Der Temperaturfaktor

Es wird oft behauptet, dass im Gegensatz zu den bodennahen Verhältnissen in der oberen Troposphäre die Tiefdruck-Tröge durch Kaltluft, die Hochdruck-Rücken aber durch warme Luft hervorgerufen werden [vgl. Bahrenberg 1975]. Tatsächlich erscheint es als völlig verfehlt, die Luftbewegungen der höheren Troposphäre mit warmen oder kalten Luftmassen in Verbindung zu bringen.

Jetstreams bewegen sich beispielsweise oft in Höhen von 10 bis > 12 km am Rande der Troposphäre und damit im Bereich ihres Temperatur-Minimums von etwa - 55° C. Die Temperatur der gesamten Troposphäre sinkt aber schon in 2 - 3 km Höhe unter den Gefrierpunkt.

Der globale Luftmassenaustausch erfolgt demnach infolge des Druckunterschiedes, nicht infolge unterschiedlicher Temperaturen der Höhenluft.
Allerdings könnten natürlich auch Temperaturunterschiede im hohen Minus-Bereich Druckveränderungen hervorrufen; der barometrischer Druck in Bodennähe könnte sich vielleicht sogar unabhängig von den dortigen Temperaturverhältnissen aufbauen ...

Immer wieder tauchen auch in der Fachliteratur kaum verständliche Darstellungen auf, die Warmluft mit hohem Luftdruck gleichsetzen. Allerdings ist die aus kalten Höhenschichten absteigende Luft der Hochdruckgebiete tatsächlich mit ihrer Erwärmung verbunden.

In Wirklichkeit wird hoher Luftdruck eher durch kühlere Luft hervorgerufen, denn erstens ist kalte Luft schwerer als sich ausdehnende warme Luft und zweitens zählt die Auflast der Luft am Boden.

Hochdruckwetter ist im Sommer mit Hitze verbunden, die aus wärmeren Klimaregionen stammt. Ebenso ist Hochdruck im Winter in unseren Breiten aber auch mit Kälte aus Polarregionen verbunden.

In der Mongolei und in Ostsibirien herrscht im Winter extremer Hochdruck, in den Sommermonaten zwar periodisch auch starker Tiefdruck, auf das ganze Jahr bezogen überwiegt dort aber der Hochdruck [Schröder 2000].

Doch auch die Temperatur der oberen Luftschichten hat Einfluss auf das Witterungsgeschehen und die sich ausdehnende wärmere Luft übt einen gewissen Druck aus.
Diese dickeren oder aufgewölbten Druckschichten höherer Temperatur sollen für gutes und stabiles Wetter sorgen.

Wetterkommentatoren berufen sich fast immer auf die Dynamik von Fronten oder Windsystemen oder sogar Jetstreams. Auch diese beruhen aber eben immer auf Konvektionsprozessen, da sich Luft vom Boden her erwärmt und nicht aus der Atmosphäre.

Das Modell der von Jetstreams erzeugten Drucksysteme krankt an der Tatsache, dass auch Jetstreams von überschüssiger erwärmter Luft abhängig sind, die aber erst einmal in die obere Troposphäre gelangen muss.
Der konvektive Umlagerungsprozess beruht übrigens auch darauf, dass aufsteigende Luft sich mit zunehmender Höhe wieder abkühlt und absinkt.

Die Ferrel-Zellen der Mittleren Breiten, also ihre aufeinanderfolgenden Tiefdrucksysteme sollen angeblich rein dynamisch erzeugt werden.
Ihr zentrales Element ist aber die sich infolge des Klimawandels zunehmend abschwächende Polarfront, an der warme subtropische Luftmassen aufsteigen, wenn am Boden polare Luft vordringt.
Auch das ist eigentlich eher ein thermisch durch Konvektion und Fronten-Konvergenz erzeugter, als ein dynamischer durch Höhenströme oder Bodenwinde erzeugter Prozess.

Eigentlich ist die Polarfront nur im Winter über den Meeren eine reelle Größe [Wiedersich 2003].
Die Drucksysteme dürften also im Sommer auch in der 'Planetarischen Frontalzone' weitgehend thermisch bedingt sein und nicht durch Scherkräfte an der Polarfront. Allerdings treten dann warme Luftmassen als Subtropenfront stärker in Erscheinung.

Es ist zwar anzunehmen, dass in den Mittleren Breiten mit ihrem wechselhaften Wetter dynamische Prozesse (Luftströmungen, speziell Westwind) einen viel größeren Einfluss auf Tief- und Hochdrucksysteme haben als in den Tropen. Doch auch in den Höheren Breiten gibt es Drucksysteme, die vor allem auf Temperaturunterschieden beruhen, beispielsweise die Polar-Hochs und das Island-Tief.

