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Oppenheimer Werkstatt für Wetterkunde – Dr. Wolfgang Thüne
Licht wärmt, im Schatten wird es kühl, doch was ist „Temperatur“?
Das Temperament führte die Ärzte zur Temperatur
In den Wetterberichten spielen die Temperaturangaben eine zentrale Rolle. Das Interesse liegt
wohl daran, dass der Mensch von Natur ein „Warmblüter“ ist und einer konstanten inneren
Betriebstemperatur von etwa 37 °Celsius bedarf. Seine Haut ist übersät mit Wärmesensoren
und jede Abweichung von der optimalen Betriebstemperatur setzt Abwehrreaktionen in Gang.
Verstand ist für solch instinktive Reaktionen, die vom Organismus ohne bewusste Entscheidung
des Gehirns getroffen werden, nicht erforderlich. Friert der Mensch, dann sträuben sich die
Haare, setzen Zitterbewegungen in den Muskeln ein, denn Reibung erzeugt Wärme. Schwitzt er,
dann sondern Drüsen Schweiß aus, der auf der Haut verdunstet, diese kühlt und so dem Körper
überschüssige Wärme entzieht. Der Mensch brauchte die überwiegende Zeit seines Daseins die
„Temperatur“ nicht, um sich vor Wärme und Kälte zu schützen, und selbst heute wissen die
wenigsten Menschen, was Temperatur ist.
Auch die Ärzte des Altertums wussten dies nicht, aber sie waren wohl die ersten, die bemerkten,
dass die Gesundheit des Menschen irgendwie mit der Körperwärme zusammenhing. Den
Arzneien wurde je nach Befund eine kühlende oder wärmende Wirkung zugeschrieben. Die
Stärke dieser Wirkung wurde mit Graden bestimmt. Grad leitet sich vom lateinischen Wort
‚gradus‘ gleich Stufe ab. Ein großer Arzt des Altertums, Galenos von Pergamon (121-199), er
war auch Sportarzt bei den Olympischen Spielen, teilte die Wirkung der Arzneien mit einer
Achtgradskala ein, je vier Grade für Wärme und für Kälte. Das Menschentemperament käme
durch eine Vermischung von vier Flüssigkeiten zustande. Deren Vermischung in einem ganz
bestimmten Verhältnis wird im Lateinischen „Temperatur“ genannt. Erst im 17. Jahrhundert
begann man, das Wort Temperatur auf die uns heute geläufige Weise zu benutzen, nachdem
man gelernt hatte, die Erwärmung eines Körpers ihrer Stärke nach zu messen.
Doch selbst noch Galileo Galilei (1564-1641), der 1597 das erste Thermometer konstruierte,
wusste nicht, was er eigentlich maß. Immer, wenn er die Kugel mit der Hand berührte, stieg das
Wasserniveau in der Glasröhre. Es hob und senkte sich aber auch ohne Berührung. Erst seinem
Schüler Evangelista Torricelli (1608-1647) gelang es, den Zusammenhang zwischen der Höhe
der Quecksilbersäule und dem Luftdruck zu erkennen. Zur Zeit Galileis schien selbst die Idee,
dass die Luft auf die Erde drücken konnte, unannehmbar. Sein Instrument bestätigte, dass sich
Körper bei Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen. Es bestätigte auch,
dass Wärme immer von einem heißen Körper zu einem kalten übergeht. Ein heißer Teekessel
kühlt sich im Zimmer von selbst ab, aber er kann sich nicht von selbst erwärmen. Es ist möglich,
ein Zimmer mit einem Ofen zu heizen, aber es ist absolut unmöglich, nur auf Kosten einer
Zimmerkühlung einen Ofen zu erwärmen.
Galileo Galilei war der „Vater der Experimentalphysik“. Von ihm stammt der weise Spruch:
„Die Natur ist unerbittlich und unveränderlich, und es ist ihr gleichgültig, ob die verborgenen
Gründe und Arten ihres Handelns dem Menschen verständlich sind oder nicht.“ Wer weiß das
besser als ein in der Wetteranalyse und Wettervorhersage tätiger Meteorologe?
Die Vertreibung aus dem Paradies – ein doppelter Verlust an „Wärme“!
