Der Wasserkreislauf - Ein Unterrichtskonzept für den Sachunterricht

Inhaltsverzeichnis

I Sachanalyse

1. Grundlagen zum Wasserkreislauf
1.1 Wasservorkommen auf der Erde
1.2 Das Grundgerüst des Wasserkreislaufs

2. Einflussfaktoren des Wasserkreislaufs
2.1 Der Einfluss der Sonne, die terrestrische Einstrahlung
2.2 Die Sonne als Motor des Wasserkreislaufs und des Windsystems
2.3 Die meteorologischen Elemente
2.3.1 Die Lufttemperatur
2.3.2 Die Luftdichte
2.3.3 Der Luftdruck
2.3.3.1 Das Hochdruckgebiet
2.3.3.2 Das Tiefdruckgebiet
2.3.3.3 Die Okklusion
2.3.4 Die Luftströmung (Wind)
2.3.5 Die Luftfeuchte
2.3.6 Die Bewölkung
2.3.7 Das Zusammenspiel der meteorologischen Elemente

3. Der Wasserkreislauf
3.1 Verdunstung und Transpiration
3.2 Kondensation und Sublimation
3.3 Niederschlag

4. Die Regeln des Wasserkreislaufs
4.1 Verteilung und Jahresgang der Niederschläge in Mitteleuropa
4.2 Niederschlag in Abhängigkeit der Breitenkreise
4.3 Niederschlag in Abhängigkeit von Land- und Wasserflächen

5. Bedeutung des Wasserkreislaufs
5.1 Bedeutung für den Menschen
5.2 Bedeutung für Tiere und die Vegetation

II Das Unterrichtskonzept zum Wasserkreislauf

6. Legitimation des Themas
6.1 Lebenswirklichkeit der Kinder
6.2 Bezug zum Lehrplan Sachunterricht
6.3 Begründung der Themen- und Inhaltswahl

7. Lernvoraussetzungen
7.1 Kognitive Entwicklungsstadien nach Piaget
7.2 Heutige Kritik an Piagets Meinung
7.3 Die Lernausgangslage

8. Didaktisch- Methodische Analyse
8.1 Intentionen der Unterrichtsreihe
8.2 Methodische Aspekte
8.3 Mediale Überlegungen

9. Die Unterrichtsreihe
9.1 Die Planung
9.2 Darstellung der Unterrichtsreihe und Reflexionen
9.2.1 Unterrichtseinheit 1: Das Wetter im Wetterbericht
9.2.2 Unterrichtseinheit 2: Wie entstehen Wolken und Regen?
9.2.3 Unterrichtseinheit 3: Der Wasserkreislauf Teil 1
9.2.4 Unterrichtseinheit 4: Der Wasserkreislauf Teil 2
9.2.5 Unterrichtseinheit 5: Die Entstehung des Windes
9.2.6 Unterrichtseinheit 6: Aus welcher Richtung kommt der Wind?
9.2.7 Unterrichtseinheit 7: Die Windstärken
9.2.8 Unterrichtseinheit 8: Abschluss mit der Windstation

10. Gesamtreflexion und Ausblick

III Literatur

IV Anhang

I SACHANALYSE

1. Grundlagen zum Wasserkreislauf

Wasser hat in nahezu allen Lebensbereichen eine entscheidende Funktion. Deshalb ist es eine der wichtigsten Ressourcen der Erde. Wasser kommt in drei Aggregatzuständen vor: In fester Form als Eis, in flüssiger Form als Wasser und in gasförmiger Form als Wasserdampf. Auf die Rolle des Wassers beim Wasserkreislauf werde ich im Folgenden näher eingehen.

1.1 Wasservorkommen auf der Erde

Eine wichtige Grundlage zum Wasserkreislauf bildet das Wasservorkommen auf der Erde. Die Wasserflächen machen insgesamt 71% der Erdoberfläche aus. Zieht man davon noch die vereisten und die gefrorenen Gebiete ab, so bleiben rund 53% Ozeane und 22% Land übrig. Für die Energieaufnahme steht also eine Wasserfläche zur Verfügung, die zweieinhalb mal so groß ist wie das Festland.^[1]

Aufgrund der Meeresströmungen liefert das Wasser Energie aus den tropischen Äquatorregionen nach Norden und nach Süden. Auffällig ist, dass „die warmen Meeresströme immer an den Ostseiten der Kontinente zu finden sind, die kalten dagegen an der Westseite.“^[2]

In unserem globalen Transportsystem sind die tropischen Ozeane die Hauptlieferanten an Wasserdampf. Durch die hohen Wassertemperaturen (25-32°C) verdunsten jährlich enorme Wassermengen aus den tropischen Ozeanen. Daraus resultieren neue Regenwolken.

Die Ozeane transportieren einen großen Teil des Energieüberschusses der Tropen in den kälteren Norden und Süden.^[3] Ein Beispiel dafür ist der warme Golfstrom.

