkonvektiven Aufwind bekommen und so verstärkt werden! Größe und Aussehen Tornado auf dem Meer (Wasserhose) Im Anfangsstadium ist ein Tornado zunächst fast unsichtbar. Erst wenn im Inneren des Wirbels durch den Druckabfall und der damit einhergehenden adiabatischen Abkühlung Wasserdampf kondensiert oder Staub, Trümmer, Wasser und dergleichen aufgewirbelt werden, tritt der Tornado auch optisch in Erscheinung. Eine durchgehende Kondensation von der Wolke bis zum Boden ist aber nicht in jedem Fall zu beobachten. Eine solche von der Mutterwolke ausgehende Kondensation wird als Trichterwolke (engl. funnel cloud) bezeichnet. Erreicht der Luftwirbel den Boden nicht, so spricht man von einer Blindtrombe. Für einen Tornado ist der Bodenkontakt des Luftwirbels entscheidend, nicht dessen durchgehende Sichtbarkeit. Sind zum Beispiel unter einer Trichterwolke Windwirkungen nachweisbar, also im Regelfall Schäden am Boden, so handelt es sich um einen Tornado. Die Gestalt des Luftwirbels ist sehr vielfältig und reicht von dünnen schlauchartigen Formen bis zu einem mehr oder weniger breiten sich nach oben erweiternden Trichter (siehe nebenstehende Abbildungen und Weblinks). Dabei kann der Durchmesser einige Meter bis hin zu 500 m, sogar bis über 1 km betragen. Nicht selten treten bei großen Durchmessern mehrere Wirbel auf, die um ein gemeinsames Zentrum kreisen, was als Multivortex-Tornado bezeichnet wird. UE: Wetter 4 Winde STÜRME: HURRIKAN – BLIZZARD – TORNADO Wenn du deinen Gruppenmitgliedern gut zugehört hast, dann sollte es kein Problem sein, diesen Lückentext auszufüllen. • Der ist ein tropischer Wirbelsturm. Er entsteht im Bereich des, der und des . Der Durchmesser eines Hurrikan beträgt einige Kilometer. Es entstehen Windgeschwindigkeiten von mehr als . Wenn ein das Festland erreicht, sind meistens verheerende , Sturmfluten und die Folge. Ganz ähnliche Wirbelstürme entstehen in anderen Regionen. In der Tropen werden sie und in Südostasien genannt. • Der ist ein winterlicher . Er tritt meist in auf und ist mit starken verbunden. • sind Wirbelstürme, die bei grossen entstehen. Der Durchmesser eines liegt zwischen und Metern. Im Zentrum der Wirbel treten Windgeschwindigkeiten von bis zu km/h auf. Ein dauert in der Regel nur Minuten und fegt meistens auch nur etwa bis über das Land. Er hat aber solche Kraft, dass er eine totale hinterlässt. entstehen vorallem im mittleren Westen der. UE: Wetter 4 Winde STÜRME: HURRIKAN – BLIZZARD – TORNADO LÖ Wenn du deinen Gruppenmitgliedern gut zugehört hast, dann sollte es kein Problem sein, diesen Lückentext auszufüllen. • Hurrikan Der Hurrikan ist ein tropischer Wirbelsturm. Er entsteht im Bereich des Karibischen Meeres, der Westindischen Inseln und des Golfes von Mexiko. Der Durchmesser eines Hurrikan beträgt einige hundert Kilometer. Es entstehen Windgeschwindigkeiten von mehr als 200 km/h. Wenn ein Hurrikan das Festland erreicht, sind meistens verheerende Verwüstungen, Sturmfluten und Überschwemmungen die Folge. Ganz ähnliche Wirbelstürme entstehen in anderen Regionen. In der Tropen werden sie Zyklon und in Südostasien Taifun genannt. • Blizzard Der Blizzard ist ein winterlicher Schneesturm. Er tritt meist in Nordamerika auf und ist mit starken Temperaturstürzen verbunden. • Tornado Tornados sind Wirbelstürme, die bei grossen Gewittern entstehen. Der Durchmesser eines Tornados liegt zwischen 10 und 400 Metern. Im Zentrum der Wirbel treten Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 km/h auf. Ein Tornado dauert in der Regel nur wenige Minuten und fegt meistens auch nur etwa 5 bis 10 km über das Land. Er hat aber solche Kraft, dass er eine totale Verwüstung hinterlässt. Tornados entstehen vorallem im mittleren Westen der USA. UE: Wetter 4 Winde DER WIND, DER WIND das himmlische Kind. Was ist Wind eigentlich und wie entsteht er? Um das herauszufinden, machen wir einen kleinen zweiteiligen Versuch. Besorge dir je einen Bogen weisses und schwarzes Papier. Suche dir dann eine Stelle, auf die die Sonne scheint, und lege dort die beiden Bögen nebeneinander hin. Warte ein Weilchen und befühle sie dann beide. Was fällt dir auf? Fülle nun einen Suppenteller mit Wasser und einen zweiten mit Blumenerde. Stelle die beiden Teller dann nebeneinander in die Sonne und befühle nach einiger Zeit das Wasser und die Erde. Was kannst du feststellen? Das Experiment zeigt uns, dass sich dunkle Flächen schneller aufheizen als helle und Erde die Wärme der Sonne schneller aufnimmt als Wasser. Das gilt auf der ganzen Erde: Die Meere und die Landmassen nehmen die Sonnenwärme unterschiedlich schnell auf und auch innerhalb der Landmassen kommt es durch helle und dunkle Bereiche zu unterschiedlicher Aufheizung. Beides hat zur Folge, dass sich auch die Luft über der Erdoberfläche unterschiedlich schnell aufheizt. Das führt wiedrum dazu, dass über warmen Gebieten viel warme Luft aufsteigt, während sich über anderen wenig bis gar nichts tut. Hauptursache für Winde sind Unterschiede im Luftdruck zwischen Luftmassen. Dabei fließen Luftteilchen aus dem Gebiet mit einem höheren Luftdruck (Hochdruckgebiet) solange in das Gebiet mit dem niedrigerem Luftdruck (Tiefdruckgebiet), bis der Luftdruck ausgeglichen