Das Island-Tief über dem Nord-Atlantik ist praktisch stationär wegen des großen Temperaturunterschiedes des warmen Meerwassers gegenüber polarer Luft, der sich allerdings im Winterhalbjahr noch vergrößert [Encyclopaedia Britannica 2009].
Auf den Westmänner-Inseln südlich Islands mit sehr milden Wintern besteht ganzjährig Tiefdruck (Jahresdurchschnit 1005,3 hPa). In diesem Meeresbereich entstehen ständig Tiefs "duch Aufnahme von Wärme und Wasserdampf". [Schröder 2000, S.13]

Der Meeresbereich des Nordatlantik könnte durch den Zusammenbruch des Golfstroms völlig veränderte und auch für Mitteleuropa verhängnisvolle thermische Eigenschaften erhalten.

Dieses Szenario wird für die unmittelbare Zukunft bei Aussüßung des Meerwassers vor Grönland durch Abschmelzen seiner Gletscher diskutiert, wodurch die noch bestehende Zirkulation dank absinkendem, stark salzhaltigem Wasser unterbrochen würde, damit aber auch der Warmwassertransport des Golfstroms in den Norden.

Temperaturunterschiede sind der eigentliche Auslöser von Druckunterschieden und damit von Ausgleichsströmungen der Luftmassen.
Eine allgemeine Klimaerwärmung würde die Dynamik dieser Wetterprozesse zweifellos eher vermindern als erhöhen, allerdings auch in Europa mit ungewissen Änderungen der Umweltbedingungen - vielleicht an dem einem Ort als Wüstenklima und einem anderen als lichtloses Nebelklima!

Wolken und Niederschlag

Unter Energieverbrauch verdunstetes Wasser in Gasform (Wasserdampf) ist nicht sichtbar.
Der sichtbare Dampf bzw. die Wolken sind bereits die unter Energiefreisetzung kondensierten Regentröpfchen. [Lmz GEOPORTAL 2013]

Diese Überlegung ist für die Einschätzung des Energie- und Wärmehaushaltes der aufsteigenden Luft wichtig.

Eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit erfolgt normalerweise infolge einer Abkühlung (Wärmeabstrahlung). Wolkenbildung ist eine Form der Kondensation infolge der adiabatischen Abkühlung aufsteigender Luft.

Bei den Wetterdiensten erscheinen Luftdruck-Karten getrennt von den Niederschlagskarten, da sich Niederschläge aus den wechselnden Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnissen in größerer troposphärischer Höhe ergeben.

Wolken steigen solange auf, bis sie die gleiche Temperatur und Dichte wie die umgebende Luft erreicht haben. Stratus- oder Schichtwolken bleiben relativ niedrig (< 2000 m), bedecken aber sehr ausgedehnte Gebiete. Cumulus- oder Quellwolken sind kleinflächiger, können aber bis in große Höhen vorstoßen; durch Überschiebung anderer Wolken entstehen umfangreiche Cumulonimbus-Wolken. [Rees 1992]

Schichtwolken sind mit stabilen Temperatur- und Druckverhältnissen verknüpft, Quellwolken mit labilen Verhältnissen insbesondere durch stärker erwärmte Luft [Wiedersich 2003].

Zwar können die unteren Wolkenlagen besonders in den Tropen ebenfalls Niederschläge oder Landregen hervorbringen, in den Mittleren Breiten werden aber die meisten Niederschläge oberhalb der Frostgrenze der Troposphäre hervorgebracht und bestehen zunächst aus Eis- oder Schneekristallen. [Rees 1992]
Die meisten Wolken befinden sich in einem Höhenbereich der Eisbildung, transportieren aber dennoch auch Wasser, dass sich in unterkühltem Zustand befindet.

Eine einzige hochreichende Cumulus congestus - Wolke kann ein Volumen von 80 km³ und damit einen Wassergehalt von 150000 t erreichen [Wiedersich 2003].

Das Kondensationsniveau als die Höhe, von der an die Lufttemperatur unter den Taupunkt sinkt, wird besonders bei Einzelwolken durch deren glatte Unterseite sichtbar.

Beim Aufstieg von Luft ist die feuchtadiabatische Abkühlung nach Erreichen des Sättigungspunktes der Luft deutlich geringer als die trockenadiabatische Abkühlung der wärmeren Luft vor Erreichen des Sättigungs- oder Taupunktes.

Bei der Kondensation der Wolken wird Wärme frei, die der Luft zusätzlichen Auftrieb verschafft (Quellwolken). Diese Quellung wird durch Temperaturinversionen (wärmere Luftschichten) beendet, zuletzt an der Tropopause. Diese Inversionsgrenzen erzeugen die typische ambossartige Form vieler Wolken an ihrer Oberseite, am auffälligsten bei den mächtigen Cumulonimbus-Wolken.

Die aufsteigende warme Luft wirkt destabilisierend auf die Schichtungen gleichen Luftdrucks und verursacht Turbulenzen und durch Kondensation die Niederschläge.