Luft und Wasser transportieren gemeinsam die überschüssige Energie aus den Tropen. Deshalb werden die Ozeane und die Atmosphäre als gekoppeltes System betrachtet.^[4]

Wenn man von einer Gesamtwassermenge von 1 348 000 000 km3 ausgeht (Wasser in fester, flüssiger und gasförmiger Form) sind davon nur rund 2,6% Süßwasser. Dies ist also nur ein winziger Bruchteil der Gesamtwasservorräte der Erde, der aus dem Wasserkreislauf gespeist wird.^[5]

1.2 Das Grundgerüst des Wasserkreislaufs

Ein Teil der Wasservorräte befindet sich in einem stetigen Kreislauf, der von der Verdunstung und dem Niederschlag bestimmt ist. Dabei treten Aggregatwechsel auf: Wasser verdunstet von den Land- und Wasserflächen der Erde und steigt als Wasserdampf in die Atmosphäre auf. Dort kondensiert der Wasserdampf und das Wasser gelangt als Niederschlag in fester oder flüssiger Form zurück auf die Erdoberfläche. Der Niederschlag bewirkt, dass das in Verdunstung und Abfluss geteilte Wasser wieder zu Süßwasser vereint wird.^[6]

Die Verdunstung ist beim Wasserkreislauf in gewissem Sinn der primäre Prozess, da durch sie der Energiehaushalt und der Wasserhaushalt miteinander verknüpft wird.^[7]

In Kapitel drei werde ich auf die einzelnen Komponenten des Wasserkreislaufs näher eingehen.

2. Einflussfaktoren des Wasserkreislaufs

2.1 Der Einfluss der Sonne, die terrestrische

Einstrahlung

Die Sonne ist der wichtigste Faktor für den Wasserkreislauf. Ihre Strahlung „ (...) liefert die gesamte für das Wettergeschehen in der Erdatmosphäre notwendige Energie.“^[8] Ohne ihre Strahlungsenergie gäbe es kein Wettergeschehen.

Die Kraft der Sonne bleibt immer gleich, obwohl wir empfinden, dass sie auf und unter geht bzw. manchmal schwächer oder stärker scheint. Diese subjektiven Eindrücke gehen jedoch auf die Erdrotation um die eigene Achse zurück. Zudem spielen der Breitengrad des Standortes und die Jahreszeit eine weitere Rolle bezüglich der Strahlungsenergie der Sonne auf einem bestimmten Punkt der Erde.

Ein weiterer wichtiger Punkt bezüglich der Sonnenstrahlung ist die Lufthülle. Nur ein Drittel der gesamten Sonnenenergie trifft auf die Erdoberfläche, das zweite Drittel bleibt in der Lufthülle stecken und das letzte Drittel wird von ihr wieder in den Weltraum zurückgestrahlt.^[9]

Wenn die Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, gibt es Unterschiede bezüglich der Erwärmung von Land- und Wasserflächen. Die Erwärmung des festen Bodens geht sehr schnell, da zuerst die Erdoberfläche erwärmt wird. „Der Weitertransport der Energie ins Erdinnere zu Speicherzwecken verläuft dagegen sehr langsam.“^[10], weil sie von Molekül zu Molekül weitergegeben werden muss. Der Abtransport der Energie in die Atmosphäre verläuft dagegen sehr zügig. Das Festland gibt am Tag viel Wärme an die Luft ab und kühlt nachts wieder aus. Bei den Wasserflächen verläuft die Energieaufnahme etwas anders. Wasser kann einerseits mehr Energie aufnehmen als fester Boden, da seine Speicherfähigkeit größer ist. Weiterhin kann Wasser aufgrund der ständigen „(...) turbulente(n) Wellenbewegung die Energie hunderttausendmal schneller in tiefere Schichten transportieren.“^[11] Zudem ist Wasser in der Lage, Energie schnell aufzunehmen bzw. abzugeben, ohne die Wassertemperatur stark zu verändern. Somit „(...) erfüllen die Weltmeere eine wichtige Funktion als Wärmespeicher.“^[12]

2.2 Die Sonne als Motor des Wasserkreislaufs und des Windsystems

Wie bereits erwähnt sind die Weltmeere die wichtigsten Wärmespeicher. Da die Sonnenstrahlung sehr tief in das Wasser eindringt, ist die erwärmte Masse sehr groß. Der Temperaturanstieg erfolgt daher eher langsam und erreicht nicht so hohe Werte wie auf dem Festland. Zudem kühlt die Luft über dem Wasser nachts und im Winter nicht so stark ab wie an Land. „Das durch Wärmeabgabe erkaltete Wasser sinkt ab und wärmeres Wasser steigt aus der Tiefe an die Oberfläche.“^[13] Über die Verdunstung wird schließlich viel Wärme abgegeben, ohne die Luft sofort zu erwärmen. Wenn es jedoch zur Wolkenbildung kommt, wird die Wärme durch den Wasserdampf abgegeben.^[14] Insgesamt erwärmen 33% der Sonnenstrahlung die zur Wetterbildung wichtigen unteren Luftschichten und halten somit den Wasserkreislauf in Bewegung.^[15]

Ein anderer Punkt ist die Beziehung zwischen der Sonne und dem Windsystem. Die Sonnenenergie ist auf der Erde nicht überall gleich verteilt. Vom Äquator zu den Polen hin nimmt die von der Sonne empfangene Energiemenge immer weiter ab. Anders ausgedrückt: Die unterschiedlichen Breitengrade sind einer unterschiedlich hohen Sonnenstrahlung ausgesetzt. Durch diese Umstände erwärmt sich die Erdoberfläche unterschiedlich stark. Dies hat zur Folge, dass sich unterschiedliche Luftdruckgürtel bilden.^[16] Durch sie entstehen schließlich Winde: Warme Luft steigt nach oben, kalte Luft strömt von unten nach.

