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User stellen Alltagsfragen, Experten antworten |
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Warum es "unten warm und oben kalt" ist |
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| | | Warum ist es in hohen Lagen zumeist kälter als auf Meeresniveau, wenn warme Luft doch aufsteigt? So lautete die aktuelle Frage von "Ask Your Scientist". Die Antwort: Zumindest in den erdnahen Regionen liegt das an der Sonnenenergie, die von der Oberfläche absorbiert und - von unten nach oben - an die Atmosphäre abgeben wird. |
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Klare physikalische Gesetzmäßigkeiten |
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Die Temperatur innerhalb der wetterbestimmenden Troposphäre sinkt nach klaren physikalischen Gesetzmäßigkeiten grundsätzlich mit der Höhe.
Aber es gibt eine Anzahl von Einflüssen, die diesen Vorgang stören oder umkehren können. In den höheren Schichten gelten völlig andere physikalische und luftchemische Bedingungen, die den Temperaturverlauf auch in ganz anderer Weise beeinflussen.
Dies erklärt der ORF-Wetterexperte Peter Sterzinger, der die beiden "Ask Your Scientist"-Fragen unserer User Jürgen G. und Werner P. beantwortet.
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Die Fragen der Woche im Wortlaut
Jürgen G.: "Warum ist es in größeren Höhen kälter als auf Meeresniveau? Die übliche Erklärung (die Erdoberfläche wird erwärmt, je weiter man von ihr weg ist, desto kühler) ist z.B. für Tibet nicht zufriedenstellend. Dort befinden wir uns auch knapp über der Oberfläche (aber eben in 4000 m Höhe), aber es ist deutlich kühler als unten in China."
Werner P.: "Mich würde interessieren, warum es auf den Bergen kälter ist als im Tal. Denn eigentlich steigt die warme Luft doch auf und außerdem ist man noch näher der Sonne ... Also: warum ist es oben kalt und unten warm?" |
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 Die Fragen der Woche samt User-Antworten |
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Zusammenhang von Temperaturverlauf und Höhe |
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Peter Sterzinger, ORF-Wetter
Die Aussage, dass die (Luft-)Temperatur mit der Höhe abnimmt, trifft im wesentlichen nur für die so genannte Troposphäre zu, jenes unterste Stockwerk unserer Atmosphäre, das bis ca. 15 km hinaufreicht und für Wetter und Klima relevant ist. Hier ist die "Wetterküche".
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"Oben kalt" trifft nur auf Troposphäre zu ... |
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Der Vollständigkeit halber sei jedoch erwähnt, dass der Temperaturverlauf weiter oben ganz anders aussieht: an der Obergrenze der Troposphäre und dem Beginn der Stratosphäre stagniert die Temperatur ein wenig, um dann ab etwa 20 km bis 50 km Höhe bis gegen 0 Grad zu steigen. Hier befindet sich übrigens auch die so wichtige Ozonschicht.
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... in Strato- und Mesospähre sieht es anders aus |
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In der Mesosphäre, bis etwa 80 km Höhe sinkt die Temperatur bis gegen minus 90 Grad. Es folgt wieder ein Stillstand und ab 100 km Höhe ein stetiger Temperaturanstieg - theoretisch bis über 1000 Grad in 200 km Höhe, aber die Dichte der Atmosphäre ist hier bereits so gering, dass die Temperatur nur noch als Maßzahl der Molekülbewegung betrachtet werden kann.
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Sonnenenergie wird absorbiert und abgegeben |
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Zurück zur Troposphäre: Hier wird die Lufttemperatur zu allererst von der Sonnenenergie gesteuert, die die Erdoberfläche aufheizt. Je nach Oberflächenbeschaffenheit (Land, Wasser, Wald, Gebirge) wird mehr oder weniger Energie absorbiert und dann an die Atmosphäre abgegeben, die daher von unten nach oben erwärmt wird.
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Je näher zur Oberfläche, desto mehr Wärmezufuhr |
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Vereinfacht kann daher gesagt werden: je größer die Entfernung von der Erdoberfläche, umso geringer die Wärmezufuhr von unten her, daher wird es nach oben zu kälter.
