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Wetter und Atmosphäre Wie funktioniert unser Wetter?

Wetter braut sich in der Troposphäre zusammen, der untersten Schicht der Atmosphäre. Und dann? Wie entstehen Wolken, Regen, Gewitter und Extremwetter und wie Hitze und Wirbelstürme? Was Meteorologen über die irdische Wettermaschine herausgefunden haben.

Stand: 23.03.2023

Ändert sich dass Wetter oder bleibt's wie es ist?: Das Wetter und die Zukunft

Regen, Schnee, Wind, Hagel, Gewitter oder Wolken: Was wir als Wetter bezeichnen, entwickelt sich in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre. Aber wie funktioniert diese Wettermaschine? Die Wissenschaft der Meteorologie versucht, die Zusammenhänge des Wetters besser zu verstehen - auch, um noch genauere Wettervorhersagen zu ermöglichen.

Wie das Wetter entsteht

Grafik: Verhältnis der Sonneneinstrahlung zum Neigungswinkel der Erdoberfläche. Wie entstehen Wetterphänomene wie Winde, Föhn, Gewitter, Blitze oder Hurrikane und Tornados? Die globalen Windsysteme, Meeresströmungen und die Erdrotation beeinflussen unser Wetter. | Bild: BR

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Alles beginnt mit der Sonne ... Die Sonneneinstrahlung trifft aus einer Richtung auf die Erde. Da die Erde eine Kugel ist, trifft sie mit unterschiedlicher Intensität auf: Am Äquator ist der Einfallswinkel steiler und die Einstrahlung intensiver. An den Polen wird der Einfallswinkel flacher und die Strahlung verteilt sich auf eine größere Fläche. Außerdem ist der Weg durch die Atmosphäre länger und mehr Energie wird absorbiert.

Wetter: Woraus besteht die Atmosphäre der Erde?

Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Innerhalb der Atmosphäre werden die Gase ständig durchmischt und umgewandelt. Dennoch bleibt das Mischungsverhältnis immer gleich. Die einzelnen Moleküle der Atmosphäre werden von der Sonne aufgeheizt und sind ständig in Bewegung. So entsteht ein Druckgefälle: Je näher man am Erdboden ist, desto höher ist der Druck. Daher haben wir eine geschichtete Atmosphäre.

Wetter: Aufbau der Atmosphäre

Grafik: Aufbau der irdischen Atmosphäre, ihre Temperatur | Bild: BR, Grundlage: DWD

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Die fünf Schichten der Atmosphäre

Troposphäre

Die Troposphäre ist die Schicht, in der wir leben. Sie umfasst drei Viertel der gesamten Luftmasse und fast den gesamten Wasserdampf. Dieser ist neben der Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung hauptsächlich dafür verantwortlich, dass hier das Wetter stattfindet: Wolken, Winde, Regen, Schnee - hier entstehen und entwickeln sich die Wetterphänomene, wie wir sie kennen.

An den Polen ist die Troposphäre rund acht Kilometer dick, am Äquator bis zu 17 Kilometer. In der Troposphäre nimmt die Temperatur nach oben hin immer mehr ab: Am Erdboden ist es am wärmsten, an der oberen Grenze zur Stratosphäre, der Tropopause, in ungefähr zehn Kilometer Höhe, ist die Temperatur mit zirka -60° Celsius am niedrigsten.

Stratosphäre

Die Stratosphäre beginnt an der Tropopause und reicht bis zu 50 Kilometer hoch. Bis in eine Höhe von 20 Kilometern ist die Temperatur durchgehend bei etwa -60° Celsius. Bis zur Stratopause, die die Stratosphäre nach oben zur Mesosphäre begrenzt, steigt die Temperatur bis auf 0° Celsius an.

Die obere Schicht der Stratosphäre zeichnet sich durch einen hohen Ozonanteil an. Das Ozon, das ungefähr in 30 Kilometern Höhe am stärksten konzentriert ist, absorbiert einen Großteil der gefährlichen kurzwelligen Sonnenstrahlung - deshalb ist es so wichtig.

In der Stratosphäre gibt es kaum Wasserdampf, deshalb auch keine Wetterphänomene.

Felix Baumgartner ist 2012 bei seinem Rekordsprung aus der Stratosphäre aus einer Höhe von 39,045 Kilometern gesprungen. Er fiel 36.500 Meter tief im freien Fall und erreichte dabei eine Höchstgeschwindigkeit von 1.342,8 Kilometern in der Stunde oder 1,24 Mach.