Im Paradies hatten Adam und Eva offensichtlich keine Probleme mit dem Wetter, auch keinen
Mangel an Wärme, obgleich sie nackt waren. Das lässt den Schluss zu, dass der „Garten Eden“
sich in den feuchtwarmen Tropen mit Temperaturen kaum unter 28 °C befand. Selbst nach dem
Sündenfall störte sie die Nacktheit nicht. Aber als Gott sie aus dem Paradies vertrieb, wäre die
Nacktheit ein ernstes Überlebensproblem geworden. Gott wusste dies und daher heißt es in der
Schöpfungsgeschichte (Gen 3,21), dass Gott Adam und Eva beim Rausschmiss aus dem Paradies
„Röcke aus Fellen“ machte und sie damit bekleidete. Er garantierte damit ihr Überleben, denn
ohne Kleidung hätten sie nackt kaum die starken Temperaturschwankungen mit glühender
Hitze am Tage und empfindlicher Abkühlung in der Nacht, besonders bei klarem Himmel,
überleben können.
Adam und Eva hatten zwar verbotenerweise vom „Baum der Erkenntnis“ gegessen, aber ihnen
fehlte mangels Erfahrung jegliches Gefühl dafür, welche physiologischen Wirkungen Nacktheit
auf sie haben könnte. Sie kannten zwar die Felle der Tiere und das Federkleid der Vögel, aber es
war ihnen nicht bewusst, welche lebensnotwendige Funktion diese natürliche „Bekleidung“ hat.
Das Geheimnis besteht darin, dass unter dem Federkleid und im Fell Luft ruhig gestellt wird.
Trockene Luft hat in der Natur die geringste Wärmeleitfähigkeit. Sie beträgt 0,0262 W/m• K.
Luft hat von allen Stoffen die höchste Isolierfähigkeit, doch nur unter der Bedingung, dass sie
absolut ruhig gestellt und jedwede Konvektion unterbunden wird. Zudem dürfen die Daunen
unter dem Federkleid nicht nass werden. Wasser hat mit 0,56 W/m• K eine 21 Mal höhere
Wärmeleitfähigkeit als Luft. Daher sind Enten ständig beschäftigt, ihr Federkleid einzufetten,
damit kein Wasser durch das Gefieder dringt und die Daunen durchnässt.
Da ein Stillstellen von Luft unter freiem Himmel völlig unmöglich ist, nutzen Tiere ihr Federoder Fellkleid, um sich vor lebensgefährlicher Ab- und Unterkühlung zu schützen. Dasselbe
macht der Mensch mit seiner Kleidung, die er stets den Außentemperaturen anpasst. Je größer
die Differenz von Körper- und Umgebungstemperatur ist, desto dichter muss die Kleidung sein.
Sie schützt uns vor Hitze und Kälte, vor Regen, Sonne und Wind. Die Herstellung von Kleidung
war der erste eigenständige Kulturakt des Menschen. Die Natur war dabei Lehrmeisterin. Man
muss sie nur genauestens beobachten. Eine Beobachtung war, dass beim Rupfen der Gänse
unter dem Gefieder flauschige Daunen zum Vorschein kamen. Enten- und Gänsedaunen nutzt
der Mensch zur Herstellung von Kopfkissen und Bettdecken. Zwischen den winzigen Daunen ist
Luft eingeschlossen und kann sich nicht bewegen. Begibt sich der Mensch zur Nachtruhe ins
kalte Bett, dann wärmt er mit seiner Körperwärme die Bettdecke auf und erzeugt ein dem
Schlaf bekömmliches Bettklima. Die Bettdecke wärmt nicht, ebenso wenig wie ein Mantel.
Das Bekleiden von Adam und Eva mit „Fellen“ war ein lebensnotwendiger Gnadenakt, der es
dem Menschen ermöglichte, die ganze Welt zu besiedeln und sich dem jeweiligen TemperaturMilieu anzupassen. Besonders in den polaren Klimazonen waren „Felle“ unverzichtbar. Pelze,
vor allem die aus Winterfellen, sind wegen des hohen Wärmeschutzes beliebt. Die Inuit aus
Grönland nutzen Robben- und Seehundfelle, in Lappland sind es Rentierfelle, in Sibirien Felle
von Polarfuchs, Schneehase. Sibirische Tiger sind vor Kälte bis -45 °C geschützt. Eisiger Kälte
angepasst haben sich auch die Hanuman-Languren, eine in Nepal lebende Affenspezies.
