Meteorologie Überblick: Aufbau der Atmosphäre

Meteorologie
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Wetterkunde - Physik der Atmosphäre
Meteorologie: die Lehre von den Dingen in der Luft
Junge Disziplin
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Erfindung der Messgeräte
1. Messnetze im 19. Jhd
Entwicklung der
mathematischen Gleichungen
Entwicklung der Computer
Überblick:
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Einleitung
Atmosphäre – Luft
Die Arbeit der Sonne
Die Physik in der Meteorologie: Druck, Temperatur, Feuchte,
Zyklogenese - Lebenszyklus eines Tiefdruckgebiets
Drei unübersehbare Phänomene: Wind, Niederschlag &
Wolken
Aufbau der Atmosphäre
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Eckdaten:
- Atmosphäre: dünne, die Erde umhüllende
Gasschicht
- ca. 100 km Dicke (Erdradius: 6372 km)
- homogenes Gasgemisch = Homosphäre
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Zusammensetzung der Luft
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Hauptbestandteile:
• 78 % Stickstoff
• 21 % Sauerstoff
• 1 % Spurengase
(CO2 , H2O,…)
• 4% Wasser in der Troposphäre
Aufbau der Atmosphäre
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Die Sonne als Energielieferant
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• unterschiedliche Einstrahlung an den Polen und dem Äquator
⇒ unterschiedliche Erwärmung der Luftmassen
⇒ Energietransport vom Äquator nordwärts
⇒Temperaturausgleich über die gesamte Erde
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Der Treibhauseffekt
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Sonne:
Energielieferant
Erde:
strahlt Wärme ab
Treibhauseffekt: mittlere Temperatur auf Erde +15°C statt -18°C
Beschreibung der Atmosphäre:
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durch physikalische Gesetze:
• Bewegungsgleichungen
• Thermodynamische Gleichungen
durch physikalische Parameter:
• Druck p [hPa = mbar]
• Temperatur T [°C]
• Feuchtigkeit r [%]
durch zusätzliche Beobachtungen:
• Wind v [m/s; km/h; kn; bf]
• Niederschlag [mm]
• Wolken [ /8]
Luftdruck
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Luft hat ein Gewicht! ~ 1,3 kg/m³
Gewicht der Luftsäule in Meeresniveau: ~ 10300 kg/m²
Druck: Kraft pro Fläche
Luftdruck: Gewichtskraft pro Fläche
km
Höhe
Luftdruck in Meeresniveau: 1013,3 hPa
1000 hPa = 1 bar
11 km
Steigt man auf einen Berg, sinkt der
Luftdruck!
In 5000m liegt ca. die Hälfte der Luft
darunter und die andere Hälfte
darüber.
5,5 km
250
500
1000
hPa = mbar
Luftdruck
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Luftdruckbestimmung an einem Ort
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Der Luftdruck wird mit einem
Barometer bestimmt
(E. Torricelli, 1608-1647)
Die Änderung des Luftdrucks
an einem Ort weist auf eine
Wetteränderung hin!
Reduktion des Luftdrucks auf
Meeresniveau zum Vergleich
mehrerer Barometer.
Bodendruckverteilung
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Beispiel: Wetterkarte
H
T
H
Lufttemperatur
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Lufttemperatur: - Ausdruck für den Wärmezustand der Luft
- Definition über die Bewegung der Luftmoleküle
warme Luft => schnelle Molekularbewegung
kalte Luft => langsame Molekularbewegung
Temperaturänderung durch:
•Wärmeleitung
•Wärmestrahlung
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Vertikale Temperaturverteilung
•
Troposphäre:
- Temperaturabnahme 0,6°/100 m
(Jahresmittel)
- Trockene Luft: ca. 1°/100m
•
Tropopause: - 8 – 16 km Höhe
• Stratosphäre
Stratosphäre:
- Temperaturzunahme mit der Höhe
(Ozonschicht)
wegen Absorption kurzwelliger
Strahlung
Tropopause
-60°
0,6°/100m
Troposphäre
12 km
-
T +
1°/100m
20°
Lufttemperatur
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Temperaturmessung:
•Flüssigkeitsthermometer
•Bimetallthermometer
•Widerstandsthermometer
Temperatur in der Höhe
durch Luftmassen
bestimmt!
