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Magazin für Umwelt- und Tierschutz


 Grundlagen des Wetters 1: Luftdruck

Inhalt

1 Energie
    1.1 Energiezufuhr von der Sonne
    1.2 auf Energiezufuhr angewiesen
2 Druck und Luftströmungen
    2.1 Moleküle und Temperatur
    2.2 Dichte
    2.3 Gradientkraft
    2.4 Luftdruck
        2.4.1 Erläuterung
        2.4.2 Einheit
        2.4.3 Mittlerer, hoher und tiefer Luftdruck
        2.4.4 Isobaren - Linien gleichen Luftdrucks
        2.4.5 Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe
        2.4.6 Berechnung der Druckabnahme
Quellen
Aktualisierungen

1 Energie

1.1 Energiezufuhr von der Sonne

Die Sonne überflutet die Erde ständig mit gewaltigen Mengen von Energie. Die Hauptquelle von Photonen ist mit einer Gesamtleistung von 1368 W/m2 eindeutig die Sonne (Solarkonstante). Diesen außerhalb der Erdatmosphäre gemessenen Wert nennt man extratrerrestrische Strahlung oder Solarkonstante. Dagegen ist die Mondstrahlung ( 0,01312 W/m2), die Sternstrahlung (0,000014 W/m2) und die kosmische Strahlung (0,000003 W/m2) verschwindend gering und liegt noch unter dem Wert, den das Erdinnere liefert (0,0732 kWh). Die Sonneneinstrahlung macht also 99,994 Prozent der Gesamtenergiezufuhr der Erde aus. In jeder Sekunde erhält die Erde von der Sonne 5*1010 kWh Energie. Könnte man die gesamte Sonnenenergie nutzen, die in 7,5 Sekunden auf die Erde einstrahlt, hätte man den Weltenergiebedarf eines Tages gedeckt.

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1.2 auf Energiezufuhr angewiesen

Dadurch erwärmt sie Ozeane, Kontinente und die Luft und diese wiederum den Rest der Lufthülle. Die ständige Energiezufuhr der Sonne ist auch deshalb wichtig, weil der Planet ständig Wärme ins All verliert. Wie jeder Körper mit Temperatur strahlt er Wärmeenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. Das Verhältnis zwischen eingehender und abgegebener Energie nennt man Strahlungsbilanz . Zwar halten zerfallende radioaktive Elemente das Erdinnere glutflüssig, aber diese Temperaturen dringen allenfalls durch Vulkanausbrüche durch die dünne Erdkruste. Tatsache ist, dass ohne Sonne die Temperaturen der Oberfläche innerhalb von Monaten auf minus 250 Grad Celsius sinken würden. Bei diesen Temperaturen frieren selbst die Gase der Luft ein, bis nach einer neueren Erwärmung die alten Zustände wiederhergestellt wären. Nur das Leben würde lediglich aus Einzellern bestehen, die auch eingefroren überleben. Der Physiker nennt den Zustand von Systemen, die ständig Energie zugeführt bekommen und sie auch laufend wieder abgeben, ein Fließgleichgewicht. Aber die Erwärmung ist nicht gleichmäßig. Doch ohne eine Gashülle, eine Atmosphäre, würde der Anteil der Sonnenenergie, der auf die Erde fällt, verpuffen. Nicht nur, dass sie die Wärmeenergie speichert, sie verteilt die ungleichmäßig einfallende Wärme auch gleichmäßig um den Globus.

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2 Druck und Luftströmungen
2.1 Moleküle und Temperatur

Materie besteht aus Atomen. Um in einen energiearmen Zustand zu gelangen, schließen sie sich durch chemische Bindung zu Gruppen zusammen. Das Ergebnis nennt man Molekül. Typische Moleküle in Erdnähe sind die Sauerstoff-, Stickstoff- oder Wassermoleküle. Die des Sauerstoffs und Stickstoffs bestehen aus zwei Atomen des gleichen chemischen Elementes, Wassermoleküle jedoch aus einem Sauerstoff und zwei Wasserstoffatomen. Je schneller sich ein solches Molekül bewegt, desto höher seine Temperatur. Liegt die Temperatur tiefer als die Siedetemperatur, gehen die Moleküle untereinander mehr oder weniger starke Verbindungen ein. Die Bewegungsenergie ist dann geringer als die Bindungsenergie. So bilden sich Flüssigkeiten und Festkörper. Oberhalb der Siedetemperatur bewegen sie sich frei durch den Raum und berühren sich nur bei gelegentlichen Zusammenstößen. Sie bilden ein Gas. Jedes chemische Element hat seine eigene Siedetemperatur. Deshalb gibt es einen Planeten Erde, der aus festen und flüssigen Bestandteilen besteht und von einer Hülle aus Gas umgeben ist. Die Gashülle enthält in der erdnächsten Schicht hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff. Daneben gibt es Gase wie Wasserdampf, die nur in geringen Anteilen zu finden sind. Man nennt sie Spurengase. Alle diese Gase zusammen nennt man Luft, die Gashülle Atmosphäre.

