Kurzvorschau – Wetterkunde

Impressum

Alle Angaben in diesem Buch wurden von den Autoren nach bestem Wissen und Gewissen erstellt und von ihnen und dem Verlag mit Sorgfalt geprüft. Inhaltliche Fehler sind dennoch nicht auszuschliessen. Daher erfolgen alle Angaben ohne Gewähr. Weder Autoren noch Verlag übernehmen Verantwortung für etwaige Unstimmigkeiten.

Alle Rechte vorbehalten, einschliesslich derjenigen des auszugsweisen Abdrucks und der elektronischen Wiedergabe.

© 2022 Weber Verlag AG, CH-3645 Thun/Gwatt 7. Auflage 2022

Weber Verlag AG

Gestaltung Cover: Shana Hirschi

Satz und Umbruch: Egger Print und Dialog, Frutigen

Illustrationen und Umschlaggrafik: Villard Kommunikationsmedien, Münchenbuchsee

Der Weber Verlag wird vom Bundesamt für Kultur mit einem Strukturbeitrag für die Jahre 2021–2024 unterstützt.

ISBN 978-3-85902-471-7

www.weberverlag.ch

Abb. 1: Dünne, zunehmend dichter werdende Schleierwolken (Cirren) ziehen auf. Sind es die ersten Vorboten einer sich nähernden Warmfront?

Zum Geleit

Den Anfang dieses Geleits widme ich gerne Peter Albisser, langjährigem und dienstältestem Mitglied unseres kompetenten und vielseitigen SAC-Autorenteams. Es war 1982, als der SAC sein Ausbildungsangebot erweiterte und die Lehrschrift «Wetter» herausgab. Ein Glücksfall, dass sich für diese Aufgabe Peter Albisser zur Verfügung gestellt hatte. Heute, 35 Jahre später, kann der SAC die 6. Auflage dieses Werkes, dessen Titel in zwei Schritten zu «Wetterkunde für Wanderer und Bergsteiger» erweitert wurde, herausgeben. Es berücksichtigt nicht nur die neusten Erkenntnisse der Meteorologie, auch das Layout, die Grafiken und Bilder wurden aktualisiert und überarbeitet. Die Gestaltung und die Illustrationen entsprechen der neuen Generation der Ausbildungsschriften des SAC, alle illustriert durch die Gebrüder Villards.Diese 6. Auflage ist zugleich die letzte Überarbeitung, bei der Peter Albisser, ehemaliger Leiter des Wetterdienstes in Zürich beim Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie (MeteoSchweiz), als Autor mitgewirkt hat. Im Namen des SAC, des Verlags SAC, aber auch im Namen der vielen Ausbildnerinnen und Ausbildner sowie aller Lernenden und Interessierten danke ich Peter Albisser für sein wertvolles langjähriges Engagement.

«Das Wetter ist Bestandteil der Natur, und es wird immer bis zu einem gewissen Grad unberechenbar bleiben.» Entsprechend schwierig ist die Wetterprognose, die uns den Zustand der Atmosphäre zu einer bestimmten Zeit, einem bestimmten Ort und Gebiet zu vermitteln versucht.

Vor 1980 war das Bundesamt für Meteorologie der einzige Lieferant von Wetterinformationen. Die Digitalisierung hat auch diesen Dienstleistungsbereich sehr stark verändert, die Anzahl privater Anbieter stieg und einhergehend die Marktorientierung. Gemäss Bundesgesetz über die Meteorologie (MetG) ist das Bundesamt für Meteorologie befugt, erweiterte Dienstleistungen kommerziell anzubieten. Dies wird zurzeit politisch bekämpft, da sich die privaten Marktteilnehmer dadurch konkurrenziert fühlen. Der Bundesrat sieht vor, sich mit der grundsätzlichen Thematik der Konkurrenz zwischen Staat, staatsnahen Unternehmen und Privaten auseinanderzusetzen – was angesichts des knappen Finanzhaushaltes zu hitzigen Diskussionen führen wird.

Für eine sorgfältige Tourenvorbereitung sind die zahlreichen Quellen von grossem Nutzen. Wenn sich aber unterwegs überraschend eine Wetterveränderung einstellt, sind wir froh, diese anhand von einfachen Wetterregeln annähernd deuten zu können. Es gibt sie in diesem Buch im Kapitel 14 ab Seite 163. Ich wünsche allen Leserinnen und Lesern spannende Lektüre und eine glückliche Hand bei der Beurteilung der Wetterlage.

Hünibach, Juni 2017

Peter Hubacher, Präsident Kommission Verlag SAC

Vorwort

Niemand kann sich dem Wetter vollständig entziehen. Es war und ist mit all seinen Spielformen immer ein hochaktuelles Thema. Besonders beeinflusst von den Launen des Wetters sind all jene, die sich aus beruflichen Gründen oder wegen Aktivitäten in der Freizeit in der freien Natur bewegen. Darum ist es nicht verwunderlich, dass sich die Menschen schon seit jeher mit dem Wetter beschäftigten. Um etwas über das künftige Wetter zu erfahren, musste man sich lange Zeit ausschliesslich auf Beobachtungen in der Natur abstellen. Die Beurteilung der Wolkenentwicklung, der Windströmung oder das Verhalten von Tieren waren oft die einzige Grundlage, um Hinweise für die weitere Wetterentwicklung der nachfolgenden Tage, Wochen oder sogar Monate zu bekommen. Viele der daraus abgeleiteten Regeln, die zum Teil in Reimform abgefasst sind, wurden über Generationen weitergegeben.

