Wirklich wichtiges Wissen – von heiter bis wolkig E-Book

Insa Thiele-Eich

• Herausgeber: dtv
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2023

Seitenzahl: 258

Beschreibung

Wissen, das man wissen will Lasst uns übers Wetter reden! In diesem Buch erfahren wir nicht nur, wie lange wir unser Frühstücksei auf der Zugspitze kochen müssen oder warum das Regenprasseln auf dem Zeltdach so wahnsinnig entspannend ist, sondern auch, wo das Wasser auf unserem Planeten herkommt und wie lang der wirklich längste Dauerregen der Erdgeschichte gedauert hat – ganze 2 Millionen Jahre! Denn die Meteorologin Insa Thiele-Eich weiß alles über das Wetter, und noch viel mehr. Klug und unterhaltsam erklärt sie, wie unser Wetter eigentlich entsteht, und zeigt, wie stark es unseren Alltag durchdringt – vor allem da, wo wir nie damit gerechnet hätten. Danach werden Gespräche über das Wetter garantiert nie wieder langweilig. »Insa Thiele-Eich ist faszinierend: Sie will in den Weltraum, damit wir alle auf der Erde weiterleben können. Sie brennt für den Klimaschutz und kann Wetter so lebhaft und unterhaltsam erklären, dass jeder versteht: Wir müssen nicht das Klima retten, sondern uns! Und das geht!«  Eckart von Hirschhausen

Leseprobe

Cover for EPUB

Wann hat es zum ersten Mal geregnet? Was haben Regenwürmer mit der Wettervorhersage zu tun? Welches Wetterphänomen hielten die Menschen in Rumänien einst für Himmelsdrachen, die von Zauberern bezwungen wurden? Gibt es wirklich das ideale Wetter für Geburten? Bei welcher Temperatur gelingt die Sahnetorte am besten? Und ist die Schwalbe eigentlich der bessere Frosch?

Insa Thiele-Eich nimmt uns mit auf eine Abenteuerreise durch die Welt der Wolken, Winde und Wurmlöcher. Dabei vermittelt sie witzig und originell die Grundlagen der Meteorologie und eine ganze Menge skurriler Tatsachen noch dazu.

Dieses Buch beweist: Es gibt nichts Schöneres als über das Wetter zu reden.

INSA THIELE-EICH

Wirklich wichtiges Wissen**von heiter bis wolkig

Wärme, Wurmloch, Weltgeschehen: Was das Wetter mit uns macht

Mit Illustrationen von David Klaus

TO SUNSHINE

Inhalt

LASST UNS ÜBERS WETTER REDEN

UND NUN: DAS WETTER

Sonne, Mond und Wetter

Erst Wetter, dann Klima

Wurmlöcher mal anders

WANN HAT ES EIGENTLICH ZUM ERSTEN MAL GEREGNET?

Vom Ursprung des Wassers

It’s Time to Rain!

Wasser marsch – die Carnian Pluvial Episode

DAS UNFASSBARE WETTER

Metrologie und Meteorologie

Quantität? Qualität!

Global gesehen

Woke Weather

WETTEN, DASS DAS WETTER WIRD?

Schirm, ja oder nein?

Schön geföhnt

Auf das Wetter ist Verlass

Weiß die Schwalbe mehr als wir?

GESUNDES WETTER?!

Biometeorologie des Menschen

Gefühltes Wetter

Zum Wetter geboren

Wettermüdigkeit

WER DEN TELLER LEER ISST …

Die Wetterküche

Bertha, das Ei ist weich

Backe, backe Kuchen

GIBT ES SCHLECHTES WETTER?

Wetter – extrem!

Die Kunst zu warnen

Warnung vor der Wetterfee

DONNERWETTER – WENN’S MAL RICHTIG KRACHT

Vom Blitz getroffen

Thunder and Lightning

Auf der Jagd nach dem Sturm

MYTHOS WETTER

Zwischen Tradition und Religion

Somewhere Over the Rainbow

Von Drachen und Zauberern

Verhextes Wetter

VON HEITER BIS WOLKIG

Cirren und Chemtrails

Wolkenkatalog – von Kunst zu Wissen

Relaxing Rain

Leise rieselt der Schnee

WETTER, WÖRTER, MELODIEN

Übers Wetter wettern

Das Klimawortschatzerweiterungsphänomen

Wetter macht Musik

WETTER DER ZUKUNFT

The Elephant in the Room

IoT und KI

Wetter aus der Fabrik

Carbon Capture and Storage

UND ZUM SCHLUSS: WAS DAS WETTER MIT MIR MACHT

DANK

ANHANG

Mehr Wissen!

Quellen

Register

LASST UNS ÜBERS WETTER REDEN

Hallo, ich bin Meteorologin. »Meteo-wie-bitte«, antwortet mein Gegenüber meistens, sei es auf der Party, bei der Familienfeier oder in der Krabbelgruppe. Wenn ich die Erklärung nicht schnell genug griffbereit habe, geht es auch direkt weiter: »Das ist doch das mit den Sternen, oder?« – fast. »Ich bin Sternzeichen Widder, sagst du mir mein Horoskop?« – auf keinen Fall. Oder: »Ach, wolltest du schon immer ins Fernsehen?« – auf gar keinen Fall.

