Eine Hülle aus Materie — aber kein statischer Deckel.
Die Erdatmosphäre ist die durch die Gravitation an die Erde gebundene gasförmige Hülle, einschließlich variabler Mengen von Wasserdampf, Aerosolen, Wolkenwasser und Eis. Meteorologisch betrachten wir sie als räumlich und zeitlich veränderliches Fluid.
Diese Definition enthält bereits fast das gesamte Programm der Meteorologie. Die Atmosphäre besitzt Masse, steht im Gravitationsfeld, kann komprimiert und expandiert werden, enthält Wasser in mehreren Phasen und transportiert Energie und Impuls.
„Wetter“ ist deshalb kein Zusatz zur Atmosphäre. Wetter ist die beobachtbare zeitliche Entwicklung ihres Zustands.
Wetter lässt sich als Zustand eines Feldes beschreiben.
An einem einzelnen Ort können wir die Atmosphäre zunächst durch wenige Größen beschreiben: Temperatur, Druck, Dichte, Feuchte und Wind. Für die gesamte Atmosphäre werden daraus Felder: Jede Größe besitzt an jedem Ort und zu jedem Zeitpunkt einen Wert.
Maß für den thermischen Zustand; gekoppelt an Dichte, Druck, Strahlung und Phasenwechsel.
Mechanische Zustandsgröße des Fluids; vertikal stark durch das Gewicht der Luftsäule geprägt.
Masse pro Volumen. Entscheidend für Auftrieb, Hydrostatik und die Kopplung von Temperatur und Druck.
Beschreibt den Wasseranteil. Wasser koppelt Thermodynamik, Wolken und Niederschlag.
Der Geschwindigkeitsvektor des Luftstroms. Er transportiert Masse, Wärme, Feuchte und Impuls.
Erst die zeitliche Änderung des Zustands macht aus „Atmosphäre“ das Phänomen „Wetter“.
Später werden zusätzliche Größen notwendig: Wolkenwasser, Eis, Turbulenz, Strahlungsflüsse, Bodenzustand und viele weitere. Das Grundprinzip bleibt jedoch gleich.
Vier Zutaten erzeugen fast die gesamte meteorologische Komplexität.
Die Atmosphäre wäre wesentlich einfacher, wenn Energie überall gleich verteilt wäre, die Erde nicht rotierte, keine Gravitation existierte und Wasser keine Phasenwechsel durchlaufen könnte. Genau diese vier Faktoren machen das System interessant.
Sonne, Tag/Nacht, Breite, Wolken und Oberfläche erzeugen Temperatur- und damit Dichte- und Druckunterschiede.
Sie bindet die Atmosphäre an die Erde, erzeugt vertikale Druckgradienten und ermöglicht Auftrieb.
Bewegte Luft wird im rotierenden Bezugssystem abgelenkt; daraus entstehen großräumige Strömungsregime.
Verdunstung und Kondensation verschieben große Energiemengen und koppeln Dynamik an Wolken und Niederschlag.
Atmosphäre zerlegen
Schalte Systemkomponenten aus. Das Lab zeigt qualitativ, welche Mechanismen dann fehlen würden.
Die Atmosphäre endet nicht an einer scharfen Linie.
Mit zunehmender Höhe werden Druck und Dichte immer kleiner. Der Übergang in den Weltraum ist deshalb kontinuierlich. Höhen wie 100 km sind für bestimmte Zwecke nützliche Konventionen, aber keine physikalische Wand.
Sobald wir später Druck, Dichte und Hydrostatik behandeln, werden wir keine „Atmosphärenhöhe“ einsetzen müssen. Stattdessen folgt die vertikale Struktur aus dem Gleichgewicht von Gravitation, Temperatur und Gaszustand.
Warum dürfen wir Luft überhaupt als Fluid behandeln?
Mikroskopisch besteht Luft aus einzelnen Molekülen. Meteorologisch betrachten wir sie aber meist als Kontinuum: Größen wie Temperatur, Druck oder Dichte werden als glatte Felder definiert. Diese Näherung funktioniert, solange die molekulare freie Weglänge sehr klein gegenüber der betrachteten räumlichen Skala ist.
In der unteren und mittleren Atmosphäre ist diese Bedingung für meteorologische Skalen sehr gut erfüllt. Dadurch können wir später Differentialgleichungen für Strömung, Energie und Feuchte verwenden, anstatt Milliarden einzelner Moleküle zu verfolgen.
Dasselbe Fluid erzeugt Phänomene über viele Größenordnungen.
Turbulente Wirbel, Böen, Wärmefluss unmittelbar über einer Oberfläche.
Gewitter, Talwindsysteme, Seewind, Konvergenzlinien und organisierte Konvektion.
Hochs, Tiefs, Fronten, Jetstream, Rossby-Wellen und globale Zirkulation.
Das ist eine zentrale Eigenschaft des Systems: Prozesse unterschiedlicher Skalen sind gekoppelt. Ein lokales Gewitter hängt von einer großräumigen Luftmasse ab; gleichzeitig kann organisierte Konvektion die Strömung ihrer Umgebung verändern.
Drei intuitive Vorstellungen, die uns später behindern würden.
Nein. Druck und Dichte gehen kontinuierlich zurück; Grenzhöhen sind definitionsabhängig.
Nein. Wetter ist gerade die Dynamik dieses Fluids und seiner Energie- und Stofftransporte.
Nein. Einzelwerte sind lokale Stichproben eines dreidimensionalen, zeitabhängigen Feldes.
Das Grundmodell für alle folgenden Kapitel.
Die Atmosphäre wird auf meteorologischen Skalen als kompressibles Kontinuum behandelt.
Temperatur, Druck, Dichte, Feuchte und Wind bilden einen ersten Zustandsvektor.
Wetter ist die zeitliche Entwicklung dieses räumlichen Zustandsfeldes.
Ungleiche Energiezufuhr erzeugt Gradienten; Gravitation, Rotation und Wasser formen die Antwort.
Die Atmosphäre wird mit der Höhe kontinuierlich dünner.
Lokale, mesoskalige und planetare Prozesse sind gegenseitig gekoppelt.
Cross-References
Welche Stoffe bilden die Atmosphäre, was ist konstant und was variabel — und warum ist gerade der variable Anteil meteorologisch so wichtig?