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Thema des Tages
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Thema des Tages von Heute den 21.07.2019 - (neu um 11 Uhr)
  Unsere Atmosphäre - ein Blick zurück!  
     
  Die Atmosphäre der Erde - eine abenteuerliche Entwicklungsgeschichte! Es folgt eine Reise durch die Vergangenheit von der "Geburt" der Atmosphäre bis heute.

Ein sehr gewittriger Samstag liegt hinter uns - besonders in der Nordhälfte des Landes. Starkregen, Hagel und Sturmböen sorgten dort lokal für Schäden. Die in Verbindung mit einer von West nach Ost durchziehenden Gewitterlinie befürchteten schweren Sturm- oder sogar orkanartigen Böen blieben in der Fläche aber zum Glück größtenteils aus. Einzig in der Südhälfte Brandenburgs und im nördlichen Sachsen traten etwas verbreiteter schwere Sturmböen auf. Unter dem Strich hat die Atmosphäre also wieder einmal (zumindest ansatzweise) gezeigt, was in ihr steckt, wie man so schön sagt.

Ohne Atmosphäre kein Wetter! Darüber wurde bereits im Thema des Tages vom vergangenen Freitag (Link unten angehängt) berichtet, das mit der Zusammensetzung der Erdatmosphäre endete. Nochmals zur Wiederholung: Sie besteht aus einem Gasgemisch, das sich grob gesagt zu 80 % aus Stickstoff und 20 % aus Sauerstoff zusammensetzt (Wasserdampf, Argon und Spurengase lassen wir jetzt mal außen vor). Das war allerdings nicht immer so. Vielmehr kann unsere Atmosphäre bisher auf ein sehr "bewegtes Leben" zurückblicken. Wagen wir einen Blick zurück und begleiten die Erdatmosphäre von ihrer "Geburt" bis zu ihrem jetzigen Zustand.

Als vor etwa 4,6 Milliarden Jahren die Erde entstand, dauerte es vergleichsweise nicht lange (nur wenige Millionen Jahre) bis sich um diesen neuen Planeten eine erste Gashülle legte - die sogenannte Uratmosphäre. Sie bestand wahrscheinlich zum größten Teil aus Wasserstoff (92 %) und zu einem geringen Teil aus Helium (7 %). Stickstoff kam nur zu 0,008 % und Sauerstoff zu 0,006 % vor. 100 Mio. Jahre später, also vor rund 4,5 Mrd. Jahren, wurde die erste Erdatmosphäre schon wieder (im wahrsten Sinne) weggeblasen. Zum einen erhitzte sich die Erdoberfläche durch die ständigen Materieeinschläge so stark, dass die relativ leichten Wasserstoff- und Heliummoleküle durch ihre dadurch erhöhte Bewegungsenergie ins Weltall entfliehen konnten. Zum anderen nahm zusätzlich unsere Sonne ihre "Arbeit" auf, indem in ihrem Inneren die Kernfusion "gestartet" wurde. Dem dadurch entstandenen Sonnenwind (geladene Teilchen, die von der Sonne in alle Richtungen geschossen werden) hatte unsere Uratmosphäre nichts entgegenzusetzen. Sie wurde förmlich von der Erde weggerissen. Dieser Sonnenwind war damals vermutlich 1000-mal so stark wie heutzutage, weshalb er unserer jetzigen Atmosphäre kaum noch etwas anhaben kann.

Im weiteren Verlauf ließen die Materieeinschläge mehr und mehr nach, wodurch sich die Erde allmählich abkühlen konnte. Infolge des Ausgasens (Gasaustritt aus z.B. Gesteinen und Lava) konnte sich vor etwa 4 Mrd. Jahren eine neue Atmosphäre ausbilden. Die Wissenschaft geht davon aus, dass sich dieses Gasgemisch hauptsächlich zu rund 80 % aus Wasserdampf, etwa 10 % aus Kohlendioxid und bis zu 7 % aus Schwefelwasserstoff zusammensetzte. Stickstoff machte dabei nur einen Anteil von 0,5 % aus, Sauerstoff kam überhaupt nicht vor.

Dadurch, dass sich die Erde immer weiter abkühlte, fing der Wasserdampf allmählich an, zu kondensieren - und zwar im ganz großen Stil! Das Ergebnis folgte vor rund 2,3 Mrd. Jahren mit der Entstehung der Weltmeere. Diese waren in Verbindung mit den vorhandenen Gasen und der starken UV-Strahlung der Sonne der Startschuss für zahlreiche chemische Reaktionen. Einzig der Stickstoff blieb davon weitgehend verschont, sodass sich vor etwa 2 Mrd. Jahren eine neue, d.h. Atmosphäre Nr. 3 entwickeln konnte. Sie bestand zum Großteil aus Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf. Damit kommen wir der jetzigen Atmosphärenbeschaffenheit schon ein großes Stück näher.

Fehlt eigentlich nur noch der Sauerstoff. Dieser entstand durch Fotosynthese, die durch sogenannte Cyanobakterien betrieben wurde. Sie produzierten dadurch Sauerstoff, was wiederum der Startschuss für die Ozonbildung war. Diese war ihrerseits wieder die Voraussetzung für die weitere Entwicklung von Leben auf der Erde, da sie einen Teil der einfallenden UV-Strahlung "unschädlich" machte. Damit konnte sich der Sauerstoffgehalt auf der Erde innerhalb von 1 Mrd. Jahre verzehnfachen.