Selbst in der Pionierzeit des Alpinismus fehlten die Möglichkeiten, sich auf wissenschaftliche Erkenntnisse aufgebaute Wetterprognosen abzustützen. Viele Vorgänge und Zusammenhänge in der Atmosphäre kannte man noch nicht, und auch der Klimawandel mit all seinen Auswirkungen beschäftigte niemanden. Damals standen bei den Besteigungen von Bergen nicht selten naturwissenschaftliche Fragestellungen weit über den sportlichen Zielen oder den klettertechnischen Schwierigkeiten. Um beispielsweise die Geheimnisse des Luftdrucks, der Luftfeuchtigkeit oder der Lufttemperatur mit zunehmender Höhe zu enträtseln, wurden manchmal meteorologische Messinstrumente mitgetragen. Die dabei gewonnen Erkenntnisse waren wertvoll und wirkten sich in der Folge nachhaltig bei der Entwicklung von Methoden für die Erstellung von Wettervorhersagen aus.

Heute ist die Zeit, wo man sich für die Abschätzung der zu erwartenden Wetterentwicklung ausschliesslich mit der Interpretation von Wolkenbildern, Druckänderungen oder Windströmungen begnügen muss, längst vorbei. So komplex das Thema Wetter –besonders im Gebirge – sein mag, so einfach ist es heutzutage, sich darauf vorzubereiten. Selbst in entlegenen Gebieten ist es fast überall möglich geworden, mit dem Mobiltelefon oder dank Internetanschluss in Berghütten detaillierte, auf wissenschaftlicher Basis abgestützte Wetterinformationen für die Tourenplanung zu beziehen.

In der heutigen Zeit darf man sich mit viel mehr Vertrauen auf die Dienstleistungen der Wettervorhersagedienste abstützen, als das noch vor 20 oder 30 Jahren der Fall gewesen ist. In den letzten Jahrzehnten gab es bei den Vorhersagemethoden zahlreiche Entwicklungen, die zu einer stetigen Verbesserung der Prognosequalität führten. Besonders verbessert hat sich die Trefferrate der Mittelfristprognosen mit einer Gültigkeitsdauer von fünf bis zehn Tagen. Fortschritte bei der Erfassung des Wetters, neue Methoden und leistungsfähigere Computer werden die Qualität der Vorher-

sagen weiter ansteigen lassen. Da jedoch das Wetter mit all seinen Spielformen ein Bestandteil der Natur ist und bleibt, wird es sich auch in Zukunft – trotz weiteren Anstrengungen – niemals mit hundertprozentiger Genauigkeit prognostizieren lassen. Grundkenntnisse über die Zusammenhänge beim Wetter gehören daher weiterhin zu einem wichtigen Rüstzeug für all diejenigen, die in der freien Natur unterwegs sind. Wer unterwegs das Wettergeschehen aufmerksam verfolgt, der kann wahrscheinlich eine sich abzeichnende Wetterentwicklung frühzeitig erkennen und den daraus möglicherweise entstehenden, wetterbedingten objektiven Gefahren angemessen begegnen. Der für solche Entscheide notwendige Erfahrungsschatz lässt sich allerdings nicht mit dem Lesen eines Buches über das «Wetter» von einem Tag auf den andern aufbauen. Ein permanentes Interesse am Wetter, insbesondere an den Wolkenbildern, sollte daher für jeden naturverbundenen Menschen eine Selbstverständlichkeit sein.

1982 hat der SAC-Verlag seine erste Lehrschrift dem Thema «Wetter» gewidmet. Das ursprünglich für Ausbildungskurse des SAC verfasste Buch löste erfreulicherweise weit über den SAC-Kreis hinaus ein positives Echo aus. Weitere, überarbeitete und dem neusten Stand der Wissenschaft angepasste Auflagen folgten. Sie hatten alle das Ziel, bei all jenen, die hauptsächlich in den Bergen unterwegs sind, das Verständnis für die Wettervorgänge praxisorientiert, in knapper und möglichst anschaulicher Form zu fördern. In der nun fällig gewordenen 6. Auflage ist von dieser Zielsetzung nicht abgerückt worden.

Gegenüber den vorangegangenen Auflagen gab es einige Anpassungen und Erweiterungen. Am augenfälligsten dürfte die Veränderung des Erscheinungsbildes sein. Sie trägt die Handschrift von Fabrice Villard von der Firma Villard Kommunikationsmedien GmbH in Münchenbuchsee und der Egger AG, Print und Dialog, in Frutigen. Auch der Inhalt wurde auf den neusten Stand gebracht. Wertvolle Anregungen dazu bekam ich vom langjährigen Ausbildner für Gebirgsmeteorologie in SAC-Kursen, Philippe Gyarmati, und von Dani Gerstgrasser von der MeteoSchweiz, der mir nebst fachlichen Ratschlägen auch verschiedene Fotos für das Buch zur Verfügung stellte. Besonders freut mich, dass das Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie (MeteoSchweiz) die 6. Auflage des Buches «Wetterkunde für Wanderer und Bergsteiger» wiederum unterstützt hat. Damit dokumentiert die MeteoSchweiz ihre Verbundenheit zum SAC.