Dies wird im folgenden Kapitel näher erläutert.

2.3 Die meteorologischen Elemente

Zu den meteorologischen Elementen gehören die Lufttemperatur, die Luftdichte, der Luftdruck, der Wind, die Luftfeuchte und die Bewölkung. Diese Daten werden von Wetterstationen täglich überwacht und gemessen, um eine Wetterprognose stellen zu können.

2.3.1 Die Lufttemperatur

Temperaturen werden mit Thermometern gemessen. Man unterscheidet Flüssigkeitsthermometer mit einer Alkohollösung, Bimetall –Thermometer oder elektronische Thermometer.

Das Flüssigkeitsthermometer beruht auf dem Prinzip der Ausdehnung der Flüssigkeit bei Erwärmung und des Zusammenziehens bei Abkühlung.

Das Bimetall– Thermometer besteht aus „zwei aufeinandergeschweißte(n), gekrümmte(n) Metallstreifen von unterschiedlichem Wärmeausdehnungsvermögen.“^[17]

Das elektronische Thermometer misst Temperaturen mit einem Thermoelement. Diese Elemente „(...) messen Temperaturen im Bereich -200 °C bis 1600 °C. Sie basieren auf der Thermospannung, wenn die Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle auf einer höheren oder tieferen Temperatur als die Umgebungstemperatur liegt. Es findet eine Ladungstrennung (...) statt. Es entsteht eine Gleichspannungsquelle. Die Spannung nennt man Thermospannung .“^[18] Diese Thermospannung kann in eine Temperatur umgerechnet werden.

Für die Wetterbeobachtung ist das Maximum- Minimum- Thermometer sehr nützlich. Es zeigt die Höchst- und Niedrigtemperatur einer Beobachtungsepoche (Tag, Nacht) an. Mit Hilfe von Metallstiften werden diese Temperaturen in der Alkohollösung fixiert.

Um das Thermometer in Grade einzuteilen, braucht man zwei Fixpunkte. Man geht dabei vom Siedepunkt und vom Gefrierpunkt des Wassers aus. Die dazwischen liegende Strecke wird in Grade eingeteilt, um Temperaturänderungen ablesen zu können. Die in Deutschland (u. a.) verwendete Skala ist die nach dem schwedischen Astronom Anders Celsius (1701- 1744) benannte Celsius- Skala. Diese Skala ist in 100 Grade eingeteilt.

In angelsächsischen Staaten wird die Fahrenheit- Skala (nach dem in Danzig geborenen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686- 1736) verwendet. Diese Skala wird in 180 Grade eingeteilt. International setzt sich jedoch die Celsius- Skala immer mehr durch, weil ihre Einteilung in das Zehnersystem passt.^[19]

Um die Lufttemperatur messen zu können, muss besonders auf die Eichung des Thermometers geachtet werden. Zudem ist es wichtig, dass das Thermometer an einem gut durchlüfteten Ort ohne direkte Sonneneinstrahlung eingesetzt wird.

Bei der Messung der Lufttemperatur fällt auf, dass der tägliche Ablauf über dem Festland größere Schwankungen zeigt als über dem Meer. Das Minimum liegt jedoch in beiden Fällen kurz vor Sonnenaufgang und das Maximum um 14 Uhr. Über dem Festland können jedoch, aufgrund der unterschiedlichen Erwärmung von Festland und Meer, Schwankungen von 5°C bis zu 10°C, zum Teil auch mehr, zwischen Minimum und Maximum auftreten.

Betrachtet man den jährlichen Ablauf der Lufttemperatur, so lässt sich feststellen, dass innerhalb Europas (Osteuropa) heiße Sommer und kalte Winter herrschen. Dies liegt am Einfluss des Kontinentalklimas. Gebiete unter dem Einfluss des Seeklimas (z. B. England) weisen hingegen kühle Sommer und milde Winter auf.^[20] Zudem nimmt die Temperatur mit der Höhe ab. Daher ist es auch möglich, dass Schnee und Eis auf Bergen in warmen Gegenden existieren (z. B. der Kilimandscharo in Ostafrika). Außerdem nimmt die Temperatur im Sommer normalerweise von Süd nach Nord ab

(s. Kapitel 2.2).

Dies geschieht „(...) entsprechend der mit der Breite abnehmenden Sonnenstrahlung (...)“.^[21] Im Winter findet hingegen die Abnahme der Temperatur von West nach Ost statt (Kontinentalklima).