Mesosphäre

Hier in der Mesosphäre, zwischen 50 und etwa 80 Kilometern, nimmt die Temperatur wieder von 0° Celsius bis auf -100° Celsius ab. Der Grund liegt darin, dass die Luft extrem ausgedünnt ist und kaum noch Ozon enthält. Die Mesosphäre besteht hauptsächlich aus leichten Gasen.

Meteore, die Richtung Erde stürzen, verglühen in dieser mittleren Atmosphärenschicht. Ein weiteres Phänomen, das sich in der Mesosphäre bildet und von der Erde aus zu beobachten ist, sind die Leuchtenden Nachtwolken, die in bestimmten Sommernächten in Nordrichtung am Horizont gesehen werden können. Aber nur, wenn die Sonne zwischen 6° und 16° unter dem Horizont steht. Dann werden die Leuchtenden Nachtwolken noch von der Sonne beschienen, während der Himmel sonst bereits dunkel ist.

Thermosphäre

Die Mesopause grenzt die Mesosphäre nach oben von der Thermosphäre ab, die zwischen 80 und etwa 500 Kilometern liegt. In der Thermosphäre über der Erdoberfläche kreist zum Beispiel die Weltraumstation ISS.

In der Thermosphäre ist die hohe Temperatur nicht spürbar, denn die Luftdichte ist millionenfach geringer als in Bodennähe. Die Temperatur der Thermosphäre beträgt tagsüber rund 1.700° Celsius, nachts zirka 300° Celsius. Die hohe Temperatur dieser Schicht liegt an den sehr schnellen Bewegungen der Gasmoleküle. Diese treffen allerdings aufgrund der geringen Dichte kaum mehr aufeinander und es findet kein Energieaustausch zwischen ihnen statt.

Treten Meteore in die Erdamtosphäre ein, beginnt ihre Leuchtspur zumeist in der Thermosphäre.

Exosphäre

Die Exosphäre, die äußerste Schicht der Atmosphäre, reicht ungefähr 10.000 Kilometer weit. Sie geht fließend ins Weltall über. Die meisten in ihr enthaltenen Teilchen sind ionisiert, also elektrisch geladen.

Die Exosphäre wird auch als Zerstreuungssphäre bezeichnet, weil hier Gasmoleküle aufgrund ihrer eigenen Geschwindigkeit das Gravitationsfeld der Erde verlassen können. Sind sie ionisiert, können sie allerdings nicht entweichen, weil sie den Feldlinien des Erdmagnetfeldes folgen müssen und dem Einfluss der Erde nicht entkommen.

Ionosphäre wird der Teil der Atmosphäre genannt, in der große Mengen von Ionen und freien Elektronen zu finden sind. Bei der Erde beginnt die Ionosphäre nach der Mesosphäre in einer Höhe von 80 Kilometern. Die größte Elektronendichte erreicht die Ionosphäre bei etwa 300 Kilometern.
Interessant ist die Ionosphäre der Erde auch deshalb, weil sie für den weltweiten Funkverkehr wichtig ist: Sie reflektiert Kurzwellen und ermöglicht damit weltweite Verbindungen.

und dann ...

... gibt es noch die Homosphäre und die Heterosphäre. Diese Einteilung der Erdatmosphäre beruht darauf, wie sehr die Gaskomponenten der Luft durchmischt sind.

Die Homosphäre umfasst die Troposphäre, Stratosphäre und Mesosphäre. In der Homosphäre, bis zu 100 Kilometern Höhe, sind die einzelnen Gaskomponenten gleichmäßig durchmischt.

Darüber, in der sogenannten Heterosphäre, die die Thermosphäre und Exosphäre umfasst, sind die leichteren von den schwereren Gasen getrennt. So ist Wasserstoff als leichtestes Gas noch am Oberrand der Erdatmosphäre in etwa 1.000 Kilometern Höhe vorzufinden.

Da in der Heterosphäre die Gase nicht durchmischt sind, kann man je nach Höhe eine unterschiedliche Luftzusammensetzung feststellen. Dagegen ist die Zusammensetzung in der Homosphäre überall gleich.

Meteorologie: Luft erwärmt sich unterschiedlich stark

Die unterschiedlich starke Erwärmung der Luft ist abhängig von der Breiten- und Höhenlage, der Land-Meer-Verteilung und der Luftfeuchtigkeit. Sie bestimmt die Bildung von Hoch- und Tiefdruckgebieten und verursacht, dass Winde entstehen. Gleichzeitig beeinflusst sie die Verdunstung und damit die Wolkenbildung und die Niederschläge. Abhängig davon, ob Winde kalte oder warme Luftmassen heranführen, wirken sie auf die Lufttemperatur oder die Dichte der Wolkendecke ein, die wiederum die Temperatur mitbedingen. So hängen alle wetterbestimmenden Faktoren auf der Erde von einander ab.