Wertvolle Unterstützung erhielt ich auch von René Wellig, Leiter Verkauf und Marketing Egger AG, von Andreas Mathyer, Leiter des SAC-Verlags, und von Shana Hirschi (Layout) sowie dem Korrektorat der Egger AG für das Überlesen meiner Manuskripte nach orthografischen Regeln. Ihre grosse Fachkompetenz und ihre konstruktiven Ratschläge haben die Zusammenarbeit ausgesprochen angenehm gemacht. Nicht vergessen will ich meine Frau, bei der ich grossen Rückhalt für dieses Vorhaben fand.

Allen, die mir bei der Erstellung der 6. Auflage mit Rat und Tat beistanden, gehört mein aufrichtiger Dank.

Gerne hoffe ich, dass dieses Buch wieder gut aufgenommen wird und helfen möge, das Wetter ein bisschen besser zu verstehen, einzuschätzen und zu bestaunen.

Wangen ZH, im Juli 2017 Peter Albisser

Abb. 2: Nach einem wolkenlosen Vormittag wachsen am Nachmittag immer mehr Quellwolken in die Höhe. Es empfiehlt sich, die Wolkenentwicklung genau im Auge zu behalten. Es drohen Regenschauer und Gewitter.

1. Antriebsmotor für das Wetter

Die Sonne ist als Energiespender für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Viele wichtige Prozesse auf unserem Planeten, wie das Wetter, das Klima und das Leben selbst, werden durch die Strahlungsenergie der Sonne angetrieben und teilweise überhaupt ermöglicht.

Die Ursache für die gewaltige Energieproduktion der Sonne sind die thermonuklearen Reaktionen in ihrem Kern. Dabei wird durch das Verschmelzen von Wasserstoffatomen zu schwereren Heliumatomen, durch Kernfusion, gewaltige elektromagnetische Strahlungsenergie frei, die in einem mehr oder weniger konstanten Fluss nach allen Seiten fortwährend in den Weltraum ausgestrahlt wird. Davon erreicht schlussendlich nur ein winziger Bruchteil der ursprünglich erzeugten Energiemenge die Erde, nämlich etwa der zweimilliardenste Teil.

Was ist der zweimilliardenste Teil?

Es gibt wahrscheinlich nur wenige, die sich unter dem Begriff «der zweimilliardenste Teil» etwas vorstellen können. Der nachfolgende Vergleich soll verdeutlichen, wie wenig von der gesamten Sonnenenergie schliesslich auf der Erde zur Verfügung steht. Würde die gesamte Sonnenenergie dem Wasserinhalt des Vierwaldstättersees entsprechen, so wäre «der zweimilliardenste Teil» davon etwa 7 m3 Wasser, der aus dem See entnommen wird!

Die an der Obergrenze der Atmosphäre bei mittlerem Sonnenabstand jede Sekunde senkrecht auf eine Fläche von einem Quadratmeter einfallende mittlere Strahlungsenergie beträgt 1368 Watt pro Quadratmeter (W/m2). Sie wird als Solarkonstante bezeichnet und ist, wie neuere Messungen bestätigen, über lange Zeiträume hinweg nur kleinen Schwankungen unterworfen.

Ein grosser Teil der von der Sonne ausgesandten Strahlung liegt in einem Wellenlängenbereich, der vom menschlichen Auge als Licht wahrgenommen wird. Es teilt sich in die bekannten, ineinander übergehenden Spektralfarben Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot auf.

Die Röntgen- und Ultraviolettstrahlung weist kürzere Wellenlängen auf als das sichtbare Licht. Dieser kleinere Anteil der Sonnenstrahlung, der für die Menschen gefährlich ist, wird dank den fotochemischen Reaktionen in der Ozonschicht im oberen Teil der Erdatmosphäre zu einem grossen Teil aufgefangen.

Daneben erreicht uns aber auch noch andere unsichtbare Strahlung, die als wärmend empfundene infrarote Strahlung. Sie hat grössere Wellenlängen als das sichtbare Licht.

Ungefähre Verteilung der Sonnenstrahlung:

1.1 Erwärmung der Erde

Für die Strahlung wirkt die Erdatmosphäre wie die Glasscheibe eines Gewächshauses. Die kurzwellige Strahlung der Sonne vermag die Lufthülle recht problemlos zu durchdringen, wobei nur ein Teil direkt auf die Erdoberfläche gelangt. Der Rest wird von der Atmosphäre aufgefangen und absorbiert, beziehungsweise an der Obergrenze von Wolken, an Staubteilchen oder an hellen Oberflächen der Erde reflektiert. Wegen diesen Effekten steht schliesslich im weltweiten Jahresdurchschnitt nur etwa die Hälfte von der «am oberen Rande» der Atmosphäre einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung für die Erwärmung der Erdoberfläche zur Verfügung. An der Erdoberfläche wird die kurzwellige Strahlung der Sonne in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Die erwärmte Erdoberfläche heizt dann – ähnlich wie eine Kochplatte –die Lufthülle von unten.