Die Rolle der Lufttemperatur beim Wasserkreislauf und weitere wichtige Elemente werden im Folgenden noch genauer erläutert.

2.3.2 Die Luftdichte

Über die Zusammensetzung und Dichteverhältnisse in größeren Höhen der Atmosphäre hat man vor der Zeit der Raketen wenig erfahren. Es war jedoch anzunehmen, dass aufgrund der physikalischen Gesetze die Luftdichte mit zunehmender Höhe abnimmt. Weiterhin muss sich die Zusammensetzung mit der Höhe verändern, weil die Gase unterschiedlich schwer sind. „Leichte Gase, zum Beispiel Helium und Wasserstoff, müßten mit zunehmender Höhe immer stärker vertreten sein, während Stickstoff und Sauerstoff die unteren Schichten beherrschen.“^[22]

Für den Luftverkehr spielt der Zustand der Luftdichte eine wichtige Rolle, da sie proportional zum Luftdruck, jedoch umgekehrt proportional zur Temperatur ist.

Dank der Raketentechnologie weiß man heute, dass sich die Zusammensetzung der Luft bis in eine Höhe von fast 100 Kilometer nicht sonderlich verändert. Großräumige Durchmischungsvorgänge sind dafür verantwortlich und verhindern gleichzeitig, dass sich Gase aufgrund des spezifischen Gewichts absetzen.^[23]

Die Dichte der Luft beträgt bei 15°C (Meereshöhe) 1,23kg/m3. „In 17 Kilometer Höhe macht die Luftdichte nur noch etwa ein Zehntel des ursprünglichen Betrags aus.“^[24] Somit nimmt die Luftdichte, genau wie der Luftdruck, mit zunehmender Höhe ab. Oberhalb von 100 Kilometern erfolgt diese Abnahme allerdings langsamer.

Die Bedeutung der Luftdichte für den Wasserkreislauf werde ich am Ende dieses Kapitels erläutern.

2.3.3 Der Luftdruck

Auf der Erdoberfläche sind wir von der Atmosphäre umgeben, einem Meer von Luft.^[25] Der Luftdruck nimmt weiter zu, je tiefer man in der Atmosphäre ist. „An der tiefsten Stelle der festen Erdoberfläche, am Toten Meer in Israel (392 m unter dem Meeresspiegel), ist der Druck der auflastenden Atmosphäre am höchsten.“^[26]

Zur Messung des Luftdrucks benötigt man ein Barometer. Es zeigt das Gewicht der Luftsäule über dem Beobachtungsort an. Da die Kaltluft schwerer ist als Warmluft, „drückt“ sie mehr auf das Barometer. Es herrscht hoher Luftdruck. Da Warmluft leicht ist, zeigt das Gerät fallenden Luftdruck an.^[27]

Das am meisten verbreitete Gerät ist das Aneroid- oder Metalldosenbarometer. Es besteht aus einer Dose (Stahlblech, Beryllium), die luftleer gepumpt ist. Bei steigendem Luftdruck wird sie zusammengepresst, und bei fallendem Luftdruck dehnt sich die Dose wieder aus. Diese beiden Vorgänge werden mit Hilfe eines Hebelmechanismus auf einen Zeiger übertragen. Zudem besitzen diese Barometer einen Vergleichsanzeiger, um Veränderungen zu markieren. „Den Barometerangaben ‚Trocken’, ‚Schön’, ‚Veränderlich’ oder ‚Regen’ sollte man indessen wenig Bedeutung beimessen.“^[28]

Genauer sind Quecksilberbarometer. Sie haben eine geeichte Skala: Entweder Millimeter Quecksilbersäule (Torr, mm Hg) oder Hektopascal (hPa). Früher wurde für Hektopascal die Einheit Millibar (mbar) verwendet. Für die Umrechnung gilt:

1 mm Hg = 1,333 hPa (mbar) bzw. 1 hPa = 0,750 mm Hg. Der Wert des mittleren Luftdrucks beträgt 1013 hPa bzw. 760 mm Hg.

Der Tagesgang des Luftdrucks zeigt eine steigende Tendenz am Vormittag und um Mitternacht. Am Nachmittag gibt es meist einen Luftdruckabfall, vor allem im Sommer als Folge der Erwärmung. Diese täglichen Schwankungen betragen im Mittel 1 hPa. Durch Messungen ist festgestellt worden, dass die Monate August bis September eine Tendenz zu höherem Luftdruck haben und der April zu niedrigerem Luftdruck tendiert.

Auf Wetterkarten wird der Luftdruckverlauf mit Hilfe der Isobaren dargestellt: Es werden alle Orte mit gleichem Luftdruck mit Linien verbunden.

Die Rolle des Luftdrucks für den Wasserkreislauf und seine Wirkung werde ich am Ende dieses Kapitels erläutern.

2.3.3.1 Das Hochdruckgebiet

Bei dynamischen Hochdruckgebieten (Antizyklone) sind absteigende Luftbewegungen mit Aufheiterungen typisch. Im Gegensatz dazu gibt es die thermischen Hochs, „(...) bei denen schwere Kaltluft stabil am Boden lagert (...).“^[29] Hier herrscht meist bedeckter Himmel.