in Südtirol:
Tagesgang der Temperatur
Jahresgang der Temperatur
Temperaturextreme im Gebirge
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Polare bzw. arktische
Luftmassen verursachen
im Gebirge eisige Kälte.
Extreme Temperaturen
mit Werten bis unter
-20°C treten oft mit
kräftigem Nordwind
auf.
Schöntaufspitze: -30°C
Sonnblick (1905): -37°C
Bei Inversionslagen sinken auch im Tal die Werte
unter -20°C (-29° Toblach)
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Zusammenhang Temperatur - Druck
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Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte Luft
Warme Luft steigt auf – kalte Luft sinkt ab
Bsp. Heißluftballon
Gasgleichung: direkter Zusammenhang zwischen
Druck, Temperatur, Volumen.
Volumenänderung:
Ausdehnung => Abkühlung
Komprimierung => Erwärmung
Luftfeuchtigkeit
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In der Atmosphäre sind große Mengen an Wasserdampf
enthalten!
Verdunstung: Wasserdampf gelangt in die Atmosphäre
Kondensation und Niederschlag: Wasserdampfgehalt sinkt
Die Aufnahmefähigkeit ist stark Temperaturabhängig:
hohe Temperatur: große Wasserdampfmenge
tiefe Temperatur : geringe Wasserdampfmenge
z.B. bei 30°C => 30 g/m³
bei 20°C => 17 g/m³
bei 10°C => 9 g/m³
Relative Luftfeuchtigkeit
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Die Luftfeuchtigkeit wird meist in relativer Luftfeuchte (r)
gemessen:
aktueller Wasserdampfgehalt
r = max. Wasserdampfgehalt b. aktueller Temperatur
Gesättigte Luft: r = 100%
z. B.
9 g/m³ bei 30° -> 9/30 = 0,3 -> r = 30%
9 g/m³ bei 20° -> 9/17 = 0,53 -> r = 53%
9 g/m³ bei 10° -> 9/ 9 =
1 -> r = 100%
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Feuchtemessung:
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Verschiedene Messgeräte,
genaue Messung oft
kompliziert und aufwändig.
•Haarhygrometer
•Taupunkt Hygrometer
•Psychrometer
•Feuchtesensoren
Auch die Luftfeuchtigkeit hat einen
Tagesgang
Luftfeuchtigkeit: Kondensation
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Was passiert also wenn Luft
aufsteigt?
Aufsteigende Luft kühlt ab und
kann weniger Feuchte
aufnehmen!
Plötzlich ist die Luft gesättigt, die
rel. Luftfeuchtigkeit beträgt 100%
Der Wasserdampf kondensiert,
es bilden sich Wolken
Feuchtigkeit im Gebirge
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Die gefühlte Temperatur
hängt von der Luftfeuchtigkeit
ab:
bei feuchter Luft empfinden
wir tiefe Temperaturen viel
kälter als bei trockener Luft.