Da jedoch die Atmosphäre für langwellige Wärmestrahlung schlechter durchdringbar ist, bleibt ein Teil davon gefangen. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt läge die Durchschnittstemperatur auf der Erde rund 33 °C tiefer: statt bei +15 bei lebensfeindlichen –18 °C.

Zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung und der von der Erde wieder abgegebenen Wärmestrahlung herrscht grossräumig gesehen mehr oder weniger ein Gleichgewichtszustand. Aus diesem Grund sind die Temperaturverhältnisse über die ganze Erde als Ganzes betrachtet relativ stabil.

Wenn jedoch die Strahlungsverhältnisse kleinräumiger angeschaut werden, so gibt es einige Faktoren, die dieses Gleichgewicht nachhaltig beeinflussen. Es sind dies hauptsächlich:

• die Albedo der Erdoberfläche

• der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und die Dauer ihrer Einwirkung

• die Bewölkung, die Luftfeuchtigkeit, die Treibhausgase und die Trübungspartikel

• der Wärmetransport durch Wind und Meeresströmungen

1.2 Die Albedo

Die Albedo ist ein Mass für das Rückstrahlvermögen einer Oberfläche. Sie entspricht dem Verhältnis von reflektiertem zu einfallendem Licht. Sie kann Werte zwischen 0 (kein Licht reflektiert) und 1 (alles Licht reflektiert) annehmen. Sie lassen sich auch in Prozent ausdrücken (0 bis 100 %).

Die Albedo einer Oberfläche hat einen grossen Einfluss auf die Temperaturverhältnisse. Dunkle und raue Oberflächen absorbieren die einfallende Sonnenenergie. Dadurch steigen die Temperaturen der von der Sonne beschienenen Oberflächen kräftig an. Helle und glatte Flächen wirken hingegen wie ein Spiegel. Sie werfen das Sonnenlicht zurück und als Folge davon ist die Erwärmung einer hellen Oberfläche viel geringer als bei einer dunkeln. Beeinflusst wird die Albedo aber auch vom Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung. Wenn die Sonne hoch am Himmel steht, hat beispielsweise Wasser eine Albedo von 3 bis 10 %. Ist der Sonnenstand jedoch tief, treffen die Strahlen flacher auf die Wasseroberfläche. Entsprechend werden rund 70 % der anfallenden Energie wieder zurückgeworfen.

Einige Albedo-Werte bei senkrechter Sonneneinstrahlung:

– 70 %

Die Albedo einer Oberfläche bestimmt weitgehend, wie stark sich die Luft über dem Erdboden erwärmt. Die damit entstehenden Temperaturunterschiede haben einen entscheidenden Einfluss für klein- und grossräumige Wetterabläufe.

1.3 Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und die Dauer ihrer Einwirkung

Die Erde wandert in rund 149 Millionen Kilometer Entfernung auf einer leicht elliptischen Bahn um die Sonne. Dazu braucht sie rund 365 Tage. Gleichzeitig dreht sie sich innerhalb von 24 Stunden um die eigene Achse, die gegenüber der Umlaufebene um 23,5° geneigt ist (Abb. 3 und 4, S. 18).

Abb. 3: Die mit geneigter Erdachse um die Sonne rotierende Erde ist verantwortlich für die verschiedenen Jahreszeiten.

Die Drehung der Erde um ihre eigene Achse bewirkt Tag und Nacht. Am Tag wird die Erde von der Sonne beschienen und erwärmt, in der Nacht kühlt sie sich ab. Die Erwärmung und die Abkühlung hängen stark von den Bewölkungsverhältnissen und von der Beschaffenheit des Erdbodens ab.

Die Jahreszeiten hingegen sind eine Folge der Neigung der Erdachse zu der Ebene ihrer Bahn um die Sonne. Wenn der Nordpol zur Sonne geneigt ist, herrscht auf der Nordhalbkugel Sommer, während zur gleichen Zeit die Südhalbkugel Winter hat. Sechs Monate später sind die Verhältnisse umgekehrt. Besonders ausgeprägt sind die Jahreszeiten zwischen den Polarkreisen bei 66,5 °N bzw. 66,5 °S und den Polen (Abb. 4).

Abb. 4: Position der Erde während dem Winter auf der Nord- und dem Sommer auf der Südhalbkugel.

In den Gebieten zwischen den Polarkreisen und den Polen erscheint im Winter zumindest an einem Tag die Sonne nicht mehr über dem Horizont. Je weiter man sich den Polen nähert, um so grösser wird die Anzahl der sonnenlosen Tage. An den Polen selbst dauert die Polarnacht sechs Monate.

Im Sommer ist es gerade umgekehrt. Innerhalb der Polarkappe geht die Sonne mindestens an einem Tag überhaupt nicht mehr unter und je näher man dem Pol kommt, umso länger dauert die Zeit, während der es nicht mehr dunkel wird.

Die Energiezufuhr auf der Erde hängt ganz entscheidend von der Sonnenscheindauer ab. Sie schwankt im Schweizer Alpenraum im Jahresdurchschnitt – je nach Region –zwischen 1400 und 2200 Stunden. In den sonnenscheinreichsten Zonen der Erde hingegen scheint die Sonne im langjährigen Mittel doppelt bis dreimal so lange wie bei uns.