Der Mensch ist ein Kraftwerk, eine Verbrennungsmaschine
Der Mensch ist wie alle Säugetiere vergleichbar mit einem „Ofen“, der allerdings immer beheizt
werden muss, allein um die Betriebstemperatur zu wahren und den ständigen Wärmeverlust
durch Strahlung, Leitung wie Konvektion auszugleichen. Hört mit dem Tode die Verbrennung
auf, dann kühlt der Körper ab, bis auf die jeweilige Umgebungstemperatur. Wird in einem
Raum ein toter gefunden, dann berechnet man den Todeszeitpunkt mit Hilfe des Newton’schen
Abkühlungsgesetzes.
Beheizt wird der „Ofen“ mit Sonnenenergie, die über die grünen Pflanzen bei der Fotosynthese
in die Nahrungskette eingespeist wird. Die Pflanzen liefern auch gleichzeitig den Sauerstoff,
ohne den wir die Nahrung nicht im Körper verbrennen könnten. Eine Energieeinsparung ist
unmöglich, weil jeder Körper in Abhängigkeit von seiner Temperatur Wärme abstrahlt. Dies
betrifft ausnahmslos alle festen und flüssigen Körper auf der Erde. Jeder Stein, jede Pflanze,
alles sendet Wärmestrahlung aus und kühlt sich ab. Die Körper werden nicht abgekühlt durch
das Weltall, nein sie selbst sind die Objekte, welche in die Umgebung Wärme ausstrahlen. Die
Erde dreht sich vor der Sonne, damit „Licht“ immer wieder die Abkühlung unterbrechen, der
Erde frische Energie zuführen und sie dadurch erwärmen kann. Ein davon unabhängiger
Vorgang ist die Abkühlung oder Erwärmung über den Wind, durch die Advektion kalter oder
warmer Luftmassen. Insbesondere die Schwankungen der Tagestemperaturen gehen auf
Änderungen der Windrichtung zurück, wobei heute Tropikluft und morgen Polarluft
herantransportiert werden kann.
Die von den Körpern je nach deren Temperatur ausgehende Wärmestrahlung ist in der Regel
unsichtbar. Sichtbar werden Wärmestrahlen erst, wenn die Herdplatte beginnt rot zu glühen.
Strahlen größerer Wellenlänge sind für das menschliche Auge unsichtbar; sie liegen jenseits des
roten Lichts. Deswegen spricht man auch von infraroter Strahlung. Hat man entsprechende
Infrarot-Kameras, so kann man diese unsichtbare Wärmestrahlung erfassen und somit selbst
bei tiefster Finsternis jeden Körper fotografieren und sichtbar machen. Dies kann ein Mensch,
ein Wild, ein Baum, ein Haus oder ein getarnter Panzer sein. Die Wärmestrahlung verrät alles!
Die Wärmestrahlung erniedrigt die Temperatur des strahlenden Objektes und erhöht die
Temperatur des empfangenden Objektes, wenn dieses mehr Wärme empfängt als es selbst
ausstrahlt.
Die Erdoberfläche empfängt extrem unterschiedliche Wärmemengen von der Sonne, weil sie
eine rotierende „Kugel“ ist und keine senkrecht zur Sonne stehende „Scheibe“. Da die Erdachse
nicht senkrecht auf der Sonnenumlaufbahn steht, sondern um 23,5 Grad geneigt ist, haben wie
die vier Jahreszeiten Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Hat die Sonne bei 23,5 °S den
südlichen Wendekreis am 21. Dezember erreicht, dann beginnt der Winter. Dann haben wir in
50 °N die längste Nacht (16 h) und den kürzesten Tag (8 h), bei einer Sonnenhöhe von 16,5 Grad
über dem Horizont. Wir sehen es an der Länge unserer Schatten. Die Beleuchtungsstärke der
Sonnenstrahlen und ihre Wärmewirkung auf der Haut sind spürbar geringer als am 21. Juni
zur Sommersonnenwende am 21. Juni. An diesem Tag steht die Sonne 63,5 Grad über dem
Horizont, sind die Tage 16 Stunden lang und die Nächte 8 Stunden kurz. Die höheren
Temperaturen im Sommer sind einzig Folge der höheren Beleuchtungsstärke und der längeren
Beleuchtungszeiten, der Sonnenscheindauer.