Wenn dann klar ist, dass Meteorologie etwas mit Wetter zu tun hat, bietet sich beim Smalltalk-Thema Nummer eins viel weiterer Gesprächsstoff. Das Gute ist: Ich bin sehr gesprächig und rede gerne über das Wetter. Legen wir also los!

Meteorologie ist die Wissenschaft der Atmosphäre, das stete Bemühen um ein Verständnis der Welt des Wetters. Und sosehr ich im Studium in den Mathematikvorlesungen geschwitzt und beinahe vor der theoretischen Physik kapituliert habe, macht es einfach jeden Tag aufs Neue Spaß zu sehen, wie unsere Welt durch etwas beeinflusst wird, das wir selbst einfach nicht kontrollieren können. Keine App der Welt kann mir garantieren, dass ich meinen 40. Geburtstag bei Sonnenschein und angenehmen 27°C feiern werde und die Party nicht im strömenden Regen nach drinnen verlegen muss.

Seit ein paar Jahren ergänze ich meine Vorstellung noch um »… und Klimawissenschaftlerin«. Und da, das sei ganz klar gesagt, ist es mit dem Spaß dann auch fast vorbei. Umso dankbarer bin ich, dass sich dieses Buch nahezu ausschließlich der wunderbaren Welt des Wetters widmen kann. Damit wir bei allen Herausforderungen, die der Klimawandel mit sich bringt, und bei aller Anstrengung, die vor uns liegt, nicht vergessen: Wir haben es auf unserem Planeten richtig schön.

Ich freue mich, dass ihr dieses Buch in der Hand habt, und hoffe, euch macht die Reise durch die Welt des Wetters genauso viel Spaß wie mir. Eines ist klar: Wetter ist überall. Und so stand ich zu Beginn des Buches vor der Aufgabe, aus der Vielfalt der Themen jene auszuwählen, die es auf eine der nächsten Seiten schaffen. Allein das Lehrbuch Die Atmosphäre der Erde – Eine Einführung in die Meteorologie von Helmut Kraus, mit dem ich in der Einführungsvorlesung die Grundlagen der Meteorologie gelernt habe, hat 442 Seiten. Die Komplexität des Wetters und der dahinterliegenden meteorologischen Prozesse ist das eine, die Vielfalt der Bereiche, die in Wechselwirkung mit dem Wetter stehen – von Gesundheit über Sprache zu Musik und Kunst –, hat mich öfter vor die Aufgabe gestellt, einen Weg zwischen physikalischem Grundverständnis und populärwissenschaftlicher Betrachtung zu finden. Deshalb gibt es am Ende dieses Buches auch Quellenangaben für alle, die gerne tiefer in die verschiedenen Themenbereiche einsteigen möchten.

Nicht alle Themen, die ich spannend finde, haben es in dieses Buch geschafft, manche konnte ich nur anreißen. Bei der Recherche ist mir so viel Wissen über das Wetter begegnet, das auch mich noch überrascht hat. Besonders faszinierend fand ich gerade die Themen, die mir in meinem Arbeitsalltag sonst eher nicht begegnen. Also: Falls ihr bereits ein Studium der Meteorologie hinter euch habt, euch das Buch aber geschenkt wurde, weil »du machst doch was mit Wetter«, ist euch vieles vielleicht schon bekannt. Trotzdem hoffe ich, auch ihr erlebt beim Lesen noch ein paar »Ach, das wusste ich ja noch gar nicht«-Momente – so ging es mir nämlich ständig.

Die Welt der Meteorologie ist eine sehr kleine Gemeinschaft, und es gibt keine geschützte Berufsbezeichnung. Deswegen an dieser Stelle schon jetzt das Versprechen: Spätestens am Ende dieses Buches dürft auch ihr euch Meteorologin oder Meteorologe nennen. Und damit: viel Freude beim Lesen!

UND NUN: DAS WETTER

Wetter bezieht sich auf den Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt. Dieser momentane Zustand lässt sich mit verschiedenen Elementen beschreiben, zum Beispiel durch Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Niederschlag und Wolkenbedeckung. Das Wetter kann sich von einem Tag auf den anderen ändern – auch innerhalb weniger Stunden oder sogar Minuten. Es präsentiert uns jeden Tag eine Vielzahl von faszinierenden Phänomenen, die wiederum selbst von unzähligen Faktoren beeinflusst werden. Und: Das Wetter war auch schon lange vor uns da. Ursächlich für das Entstehen von Wetter sind Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre, der Erdoberfläche und der Sonnenstrahlung – uns Menschen braucht es dazu nicht. Aber wie entsteht das Wetter denn nun genau?

Die Erde wird von einer Schicht aus Gasen umgeben – unserer Atmosphäre und dem Ort des Geschehens: Sie spielt eine entscheidende Rolle für das Wetter Vorwiegend besteht sie aus Stickstoff (etwa 78 Prozent) und zu etwa 21 Prozent aus Sauerstoff, der Rest setzt sich zusammen aus sogenannten Spurengasen wie Argon, Kohlendioxid und Wasserdampf. Diese Gase bilden ein komplexes Gemisch, in dem sich alle uns bekannten Wetterphänomene wie zum Beispiel Regen oder Sturm abspielen.