Die Abnahme der Temperatur mit zunehmender geografischer Breite ist jedoch hauptsächlich auf die Kugelgestalt der Erde zurückzuführen. In der Nähe des Äquators, in den Tropen, treffen die Sonnenstrahlen mit steilerem Einfallswinkel als in den polaren Regionen auf die Erde. Die auf dem Boden anfallende Energiemenge pro Quadratmeter ist daher am Äquator viel grösser als in den polaren Gebieten. Dazu kommt, dass bei steil einfallenden Sonnenstrahlen der Weg durch die Atmosphäre kürzer ist und entsprechend weniger Strahlung absorbiert und reflektiert werden kann. Wenn die Sonne bei wolkenlosem Himmel 50° über dem Horizont steht, so ist die Energiezufuhr mehr als 12-mal grösser als bei einem Sonnenstand von 5°.

Zwischen den Gebieten in der Nähe des Äquators und den polaren Gegenden herrscht ein Strahlungsungleichgewicht. In den niederen Breiten ist die Sonneneinstrahlung grösser als die effektive Ausstrahlung, während in hohen Breiten die Ausstrahlung die Einstrahlung übertrifft. Bei etwa 35° geografischer Breite halten sich die Ein- und Ausstrahlung etwa die Waage (Abb. 5, S. 20). Wäre der Strahlungshaushalt alleine für die Temperaturverteilung auf der Erde verantwortlich, würde es in den Tropen immer wärmer und in den Polarregionen immer kälter. Das ist aber glücklicherweise nicht der Fall. Grund dafür sind Wind- und Meeresströmungen, die ständig Wärme aus tropischen Breiten polwärts und kältere Luft und kälteres Meerwasser zum Ausgleich äquatorwärts transportieren. Sie sorgen dafür, dass die regional unterschiedlichen Strahlungsverhältnisse ausgeglichen werden und Temperaturen in den verschiedenen Klimagebieten weitgehend konstant bleiben.

Abb. 5: Die von der Sonne kommende Strahlung bewirkt in den äquatorialen Zonen einen Energieüberschuss, in den polaren Breiten hingegen hat es ein Energiedefizit. Luft- und Meeresströmungen sorgen für einen Ausgleich der Energieunterschiede.

1.4 Bewölkung, Luftfeuchtigkeit, Treibhausgase und Trübungspartikel

Nebst der Sonnenscheindauer und der Sonnenhöhe (der Stand der Sonne über dem Horizont) haben aber auch die Bewölkung, der Wasserdampfgehalt der Luft sowie die Treibhausgase (besonders Kohlenstoffdioxid und Methan) und die in der Atmosphäre schwebenden Aerosole (siehe Kasten S. 21) grossen Einfluss auf die Energiebilanz und damit auf die Temperaturverhältnisse an einem bestimmten Ort.

In unseren Breiten ist an der Erdoberfläche beispielsweise bei einer geschlossenen Wolkendecke der von der Sonne kommende Energieeinfall rund viermal geringer als bei wolkenlosen Verhältnissen. Entsprechend steigen die Tagestemperaturen an Tagen mit starker Bewölkung viel weniger an als bei heiterem Wetter. In der Nacht

hingegen behindert die Wolkendecke die Abstrahlung. Als Folge davon sinken die Temperaturen in wolkenarmen oder wolkenlosen Nächten markant tiefer als bei bedecktem Himmel. Die nächtliche Abstrahlung ist oft entscheidend, ob eine Schneedecke gefriert, und damit tragfähig wird, oder nicht.

Neben der Bewölkung beeinflussen auch die Aerosole und der Wasserdampfgehalt die Strahlungsverhältnisse. In trockener und sauberer Luft kann die Wärme gut ins Weltall abgestrahlt werden und entsprechend sinken die Temperaturen in der Nacht tiefer. Im Gegenzug steigen die Temperaturen tagsüber stark an, weil die Sonnenstrahlung praktisch ungehindert auf die Erdoberfläche gelangen kann. Bei solchen Verhältnissen sind auch die Sichtverhältnisse ausgezeichnet. Umgekehrt verhält es sich bei feuchter und verschmutzter Luft. Die Maximaltemperaturen sind tiefer, die Temperaturminima höher und die Sichtverhältnisse schlechter.

Aerosole

Aerosole sind Gase, die kleinste feste oder flüssige Schwebestoffe (z.B. Russ- und Salzpartikel, Staub, Nebeltröpfchen) enthalten. Das wichtigste natürliche Aerosol ist die Lufthülle. Aerosole spielen bei den Strahlungsprozessen und als Kondensationskerne bei der Wolkenbildung eine wichtige Rolle. Sie beeinflussen damit Wetter und Klima.

1.5 Auswirkung der Sonnenstrahlung in den Bergen

In den Bergen können sich wegen der Geländeform (z.B. Steilheit und Exposition) sowie wegen der Bodenbedeckung (z.B. Schnee oder Fels), die Strahlungsverhältnisse auf kurze Distanz stark ändern.

Je nach Jahreszeit bewegt sich bei uns der Einfallswinkel der Sonne in einem recht grossen Bereich. Der Winkel zwischen dem Horizont und der Sonne beträgt um die Mittagszeit an einem Sommertag rund 66°, in der Zeit der kürzesten Tage nur noch etwa 19°. Das hat zur Folge, dass steile Nordhänge im Winter während mehreren Monaten im Schatten bleiben.

