Die Erde
Einflüsse auf das Wetter und Klima
Wetter und Klima der Erde werden in hohem Maße von kosmischen Einflüssen geprägt. Die wärmende Strahlung der Sonne ist die wichtigste Energiequelle der irdischen Wettermaschine. Ohne sie gäbe es weder Wetter und Klima noch Leben auf der Erde. Aber auch die Bewegung der Erde um die Sonne, ihre Drehung um die eigene Achse und ihre Position im Planetensystem spielen für die irdischen Wetterabläufe eine entscheidende Rolle. Dadurch werden beispielsweise Tageslängen, Jahreszeiten und letztendlich unser gesamtes Klimageschehen bestimmt.
Jahreszeiten
Durch die Schrägstellung der Erdachse auf der Ebene der Erdbahn verän-dern sich in den meisten Regionen der Erde im Laufe eines Jahres sowohl die Tageslängen als auch die durchschnittlichen Temperaturen – es kommt zur Bildung von Jahreszeiten.
Neigungsrichtung der Erdachse während des Umlaufs um die Sonne stets gleich
einmal die Süd- und einmal die Nordhalbkugel stärker zur Sonne geneigt
wechselnde Einfallswinkel der Sonnenstrahlen = unterschiedliche Jahreszeiten
Umlaufbahn: Ellipse; Brennpunkt: Sonne - unterschiedliche Entfernungen zur Sonne (Min. 147 Mil. km, Max. 152 Mil. km)
Tage
Die Tageslängen variieren in Abhängigkeit von der geographischen Breite: Während am Äquator die Tagphase das ganze Jahr hindurch gleichmäßig zwölf Stunden lang ist, werden die Unterschiede zwischen langen Tagen im Sommer und kurzen Tagen im Winter zu den Polen hin immer größer. Am 21. Juni, der so genannten Sommersonnenwende, steht die Sonne beispielsweise senkrecht über dem 23. Breitenkreis, dem nördlichen Wen-dekreis. In den mittleren Breiten der Nordhalbkugel herrsche nun Sommer, die Tageslänge hat dort ihr Maximum erreicht. Zwischen dem nördlichen Polarkreis und dem Nordpol sinkt die Sonne nicht mehr unter den Horizont und scheint daher 24 Stunden – der Polartag.
Das Gebiet unterhalb des südlichen Polarkreises dagegen liegt wegen der Schrägstellung der Erde im Erdschatten. Die Sonne steigt nicht über den Horizont, es herrscht Polarnacht. Zur Wintersonnenwende am 21. Dezember kehren sich diese Verhältnisse genau um. Zweimal im Jahr steht die Sonne genau senkrecht über dem Äquator, meist am 21. März und am 23. September. An diesen so genannten Äquinoktien oder Tag-und-Nacht-Gleichen sind überall auf der Erde Tag und Nacht genau gleich lang. In den mittleren Breiten beginnt um diese Zeit Frühjahr oder Herbst, an den Polen ist dies der Tag, an dem Polartag und Polarnacht beginnen bezie-hungsweise enden.
Zusätzliche zu den Unterschieden in den Tageslängen beeinflusst der jeweils unterschiedliche Winkel, mit dem die Sonnenstrahlung auf die Erde trifft, auch das regionale Klima der verschiedenen geographischen Breiten. Je senkrechter die Strahlen auftreffen, desto mehr Energie liefert die Sonne und des wärmer ist es im Durchschnitt.
Die Luft
Ohne die Atmosphäre und die in ihr enthaltenen Gase lägen die Temperaturen auf Erde um rund 30° C niedriger als heute. Ursache für das heutige vergleichsweise milde Klima ist der natürliche Treibhauseffekt, der vor allem von Wasserdampf und Kohlendioxid ausgeht. Die Gase lassen zwar die energiereiche Sonneneinstrahlung recht ungehindert durch, verhindern aber, dass die von der Erdoberfläche abgegebene langwellige Wärmestrahlung vollständig in den Weltraum hinaus abgestrahlt wird.
Prozentuale Verteilung der Gase in der Atmosphäre
Die Luft der Atmosphäre besteht aus einem Gemisch verschiedener Gase. Der weitaus größte Anteil – gut drei Viertel des Gesamtgasgehalts – ent-fällt auf Stickstoff. Sauerstoff, die für Organismen lebenswichtige Komponente, ist mit gut 20 Prozent das zweithäufigste Gas der Atmosphäre. Am dritthäufigsten ist Argon, ein Edelgas. Es reagiert nicht mit biologischen Systemen und spielt für die atmosphärischen Prozesse daher nur eine un-tergeordnete Rolle. Anders ist dies beim Kohlendioxid, das zwar nur einen Anteil von 0,035 Prozent einnimmt, aber sowohl das Klima als auch das Leben auf der Erde entscheidend beeinflusst.