Und wer gibt den Startschuss für das Wetter? Die Sonne. Sie sendet kontinuierlich elektromagnetische Strahlung aus, die zunächst die Atmosphäre und dann die Erdoberfläche erreicht. Ein Teil dieser Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert, wodurch sich die Erdoberfläche erwärmt. Diese gibt wiederum Wärme an die Luft ab – und die Lufttemperatur der erdnahen Schichten steigt. Dadurch entstehen thermisch induzierte Bewegungen wie zum Beispiel Auf- und Abwinde, die wiederum unter anderem für die Entstehung von Wolken und Niederschlag verantwortlich sind. Wichtig hierbei: Die Erwärmung der Erdoberfläche ist nicht gleichmäßig, sondern allein schon aufgrund von Tag und Nacht unterschiedlich stark. Auch Wasser und Land, Eis und Wälder, Wüsten und Moore erwärmen sich nicht gleich stark – und all diese Unterschiede tragen dazu bei, dass das Wetter vor allen Dingen eines ist: komplex.

Der Wasserkreislauf ist ein wesentlicher Bestandteil des Wettergeschehens. Die solare Strahlung ist nämlich auch für Verdunstung des Wassers der Ozeane, Seen und Flüsse verantwortlich. Der aufsteigende Wasserdampf kondensiert in der Atmosphäre zu winzigen Wassertröpfchen oder Eiskristallen und bildet Wolken. Und wenn diese Tröpfchen oder Kristalle weiter anwachsen, kommt es zu Niederschlag in Form von Regen, Schnee oder Hagel.

Die Luftdruckunterschiede spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Wetters. Die Luft über unseren Köpfen lastet förmlich auf unseren Schultern – denn sie hat ein Gewicht und übt deshalb Druck auf die Erdoberfläche aus.

LUFTDRUCK ist die Kraft pro Flächeneinheit, die von der Luft auf eine Oberfläche ausgeübt wird. Er entsteht aufgrund des Gewichts der Luftsäule über der betreffenden Fläche. Der Luftdruck wird in der Einheit Pascal (Pa) gemessen, wobei der durchschnittliche Luftdruck auf Meereshöhe etwa 1013,25 Hektopascal (hPa) oder 1 Atmosphäre (atm) beträgt.

Unterschiede im Luftdruck führen zur Bildung von atmosphärischen Strömungen, die das Wettergeschehen beeinflussen. Diese Strömungen dienen als Ausgleich: So strömt Luft von Gebieten mit hohem Druck zu Gebieten mit niedrigem Druck – ein Wind weht. Die Kombination aus Luftdruckunterschieden und der Corioliskraft – einer Schein- oder auch Trägheitskraft, die auch ablenkende Kraft der Erdrotation genannt wird – führt dann zur Ausbildung von Hoch- und Tiefdruckgebieten.

Auch die Jahreszeiten spielen zumindest in den mittleren Breiten, also den Erdteilen mit gemäßigtem Klima, eine wichtige Rolle. Sie entstehen durch die Neigung der Erdachse in Bezug auf ihre Umlaufbahn um die Sonne: Während sich die Erde um die Sonne bewegt, bleibt ihre Achse geneigt und zeigt immer zum Nordstern, was dazu führt, dass unterschiedliche Teile der Erde zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Mengen an Sonnenlicht erhalten.

Die zur Sonne geneigte Hemisphäre erhält deutlich mehr direkte Sonnenstrahlung, was zu wärmeren Temperaturen führt: Es ist Sommer. Gleichzeitig ist auf der jeweils anderen Hemisphäre Winter: In den jeweiligen Wintermonaten erreicht dort weniger direktes Sonnenlicht die Erdoberfläche, es ist also kälter. Und so kommt es Jahr für Jahr in den gemäßigten Breiten zu einem Zyklus zwischen Frühling, Sommer, Herbst und Winter. So selbstverständlich der Wechsel zwischen Schneeglöckchen im Winter, den ersten warmen Tagen um Ostern, langen hellen Sommernächten und bunten Blättern und kürzer werdenden Tagen im Herbst erscheint: Es gibt viele Regionen auf der Erde, die diese ausgeprägten Jahreszeiten gar nicht kennen. In Äquatornähe treffen die Sonnenstrahlen das ganze Jahr über mittags nahezu senkrecht auf die Erdoberfläche. Es gibt also in den Tropen, die sich von 23,5° nördlicher bis 23,5° südlicher Breite erstrecken, keinen deutlichen Wechsel der Jahreszeiten, die Temperaturen sind über das Jahr gesehen vergleichsweise konstant hoch. Tag und Nacht sind ebenfalls das ganze Jahr über nahezu gleich lang. Selbstverständlich gibt es innerhalb eines Jahres – und an verschiedenen Orten – dennoch unterschiedliche klimatische Bedingungen wie variierende Niederschlagsmengen. Diese werden jedoch hauptsächlich durch regionale Einflüsse wie Topografie, vorherrschende Winde oder auch Meeresströmungen bestimmt. Deshalb können sich trotz gleichmäßiger Sonneneinstrahlung sowohl Wüsten und Savannen als auch immerfeuchte tropische Regenwälder entwickeln.