Seit Nikolaus Kopernikus (1473-1543) das heliozentrische Weltbild schuf und Johannes Keppler
(1571-1630) die Planetengesetze formuliert hatte, gibt es eine völlig natürliche Begründung
sowohl für den Tagesgang der Temperaturen wie deren Jahresgang. Dieser natürlichen
Rhythmik hat sich alles Leben auf der Erde angepasst. Es ist einzig und allein die Kraft der
Sonne, die das Leben in seiner Vielfalt bestimmt. Die Sonne versorgt im Frühjahr die Natur mit
der notwendigen Lebensenergie und entzieht ihr diese Energie im Herbst wieder. Dies zeigt sich
an der Vegetationsperiode, vom zarten Grün der Bäume im Frühling bis zum Laubabwurf im
Herbst. Bei aller wetterbedingten Veränderlichkeit der täglichen Temperaturen, die jährliche
Temperaturkurve folgt eindeutig dem Stand der Sonne wie der Länge von Tag und Nacht. Das
Spurengas CO2 mit einem Luftanteil von 0,04 Prozent hat keinen messbaren Einfluss auf die
Körpertemperaturen wie die Lufttemperaturen. CO2 dient den Pflanzen als Nahrung zum
Aufbau von Nahrung für Mensch und Tier.
Was nun ist Temperatur?
Wärme ist immer an stoffliche Masse gebunden. Je mehr Masse man hat, desto mehr Wärme
kann man speichern. Mit 5000 Litern heißem Wasser kann man mehr heizen als mit fünf Litern
gleicher Temperatur. Es war ein sehr langwieriger Prozess, die Begriffe „Temperatur“ und
„Wärme“, zumal man Wärme und Kälte für verschiedene Substanzen und die Luft für eine
unsichtbare Flüssigkeit hielt. Der Begriff Kalorie weist noch auf die Vorstellung von Wärme als
„Kalorikum“ hin. Bei der Wettervorhersage werden immer die Luftströmungen mit Hilfe von
hydrodynamischen Bewegungsgleichungen berechnet.
Im 17. Jahrhundert begannen Naturforscher wie Robert Boyle (1627-1691), Robert Hooke
(1635-1703) und Isaac Newton (1642-1726) die Meinung zu vertreten, dass Wärme mit
mechanischen Bewegungen zusammenhänge. Vor ihnen hatten schon Philosophen wie Francis
Bacon (1561-1626), Thomas Hobbes (1588-1679) und John Locke (1623-1704) diese Ansicht
vertreten. Erste quantitative Formulierungen gehen auf Leonhard Euler (1707-1783) und Daniel
Bernoulli (1700-1782) zurück. Euler schätzte die Geschwindigkeit der Gasteilchen auf 477 m/s2.
Bei = °C liegt die mittlere Geschwindigkeit der Luftmoleküle bei 400 m/s (1440 km/h), bei 20 °C
sind es 500 m/s (1800 km/h). Die Schallgeschwindigkeit bei 15 °C beträgt nur 340 m/s (1224
km/h). Also lange vor James Maxwell (1831-1879) wurde der Grundstein für die kinetische
Gastheorie gelegt. Als Geburtsjahr für die Theorie der „Bewegung durch Wärme“ gilt 1824, in
dem Sadi Carnot (1796-1832) seine „Gedanken über die bewegende Kraft des Feuers und über
Maschinen, die diese Kraft ausnutzen können“ vorlegte. Er begründete damit zwar einen neuen
Zweig der Physik, die Thermodynamik, fand aber Zeit Lebens keinen Widerhall. 1834 arbeitete
Benoit Clapeyron (1799-1864) die Arbeit von Carnot um und verschaffte der Thermodynamik
zum Durchbruch. Robert Julius Mayer (1814-1878) bestimmte den Wert des mechanischen
Wärmeäquivalents. Er wies auch nach, dass sich Bewegungsenergie vollständig in Wärme
umwandeln lässt und verkündete 1845 den Energieerhaltungssatz. Aber Mayer wurde die
Anerkennung verweigert, er sah sich gehässigen Angriffen ausgesetzt und verbrachte zehn
Jahre im Irrenhaus. Er wurde auch verlacht ob der Erklärung seiner Beobachtung, dass sich bei
einem Sturm das Wasser erwärmt.