Vor etwa 700 Mio. Jahren war die Ozonschicht dann stark genug, um so viel UV-Strahlung von der Erdoberfläche fernzuhalten, dass sich die Pflanzenwelt nicht nur im Meer, sondern auch auf dem Land ausbreiten konnte. In der Folge "florierte" förmlich die Sauerstoffproduktion, sodass schließlich vor gut 350 Mio. Jahren das heutige Sauerstoffniveau erreicht wurde. Langsam aber sicher gewann die Atmosphäre damit ihre heutige Zusammensetzung.

Damit sind wir nach dieser langen Reise endlich wieder in der Gegenwart angekommen. Da heißt es erst mal: durchatmen!

Dipl.-Met. Tobias Reinartz Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 21.07.2019

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

 
 
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Thema des Tages - Gestern
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Thema des Tages von Gestern den 20.07.2019
  Die Kinderstube der Hoch- und Tiefdruckgebiete  
     
  Auch wenn es etwas seltsam erscheinen mag, selbst Druckgebilde haben bevorzugte Orte, an denen sie nicht nur entstehen, sondern auch öfter wiederkehren.

Dieser kurze Abriss ist eine Fortsetzung zum Thema des Tages vom 07.07.2019. Dort ging es um die Zugbahnen von Hoch- und Tiefdruckgebieten.

Heute wollen wir der Frage nachgehen, wo klimatisch gesehen die Druckgebilde am ehesten entstehen und sich gerne auch länger aufhalten bzw. sich immer wieder regenerieren. Die klimatische Betrachtung bietet den Vorteil, dass gewisse Schwankungen herausgemittelt werden und so stabilere und eindeutigere Charakteristika übrigbleiben.

Auf der unten angeführten Grafik sieht man bevorzugte Bereiche für die periodische Zyklo- und Antizyklogenese (Zyklogenese bedeutet Bildung von Tiefdruckgebieten und ist dabei mit negativem Vorzeichen versehen und Antizyklogenese entsprechend Hochdruckgebiete mit positivem Vorzeichen) und zwar über den gesamten Globus verteilt. Dabei ist die Abhängigkeit von der Orografie und der Schichtung der Atmosphäre überlagert. Bei der Schichtungsstabilität gilt, dass stabile Schichtung mit Absinken und Wolkenauflösung (Hochdruckgebiet) verbunden ist, wohingegen labile Schichtung dazu führt, dass Luft aufsteigt (Tiefdruckgebiet) und sich Wolken bilden.

Ersichtlich ist aus der Grafik eine gewisse Topografie der Verteilung der Druckgebilde. Topografie deshalb, weil zum einen eine relativ eindeutige Zuordnung zur realen und nicht gemittelten Orografie erkennbar ist. Das gilt allerdings für klimatisch gemittelte Strömungsverhältnisse. Zum anderen sieht man auch den Zusammenhang zur potentiellen Temperatur, die gerade etwas aussagt über die Schichtungsstabilität der Atmosphäre.

In Bezug auf die Orografie sind zwei Schwerpunkte der Bildung von Tiefdruckgebieten zu finden. Der eine liegt im Lee von Gebirgen, wo die Luftsäule gestreckt und labilisiert wird, wodurch die Luft angehoben wird und im Tal der Luftdruck fällt. Hierfür sind gute Bedingungen z.B. im Lee der Kordilleren in Nordamerika gegeben. Der andere Schwerpunkt liegt auch in tiefen Lagen, allerdings spielt hier auch die spezielle Geländeform eine Rolle. Ein sehr gutes Beispiel ist hier das Genua-Tief, wo ein wirkliches Minimum der Geländehöhe existiert und das Terrain von dort in alle Richtungen ansteigt.

Für ein Hochdruckgebiet sind reziproke Bedingungen für die orografische Entstehung förderlich, z.B. häufig in Gipfellagen zu finden, wie über den Alpen. Der Grund dafür ist die vertikale Stauchung der Luftsäule über und luvseitig an dem Gebirge, wodurch der Luftdruck steigt.

Schwieriger wird es, wenn man klare Korrelationen mit thermischen Effekten sucht, die zudem auch noch jahreszeitliche Schwankungen aufweisen. Dennoch lassen sich zumindest für die außertropischen Bereiche Beispiele finden wie zum Beispiel das Azorenhoch, wo das Absinken subtropischer Warmluft für eine nahezu ständige Regeneration an ähnlicher Stelle sorgt. Genau dieses Absinken sorgt für eine Stabilisierung der Luftsäule, also eine stabile Schichtung.

Bei Tiefdruckgebieten ist umgekehrt eine Labilisierung der Schichtung notwendig, damit die Luft zum Aufsteigen gezwungen wird und der Luftdruck fällt. Solche Bedingungen findet man, wie wir gesehen haben im Lee der Gebirge vor.

Bei Tiefdruckgebieten ist die thermische Beurteilung im Allgemeinen allerdings deutlich schwieriger, da diese oft von dynamischen Faktoren überlagert sind.

Zusammenfassend kann man sagen, dass es bezüglich der klimatischen Korrelation von Orografie mit der Zyklo- und Antizyklogenese gute Übereinstimmung gibt. In Bezug auf die Korrelation mit der atmosphärischen Schichtung (ausgedrückt über die potentielle Temperatur) sind die Zusammenhänge schwächer erkennbar und zudem noch jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen.

Dr. rer. nat. Jens Bonewitz Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 20.07.2019

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

 
 
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Klimatische Wasserbilanz
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