SONNE, MOND UND WETTER

Unser Wetter wird aber längst nicht nur von der Sonne und dem beeinflusst, was auf unserem Planeten stattfindet. Aufgrund der Anziehungskraft zwischen Massen, der Gravitation, beeinflussen sich die Himmelskörper gegenseitig. Die Erde übt eine Anziehungskraft auf den Mond aus und hält ihn so auf seiner Umlaufbahn – umgekehrt hat auch die Masse des Mondes trotz einer Entfernung von etwa 384400km einen Einfluss auf die Erde: Die Anziehungskraft des Mondes ist zwar deutlich geringer als die der Erde (denn seine Masse ist 81-mal kleiner), reicht aber aus, um einen auch für uns deutlich spürbaren und sichtbaren Effekt zu erzeugen: die Gezeiten. Je nach Position des Mondes herrscht auf der Erde ungefähr alle 6 Stunden ein Wechsel von Ebbe auf Flut – und umgekehrt. Dabei ist es gerade nicht die Anziehungskraft selbst, die das Wasser bewegt – es ist vielmehr die Gezeitenkraft, eine Kraft, die sich aus dem Gradienten, also der Änderung der Anziehungskraft ergibt: Mond und Erde sind ja keine Punkte, sondern ausgedehnte Körper mit jeweils einem Massenmittelpunkt. Es existiert also ein räumlich variierendes Gravitationsfeld: Je weiter ein Punkt auf der Erde vom Mond entfernt ist, desto geringer ist die Gravitationskraft. Aus den Gezeitenkräften resultieren entsprechend Verformungen im System, die wir auf der Erde als Ebbe und Flut beobachten können, und zwar gerade in den Bereichen der Erde, die dem Mond nicht direkt zugewandt sind.

Dass es nicht die Anziehungskraft selbst ist, die die Gezeiten auslöst, stellt man auch schnell fest, wenn man bedenkt, dass die Gravitation der Sonne in Bezug auf die Erde 178-mal größer ist als die des Mondes – dafür ist die Gezeitenkraft des Mondes doppelt so groß wie die der Sonne. Auch der Mond ist übrigens entsprechend verformt, denn die Erde wirkt sich ja noch viel stärker auf ihn aus.

Der MOND befindet sich in gebundener Rotation um die Erde und bremst die Eigendrehung der Erde um eine Sekunde in ungefähr 50000 Jahren. Das hört sich nicht nach viel an, aber aufgrund von Drehimpulserhaltung im System Erde-Mond wird der Mond beschleunigt und entfernt sich dadurch langsam, aber stetig mit immerhin 4cm pro Jahr.Irgendwann ist der Mond so weit entfernt, dass die Schwerkraft der Sonne einen größeren Einfluss bekommen wird als die der Erde – der Mond könnte dann sogar unsere Umlaufbahn verlassen. Allerdings wird das noch einige Milliarden Jahre dauern.1

Zurück zum Wetter: Die Gezeiten, auch Tiden genannt, sind ein Bestandteil der ozeanischen Strömungen und haben so natürlich als Teil des Luft-See-Systems auch einen Einfluss auf das Wetter. Das führte im 19.Jahrhundert dazu, dass eine Gruppe von Menschen sich dem sogenannten Lunarismus anschloss. Sie vertraten die Auffassung, der Mond bestimme maßgeblich das Wetter auf der Erde.2 Tatsächlich gibt es einzelne Zusammenhänge, die sich beobachten lassen. Zum Beispiel zeigen einige Studien, dass die Übergänge zwischen einem El-Niño- und einem La-Niña-Ereignis mit der Gezeitenkraft des Mondes zusammenhängt (diese Ereignisse können sich wiederum massiv auf globale Temperaturen, Niederschläge und tropische Zyklone auswirken, später mehr dazu).3 Man konnte außerdem beobachten, dass es ungefähr alle neun Jahre zu mittelfristigen Temperaturschwankungen in Verbindung mit extrem starken Tiden kommt.4 Hier wird vermutet, dass diese zu einer starken vertikalen Durchmischung des Ozeans beitragen und so die Meeresoberfläche deutlich abkühlt, was wiederum zu kälteren Lufttemperaturen führen kann.5 Sehr ausgeprägt sind diese Effekte aber nicht – und auch mit unserem täglichen Wetter steht der Mond entgegen der Theorie des Lunarismus in keinem spürbaren Zusammenhang.

Dennoch: Langfristig gesehen können wir dem Mond dankbar sein – denn er spielt eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung unserer Erdachse. Ohne den Mond würde diese sehr viel unregelmäßiger schwanken, sich womöglich sogar noch weiter neigen und damit größere Temperaturunterschiede zwischen den Jahreszeiten herbeiführen. Der Mond hilft damit also auf (wirklich) lange Sicht, die klimatischen Bedingungen auf der Erde im Vergleich zu anderen Planeten zu stabilisieren.

Der Mond hat seine Finger auch bei den WOCHENTAGEN im Spiel: Den Römern waren sieben bewegliche Himmelskörper bekannt, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit vermeintlich um die Erde kreisten: Mond (Montag), Mars (Dienstag ▸▸ Tuesday, nach dem Tag des Tius, der germanische Name des römischen Kriegsgottes Mars), Merkur (Mittwoch ▸▸ Mercoledì auf Italienisch), Jupiter (Donnerstag ▸▸ der Planetengott Jupiter wurde mit dem germanischen Gott des Donners Donar verknüpft), Venus (Freitag ▸▸ Venerdì auf Italienisch), Saturn (Samstag ▸▸ Saturday) und Sonne (Sonntag).6

Kommen wir aus dem Weltall zurück zur Erde: Dass wir Menschen uns überhaupt Gedanken über unser Wetter machen können, verdanken wir der Atmosphäre. Diese ist in verschiedene Schichten unterteilt.