Es war damals schwierig zu verstehen, dass Energie nicht verschwinden kann. Das Paradoxon
wurde erst aufgelöst, als man verstand, dass Wärme mit der ungeordneten Bewegung von
Molekülen verbunden ist und dass sich die „verschwundene Energie“ in der Energie dieser
Molekülbewegungen wiederfindet. Es war auch sehr schwierig zu verstehen, dass man aus dem
Endzustand eines Systems auf keine Weise schließen kann, woher das System seine Energie
bekam: auf Kosten von Wärme oder von Arbeit. Arbeit und Wärme sind Prozessgrößen, keine
Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, Volumen, innere Energie. Es wuchs auch die
Erkenntnis, dass, wenn zwei Körper die gleiche Temperatur hatten, nicht daraus folgte, dass sie
dieselbe Energie besaßen. Wärme ist nicht gleich Temperatur, auch wenn gesagt wird, dass es 20
Grad warm ist!
Es war dann William Thomson (1824-1907) oder „Lord Kelvin“, der die thermodynamische
Temperaturskala entdeckte. Wurden früher zwei Punkte – der Schmelzpunkt des Eises und der
Siedepunkt des Wassers - gewählt, und deren Abstand wie bei der Celsius-Skala in 100 Teile
geteilt, so geht man heute vom Tripelpunkt des Wassers aus, wo die drei Phasen Dampf, Wasser
und Eis miteinander koexistieren. Seine Temperatur in Kelvin beträgt exakt 273,16 K oder
exakt 0,01 °C. Der Übergang zur neuen Skala mit dem Tripelpunkt des Wassers als einzigem
Fixpunkt geschah fast unbemerkt. Diese Übereinkunft wurde im Jahre 1954 getroffen. Dass
beide Temperaturskalen, ob in Celsius-Grad oder Kelvin, exakt übereinstimmen wurde 1990
international festgelegt.
Über die Beantwortung der Frage, wie die Molekülgeschwindigkeiten den Gasdruck und wie die
Molekülenergien die Temperatur bestimmen und die Gleichung m/2 v2 = 3/2 kT ergibt sich, dass
die Temperatur ein Maß für die kinetische Energie der Moleküle ist. Falls man irgendein
Molekül lange genug verfolgen könnte, würde man sehen, dass es mal schneller, mal langsamer
fliegt, wobei aber das Quadrat der Geschwindigkeit im Mittel gleichbleibt. Wenn sich ein
Teekessel in einem Zimmer abkühlt und die Luft erwärmt, kann man später nicht feststellen,
warum sich die Luft erwärmt hat. In Gasen herrscht hat „Chaos“. Anders ist es mit
elektromagnetischen Feldern. Licht transportiert Informationen von der Fläche! Einen
Teekessel oder ein Haus kann man als Foto mit Hilfe einer Infrarotkamera „sehen“. Die
Infrarotstrahlung besteht aus gerichteten elektromagnetischen Wellen, die sich nicht im
„thermischen Gleichgewicht mit der Luft“ befinden. Sie werden von den Atomen nicht gestreut,
„behalten“ darum die Gestalt des Teekessels und können sie übertragen. Die chaotische
Molekularbewegung kann keine „Bilder“ übertragen und abbilden!
Der Prozess des Temperaturausgleichs ist irreversibel, unumkehrbar. Er ist immer mit einer
Zunahme von Entropie verbunden. Diffusion, Reibung, Wärmeleitung, Zähigkeit, joulsche
Wärme, das sind einige der Hauptmechanismen, die die Entropie erhöhen. Das Prinzip des
Entropiezuwachses ist eine Eigenschaft unserer Welt, in der alle makroskopischen Systeme aus
unvorstellbar vielen Teilchen (1023 = 100 Trilliarden) bestehen. Die Entropiezunahme definiert
die Zeitrichtung, bestimmt den „Zeitpfeil“.
