Atmosphäre und Kondensation


Cirrus fibratus


niedrige Regenwolke (Nimbostratus)

Die Atmosphäre

Die Lufthülle der Erde wird als Atmosphäre bezeichnet. Sie besteht zu etwa 78 Volumenprozent aus Stickstoff und zu 21% aus Sauerstoff und enthält in geringen Mengen weitere Gase wie Argon, Wasserstoff, Helium, Ozon und mit 0,033% das lebenswichtige Kohlendioxid, aus dem die Pflanzen durch die Photosynthese die organische Substanz herstellen. Außerdem enthält sie einen wechselnden Anteil an Wasserdampf (bei feuchter Luft etwa 1,3%). Mit der Höhe wird die Luft dünner, das heißt ihre Dichte nimmt deutlich ab. In den unteren Luftschichten sinkt der Luftdruck um etwa 1hPa pro 8 Höhenmeter.

Die unterste Schicht der Atmosphäre, in der sich das Wettergeschehen größtenteils abspielt, heißt Troposphäre, ihre Obergrenze Tropopause. Diese liegt in den mittleren Breiten in etwa 11, in den Tropen in bis zu 15 Kilometern Höhe. Innerhalb der Troposphäre sinkt mit steigender Höhe die Temperatur der Luft um etwa 0,65°C pro hundert Meter, so dass sie an der Tropopause etwa -57°C erreicht. Auch der Gehalt an Wasserdampf sinkt stark, während die übrige Zusammensetzung der Luft sich nur wenig ändert.

Oberhalb der Tropopause liegt die Stratosphäre. In dieser steigt die Temperatur der Luft wieder an bis auf etwa 0°C an der Stratopause, der Obergrenze der Stratosphäre in etwa 50 Kilometern Höhe. Dieser Temperaturanstieg wird dadurch bedingt, dass in diesen Bereichen der größte Teil der ultravioletten Sonnenstrahlung absorbiert wird. Das geschieht durch den Sauerstoff: Unter der Einwirkung der Strahlung werden die Sauerstoffmoleküle (O2) aufgespalten; dabei wird die ultraviolette Strahlung in energieärmere, langwelligere Strahlung umgewandelt. Die freiwerdenden Sauerstoff-Atome lagern sich schnell an Sauerstoffmoleküle an, wodurch Ozon (O3) entsteht. Dieses zerfällt wiederum unter Strahlungseinfluss, und die freien Atome schließen sich erneut zu gewöhnlichen Sauerstoff-Molekülen zusammen. Durch diesen ständigen Aufbau und Zerfall des Ozons wird die schädliche ultraviolette Sonnenstrahlung absorbiert.

Auf die Stratosphäre folgt die Mesosphäre mit der Mesopause in 80 Kilometern Höhe. In dieser Schicht geht die Temperatur entsprechend der sinkenden Dichte der Luft auf -100°C zurück. Danach schließt sich die Thermosphäre an, die bis in eine Höhe von etwa 500 bis 600 Kilometern an die Außengrenze der Erdatmosphäre reicht. In diesen Regionen sinkt der Gehalt der Luft an den schwereren Gasen schnell, so dass die Thermosphäre ab etwa 120 Kilometern Höhe nur noch aus Helium und Wasserstoff besteht. In dieser Schicht wird die Gamma- und Röntgenstrahlung des Sonnenlichtes absorbiert, so dass die Temperatur schnell wieder bis auf etwa 700°C am Atmosphärenrand ansteigt.

Wolkenbildung: Kondensation

Wolken entstehen durch die Kondensation von in der Luft enthaltenem Wasserdampf. Durch die Verdunstung aus Wasserflächen, Pflanzen usw. nimmt die Luft ständig Wasserdampf auf. Sie kann jedoch nicht beliebig viel Wasser in gasförmigem Zustand halten. Die Sättigung der Luft an Wasserdampf wird durch die relative Feuchte ausgedrückt. Wenn diese 100% erreicht, beginnt das überschüssige Wasser zu kondensieren, das heißt als Wassertropfen auszufallen. Die Menge an Wasserdampf, die die Luft aufnehmen kann, ist nicht immer gleich, sondern steigt mit zunehmender Temperatur stark an, das heißt bei gleichem Wassergehalt sinkt mit steigender Temperatur die relative Feuchte.