Die Atmosphäre ist nicht nur der physische Raum, in dem sich Wetter abspielt: Sie ist auch essenziell, um überhaupt Leben auf der Erde zu ermöglichen. So enthält sie Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Jene Gase lassen die kurzwellige solare Einstrahlung, also die Sonnenstrahlung, passieren und zur Erdoberfläche gelangen. Diese wiederum gibt langwellige Wärmestrahlung zurück in die Atmosphäre, wo sie jedoch teilweise von besagten Gasen absorbiert wird. Dadurch wird ein Teil der Wärme in der Atmosphäre zurückgehalten, und die Durchschnittstemperatur der Erde erhöht sich. Dieser Effekt ähnelt dem Prinzip eines Treibhauses und wird deshalb als der Treibhauseffekt bezeichnet. Davon dürften die meisten schon einmal gehört haben. Seit einigen Jahrzehnten besteht allerdings die Notwendigkeit, hierbei zwischen natürlichem und anthropogenem, also menschengemachtem, Treibhauseffekt zu unterscheiden: Denn wir haben durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe den Gehalt an Treibhausgasen in der Atmosphäre so stark erhöht, dass der Treibhauseffekt verstärkt wurde und zu einem Anstieg der globalen Mitteltemperatur geführt hat – und weiter führen wird. Resultat: der menschengemachte Klimawandel.

ERST WETTER, DANN KLIMA

Aber bevor man den Klimawandel versteht: Wie hängen Wetter und Klima überhaupt zusammen?

Wetter, das ist der Zustand der untersten Schicht der Atmosphäre zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort – also zum Beispiel heute Abend, wenn ich mit dem Hund in den Wald gehe. Es lässt sich beobachten und beschreiben als ein Zusammenspiel aus verschiedenen Variablen wie etwa Temperatur, Luftdruck, Windstärke und -richtung, Luftfeuchte, Strahlung, Niederschlagsform und -menge. Auch Wolken und optische Erscheinungen gehören zum Wetter. Wer schon einmal von einem Gewitter überrascht wurde, weiß: Das Wetter kann in kürzester Zeit umschlagen. Oder auch andersherum: Der Nachbar zwei Straßen weiter wundert sich am Telefon, warum ich mich über den Regen freue, während er sich beklagt, dass sein Hochbeet den Schauer nicht abbekommen hat. Spielt sich ähnliches Wetter über größeren Gebieten und innerhalb mehrerer Tage ab, spricht man von Großwetterlagen. Insgesamt ist das Wetter in Raum und Zeit extrem variabel und nur für wenige Tage gut vorhersagbar.

Neben dem Wetter gibt es aber auch noch die Witterung: Hier geht es nicht mehr um kurzfristig beobachtbare Zustände, sondern bereits um erste gemittelte Betrachtungen, also Analysen des Wetters über Raum und Zeit, die uns Aussagen zur Charakteristik des Wetters in einem Gebiet ermöglichen. Gemittelt wird hier über kürzere Zeiträume von Tagen und Wochen bis hin zu einer Jahreszeit über einer Region wie zum Beispiel der Pfalz oder Mitteleuropa. Der Begriff der Witterung ermöglicht uns, sofort zu wissen, was gemeint ist, wenn es in der Vorhersage heißt: Altweibersommer. Über Mitteleuropa kommt es nämlich gehäuft im frühen Herbst, also zwischen Mitte September und Anfang Oktober, zu einer andauernden Hochdrucklage. Wer schon ein paar Altweibersommer erlebt hat, braucht dann auch nicht viel Erklärung, um zu wissen, dass damit sommerliche Temperaturen am Tag zu erwarten sind und man für die zu dieser Witterung gehörenden kühleren Nächte vielleicht doch eine Jacke mitnimmt.

KLIMADIAGRAMM DER STADT HÜCKELHOVEN7

Kommen wir zum Klima: Dabei geht es nämlich um die statistische Beschreibung der Wettervariablen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet charakterisieren. In einem Klimadiagramm kann man zum Beispiel das Klima an unterschiedlichen Orten vergleichen. Heute lassen sich Klimadiagramme von diversen Dienstleistern für nahezu jeden Ort der Welt erstellen – vorausgesetzt, es gibt in der Nähe eine Wetterstation mit Beobachtungsdaten oder zumindest entsprechende Simulationen.

Klimadiagramme enthalten meist Angaben zu Durchschnittswerten von meteorologischen Variablen wie Temperatur und Niederschlag, aber auch Angaben zu Windstärke und -richtung, Sonnenstunden und Anzahl der Tage mit Schnee oder Regen geben Auskunft über das Klima an einem Ort. Als Beispiel sind die durchschnittlichen Temperaturen (Tagesmaximum Tmax und Tagesminimum Tmin) und Niederschläge der Stadt Hückelhoven für jeden Monat im Klimadiagramm zu sehen. Die Diagramme basieren entweder auf tatsächlichen Wetterdaten oder werden mithilfe von Simulationen erstellt. In jedem Fall werden Datenreihen von mindestens 30 Jahren für die Berechnung der statistischen Mittel herangezogen, meist nutzt man hierfür die von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) festgelegte Referenzperiode von 1961 bis 1990. »Heiße Tage« sind also die Durchschnittswerte der 30 heißesten Tage des jeweiligen Monats. Umgekehrt sieht man, dass die Tagesminimumtemperatur Tmin im Monatsdurchschnitt nie unter 0°C liegt, es aber natürlich einzelne Tage mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts geben kann. Es ist also wahrscheinlich, über den Tag verteilt Temperaturen zwischen den zwei gestrichelten Linien für »Kalte Nächte« und »Heiße Tage« aufzufinden, zu erwarten sind aber eher Temperaturen in der Nähe der jeweiligen Durchschnittswerte für Tmax und Tmin.