Die Temperatur ist noch viel, sehr viel komplizierter!
Die Wärmelehre entwickelte sich zu einem Teilgebiet der Physik, als klar war, dass die Wärme
eine Form von Energie und die Temperatur ein Maß für die Energie der Wärmebewegung ist.
Es ist die von Ludwig Boltzmann (1844-1906) entwickelte Boltzmann-Konstante k, die den tiefen
Zusammenhang zwischen Mechanik und Wärmelehre als „Energie-Temperatur-Äquivalent“
wiederspiegelt. Hat ein Körper die Temperatur T, dann ist kT ein Maß für die mittlere Energie
jedes seiner mikroskopischen Freiheitsgrade.
Der ungefähre Wert des Energie-Temperatur-Umrechnungsfaktors ist k ≈ 1,4 • 10-23 J/K. Damit
ist bei 1 J ≈ 6,2 • 1018 eV äquivalent k ≈ 8,5 • 10-5 eV/K. 1 J entspricht also etwa 0,72 • 1023 K und
1 eV entspricht etwa 1,2 • 104 K. Kurz als Merkregel: 1 eV entspricht etwa 10.000 K! Das
bedeutet, dass man die Angabe der Temperatur eines gesunden Menschen als 36,6 °C auch
ausdrücken kann mit 309,8 K oder 4,28 • 10-21 J oder 27 meV. Diese Angaben sind zwar
äquivalent und korrekt, aber unüblich und zu abstrakt. Ich denke, wir werden noch lange an
den Celsius-Graden festhalten oder in den USA den Fahrenheit-Graden. 36,6 °C entsprechen
97,9 °F!
Eine Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Luftmoleküle, aber was ist
eine Mitteltemperatur? Die Temperatur ist eine Qualitätsgröße wohingegen die Wärme eine
Quantitätsgröße ist. Je mehr Masse vorhanden ist, desto mehr Wärme kann man speichern.
Flüssige Massen kann man vermischen und aus heißem und kaltem Wasser wohl temperiertes
Badewasser herstellen. Dies geht auch mit kalter und warmer Luft, die zur Entstehung von
Tiefdruckgebieten, in denen dann durch Vermischung ein Temperaturausgleich erzeugt wird.
Aber was passiert, wenn man Temperaturen mittelt? Nichts! Dies ist ein ganz einfacher
Rechenvorgang, der nichts bewirkt. Wenn man Temperaturen von London, Berlin, Madrid und
Athen mittelt, dann erhält man eine „Mitteltemperatur“, die ein „Spielwert“ darstellt und im
Grunde nichts aussagt. Noch viel schlimmer verhält es sich mit der „Weltmitteltemperatur“,
gerne „Globaltemperatur“ genannt. Das ist eine fiktive Temperatur ebenso wie das davon
abgeleitete „Globalklima“! Mit Mitteltemperaturen kann man nichts anfangen. Dies beginnt
bereits bei der Berechnung der Tagesmitteltemperatur, die nicht einmal einheitlich nach den
„Mannheimer Stunden“ erfolgt. Die Tagesmitteltemperatur ist eine einfache Rechengröße, kein
physikalischer Wert. Wir spüren und fühlen keine Mitteltemperatur, sondern nur den Gang der
realen Temperatur.
Deswegen werden in allen Wetterberichten und bei allen Wettervorhersagen immer zwei
Temperaturen angegeben, das morgendliche Minimum wie das mittägliche Maximum. Beide
Angaben geben ein Gefühl für den Verlauf des Tagesganges der Temperatur. Die „Natur“
richtet sich, wie auch der Mensch bei der Wahl der Bekleidung, immer nach den wirklichen
Temperaturen!
Wenn Sie sich und ihren Freunden etwas Gutes tun wollen, dann gehört auf den Gabentisch das
Buch „Propheten im Kampf um den Klimathron – Wie mit Ängsten um Geld und Macht
gekämpft wird“. In diesem Sinne Ihnen allen ein fröhliches und gesegnetes Weihnachtsfest und
alles Gute im kommenden Jahr!
Oppenheim, den 18. Dezember 2013
Dipl.-Met. Dr. phil. Wolfgang Thüne