Das dynamische Hoch (warme Antizyklone) „ (...) ist dagegen ein stationäres oder quasistationäres, hochreichendes Druckgebilde erfüllt von Warmluft.“^[30] Diese Hochs decken meist einige Millionen Quadratkilometer ab und in ihnen kann langzeitig Schönwetter andauern. Derartige Luftdrucksituationen kommen über Mitteleuropa vor allem während des Sommers und im Frühherbst vor. Die Bewölkung ist meist sehr gering. Niedrige Haufenwolken und Federwolken treten gelegentlich nachmittags auf. Teilweise kommt es um die Mittagszeit zu Wärmegewittern und in Bodennähe zu Lokalwinden (auch Windhosen). Nachts herrscht in der Regel Windstille. Weiterhin wird tagsüber die Sichtweite durch Dunst und Staub in der Luft getrübt.

Das wandernde Zwischenhoch ist eine kalte Antizyklone von geringerer Größe. Es entsteht durch den Kaltluftzustrom auf der Rückseite von Tiefdruckgebieten. Im Allgemeinen kommt es beim Zwischenhoch zur Wolkenbildung und zu nachmittäglichen Schauern. Zum Abend hin lösen sich die Wolken meist auf. Durch diese nächtliche Aufheiterung in Kaltluft kommt es zur plötzlichen Abkühlung bis hin zu Nachtfrösten. Während eines stabilen Zwischenhochs herrscht zudem meist Windstille.^[31]

Das Kältehoch kommt nur in der kalten Jahreszeit vor, weil die Einstrahlung der Sonne meist ganz fehlt oder von einer weißen Schneedecke zum größten Teil (75- 90%) reflektiert wird.^[32] Es liegt im Winter meist über Sibirien und der Antarktis. Wegen ihrer Schwere fließt die Kaltluft in Täler ab. Da die Warmluft auf die Kaltluft aufläuft, ohne sie zu mindern, entstehen kräftige Temperaturinversionen. Dies hat zur Folge, dass sich warmfeuchte Luft abkühlt und ihr Wasserdampf kondensiert. Somit bilden sich Schichtwolken, die den Himmel meist ganz bedecken und zu leichtem Schneefall führen.

Insgesamt gesehen entsteht ein Hochdruckgebiet durch einen Druckunterschied, der durch einen Temperaturunterschied der verschiedenen Luftmassen ausgelöst wird. Dabei bildet sich ein Kreislauf der Luftströmungen: Zuerst sinkt die Luft über dem abgekühlten Land ab. Somit strömt am Boden die Luft weg und steigt über dem wärmeren Wasser wieder auf. In der Höhe strömt Luft hinzu, die über der wärmeren Wasserfläche lagert. „Die am Boden wegströmende Luft steigt über der Wasserfläche wieder auf und strömt in der Höhe erneut in das Hoch über Land.“^[33]

Das für uns wichtigste Hoch ist das „Azoren- Hoch“. Es besteht aus warmer, subtropischer Luft, die aus den vom Äquator nordwärts strömenden Antipassaten stammt. Diese Luftmassen stauen sich, und es entsteht hoher Luftdruck: das Azoren- Hoch. Die Luft des Azoren- Hochs fließt von ihrem „Entstehungsort“ im Atlantik (die neun Azoren Inseln) nach Norden und Osten und beeinflusst somit das Wettergeschehen in Mitteleuropa.^[34]

2.3.3.2 Das Tiefdruckgebiet

Die Tiefdruckgebiete (Zyklone) können thermisch durch aufsteigende Luft oder dynamisch durch Verwirbelung entstehen.

Zu den thermischen Tiefs gehören die sommerlichen Gewittertiefs.

Die dynamischen Tiefdruckgebiete bauen sich hingegen aus verschiedenen Luftmassen auf und gehören zu den wandernden Tiefs. Ein kleiner Teil ist mit Warmluft erfüllt, den größeren Teil bildet die Kaltluft. Durch das Zusammentreffen zweier Luftmassen unterschiedlicher Eigenschaften entstehen Mischungszonen, die Grenzräume. In diesen Zonen spielen sich die Wettererscheinungen ab: Wenn sich ein Tiefdruckgebiet (eine Warmfront: der vordere Rand der Warmluft am Boden) von Westen her nähert, fällt der Luftdruck. Weiterhin „(...) frischt der Wind auf und dreht von Ost über Südost nach Süd.“^[35] Zudem verdichtet sich der Himmel von Federwolken zu Cirrostratuswolken und schließlich zu Altostratus. Kommen zudem noch aufsteigende Luftbewegungen hinzu (Konvektion), bilden sich Cirrocumulus und auch Altocumulus^[36]. Die Sonne ist mittlerweile nicht mehr zu erkennen. Durch die Bildung der Nimbostratusbewölkung^[37] kommt es schließlich zum Landregen, der erst nach dem Durchzug des Tiefdruckgebietes wieder nachlässt. Nach dem Warmfrontdurchgang dreht der Wind auf Südwest bis West. Der Luftdruck kann noch etwas weiter fallen, jedoch mit geringerer Tendenz. Die Bewölkung reißt wieder etwas auf, doch es kann immer noch gelegentlich etwas regnen.^[38]