Hückelhoven ist eine kleine Stadt in Nordrhein-Westfalen und liegt – wie auch ganz Deutschland – in der gemäßigten Klimazone. Menschen, die in dieser Zone groß geworden sind, sind vertraut mit den vier Jahreszeiten, die sich insbesondere in der jährlichen Schwankung der Temperatur widerspiegeln, und relativ konstant über das Jahr verteilten Niederschlägen bei einer jährlichen Niederschlagssumme von etwa 800+ mm.

DAS KLIMASYSTEM UND SEINE BESTANDTEILE

Zum Klimasystem gehören neben der Atmosphäre noch andere Bestandteile, auch Kompartimente genannt, die alle in Wechselwirkung miteinander stehen:

HYDROSPHÄRE:

Die Hydrosphäre bezieht sich auf den Wasseranteil auf der Erde – insgesamt sind etwa 71 Prozent der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt. Sie umfasst demnach alle Gewässer der Erde, einschließlich Ozeane, Meere, Flüsse, Seen und Grundwasser. Eine besonders wichtige Eigenschaft der Hydrosphäre ist die Wärmespeicherkapazität, also die Fähigkeit eines Stoffes, Wärmeenergie aufzunehmen und zu speichern. Im Vergleich zur Atmosphäre haben Ozeane eine viel höhere Wärmespeicherkapazität, was bedeutet, dass sie große Mengen an Wärme absorbieren können und dabei die Wassertemperatur nur langsam steigt. Ein einfaches Experiment hierzu: Man nehme zwei Luftballons und fülle einen davon mit etwas Wasser. Hält man beide Luftballons über eine Kerze, platzt der nur mit Luft gefüllte Ballon – im zweiten Ballon speichert das Wasser die Hitze der Kerze. Durch die Aufnahme großer Mengen an Wärmeenergie beeinflussen besonders Ozeane also das Klima, indem sie als Wärmespeicher wirken. Ebenso wird Wärme über Meeresströmungen wie zum Beispiel den Golfstrom verteilt.

KRYOSPHÄRE:

alles feste und demnach gefrorene Wasser auf der Erde, also Schnee und Eis in allen Formen – Gletscher, Eiskappen, Eis auf Flüssen und Seen, Meereis, Eisschilde. Auch Permafrost zählt zur Kryosphäre. Die Kryosphäre reagiert auf Änderungen in Temperatur und Niederschlag und wird deshalb oft auch als unser Klimathermometer bezeichnet. Insbesondere die Bilder schnell schmelzender Gletscher der letzten Jahre zeigen eindrücklich, wie sehr sich das Klima in kurzer Zeit geändert hat. Gleichzeitig ist das Reflexionsvermögen von Eis und Schnee, ausgedrückt durch die Albedo, maßgeblich für die Energiebilanz unserer Erde – und großflächige Veränderungen in der Kryosphäre können zu empfindlichen Feedbackzyklen führen. Schmelzen große Flächen von Eis, taucht darunter Land- oder Wasseroberfläche auf, die aufgrund der wesentlich geringeren Albedo bis zu 80–90 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlen absorbieren – es wird also weniger solare Strahlung reflektiert und mehr Strahlung absorbiert. So kann sich die Luft- oder Wassertemperatur erhöhen und umliegend zu noch stärkerer Schmelze führen – und so weiter.

BIOSPHÄRE:

Auch zwischen Vegetation und Atmosphäre findet eine ganze Reihe von Wechselwirkungen und Austauschprozessen statt; besonders wichtig sind hier die verschiedenen Flüsse von Wärme und Masse. So werden nicht nur Energie, sondern auch Spurenstoffe wie Kohlendioxid oder Methan ausgetauscht. Pflanzen setzen außerdem Pollen frei, deren Verbreitung über den Wind zwar wichtig für verschiedene ökologische Prozesse ist, aber je nach Jahreszeit und Wetterlage zu einer mehr oder weniger starken Belastung für so manche Atemwege werden kann. Umgekehrt beeinflussen Pflanzen auch das Wetter: Ein großes bepflanztes Feld erzeugt Luftwiderstand und Turbulenzen. Auch Wälder sind ein wichtiger Bestandteil des Erdsystems: Zum einen wird im Wald Kohlenstoff als sogenannte Biomasse gespeichert und so dem Kohlenstoffkreislauf in der Atmosphäre erst einmal entzogen – Wälder sind also eine hervorragende

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-Senke. Zum anderen haben Bäume und Wälder einen direkten Einfluss auf die thermischen Bedingungen vor Ort: Besonders in der Stadt merkt man den Kühlungseffekt von Bäumen sehr schnell. Durch die Verdunstung über ihre Blätter wird der Luft Energie entzogen, und sie kühlt ab – und dafür muss der Baum nicht mal mehr lebendig sein. Selbst ein toter Baumstamm bietet nicht nur Lebensraum für Mikroorganismen, sondern senkt auch die Umgebungstemperatur um bis zu 2°C.