(höherer Verlust von Wärme
durch die Feuchtigkeit)
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Synoptik
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Altgriechisch sýnopsis (aus syn- ‚zusammen’ und opsis‚ das Sehen’)
Synoptik = Interpretation meteorologischer Informationen:
• Luftmassen
• Frontensysteme
• Tiefdruckgebiete
• Hochdruckgebiete
Frontalzonen
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Temperaturgegensätze zwischen unterschiedlichen Luftmassen
an den Frontalzonen konzentriert
=> hohe Wetteraktivität => Entwicklung von Tiefdruckgebieten
Lebenszyklus eines Tiefdruckgebietes
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Anfangsstadium: Konzentration von
Temperaturgegensätzen zwischen warmer
Luft im Süden und kalter Luft im Norden
=> Frontalzone
Entwicklung: Verschiebung von warmer
Luft auf der Vorderseite des Tiefs nach
Norden und von kalter Luft auf der
Rückseite des Tiefs nach Süden
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Lebenszyklus eines Tiefdruckgebietes
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Weitere Entwicklung: Kaltfront schneller als
Warmfront => Okklusion
=> Abbau der Temperaturgegensätze
Altersstadium: kleine Temperaturgegensätze => keine Bewegungsenergie
=> Abschwächung der Tiefdruckgebietes
Querschnitt durch ein Tiefdruckgebiet
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Warmluft leichter als Kaltluft:
⇒ Aufgleiten der Warmluft
auf die Kaltluft an der
Warmfront
⇒ Keilförmiges Vorschieben
der Kaltluft unter die
Warmluft an der Kaltfront
• Idealbild nur gültig ohne Hindernisse!
• Veränderung der Fronten durch die Topographie (Alpen)
Fronten im Satellitenbild
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Zusammenspiel von Hoch und Tief
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• Bewegung der Luftmassen um ein Hoch mit dem Uhrzeiger
= antizyklonale Rotation
• Bewegung der Luftmassen um ein Tief gegen den Uhrzeiger
= zyklonale Rotation
• Zusammenströmen der Luft im Tief => Aufsteigen
• Auseinanderströmen der Luft aus dem Hoch => Absinken
Wind
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Wind entsteht um Druckunterschiede in der Atmosphäre
auszugleichen.
Der Wind bläst von hohem zu niedrigem Druck!
Thermische Zirkulation:
z.B. offenes Fenster
(kalte Luft ist schwerer als
warme)
Land – See Wind
Talwind
=> Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie
=> Luftbewegungen
Windmessung
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Wind ist eine vektorielle Größe:
Windgeschwindigkeit
Windrichtung
Messung mittels Anemometer:
Windrichtung:
Jene Richtung aus der der Wind
weht.
0 – 360°; N – E – S - W
Windgeschwindigkeit wird in m/s,
km/h oder kn gemessen
(1 m/s = 1,944 kn = 3,6 km/h)
Subjektive Schätzung: Beaufortskala
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Wind & Beaufort Skala
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Der Wind hat einen großen Einfluss
auf den Aufbau der Schneedecke!
Die Gefahrenstellen bleiben über
Wochen erhalten.
Wind auf den Bergen
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Auf den Bergen erreicht der Wind oft Sturmstärke!
Windböen von über 200 km/h sind möglich.
Vorsicht auf Graten und Kämmen!
Sturmtief „Emma“
Windböen bis 215 km/h!
Windrekord im Tal:
24. Juli 2009
Raas bei Brixen 135 km/h
Wind
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Wind chill:
Die gefühlte Temperatur ist
durch starken Wind viel
tiefer als die gemessene
Temperatur:
Der Wind in der Höhe wird
durch die großräumige
Wetterlage bestimmt.
In den Tälern weist der
Talwind einen Tageszyklus
auf.
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Wolken
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Hohe Wolken sind immer Eiswolken
Wasserdampf
kondensiert in der
Atmosphäre zu
Wolkentropfen
wenn:
Tiefe und mittelhohe Wolken enthalten
meist Wassertropfen
Cumulonimbuswolken bestehen aus
Wasser und Eis
•ausreichend hohe relative Luftfeuchtigkeit vorhanden ist
•genügend Kondensationskeime in der Luft schweben
Wolkeneinteilung
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Wolken unentliches Formenreichtum
WMO: Internationaler Wolkenatlas
Begrenzte Anzahl von charakteristischen Erscheinungsbildern
• 4 Wolkenfamilien (Wolkenstockwerke)
•10 Wolkengattungen (Ci, Cc, Cs, Ac, As, Sc, St, Ns, Cu, Cb)
•14 Wolkenarten (fibratus, lenticularis, humilis…)
• 9 Wolkenunterarten (translucidus, opacus …)
• 9 Sonderformen und Begleitwolken (incus, mamma, virga…)
Wolkeneinteilung
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Bestimmte Wolken zeigen die weitere Wetterentwicklung an! (Cirren, Cumulus, …)
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Sichtweite
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Wolken schränken auf den Bergen häufig die Sicht ein!