Für die so genannte freie Atmosphäre (also ohne Einfluss der Oberfläche, die ja auch z.B. im Hochgebirge eine Rolle spielen kann) gilt: die Temperatur trockener Luft nimmt pro 100 Höhenmeter um 1 Grad Celsius (oder Kelvin) ab. Feuchte Luft kühlt nach oben zu deutlich langsamer ab.
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Klima- und Wetterphänomene ... |
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In der Troposphäre spielen sich zahlreiche Vorgänge ab, die diesen physikalisch eindeutigen Temperaturverlauf beeinflussen. Die wirksamste "Störung" erfolgt durch den Transport unterschiedlich temperierter Luftmassen, einerseits durch die globalen, das Weltklima steuernden Strömungssysteme, und andererseits durch den Wetterablauf.
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... verändern physikalischen "Idealzustand" |
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So gelangt in ein bestimmtes Gebiet zeitweise wärmere oder kältere Luft sowohl am Boden als auch in höheren Schichten.
Durch Tiefdruckeinfluss in einigen tausend Meter Höhe ("Höhentief" oder "Kaltlufttropfen") kann z.B. viel kältere Luft herangeführt werden, als dies der mittleren Temperaturkurve entspräche. Diese Fälle haben natürlich unterschiedliche Wetterentwicklungen zur Folge.
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Unten kalt und oben warm ... |
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Ein weiterer Faktor, der den Idealzustand, dass es nach oben zu kälter wird, stören kann, ist die Temperaturumkehr oder Inversion. Stabile, meist winterliche Hochdrucklagen bringen z.B. mit sich, dass sich die Luft in Bodennähe durch Abstrahlung (besonders in der Nacht) stark abkühlt, in der Höhe durch Absinken und folglich Druckzunahme erwärmt.
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... bei Inversion im Winter |
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Die wärmere Luft oben blockiert weitgehend den vertikalen Austausch von Luftmassen. Die Grenzschicht besteht dann oft aus Hochnebel oder trockenem Dunst (sog. Smoglagen mangels Luftbewegung).
Tagelang kann es dann in der Wetterprognose heißen: "unten kalt und oben wärmer": während es in Bodennähe vorwiegend frostig ist, steigt die Temperatur oberhalb der Hochnebelschicht schnell.
Die Temperaturkurve der routinemäßig eingesetzten Ballonsonden zeigt dann bei der Inversionsschicht einen scharfen Knick - die anfangs sinkende Temperatur steigt plötzlich wieder, und innerhalb von nur 100m Höhendifferenz kann die Temperaturzunahme mehr als zehn Grad betragen.
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Isothermien: Gleichbleibende Temperaturen
Spezielle Lagen können auch zu so genannten Isothermien führen, also dazu, dass die Temperatur in bestimmten Schichten über mehrere 100m Höhendifferenz hinweg gleich bleibt. Das spielt z.B. eine wesentliche Rolle bei der Frage, in welcher Form der Niederschlag fällt (Schnee, Regen, gefrierender Regen...) . |
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Felsen heizen auf, Wälder kühlen |
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Weitere Einflüsse ergeben sich aus unterschiedlicher Bodenbeschaffenheit. Der Sonne direkt und im rechten Winkel zugewandte Felswände können sich stark aufheizen, sodass es in der Umgebung auch ohne Inversionseffekte wärmer sein kann, als dies der Temperatur-Schichtung in dieser Gebirgshöhe entspräche. Wald hingegen wirkt eher kühlend.
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Auch Ort und Zeit spielen eine Rolle |
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Und es gibt schließlich geographische und jahreszeitliche Unterschiede. In Äquatornähe ist die Troposphäre 16 km mächtig, über den Polen reicht sie nur halb so hoch hinauf. Ebenso sind die Jahreszeiten - besonders in den gemäßigten Breiten - ein wirksamer Einflussfaktor.
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"Ask Your Scientist": Stellen Sie auch weiterhin Fragen
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Sie können die Fragen unter der E-Mail-Adresse askyourscientist@orf.at stellen oder per Post: science.ORF.at, Argentinierstraße 30a, 1040 Wien. |
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