LITHOSPHÄRE:

die äußerste Schicht der festen Erdkruste. Sie erstreckt sich von der Oberfläche bis in eine Tiefe von etwa 80–200km. Dabei schwimmt die aus mehreren tektonischen Platten zusammengesetzte Lithosphäre auf der darunterliegenden Schicht, der Asthenosphäre. Diese Bewegungen führen wiederum zur Bildung von Gebirgen, Tälern und Meeresbecken und beeinflussen so die Meeresströmungen, die Verteilung von Landmassen und damit auch die geographische Verteilung von Klimazonen. Auch vulkanische Aktivitäten finden sich in der Lithosphäre: Hierdurch können große Mengen an Gasen und Partikeln wie zum Beispiel Wasserstoff, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Asche freigesetzt werden. Diese Emissionen können das Klima beeinflussen, indem sie die Sonneneinstrahlung blockieren und dadurch kurzfristig eine Abkühlung verursachen, oder aber den Treibhauseffekt verstärken. Auch Gesteine und Boden haben wichtige Funktionen bei der Speicherung von Kohlenstoff und Wasser. Während Gesteine Kohlenstoff in Form von Karbonaten und organischen Materialien enthalten, tragen Böden durch den Prozess der Verdunstung und Transpiration zur Feuchtigkeitsversorgung der Atmosphäre bei.

Wenn wir also von Klima sprechen, geht es um etwas, das wir so direkt gar nicht beobachten sondern um einen Zustand verschiedener Kompartimente, den wir vielmehr rechnerisch begreifen können. Gleichzeitig gibt es viele Möglichkeiten, mithilfe von Zeitreihen und Datensätzen ein Verständnis dafür zu bekommen, dass und wie sich das Klima wandelt.

Und auch beim Wetter spielen die verschiedenen Kompartimente eine wichtige Rolle. Als meine zweite Tochter vier Monate alt war, genoss ich im Herbst 2013 die letzten Wochen Elternzeit, bevor ich mich wieder langsam und in Teilzeit meiner Promotion widmen wollte. Spät am Abend ploppte plötzlich eine E-Mail auf: Mein Professor fragte mich, ob ich nicht eine Vollzeitstelle als wissenschaftliche Koordinatorin antreten wolle. Eine Stelle, die es meistens erst nach der Promotion gibt. Und es wäre doch schön, wenn ich diese bis Ende des Jahres fertigstellen könnte, das sei quasi Bedingung.1* Wissenschaftliche Koordinatorin – das war eine Stelle, die ich in meinem Fünfjahresplan als Ziel anvisiert hatte, denn dort erhält man Einblicke in unterschiedlichste wissenschaftliche Themen. In diesem Fall ging es in einem Sonderforschungsbereich mit 26 Projekten darum, skalenübergreifend Muster in der Atmosphäre, aber auch den anderen Kompartimenten zu erkennen. Denn, das wurde mir spätestens mit Antritt dieser Stelle klar, das Wetter kann man nicht isoliert betrachten. Boden, Vegetation, Grundwasser und Atmosphäre hängen unmittelbar zusammen, beeinflussen sich gegenseitig – und das gilt nicht nur an Land, sondern auch für den Ozean, für Gletscher und für Eisschilde.

EIN REGENTROPFEN AUF REISEN

Wasser zirkuliert zwischen diesen Kompartimenten durch Verdunstung, Niederschlag, Abfluss und andere Prozesse. Stellen wir uns vor, in der Atmosphäre befindet sich genau ein Regentropfen. Wenn dieser mit freier Bahn Richtung Erde fällt, können unterschiedliche Dinge passieren: Je nach Beschaffenheit der Erdoberfläche kann er abhängig von der Temperatur gefrieren oder dort verbleiben, bis er wieder verdunstet, um dann zu einem späteren Zeitpunkt erneut zu kondensieren und die Reise ein weiteres Mal anzutreten. Oder aber der Tropfen macht sich auf den Weg Richtung Ozean: Hier gibt es als grobe Routeneinteilung zunächst den Oberflächenabfluss auf der Erdoberfläche. Über das nächstgelegene Rinnsal mit Zwischenstopp in Bach und Fluss gelangt der Tropfen schlussendlich ins Meer.

Oder aber er wählt die lange Route und sickert zunächst in den Boden. Die Fähigkeit des Bodens, Wasser aufzunehmen, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel Bodenart, Bodenstruktur und Bodendichte. Böden wie Sande oder Kiese sind gut durchlässig und können größere Mengen an Wasser aufnehmen während dichte, tonige Böden weniger Wasser durchlassen.

Sobald das Wasser in den Boden eingedrungen ist, kann es entweder als Bodenfeuchte gespeichert werden oder weiter in tiefere Bodenschichten infiltrieren, bis es das Grundwasser erreicht. Das gespeicherte Wasser in den oberen Bodenschichten kann wiederum von Pflanzenwurzeln aufgenommen und so von den Pflanzen für ihre Photosynthese und ihr Wachstum verwendet werden. Wenn der Boden gesättigt ist und nicht mehr Wasser aufnehmen kann, kann überschüssiges Wasser oberflächlich abfließen.

