Was ist Wetter eigentlich?

Die Atmosphäre: Zusammensetzung und vertikaler Aufbau

Die Atmosphäre ist eine Gashülle von einigen Hundert Kilometern Dicke, von der Schwerkraft gehalten, in der sich das gesamte Wetter abspielt. Ihre Zusammensetzung und ihr Schichtaufbau legen ihre Regeln fest.

Woraus besteht die Luft?

Trockene Luft enthält 78 % Stickstoff (N2), 21 % Sauerstoff (O2) und fast 1 % Argon. Der Rest, weniger als 1 %, umfasst die Spurengase, in sehr geringer Menge vorhanden, aber wesentlich, wie Kohlendioxid (etwa 0,04 %). Diese Zusammensetzung bleibt bis fast 100 km Höhe bemerkenswert konstant, eine Zone namens Homosphäre, weil die Durchmischung dort die Gase homogenisiert. Gesondert steht der Wasserdampf, sehr variabel (0 bis 4 %) und unten konzentriert: er ist der einzige Bestandteil, der bei irdischen Temperaturen den Zustand wechselt, daher seine große meteorologische Rolle.

Eine Atmosphäre in vier Schichten

Man schichtet die Atmosphäre nach dem Temperaturprofil. Die Troposphäre (0 bis etwa 12 km) ist der Sitz des Wetters; die Temperatur sinkt dort im Mittel um 6,5 °C pro Kilometer. Darüber steigt in der Stratosphäre die Temperatur wieder, weil die Ozonschicht dort die UV-Strahlung der Sonne absorbiert. Dann kommt die Mesosphäre, wo es wieder sehr kalt wird, dann die Thermosphäre, extrem heiß, aber so dünn, dass man dort keine Wärme spüren würde.

Die Tropopause, ein thermischer Deckel

Zwischen Troposphäre und Stratosphäre markiert die Tropopause eine Inversion: die Temperatur hört auf zu sinken und beginnt zu steigen. Diese Inversion wirkt wie ein Deckel, der die Vertikalbewegungen blockiert; sie deckelt die Spitze der Cumulonimbus und gibt ihnen ihren Amboss. Druck und Dichte der Luft dagegen nehmen stetig mit der Höhe ab: in 5,5 km bleibt nur noch die Hälfte der Atmosphärenmasse darüber.

• Troposphäre (0 bis 12 km): das Wetter, Temperatur sinkt mit der Höhe
• Stratosphäre (12 bis 50 km): Ozonschicht, Temperatur steigt wieder
• Mesosphäre (50 bis 85 km): die kälteste Schicht
• Thermosphäre (über 85 km): sehr heiß, aber fast leer, Polarlichter

Strahlungsbilanz, Albedo und Treibhauseffekt

Nichts bewegt sich in der Atmosphäre ohne Energie. Diese Energie kommt von der Sonne, aber sie kommt nicht überall gleich an: dieses Ungleichgewicht ist der Motor von allem.

Die Strahlungsbilanz

Die Erde empfängt von der Sonne Strahlung kurzer Wellenlänge, vor allem sichtbar, und strahlt ins All Infrarotstrahlung langer Wellenlänge zurück. Auf der Skala der Erdkugel und über das Jahr entspricht die empfangene Energie der verlorenen: das ist das Strahlungsgleichgewicht. Örtlich aber empfangen die Tropen einen Energieüberschuss und die Pole ein Defizit. Um diesen Unterschied auszugleichen, transportieren Atmosphäre und Ozeane ständig Wärme von den Tropen zu den Polen: das ist der Ursprung der Winde und Strömungen.

Die Albedo: der reflektierte Anteil

Ein Teil der Sonnenstrahlung wird zurückgeworfen, ohne zu erwärmen: das ist die Albedo, ausgedrückt von 0 (alles absorbiert) bis 1 (alles reflektiert). Frischer Schnee hat eine hohe Albedo, bis 0,9, und wirft fast alles zurück; der dunkle Ozean eine niedrige Albedo, 0,1, und absorbiert viel. Die Albedo erzeugt Rückkopplungen: schmilzt das Meereis, absorbiert die dunkle Oberfläche mehr, was erwärmt und noch mehr schmelzen lässt. Das ist eine positive Rückkopplung, das heißt eine, die das Ausgangsphänomen verstärkt.

Der Treibhauseffekt

Bestimmte Gase, der Wasserdampf, das Kohlendioxid, das Methan, lassen das Sonnenlicht durch, absorbieren aber die vom Boden ausgesandte Infrarotstrahlung und geben einen Teil davon nach unten zurück. Dieses Festhalten erwärmt die untere Atmosphäre: ohne es läge die Durchschnittstemperatur bei etwa -18 °C statt +15 °C. Vorsicht mit dem Bild: es ist ein Strahlungseffekt, eine Absorption des Infrarots, nicht zu verwechseln mit einem Gartengewächshaus, das vor allem verhindert, dass die warme Luft entweicht.

Wetter, Klima, Skalen und Vorhersagbarkeit

Wetter und Klima, und die Grenzen dessen, was man vorhersagen kann, werden durch zwei Ideen geklärt: die Zeitskala und das Chaos.

Wetter und Klima: eine Frage der Dauer

Die Meteorologie beschreibt den Zustand der Atmosphäre zu einem Zeitpunkt und seine Entwicklung über einige Tage. Die Klimatologie untersucht die Statistik des Wetters über mindestens dreißig Jahre: Mittelwerte, Variabilität, Extreme. Der geflügelte Ausdruck: das Klima ist, was man erwartet; das Wetter ist, was man bekommt. Ein milder Winter sagt nichts über das Klima; dreißig Winter schon.

Die räumlichen Skalen

Die Phänomene werden nach Größe geordnet. Auf der synoptischen Skala, Tausende Kilometer, herrschen Tiefs und Hochs, sichtbar auf den Karten des Berichts. Auf der Mesoskala, zehn bis einige Hundert Kilometer, leben die Gewitter, die Böenlinien und die Brisen. Auf der Mikroskala, vom Meter bis zum Kilometer, spielen die Turbulenz und die lokalen Böen. Ein Vorhersagemodell muss seine Auflösung nach der Skala wählen, die es darstellen will.

Chaos und die Grenze der Vorhersagbarkeit

Die Atmosphäre ist ein deterministisches System, sie gehorcht physikalischen Gesetzen, aber chaotisch: ein winziger Unterschied im Anfangszustand wächst mit der Zeit. Das ist der Schmetterlingseffekt, entdeckt vom Meteorologen Edward Lorenz. Folge: die deterministische Vorhersage, Tag für Tag, bleibt etwa zehn Tage zuverlässig; danach spricht man nur noch von Tendenzen.

Auf die Unsicherheit antworten: die Ensemblevorhersage

Um diese Unsicherheit zu messen, startet man nicht eine, sondern Dutzende Simulationen, jede von einem ganz leicht veränderten Anfangszustand ausgehend. Ähneln sich alle Szenarien, ist das Vertrauen hoch; gehen sie auseinander, ist die Unsicherheit groß. Das ist die Ensemblevorhersage, und sie rechtfertigt die Prozentsätze der Regenwahrscheinlichkeit.