Nach Süden ausgerichtete Berghänge werden hingegen das ganze Jahr über von der Sonne beschienen und erwärmt, im Winter allerdings deutlich schwächer.

Der resultierende Temperaturunterschied hat Auswirkungen auf die Umwandlung der Schneedecke oder auf die Vegetation. So sind an Südhängen entlang verlaufende Bergpfade viel rascher wieder trocken oder schneefrei als solche, die nur für kurze Zeit oder überhaupt nicht von der Sonne berührt werden.

Wie verschieden die Schneeverhältnisse aufgrund der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung sein können, erleben all jene immer wieder, die in den Bergen mit den Skiern unterwegs sind. Nur wer über die nötige Erfahrung verfügt, ist in der Lage, für die Abfahrt die Hänge zu finden, die möglichst günstige Schneeverhältnisse versprechen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass neben der Temperatur auch der Wind und die Luftfeuchtigkeit nachhaltig auf die Umwandlung der Schneedecke wirken.

Die Erwärmung hängt aber auch von der Bodenbedeckung ab. Neuschnee reflektiert die einfallende Sonnenenergie viel stärker als Altschnee oder Eis (siehe Tabelle S. 17). Diese unterschiedliche Erwärmung bewirken mehr oder weniger starke lokale Windströmungen.

Abb. 6: Die Sonne ist hinter einer hochaufgetürmten Quellwolke verschwunden. Dabei sind an den Wolkenrändern fächerartige Strahleneffekte entstanden. Sie können sich nur dann bilden, wenn die Atmosphäre viele kleine Wassertröpfchen oder Staubpartikel enthält.

2. Lufthülle

2.1 Zusammensetzung

Die Erde ist von einer Lufthülle umgeben, die als Atmosphäre bezeichnet wird. Trockene, wasserdampffreie Luft setzt sich aus verschiedenen Gasen zusammen. Ihre vier Hauptkomponenten sind (Angaben in Volumenprozenten): Stickstoff (rund 78 %), Sauerstoff (rund 21 %), Argon (0,9 %) und Kohlendioxid (0,04 %). Der Anteil des durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehenden Kohlendioxids hat in den letzten Jahrzehnten sukzessive zugenommen und die Tendenz ist weiter steigend. Die Menge des in der Lufthülle vorhandenen Kohlendioxids ist – im Unterschied zu den anderen Hauptkomponenten – abhängig von Ort, Tages- und Jahreszeit.

Nebst den vier Hauptkomponenten kommen in der Luft noch geringe Anteile anderer Gase wie Ozon, Methan, Schwefeldioxid, Argon, Neon, Helium, Krypton und Xenon vor. Das Mischungsverhältnis der erwähnten Gase ändert sich bis in grosse Höhen nicht. Erst oberhalb von etwa 120 Kilometern kommt es zu einer allmählichen Trennung der schweren (z. B. Sauerstoff, Stickstoff) von den leichten Gasen (z. B. Helium). In feuchter Luft hat es eine mehr oder weniger grosse Menge von gasförmigem Wasser, dem unsichtbaren Wasserdampf. Der Gehalt des Wasserdampfs innerhalb der Atmosphäre schwankt sowohl über den verschiedenen Teilen der Erde wie auch in den verschiedenen Höhen, ebenso von Tag zu Tag wie auch von Jahreszeit zu Jahreszeit. Im Winter kann sein Gehalt über dem kalten Festland nur wenige hundertstel Prozent betragen. Über den grossen Wasserflächen der Tropen vermag hingegen der Volumenanteil des Wasserdampfs bis auf maximal 4 % ansteigen. Bei dieser Luftfeuchtigkeit wird Luft als ausgesprochen schwül empfunden.

Der Wasserdampf ist für viele atmosphärische Prozesse enorm wichtig. Er spielt für den Strahlungshaushalt der Erde und für die Bildung von Wolken und Niederschlag eine entscheidende Rolle.

Zusätzlich zu den genannten Gasen enthält die Luft Verunreinigungen wie Staub-, Russ- und andere Schwebeteilchen. Diese in der Atmosphäre enthaltenen, kleinsten Partikel wirken als Kondensationskerne und sind für die Wolken- und Niederschlagsbildung (Hagel, Schnee, Regen) zwingende Voraussetzung. Bei Sättigung der Luft kondensiert der gasförmige, unsichtbare Wasserdampf an den mikroskopisch kleinen Teilchen und es bilden sich kleinste, sichtbare Wassertröpfchen (Nebel, Wolke, Tau).

Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt geht der dampfförmige Wasserdampf direkt in den festen Aggregatzustand über, wobei es zur Bildung von Eiskristallen oder Reif kommt.

Argon 0,9 %

Kohlendioxid 0,04 %

übrige Gase 0,06 %

21 %

Sauerstoff

78 %

1 % Stickstoff

Abb. 7: Zusammensetzung der trockenen Luft in Volumenprozenten.

Steigendes CO 2

Das durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehende Kohlendioxid kann von Pflanzen aufgenommen und wieder in Sauerstoff umgewandelt werden. Dieser komplizierte biologische Kreislauf wird als Fotosynthese bezeichnet. Damit dieser Prozess unter Mitwirkung von Blattgrün (Chlorophyll) in Gang kommt, benötigen die Pflanzen Wasser aus dem Erdboden und Energie von der Sonne.