Die horizonztale
Sichtweite wird in km
angegeben.
1-8 km Sichtweite =
Dunst
Unter 1 km Sichtweite =
Nebel
Befindet man sich
innerhalb der Wolke ist
sie von Nebel nicht zu
unterscheiden!
Niederschlag
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Regen :
flüssiger Niederschlag
Schnee :
fester Niederschlag
FÄLLT
NIEDERSCHLAG
Schauer (Schnee- oder Regenschauer ):
Nicht anhaltender Niederschlag aus Quellwolken. Die
Niederschläge sind lokal sehr unterschiedlich und treten
bevorzugt im Frühjahr und Sommer auf.
Gewitterzelle nördlich von Bozen am
Typisch bei Gewittern (Achtung!
Winter
6. JuliSind
2004,imca.
16.30zwar
Uhr mit bis zu
selten aber möglich -> Blitzschlag!!)
30cm Hagel in Mölten
Auch Eisregen, Tau, Reif, Rauhreif und Schneefegen
sind Arten von Niederschlag
Niederschlag in Südtirol
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Jahresniederschlag in Südtirol
zwischen 450-1100 mm
Durchschnittlicher
Jahresniederschlag
1961-2003
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Niederschlag im Alpenraum
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100
südl. Alpenvorland:
Niederschlagsreich mit einem
Maximum im Frühjahr und
Herbst.
[mm]
80
60
40
20
0
J F M A M J
J A
S O N D
Inneralpin: Niederschlagsarm,
mit einem Sommermaximum
(Gewitter)
In Südtirol ist der Winter relativ
trocken!
“Das Klima der Alpen im Raume von Tirol” Franz
Fliri,1975
Bildung von Schneekristallen
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Unterschiedliche atmosphärische Bedingungen führen zu
gänzlich verschiedenen Schneekristallformen.
0 bis -3
-3 bis -5
-5 bis -8
-8 bis -12
-12 bis -16
-16 bis -25
-25 bis -50
dünne hexagonale Platten
Nadeln
Prismen mit Höhlungen
hexagonale Platten
dendritische Kristalle
Platten
Prismen mit Höhlungen
Mischform
Plättchen
Dendritischer Schneestern
Die Schneefallgrenze
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Definition Schneefallgrenze:
Jene Höhe in der Niederschlag
zu gleichen Teilen aus Schnee
und Regen besteht
Bei 0° beginnt Schnee zu schmelzen, die Schneefallg renze
liegt also stets unterhalb der Nullgradgrenze (meist zwischen
300m und 500m).
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Die Schneefallgrenze
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Abhängig von:
-Lufttemperatur (vertikale
Temperaturschichtung)
-Luftfeuchtigkeit
-Niederschlagsintensität
-Windgeschwindigkeit
Fällt Schnee in trockene Luftmassen, entzieht die Verdunstung
der Schneeflocke Wärme, so ist Schneefall bis 1000m unter die
Nullgradgrenze möglich.
Niederschlag mit katastrophalen Folgen
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Extremereignisse:
Schnalstal: 19.11.2000
Starke Schneefälle im Gebirge
lassen die Lawinengefahr stark
ansteigen (mehr als 50cm in
24h)
Schneefälle in tiefen Lagen
verursachen Probleme im
Straßenverkehr (mehr als
10cm unterhalb von 500m)
Kaunertal, Nordtirol
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