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2.2 Dichte

Die Anzahl von Atomen oder Molekülen (Masse m) in einem Rauminhalt (Volumen V) nennt man Dichte ρ: ρ = m / V Die Dichte ist umso größer, je mehr Teilchen ein Volumen enthält oder je kleiner das Volumen ist, das einer gegebenen Anzahl Teilchen zur Verfügung steht.

Je größer die Masse und / oder je kleiner das Volumen, desto höher die Dichte.

Noch einmal zur Masse mit dem Formelzeichen m. Nach der Formel G = m * g erhält sie durch die Erdbeschleunigung g, verursacht durch die Gravitation, ein Gewicht. Je höher die Dichte, desto mehr Masse befindet sich in einem Volumen. Das heißt aber auch:

Je höher die Dichte, desto höher das Gewicht.

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2.3 Gradientkraft

Nun kann man gedanklich einen Teil der Atmosphäre in einen gedachten, würfelförmigen Behälter sperren. Die Moleküle würden auf die Wände dieses gedachten Behälters prallen und daraufhin ihre Richtung und damit ihren Impuls ändern. So entstünde bei jedem Aufprall eine Kraft. Diese Kräfte kann man zu einer Gesamtkraft zusammenfassen, die nach außen gerichtet ist und auf diese gedachte Wand wirkt. In der Natur gibt es natürlich keine derartigen Behälter. Dennoch existieren Luftvolumen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die zwar nicht würfelförmig sind, aber als Einheit betrachtet werden können. Auch an ihren Grenzen wirkt solch eine Kraft. Der Fachausdruck ist Gradientkraft oder Luftdruckgradientkraft. Sie steht senkrecht, mit anderen Worten: normal zur Fläche.

Die Gradientkraft ist die Kraft, die Luftmoleküle auf die Grenzen eines Luftvolumens ausübt.
Kraft = Masse * Beschleunigung

Gradientkraft Abbildung: Prinzip der Gradientkraft F

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2.4 Luftdruck

2.4.1 Erläuterung

Zurück zum gedachten Behälter. Die Gradientkraft kann man nicht nur auf die gesamte Wand beziehen, sondern auf eine bestimmte Fläche, zum Beispiel auf einen Quadratmeter. Die Kraft pro Flächeneinheit nennt man Druck. Wie die Gradientkraft wirkt auch der Luftdruck normal zur Fläche. Die Atmosphäre besteht aus unterschiedlichen Gasen. Jedes übt einen Druck aus. Nach dem Daltonschen Gesetz ergibt die Summe dieser Drücke den Gesamtdruck der Atmosphäre. Das ist der Luftdruck. Ein Luftvolumen übt also Druck auf die benachbarten aus. Je größer die Anzahl und die Geschwindigkeit der Moleküle , umso größer die Kraft und desto größer der Druck. Man kann auch sagen, der Luftdruck steigt mit der Dichte und der Temperatur der Luft.

Druck = Masse * Beschleunigung * Fläche
Druck = Kraft * Fläche

Je mehr Moleküle und Atome ein Volumen eines Gases enthält, desto höher ist der Druck, den die Teilchen auf seine Grenzen ausüben.

Luftdruck

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2.4.2 Einheit

Das früher gebräuchliche CGS-System ging von Zentimeter, Gramm und Sekunde aus. So war die Kraft in der Einheit dyn oder (g*cm)/s2 angegeben. Die Einheit des Druckes war folglich dyn / cm2. Das entsprach einem bar. Da das bar zu groß war, um Angaben über den Luftdruck zu machen, verwendete man die Einheit Millibar oder abgekürzt mbar, was 0,001 bar entspricht.

Das heute vorgeschriebene SI (Système internationale d'unités) basiert auf Meter (m), Kilogramm (kg), Sekunde (s) und Ampere (A). Die Einheit für Kraft ist demnach kg*m/s2. oder Newton (N) und die für Druck N/m2. oder Pascal (Pa). Da aber ein Pascal zu klein für Meßwerte im meteorologischen Bereich war, wählte man eine Einheit, die genau einem Millibar entsprach: 100 Pascal oder 1 Hektopascal (hPa). Hektopascal ist die übliche Einheit. Es gilt: 0,001 bar = 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa.

1 mm Quecksilbersäule oder 1 mm Hg entspricht 1,3332 mbar.