In unserer heutigen Gesellschaft wird mehr Kohlendioxid erzeugt, als durch Pflanzen wieder in Sauerstoff umgewandelt werden kann. Dadurch steigt der Anteil des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosphäre weiter an.

2.2 Vertikaler Aufbau

Die Atmosphäre umschliesst die Erde mit einigen klar unterscheidbaren Kugelschalen (Sphären), wobei die einzelnen Schichten durch Knickstellen im Temperaturverlauf voneinander getrennt sind (Abb. 8).

Abb. 8: Vertikaler Aufbau der Atmosphäre. Die Temperatur nimmt, entgegen der allgemeinen Meinung, mit zunehmender Höhe nicht stetig ab. Knickstellen im Temperaturverlauf unterteilen die Lufthülle in verschiedene, klar unterscheidbare Stockwerke.

Die unterste Schicht wird als Troposphäre bezeichnet. In ihr nimmt die Lufttemperatur mit zunehmender Höhe ab, und zwar beträgt diese Temperaturabnahme, je nach Feuchtigkeitsgehalt, 0,6 bis 1,0 ºC pro 100 Meter. In der Troposphäre ist fast der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre konzentriert. Das Wetter mit all seinen Facetten spielt sich darum fast ausschliesslich in dieser Schicht ab.

Die Obergrenze der Troposphäre wird als Tropopause bezeichnet. In dieser Höhe liegt die Temperatur meist zwischen –50 und –60 ºC. Die Höhe der Tropopause ist allerdings sehr unterschiedlich. Sie ist abhängig von der geografischen Breite, von der Jahreszeit und von der Wetterlage. In den polaren Gegenden liegt sie normalerweise bei ungefähr 8 Kilometern, in den Tropen bei etwa 16 Kilometern.

Der «Wetterraum», eine dünne Schicht um den Globus

Im Vergleich zum mittleren Durchmesser der Erde ist die Troposphäre, der Raum, in dem sich das Wettergeschehen hauptsächlich abspielt, nur eine sehr dünne Haut. Auf einem Erdglobus im Massstab 1 : 40 Millionen mit einem Durchmesser von etwa 32 cm hätte die Troposphäre bloss eine Dicke von 0,2 – 0,5 mm!

Das nächstfolgende Stockwerk wird Stratosphäre genannt. Diese Schicht zeichnet sich durch wieder steigende Temperaturen aus. Grund für die Erwärmung ist die Absorption der Ultraviolettstrahlung aus dem Sonnenlicht durch das dort in erhöhter Konzentration vorhandene Ozon, eine Sonderform des Sauerstoffes. Die obere Begrenzung der Stratosphäre bildet das Temperaturmaximum bei ungefähr 50 Kilometern. Die Temperaturen erreichen dort wieder ähnliche Werte wie auf der Erdoberfläche. Darüber, in der Mesosphäre, nimmt die Temperatur nach oben erneut ab, um dann in der Thermosphäre wieder kräftig anzusteigen. Die Lufthülle hat keine genau definierte obere Begrenzung, sondern sie geht kontinuierlich in den interplanetaren Raum über.

2.3 Wichtiges Ozon in der Stratosphäre

Ozon erfüllt die wichtige Aufgabe, den schädlichen Teil der Ultraviolettstrahlung von der Erdoberfläche fernzuhalten. Diese Abschirmung ist allerdings nicht vollständig. Die Ozonschicht absorbiert bzw. reflektiert etwa 95 % der von der Sonne kommenden Ultraviolettstrahlung, sodass schliesslich nur ein geringer Anteil die Erdoberfläche erreicht. Andernfalls hätte dies dramatische Auswirkungen auf alle Organismen! Durch menschliche Aktivitäten ist die schützende Ozonschicht in der Stratosphäre stark angegriffen und zum Teil sogar durchlöchert worden. Grund dafür sind künstlich erzeugte Spurengase (besonders Fluorkohlenwasserstoffe FCKW), die ozonzerstörende, chemische Reaktionen auslösen. Die davon ausgehenden Gefahren sind erkannt worden und in den Industrieländern ist seit 1996 die Produktion von FCKW verboten. Inzwischen sind die Erfolge dieses Verbots deutlich messbar. Es wird aber Jahrzehnte dauern, bis sich die Ozonschicht wieder erholt hat.

3. Luftdruck

Eine der wichtigsten Messgrössen ist in der Meteorologie der Luftdruck. Auch wenn man die Luft nicht sehen kann, übt sie einen Druck auf die Erdoberfläche aus, der von der Luftmenge oberhalb des betrachteten Niveaus abhängt. Der Luftdruck ist daher über tiefer gelegenen Gebieten grösser als in der Höhe. Da die Luft komprimierbar ist, ändert sich der Druck allerdings nicht linear mit zunehmender Höhe, sondern exponentiell. Das heisst, man hat 3000 Meter über Meer bereits etwa einen Drittel des Gewichts der Erdatmosphäre unter sich, auf einer Höhe von 5500 Metern hat der Luftdruck bereits um die Hälfte abgenommen, und in 11 000 Metern hat er sich nochmals um die Hälfte verringert, d.h. er beträgt nur noch einen Viertel seines ursprünglichen Wertes.