Die Kaltfront (der Vorderrand der Kaltluft am Boden) zieht im Gegensatz dazu mit mächtigen Haufenwolken oder sogar mit Cumulonimben^[39] als dunkle Mauer auf. Die einbrechende Kaltluft drängt die Warmluft nach oben und es entstehen böige Winde und Schauer. Der Kaltluftdurchgang bringt zudem kräftig steigenden Luftdruck und zum Teil Gewitter mit sich. Durch den Luftdruckanstieg entstehen neue Haufenwolken mit nachmittäglichen Schauern. Der Wind dreht dabei nach West oder Nordwest. Tiefdruckgebiete erscheinen meist in Serien mit dazwischen liegenden Zwischenhochs (s. Kapitel 2.2.3.1).

„Im Allgemeinen bestimmt eine ganze Tiefdruckfamilie die Witterung für einen Zeitraum von einer oder mehreren Wochen.“^[40] Dabei sind bei uns das Azoren- Hoch und Zentraltiefs für die Steuerung der wandernden Zyklonen verantwortlich. Sie werden daher auch Aktionszentren genannt.^[41]

Ein Tiefdruckgebiet kann durch die unterschiedliche Erwärmung von Festland und Wasser entstehen. Die Folge ist, dass sich die Luft über Land schneller erwärmt und in die Höhe aufsteigt. In der Höhe strömt sie nach allen Seiten weg und sinkt deshalb wieder ab. In Bodennähe kommt es zum Zustrom von Luft, die über der kühleren Wasserfläche lagert. „Die aus der Höhe absinkende Luft füllt den Luftbestand über der Wasserfläche wieder auf und strömt erneut auf das erwärmte Festland.“^[42] Es entsteht somit ein Kreislauf, bei dem der Luftdruck über Land geringer wird und deshalb Tiefdruck entsteht.

Das für uns wichtigste Tief ist das „Island- Tief“. Es ist ein Gebiet mit niedrigem Luftdruck im nördlichen Atlantik bei Island. Durch die Wechselbeziehung mit dem Azoren- Hoch entstehen dort die Zyklonen, indem es zum Zusammenprall von warmen, subtropischen Luftmassen vom Golfstrom mit den arktischen Kaltluftmassen von Grönland kommt. Diese Zyklonen wandern meist Ost- oder Nordostwerts und bestimmen somit das Wetter in Europa entscheidend mit.^[43]

2.3.3.3 Die Okklusion

Unter Okklusion versteht man die Überlagerung der Fronten Diese geschieht dadurch, dass die Kaltluft schneller ist als die Warmfront und diese deshalb einholt.^[44] Die Okklusion geschieht aufgrund des kürzeren Weges zuerst in Zentrumsnähe des Tiefs. Man muss dabei jedoch noch zwischen der Warmfront- und der Kaltfrontokklusion unterscheiden. „Bei einer Warmfrontokklusion ist die Luft der Vorderseite kälter als die der Rückseite des Tiefs.“^[45] Beim Einholen der Warmfront durch die Kaltfront gleitet die Warmluft deshalb auf die kalte Vorder- und auf die Rückseite des Tiefs auf. Dabei wird die Warmluft „(...) direkt vor der nachfolgenden Kaltfront sehr kräftig angehoben (...)“^[46]. Der Niederschlag ist daher oft nur auf ein schmales Gebiet konzentriert. Nach dem Durchzug der Warmfrontokklusion klart der Himmel wieder rasch auf.

Bei der Kaltfrontokklusion ist im Gegensatz dazu die Vorderseite des Tiefs wärmer als die Rückseite. Von der Kaltfront wird nun die Luft des Warmluftsektors und die Vorderseite angehoben. Somit lagern „(...) über der heranbrausenden Kaltfront die Vorderseitenluft und über dieser die Warmluft.“^[47] Aufgrund dessen ist das Niederschlagsgebiet auf beiden Seiten der Okklusion auf einem breiteren Streifen verteilt als bei der Warmfrontokklusion. Durch die unterschiedlichen Temperaturen auf der Vorder- und Rückseite des Tiefs entstehen Regen- und Schauerwolken.

2.3.4 Die Luftströmung (Wind)

Wie schon erwähnt ist die Sonne für die Windentstehung notwendig. Sie sorgt dafür, dass sich die Erdoberfläche und die Wasserflächen unterschiedlich stark erwärmen. Durch die so entstehenden Temperaturdifferenzen verändert sich auch der Druck, denn die Gasgleichung besagt, dass mit der Temperaturerhöhung auch der Druck steigt. Mit dem Druckanstieg an manchen Stellen kommt es zu Druckdifferenzen. Dadurch wird die Luft zu tiefem Druck hin beschleunigt und es entsteht Wind.^[48] „Die Erklärung, daß der Wind vom Ort hohen Luftdrucks zum Ort niedrigen Luftdrucks weht und die bestehenden Druckunterschiede ausgleicht, trifft (jedoch) in reinster Form nur für lokal begrenzte Luftströmungen zu.“^[49] Die Erdrotation und die Reibungskräfte an der Erdoberfläche sind weitere Kräfte, die die Luftströmungen ablenken. Weiterhin gibt es vertikale Luftströmungen, wie z. B. Aufwinde bei einem Gewitter.