Außer einer Sättigung der Luft mit Wasserdampf sind zur Kondensation sogenannte Kondensationskeime erforderlich, mikroskopische Staub- oder Rußpartikel und vor allem Salzteilchen aus der Gischt der Ozeane. An diese kann sich das kondensierende Wasser wegen ihrer hygroskopischen Eigenschaften leicht anlagern; es bilden sich winzige Wassertröpfchen. Bei hoher Luftfeuchtigkeit befinden sich stets viele feine Wassertröpfchen in der Luft, die als Dunst sichtbar werden. Kleinste Teilchen bei relativ trockener Luft rufen eine bläuliche Färbung der Luft hervor, da diese Teilchen die blauen Anteile des Lichtes besonders stark streuen: die Landschaft erhält in der Ferne einen bläulichen Farbton. Mit zunehmender Feuchte werden die Wassertröpfchen größer und streuen nun alles Licht gleich stark: es entsteht ein weißlicher Dunst.


gute Fernsicht bei klarer Luft


weißer Dunst über dem Meer


Sonnenaufgang bei klarer Luft


Sonnenaufgang bei starkem Dunst

Temperaturverhältnisse in der Atmosphäre

Wolkenbildung setzt dann ein, wenn feuchte Luft so weit abkühlt, dass der Sättigungsdampfdruck (100% Feuchte) erreicht wird: die Kondensation des Wasserdampfes beginnt. Die entsprechende Temperatur nennt man Taupunkt.

Bei der Verdunstung von Wasser wird Wärme verbraucht. Diese wird bei der Kondensation wieder freigesetzt, so dass durch die Kondensation bei der Wolkenbildung der Abkühlungsprozess der Luft verlangsamt wird. Auf diese Weise können die Luftmassen in den Wolken, da sie relativ warm sind, leicht in große Höhen hinaufgetragen werden.

Normalerweise sinkt die Temperatur der Luft um knapp ein Grad je hundert Höhenmeter (adiabatische Abkühlung). Meist weicht in der Atmosphäre die Änderung der Temperatur mit der Höhe jedoch von diesem Wert ab; für gewöhnlich treten unterschiedliche Schichten in der Luft auf, zwischen denen sich die Temperatur sprunghaft ändert. Gelegentlich ist die unterste Luftschicht sogar kälter als die darüber liegende (Inversion). Diese unteradiabatische Schichtung ist besonders stabil, da ein darin aufsteigendes Luftpaket nach der üblichen höhenbedingten Temperaturabnahme kühler bleibt als die Luft in seiner neuen Umgebung, somit sinkt es wieder ab. Wenn ein Luftpaket absinkt, gerät es wiederum in eine kühlere Umgebung und steigt darum wieder in die Höhe: die Veränderung wird rückgängig gemacht.

Bei einer normalen adiabatischen Temperaturschichtung, bei der die Temperaturänderung mit der Höhe den theoretischen Verhältnissen nahe kommt, werden vertikale Luftbewegungen nicht behindert, die Luft wird durch turbulente Verwirbelungen durchmischt und ausgetauscht.

Bei einer überadiabatischen Änderung, das heißt einer stärkeren Temperaturabnahme mit der Höhe als der physikalischen, ist der Zustand der Atmosphäre besonders labil, da ein aufsteigendes Luftpaket wärmer bleibt als seine Umgebung und dadurch immer weiter aufsteigt; beim Absinken verhält es sich umgekehrt. Solche Verhältnisse treten zum Beispiel ein, wenn im Bereich der Kaltfront einer Zyklone kühle Meeresluft auf warme Luftschichten über dem Festland trifft und aufgrund der Reibung am Boden in der Höhe schneller vordringt, so dass sie sich über die warme Bodenluft schiebt. Dann kommt es wegen der starken Turbulenzen in der labilen Atmosphäre zu besonders heftigen Wetterphänomenen.

In den mittleren Breiten sinkt die Lufttemperatur in etwa 2 Kilometern Höhe auf 0°C; in 5 Kilometern Höhe werden – 20°C und in 10 Kilometern -55°C erreicht. Wolken bestehen in Temperaturbereichen von 0 bis – 12°C vorwiegend aus unterkühlten Wassertropfen. Bei noch niedrigeren Temperaturen entsteht zunächst ein Gemisch aus unterkühlten Wassertropfen und Eiskristallen, während erst ab – 40°C nur noch Eiskristalle auftreten. Reine Eiswolken sind an ihrem faserigen Aussehen zu erkennen.


Wolke aus Regentropfen im unteren Teil (Cumulus) und Eiskristallen im oberen Teil (Cirrus)

Aufgrund der meist sehr hohen Anzahl der in der Luft vorhandenen Kondensationskeime können die Wassertropfen in den Wolken durch reine Kondensation nur zu geringer Größe anwachsen; so kann aus reinen Wasserwolken nur ein leichter Sprühregen fallen. Erst wenn ein Teil der Wassertropfen zu Eiskristallen gefriert, können diese (durch ständiges Anfrieren weiterer schon unterkühlter Wassertropfen sowie durch direktes Wachsen der Eiskristalle durch die Anlagerung von Wasserdampf) eine Größe von mehr als einem halben Millimeter erreichen, so dass sie als Hagel oder (wieder geschmolzen) als großtropfiger Regen zur Erde fallen.

Aus hohen oder mittelhohen Wolken kann leichter Eisregen (ausfallende Eiskristalle) fallen, der als sogenannte Fallstreifen sichtbar wird. Er wird oft durch die starken Höhenwinde seitlich verweht und verdunstet meist schnell wieder.


Fallstreifen aus einer Altocumulus-Wolke

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