Das Wasser
Fast drei Viertel der Erdoberfläche sind von Wasser. Nur ein verschwin-dend geringer Teil der globalen Wassermassen ist Süßwasser (2,6 % Süßwasser – Wasser in Seen und Flüssen, Grundwasser, Bodenfeuchte, Polareis, Gletscher; 97,39 % Weltmeere). Mit Hilfe der Sonnenenergie lässt sich das Wasser in seine Bestandteile zerlegen. Während der Sauer-stoff in die Luft entweicht, kann der Wasserstoff Motoren antreiben, in dem er mit Sauerstoff wieder zu Wasser verbrennt. Weitere einzigartige Eigenschaft: Normalerweise wird eine Flüssigkeit dichter, wenn sie ab-kühlt. Auch das Wasser folgt dieser Regel, aber nur bis zu einer Tempera-tur von + 4° C. Wird das Wasser kälter, dehnt es sich wieder aus, so dass Eis auf dem Wasser schwimmt. Diese besondere Eigenschaft führt dazu, dass große Seen nur an der Oberfläche zufrieren. In der Tiefe bleibt das Wasser bei + 4° C flüssig und damit können die Wasserbewohner überle-ben.
Wasser – der globale Thermostat
Das Wasser kann durch seine turbulente Bewegung die Wärme hundert-tausend mal schneller in tiefere Schichten transportieren als zum Beispiel Sand. Im Laufe des Winterhalbjahres gibt das Wasser dann diese gespei-cherte Wärme allmählich an die Luft ab. Dieser stabilisierenden Wirkung des Wassers verdanken die Inseln ihr ausgeglichenes, mildes Klima. Durch diese Fähigkeit des Wassers, riesige Wärmemengen zu speichern, sind die Temperaturschwankungen in Küstengebieten bei weitem nicht so groß wie im Innern der Kontinente.
Die Sonne
Die Sonne ist – direkt oder indirekt – der Motor fast aller Abläufe in der Atmosphäre. Obwohl nur der zweimilliardste Teil der gesamten von der Sonne ausgehenden Strahlung die Erde erreicht, reicht dieser Anteil aus, um genügend Energie für sämtliche Wettervorgänge und Lebensformen auf der Erde zu liefern.
Doch Vorgänge auf der Sonne selbst führen zu wesentlich größeren Schwankungen der Strahlungsintensität. Seit 1610 liegen relativ zuverläs-sige Beobachtungen über turbulente Prozesse auf der Sonne vor. Auffälli-ges Zeichen sind die Sonnenflecken, dunklere Bereiche der Photosphäre, die etwas 1.700 Kelvin kälter sind als die mittlere Temperatur der Son-nenoberfläche, die etwa 6.000 Kelvin beträgt.
Der Fusionsreaktor
Die Energie, die von der Sonne ausgeht, wird tief im Innern erzeugt. Dort herrscht eine Temperatur von rund 15 Millionen K bei einem unvorstellbar hohen Druck, der etwa 340 Millionen mal größer ist als der normale Luft-druck auf Meereshöhe. Vier leichte Wasserstoffatome (Protonen) ver-schmelzen über mehrere Zwischenschritte zu einem schweren Heliumatom (Alpha-Teilchen). Bei diesem Fusionsprozess hat sich der Massenverlust in Energie verwandelt, wird in Form von Gammastrahlung freigesetzt und durch einen Konvektionsprozess an die Oberfläche transportiert, wo diese Energie als Licht und Wärme abgestrahlt wird.
Die Strahlung
Das sichtbare Licht bildet nur einen sehr kleinen Ausschnitt aus dem Ge-samtspektrum. Die einfallende Sonnenstrahlung wird zu rund einem Drit-tel von der Atmosphäre wieder reflektiert und in den Weltraum zurückge-strahlt. Der Rest wird größtenteils von den Bestandteilen der Atmosphäre und Erdoberfläche absorbiert. Vor allem Ozon, Kohlendioxid sowie Was-serdampf absorbieren bestimmte Bereiche der Sonnenstrahlung.