Bei großräumigen Luftströmungen (wie z. B. die Passate nördlich und südlich des Äquators) wirkt zudem noch die Corioliskraft: „(...) die Ablenkung von Windströmungen auf der sich drehenden Erde.“^[50] „Auf der Nordhalbkugel werden alle Winde nach rechts abgelenkt. Auf der Südhalbkugel werden alle Wind nach links abgelenkt.“^[51] In Polnähe ist die Ablenkung am größten; am Äquator gibt es gar keine.

Die Ablenkung des Windes durch die Corioliskraft nimmt also mit der geographischen Breite zu. Zudem wird der Ablenkungseffekt mit der Windgeschwindigkeit verstärkt.^[52]

Um die Windrichtung (die Richtung, aus der der Wind kommt) bestimmen zu können gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann man dazu den sogenannten Windsack verwenden. Er besteht aus einer konisch geformten Stoffröhre und ist vorn und hinten am kleineren Ende offen. Der Windsack wird am besten auf einer hohen Stange auf dem Dach montiert, damit der Wind von allen Seiten Zugriff hat. Eine weitere Möglichkeit ist die Messung der Windrichtung mit Hilfe der Windfahne. Dazu gibt es „(...) elektrische und mechanische Übertragungseinrichtungen, um die angezeigte Windrichtung zu notieren.“^[53] In der Regel wird die Windrichtung in Winkelgraden des Kreises von Nord nach Ost angegeben: Nordwind = 0°, Ostwind = 90°, Südwind = 180° und Westwind = 270°.^[54] Die Windrose zeigt u. a. diese Einteilung genau an. Sie teilt die Windrichtungen von Nord über Ost nach Süd und West ein. Zudem gibt es noch die Nebenhimmelsrichtungen Nordosten, Südosten, Nordwesten und Südwesten, aus denen der Wind kommen kann.

Bild einer Windrose:^[55]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Messung der Windgeschwindigkeit gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Das bekannteste Gerät ist das Schalenkreuzanemometer. Dabei drehen sich Schalen aus Kunststoff oder Metall im Uhrzeigersinn um eine Achse und zwar um

so schneller, je stärker der Wind weht. Man zählt die Zahl der Umdrehungen pro Sekunde und hat somit ein Maß für die Windstärke. Bei industriell gefertigten Geräten gibt es eine Skala in Metern pro Sekunde für die Windgeschwindigkeit. Der Messbereich bei Handgeräten beträgt üblicherweise 0 bis 25 Meter pro Sekunde. Weiterhin wird die Windstärke in Kilometern pro Stunde und in Seemeilen (Knoten) pro Stunde angegeben:

1 Seemeile/ Stunde = 1,852 Kilometer/ Stunde = 0,514 Meter/ Sekunde.^[56]

Weit verbreitet, besonders unter Sportschiffern üblich, ist die Bezeichnung der Windstärke nach der Beaufort- Skala. Admiral Sir Francis Beaufort entwickelte 1805 diese 12-teilige Skala zur Bestimmung der Windstärke.

Dazu gilt folgende Tabelle:^[57]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In dieser Tabelle ist die Einheit Kilometer pro Stunde angegeben. Der Skalenbereich reicht von 1 - 118 km/h. Die Einheit Meter pro Sekunde reicht von 0 - 35 m/s und der Bereich Seemeilen pro Stunde hat eine Skala von 0 - 70 Knoten.

Da die Beaufort- Skala nur Windstärken bis zu 118 km/h messen kann, gibt es spezielle Skalen für den Bereich darüber. Zum einen ist es die Saffir - Simpson- Hurrikan - Skala, die Windstärken bis zu 250km/h einteilen kann. Weiterhin gibt es noch die Fujita- Tornado- Skala, die Windgeschwindigkeiten bis zu 419 km/h erfassen kann.^[58]

Die Messung der Windstärke erfolgt allgemein in Bodennähe bis zu 10m über dem Erdboden. Mit zunehmender Höhe erreichen Luftströmungen jedoch noch weitaus höhere Werte. In 6000 bis 15000 Meter Höhe wurden Starkwinde (Jet- Streams) mit einer Windgeschwindigkeit von über 400 km/h entdeckt, die sich im internationalen Flugverkehr angenehm oder unangenehm bemerkbar machen können.

Der Durchschnittswert der Windgeschwindigkeit im mitteleuropäischen Binnenland liegt bei etwa 3 bis 4 m/s; an der Küste bei ca. 6 m/s im Jahresdurchschnitt.^[59]

Das Zusammenspiel des Windes mit den anderen meteorologischen Elementen werde ich am Schluss dieses Kapitels genauer erläutern.