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2.4.3 Mittlerer, hoher und tiefer Luftdruck

Auf Meereshöhe übt die Luft einen Druck von 980 bis 1040 hPa aus. Wissenschaftler haben sich auf einen mittleren Wert von 1013 hPa geeinigt Das sind 101000 N (Newton). Alte Einheiten sind 1013 mbar oder 760 Torr (mm Quecksilber). An diesen Druck haben sich die Lebewesen der Erde gewöhnt und spüren nur seine Änderungen. Luft mit höherem Druck sind Hochdruckgebiete, solche mit niedrigerem Druck Tiefdruckgebiete.

Luftdruck

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2.4.4 Isobaren - Linien gleichen Luftdrucks

Auf Wetterkarten verbinden Meteorologen Orte gleichen Drucks durch Linien, die sie Isobaren nennen Je geringer der Abstand der Isobaren mit gleicher Druckdifferenz, desto größer der Druckabfall oder -anstieg. Da höherer Druck in Richtung des geringeren wirkt, steht die Gradientkraft senkrecht auf den Isobaren.

Da die Flächen, die diesen Druck aufweisen in unterschiedlichen Höhen liegen, kann man Wetterkarten wie topografische Landkarten zeichnen. Isohypsen nennt man Linien in solchen Wetterkarten, die eine Neigung der Isobarenfläche angeben. 1:1000 ist dabei schon eine große Neigung. Isobaren dagegen sind wie ein Schnitt durch solch ein dreidimensionales Landschaftsmodell der auf einer bestimmten Höhe verläuft.

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2.4.5 Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe

Mit seinem Eigengewicht drückt die Luft auf die Erdoberfläche. Je höher man in die Atmosphäre aufsteigt, desto weniger Luft hat man über sich. Daher nimmt der Luftdruck mit der Höhe ab. Mit zunehmendem Abstand von der Erde nimmt ihre Dichte beständig ab, bis sie allmählich ins Weltall übergeht. Diese Druckabnahme gehört zur Normalatmosphäre und hat nichts mit Hoch- und Tiefdruck im meteorologischem Sinn zu tun.

Ähnlich ist es in einem Wasserglas, noch deutlicher im Meer. Daher der Name hydrostatischer Druck. Der Unterschied zwischen Wasser und Luft: Das Gas Luft ist komprimierbar und kann deshalb eine unterschiedliche Dichte und damit auch unterschiedlichen Druck aufweisen. Die Dichte der Flüssigkeit Wasser bleibt gleich. Der Ozean hat daher eine deutliche Oberfläche. Die Oberfläche des „Luftozeans“ ist dagegen eher eine Übergangszone. In Bodennähe nimmt der Luftdruck sehr rasch ab und nach oben hin immer langsamer.

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2.4.6 Berechnung der Druckabnahme

Dieser Druck läßt sich berechnen. Am Erdboden, in Höhe h0, herrscht ein Druck von p0, in Höhe h1 vom Boden p1. Aus der Erdanziehung und der Gravitation läßt sich die Druckabnahme berechnen. Die barometrische Höhenformel p2 = p1 * EXP((-c*(h2-h1)) / T) berechnet diese Abnahme. Sie berücksichtigt Höhenunterschied, die Gravitation am berechnten Ort und die Luftdichte. Dabei ist p1 der Druck bei der unteren Höhe h1, p2 der Druck in der größeren Höhe h2, c eine Konstante, die bei der Verwendung der Einheiten Kelvin und Kilometer den Wert 34 hat und T die Temperatur. EXP steht dafür, dass der folgende Teil der Formel ein Exponent von p1 ist. Mit der Höhe nimmt der Luftdruck alle 8 bis 16 m um 1 hPa ab.

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Quellen

Das Beste, 1998: Das Beste, Wetter und Klima - erkennen und verstehen - Stuttgart Zurich Wien, 1998

Frankenberg, 1995: Peter Frankenberg, Dierke-Oberstufe: Moderne Klimakunde, Braunschweig 1/1995

Haber, 1971: Heinz Haber, Unser Wetter, Stuttgart, 1971

Haber, 1989: Heinz Haber, Eiskeller oder Treibhaus, München, 1989

Häckel, 2005: Hans Häckel, Meteorologie, Stuttgart (Eugen Ulmer Verlag), 2005

Jetstream, 2006: Jetstream Die Klimamaschine, Fernsehdokumentation, BBC Exclusiv 2003, XXP, 4. Januar 2006

Liljequist, 1984: Gösta H Liljequist, Konrad Cehak, Allgemeine Metorologie, Braunschweig, Wiesbaden (Vieweg), 1984

Meyers, 1989: Meyers Lexikonverlag, Wetter und Klima, Mannheim, Wien, Zürich, 1989

Warnecke, 1991: Günther Warnecke, Meteorologie und Umwelt, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1991

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Autor

Autor: Jörg Wieprzeck
Copyright: © 2002–2010 Biosphaere www.biosphaere.info

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Aktualisierungen

05.03.2010: Artikel angelegt

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