Manchmal jedoch ist etwas im Weg, zum Beispiel Vegetation in Form von Pflanzen oder Bäumen. Kommt der Tropfen auf einem Blatt auf und bleibt zunächst dort, so nennt man das Interzeption. Über die Transpiration, also Verdunstung, können Pflanzen über ihre Wurzeln Wasser aus dem Boden in die Atmosphäre abgeben.

Theoretisch würde es ausreichen, genau zu wissen, was mit jedem einzelnen Tropfen passiert, um ein umfassendes Verständnis unseres Wasserkreislaufs zu erhalten oder mithilfe eines MODELLS Vorhersagen zu treffen. Man stelle sich vor, jeder Tropfen wäre mit einer Blockchain versehen, um so eindeutig ein umfassendes Verständnis unseres Wasserkreislaufs zu erhalten! Wisst ihr, wie viele Tropfen fallen? Selbst wenn man genau wüsste, wo sich jeder Wassertropfen auf der Welt in der Atmosphäre in diesem Moment befindet: Es sind einfach zu viele. Je nach Wolkenart finden sich zwischen 50 und 450 Tropfen pro Kubikzentimeter – bei einer Wolkendicke von 50 bis 1000m und einer globalen Bewölkung von 40 Prozent kommt man damit auf knapp 10^25 Wassertropfen nur in den Wolken – das sind ungefähr so viele wie es Sterne im Universum gibt. Ein Regentropfen besteht wiederum aus bis zu 8000 Wolkentropfen (Tropfenradius < 50 μm). Selbst wenn sich der gesamte Weg eines Tropfens mithilfe von Supercomputern in 1 Sekunde simulieren lassen würde, kommt man bei dieser Menge an Tropfen auf eine Simulationsdauer von insgesamt 600 Milliarden Jahren – zum Vergleich, das Universum ist noch keine 14 Milliarden Jahre alt.8, 9

Diese Schwierigkeit besteht auch bei Wettermodellen, wo es ja um viel mehr als nur einzelne Tropfen geht: Auch Temperatur, Druck und Dichte sind wichtige Parameter, die ich an vielen Stellen und so genau wie möglich beobachten muss, um ein Verständnis vom aktuellen Wettergeschehen zu haben.

Deshalb betrachtet man wichtige Prozesse wie zum Beispiel hydrologischen Abfluss auf verschiedenen Skalen und probiert, wiederkehrende Muster zu finden, die man dann als vereinfachte Parametrisierungen in den Modellen einbauen kann.

Als wäre das alles nicht schon kompliziert genug, sind Erdoberfläche, Bodenbeschaffenheit und Wassertropfen nicht losgelöst von Flora und Fauna: Blumen wachsen, Felder werden bewirtschaftet, insgesamt schätzt man etwa 1,8 Millionen Arten, die alle Wasser benötigen. All dies in Modellen zu berücksichtigen ist eine komplexe und langwierige Aufgabe, an der Tausende von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten.

KLIMADIAGRAMME – EIN RATESPIEL WELCHER ORT IST WOHL GEMEINT?

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Auflösung: siehe hier

WURMLÖCHER MAL ANDERS

Als untere Begrenzung der Atmosphäre hat die Erdoberfläche im Erdsystem eine wichtige Funktion. Als Trennfläche zwischen Boden und Atmosphäre dient sie als Splitter: Sie teilt nämlich grob gesagt den herabfallenden Niederschlag in Wasser, das an der Oberfläche abfließt, und solches, das in den Untergrund abfließt, also infiltriert.

Hierbei spielen sich verschiedene Prozesse ab. Lange verstand man das Versickern des Wassers im Boden als einen Prozess, der durch kapillare Kräfte gesteuert werde. Das kann man sich gut wie einen Kaffeefilter vorstellen, in den man langsam und gleichmäßig Wasser hineingießt, das sich dann ebenso langsam und gemächlich den Weg durch das Kaffeepulver in die Kaffeekanne sucht – köstlicher Kaffee im Anmarsch.

Diese Vorstellung stimmt aber nicht: Denn natürlich befinden sich im Erdboden auch Hohlräume, sogenannte Poren – und gerade die gröberen, die Makroporen, spielen hier eine wichtige Rolle. Sie verändern nämlich das Einsickern von Wasser in den Boden ganz gewaltig: Dazu einfach im Kaffeefilter ein Loch in das Pulver bohren, und schon hat man keinen leckeren Kaffee, sondern mit ein bisschen Glück braunes Wasser mit Kaffeegeschmack. Das Wasser sucht sich nämlich grundsätzlich den Weg des geringsten Widerstands, das nennt man einen präferenziellen Fließweg oder preferential flow. Und hierfür sind solche nicht kapillare Poren wie die Löcher im Schweizer Käse: Sicher kann ich auch einen Camembert mit Wasser begießen und nach genug Zeit feststellen, dass er etwas davon aufgenommen hat. Aber bei einem Emmentaler bahnt sich das Wasser sofort seinen Weg durch den Käse – so reibungsfrei wie möglich. Im Erdreich stellen diese Makroporen eine Autobahn in die tieferen Erdschichten dar und bringen das Wasser so in Schichten, bei denen kapillare Kräfte nicht mehr der Schwerkraft entgegenwirken können.10 Um diesen gravitationsgetriebenen Fluss des geringsten Widerstands zu beschreiben, benötigt man ganz andere Gleichungen als für den kapillaren Fall.