2.3.5 Die Luftfeuchte

Die Luft besteht aus vielen Gasen, hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff und ist somit ein Gemisch. Zudem ist Wasser in gasförmiger Form als Wasserdampf in ihr enthalten. Die zeitlichen und räumlichen Anteile des Wasserdampfes in der Luft wechseln jedoch, da er von der Temperatur abhängig ist. „Je höher die Temperatur, desto mehr Wasserdampf kann von der Luft aufgenommen werden.“^[60] Diese Aufnahme des Wassers in Luft kann als Lösungsvorgang gesehen werden. Das Wasser wird dabei in flüssiger Form von der Luft „gelöst“; es wird also gasförmig.^[61]

Der Grad der Luftfeuchte wird meist als relative Feuchte definiert. Wichtig für die Berechnung der relativen Feuchte ist der Partialdruck. Der Luftdruck beträgt im Durchschnitt etwa 1000 hPa und alle in der Luft enthaltenen Gase haben ihrem Anteil nach einen Teildruck, den sogenannten Partialdruck.^[62] Da der Sauerstoff mit ca. 21% in der Luft enthalten ist, hat er somit einen Partialdruck von 210 hPa. Weil der Wasserdampf jedoch nicht konstant ist, ist auch der Partialdruck unterschiedlich. Dies hängt von der unterschiedlichen Sättigung in der Luft und mit dem regional verschiedenen Feuchteangebot ab. Da der Wasserdampf jedoch einen gewissen Maximalwert nicht übersteigen kann (sonst kommt es zu Nebel- oder Wolkenbildung), wird diesem Maximalwert der Partialdruck zugewiesen. Er wird Sättigungsdampfdruck genannt. Somit gilt weiterhin, dass mit steigender Temperatur auch der Sättigungsdampfdruck steigt.

[...]

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^[1] Vgl. D. Walch: Wetterkunde, S. 27.

^[2] D. Walch: Wetterkunde, S. 27.

^[3] Vgl. D. Walch: Wetterkunde, S. 30.

^[4] Vgl. D. Walch. Wetterkunde, S. 30.

^[5] Vgl. A. Baumgartner/ E. Reichel: Die Weltwasserbilanz, S. 14, 15.

^[6] Vgl. A. Baumgartner/ E. Reichel: Die Weltwasserbilanz, S. 14.

^[7] Vgl. W. Roedel: Physik unserer Umwelt – Die Atmosphäre, S. 183.

^[8] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 44.

^[9] Vgl. S. Schöpfer: Wie wird das Wetter?, S. 67.

^[10] D. Walch: Wetterkunde, S. 32.

^[11] D. Walch: Wetterkunde, S. 33.

^[12] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 29.

^[13] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 29.

^[14] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 29.

^[15] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 33.

^[16] Vgl. B. Wiedersich: Das Wetter, S. 2.

^[17] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 115.

^[18] http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelemente

^[19] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 115.

^[20] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 117.

^[21] Dr. H. Flohn: Witterung und Klima in Mitteleuropa, S. 127.

^[22] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 126.

^[23] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 126.

^[24] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 126.

^[25] Vgl. L. Krüger: Wetter und Klima, S.67.

^[26] L. Krüger: Wetter und Klima, S. 67.

^[27] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 113.

^[28] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 109.

^[29] D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 91.

^[30] D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 91.

^[31] Vgl. D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 91.

^[32] Vgl. D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 92.

^[33] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 191.

^[34] Vgl. L. Kapeller: Sonne, Wolken und Wind, S. 36, 37.

^[35] D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 86.

^[36] S. Kapitel 2.2.6: Bewölkung.

^[37] S. Kapitel 2.2.6: Bewölkung.

^[38] Vgl. D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 88, 89.

^[39] S. Kapitel 2.2.6: Bewölkung.

^[40] D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 90.

^[41] Vgl. D. Schreiber: Meteorologie – Klimatologie, S. 90.

^[42] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 191.

^[43] Vgl. L. Kapeller: Sonne, Wolken und Wind, S. 235.

^[44] Vgl. B. Wiedersich: Das Wetter, S. 92.

^[45] B. Wiedersich: Das Wetter, S. 92.

^[46] B. Wiedersich: Das Wetter, S. 92.

^[47] B. Wiedersich: Das Wetter, S. 93.

^[48] Vgl. J. Egger: Vom Tornado zum Ozonloch, S. 31.

^[49] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 70.

^[50] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 70.

^[51] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 132.

^[52] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 132.

^[53] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 127.

^[54] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 128.

^[55] G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 127.

^[56] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 130.

^[57] B. Wiedersich: Das Wetter, S. 164, 165.

^[58] Vgl. G. D. Roth: Wetterkunde für alle, S. 130.

^[59] Vgl. B. Wiedersich: Das Wetter, S. 166.

^[60] L. Krüger: Wetter und Klima, S. 6.

^[61] Vgl. L. Krüger: Wetter und Klima, S. 6.

^[62] Vgl. L. Krüger: Wetter und Klima, S. 7, 8.