Das Ende
Obwohl die Sonne in jeder Sekunde eine unverstellbar große Masse ver-liert, dürfte der Brennstoff noch für etwa 5 Milliarden Jahre reichen. Doch gegen Ende ihres Lebens wird das Helium zu schwereren Elementen ver-brannt. Dabei dehnt sich die Sonne aus und verschlingt alle Planeten un-seres Sonnensystems. Als Roter Riese wird sie noch etwa 1 Milliarde Jahre überleben, um dann das Ende als Weißer Zwerg zu finden.
Die Zirkulation
Zwischen dem Äquator und den Wendekreisen empfängt die Erde auf-grund ihrer Kugelgestalt mehr Sonnenstrahlung als sie durch Ausstrahlung abgibt. In den mittleren Breiten, und besonders in den polaren Regionen, verhält es sich genau umgekehrt. Die Strahlungsbilanz ist dort negativ. Durch dieses Ungleichgewicht wird die Wettermaschine der Erde in Gang gebracht, denn die Atmosphäre ist bestrebt, die aus der Strahlungsbilanz resultierenden Temperatur- und Luftdruckunterschiede auszugleichen. Die Folge sind mehr oder weniger stabile, erdumspannende Wind- und Luft-druckgürtel, die auf beiden Halbkugeln vorkommen: die äquatoriale Tief-druckrinne, der subtropische Hochdruckgürtel, die Westwinddrift oder Frontalzone und das Polarhoch.
Wetter ist das Resultat eines Zusammenspiels unterschiedlicher Kräfte und Faktoren. Dazu gehören Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchte, Nieder-schlag, Wolken und Wind. Schauplatz ihres Wirkens ist die Troposphäre, die untere Schicht der irdischen Lufthülle. Hier löst die sich ändernde Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche Temperaturunterschiede in der dar-über liegenden Luft aus. Die dadurch ausgelösten Luftströmungen verän-dern wiederum den Luftdruck und lassen Winde entstehen. Durch die Umwälzungen werden Luftmassen angehoben oder gesenkt, Wolken ent-stehen, regnen sich ab oder lösen sich auf. Alle diese – und noch weitere – Prozesse gemeinsam machen das Wetter aus.
Die direkte Zirkulation
In den äquatorialen Regionen steigen aufgrund der ganzjährig hohen Temperaturen die Luftmassen ständig in die Höhe, und es bilden sich mächtige Cumulonimbus-Wolken (Konvektionsbewölkung). Der für die Tropen typische Zenitalregen fällt aus diesen Wolkentürmen. Die aufge-stiegenen Luftmassen fließen in der Höhe als so genannte Antipassate in Richtung Pole ab. Dadurch sinkt am Boden der Luftdruck und die äquato-riale Tiefdruckrinne entsteht.
Etwa im Bereiche der Wendekreise sinken die Luftmassen wieder ab und erzeugen die subtropisch-randtropischen Hochdruckzellen (Rossbreiten). Das Druckgefälle von den Subtropen zum Äquator wird durch die bis in maximal zwei Kilometer Höhe reichen Passatwinde wieder ausgeglichen. Auf der Nordhalbkugel wehen sie aus Nordost, auf der Südhalbkugel aus Südost. Es sind außerordentliche richtungsbeständige und mit gleicher Stärke wehen Winde.
Die Zone, in der sie aufeinander treffen, wird als Innertropische Konver-genzzone oder Kalmengürtel bezeichnet. Hier, im Bereich der äquatorialen Tiefdruckrinne, schließt sich der Kreislauf der tropischen Passatzirkulation, der nach seinem Entdecker auch Hadley-Zelle genannt wird.
Die Innertropische Konvergenzzone verläuft nicht parallel zu den Breiten-kreisen, sondern pendelt in Abhängigkeit der Jahreszeit und der großräu-migen Luftdruckverteilungen. Sie befindet sich im Sommer vollständig nördlich des Äquators und kann fast bis zum nördlichen Wendekreis vor-stoßen. Dies ist der Fall, wenn eingewaltiges sommerliches Hitzetief über dem indischen Subkontinent liegt, die Südostpassate strömen dann über den Äquator Richtung Norden, werden zu Westwinden, und Monsunwinde entstehen. Im Winter, wenn die Sonne über dem südlichen Wendekreis im Zenit steht, ist sie in Richtung Süden verschoben.
Umgekehrt zum äquatorialen Bereich liegen über den Polen beständige Kaltlufthochs mit bodennahen östlichen Winden. Darüber, in größeren Hö-hen, wehen wiederum Westwinde. Ein Luftmassenaustausch aufgrund un-terschiedlicher Druckverhältnisse zwischen dem Polarhoch und der subpo-laren Tiefdruckrinne wird durch die starke Einwirkung der Corioliskraft verhindert.
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