Von großer Bedeutung ist dabei auch der Feuchtigkeitsgehalt der Luft; die gesättigte Luft nach Erreichen des Taupunktes kann ebenfalls zur Destabilisierung der Druckverhältnisse beitragen, weil sie, wie schon erwähnt, beim Aufstieg langsamer auskühlt als trockene Luft.

Kondensation erfolgt bei Zunahme der Luftfeuchtigkeit über den Sättigungspunkt von 100 % (Taupunkt), benötigt dafür aber minimale Kondensationsflächen, z.B. Salzpartikel in der Luft.

Die häufigsten Kondensationsflächen sind Eispartikel in der oberen Troposphäre, die aber selbst erst kondensiert sein müssen.

Die mit Niederschlägen verbundene Kondensation von Luftfeuchtigkeit, wenn sie denn vorhanden ist, findet vorwiegend durch Anhebung der Luftmasse und die damit verbundenen Temperatur- und Luftdruckänderungen statt.
Typischerweise findet das durch die senkrecht aufsteigende Konvektion einer erwärmten, bodennahen Luftmasse statt (im Gegensatz zur waagerechten Advektion).

Die Konvektion ist hierzulande vor allem von Sommergewittern bekannt, in den Tropen wird sie ständig durch die tagsüber zunehmende Sonneneinstrahlung hervorgerufen.

Gerade die inneren Tropen sind außerdem durch die Konvergenz aufeinanderprallender Luftströmungen gleicher Temperatur und gleichen Drucks definiert - die der Passatwinde beider Hemisphären.

Konvergenz von Luftmassen kann aber auch unter anderen lokalen klimatischen Situationen entstehen und zwingt die Luft zum Aufsteigen.

Die erzwungene Hebung von Luftmassen kann außerdem schon an niedrigen Bodenhindernissen verursacht werden und Witterungsveränderungen hervorrufen [Wiedersich 2003]. Großräumige Variationen des Reliefs verändern dementsprechend das Klima und das Wetter, besonders wenn sie quer zur Windrichtung stehen.

Sehr hohe Niederschläge werden eher durch stationäre Wetterlagen verursacht, insbesondere, wenn sich stationäre Wolkenmassen durch Konvektion, advektiven Stau und konvergierende Luftmassen entwickeln.

Von entscheidender Bedeutung bei dem Frontenmodell unserer Breiten ist, dass vor allem die warmen Luftmassen Niederschlag bringen, weil sie größere Mengen Wasser aufnehmen können; trockene Polarluft tritt erst etwa ab den 50. Breitengraden auf.

Deshalb füllen die aus dem Weltraum fotografierten Wolkenmassen der Tiefdrucksysteme der Mittleren Breiten nur jeweils einen Teil des Tiefdruck-Wirbels (Zyklons) auf und sie signalisieren zweifellos vorwiegend den Bereich der Warmfront und des Warmsektors. Die Zyklonen in den Tropen und den Polargebieten ohne Temperaturgegensätze sind dagegen völlig symmetrisch vollständig mit Wolken aufgefüllt.

Schon vor Eintreffen der eigentlichen Warmfront entwickeln sich hohe und mittelhohe Schichtwolken und mächtige konturlose Wolkenmassen (Nimbostratus).
In diesen können "sich infolge der Hebung auch konvektive Zellen entwickeln" [Häckel 2021, S.238].

Eine noch stärkere Hebung erfolgt dann beim Eintreffen der Kaltfront, was oft mit dunklen 'Böenwalzen' und heftigen Unwettererscheinungen verbunden ist.

Die Frontflächen-Hebung dynamischer Tiefs soll eine schwächere Kondensation (und damit geringere Regenmengen) hervorbringen als die konvektive Hebung [Wiedersich 2003, S.120]. Konvektive Hebung und die damit verbundene Abkühlung erfolgt auch doppelt so schnell wie die Frontflächen-Hebung.

Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt Informationen zum Höhenwetter in Diagrammen auch online zur Verfügung, deren Interpretation aber eine intensive Einarbeitung erfordert.
Dabei geht es vor allem um den wechselseitigen Einfluss von Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Druck auf Kondensation und Niederschläge.

Von verschiedenen Wetterdiensten werden auch Höhenkarten mit Höhenlinien (Isohumiden) der relativen Luftfeuchtigkeit auf dem Niveau von 700 hPa in etwa 3 km Höhe erstellt.
Außerdem Höhenkarten der Temperatur auf dem 850 hPa - Druckniveau in etwa 1,5 km Höhe (Standard-Luftdruckfläche: 152 gdm). Ein großer Teil der Luftmassen befindet sich in dieser Höhe noch oberhalb der Frostgrenze.

Diese Auswahlmöglichkeiten gibt es auch bei den archivalischen Wetterkarten des DWD .