Änderung des Luftdrucks mit der Höhe

Die Änderungen des Luftdrucks mit der Höhe lassen sich immer wieder feststellen. So werden leere Petflaschen, die von einer hoch gelegenen Hütte ins Tal gebracht werden, zusammengedrückt. Viele Menschen, die innert kurzer Zeit eine grosse Höhendifferenz überwinden, verspüren einen Druck in den Ohren.

Die Luftdruckabnahme mit der Höhe hat Auswirkungen auf die Atmung. Die Zusammensetzung der Luft ändert sich zwar mit zunehmender Höhe nicht. Der Sauerstoffanteil beträgt überall rund 21 %, doch die Anzahl der Sauerstoffmoleküle, die in einem bestimmten Luftvolumen vorhanden sind, geht parallel zum Luftdruck zurück. Im Vergleich zur Meereshöhe steht auf den höchsten Alpengipfeln nur noch etwas mehr als die Hälfte, auf Höhe des Mount Everest nur noch etwa ein Drittel des lebensnotwendigen Sauerstoffs zur Verfügung. Das wirkt sich beim Bergsteigen mit Kurzatmigkeit, also in einer erhöhten Atemfrequenz, aus. Mit einer ausreichenden Akklimatisation können sich viele Menschen bis zu einem gewissen Grad an die Verhältnisse in der Höhe anpassen. Wie weit eine solche Anpassung funktioniert, hängt von der Veranlagung jedes Einzelnen ab.

Der Luftdruck hat aber auch Auswirkungen auf den Siedepunkt von Wasser und anderen Flüssigkeiten. Ist der Luftdruck tief, so siedet das Wasser früher, bei hohem Umgebungsdruck muss die Wassertemperatur auf einen höheren Wert erwärmt

werden, bis der Siedepunkt erreicht wird. Der Rückgang des Siedepunkts mit zunehmender Höhe verläuft annähernd linear und beträgt 1 °C pro 300 Meter. Diese Abhängigkeit bewirkt in höheren Lagen – falls kein Dampfkochtopf zur Verfügung steht – längere Kochzeiten als in den Niederungen (Tabelle S. 33).

Das Gewicht der Luftsäule, die vertikal über einem Ort vom Boden bis zur Obergrenze der Atmosphäre reicht, kann mit dem Barometer gemessen werden. Evangelista Torricelli (italienischer Physiker des 17. Jahrhunderts) demonstrierte als Erster, dass die Luft unter normalen Verhältnissen auf Meereshöhe das gleiche Gewicht wie eine Quecksilbersäule von 760 Millimetern Höhe hat. Als Masseinheit für den Luftdruck wurde damals entsprechend die Länge der Quecksilbersäule benutzt (Abkürzung: mm Hg oder Torr).

In der Meteorologie wird heute als Einheit für den Druck das Hektopascal (hPa) gebraucht. Es ist zahlengleich mit der früher in der Meteorologie verwendeten Einheit Millibar (mbar). Für die Umrechnung der gebräuchlichsten Druckeinheiten gilt:

760 mm Hg oder Torr = 1013,25 mbar = 1013,25 hPa

Abb. 9: Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe nicht gleichmässig ab.

4. Höhenmesser

Bei vielen Aktivitäten in der freien Natur ist es sinnvoll, einen Höhenmesser bei sich zu haben. Damit lässt sich leicht und zuverlässig die Höhe eines Standpunkts oder Objekts bestimmen, was bei schlechten Sichtbedingungen für die Orientierung enorm wichtig sein kann.

Die meist verwendeten, altbewährten Höhenmesser funktionieren barometrisch, also über den Luftdruck. Sie stützen sich auf das Prinzip, dass der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt.

Die am häufigsten verwendeten Höhenmesser lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen:

• klassische Geräte, die analog und ohne Energiezufuhr arbeiten

• digitale Höhenmesser mit multifunktionaler Ausstattung, die mit Batterie bzw. Akku betrieben werden

Digitale Höhenmesser verfügen meist über viele zusätzliche Funktionalitäten. Nebst der eigentlichen Höhe können auch weitere Daten wie Höhendifferenzen, zeitliche Verläufe, Maximalwerte usw. angezeigt werden. Sie haben meistens eine Datenschnittstelle, die eine Übertragung der erfassten Daten zu anderen Endgeräten ermöglicht.

4.1 Barometrische Höhenmesser

Barometrische Höhenmesser sind immer gemäss den Vorgaben der Standardatmosphäre geeicht. In ihr beträgt beispielsweise der Luftdruck auf Meereshöhe

1013,25 Hektopascal und die Temperatur 15 °C. Im Weiteren ist eine gleichmässige Temperaturabnahme von 0,65 °C pro 100 Meter und die Höhe der Tropopause auf 11 Kilometer festgelegt. Aus diesem Grund kann ein barometrischer Höhenmesser nur dann die genaue Höhendifferenz anzeigen, wenn die Atmosphäre am Ort seiner Verwendung mit der zugrunde gelegten Eichung übereinstimmt. Wenn nun die meteorologischen Verhältnisse einer durchschrittenen Luftsäule nicht der Standardatmosphäre entspricht, sind die angezeigten Höhenangaben mit mehr oder weniger grossen Fehlern behaftet und müssten eigentlich korrigiert werden. Für eine solche Korrektur wären aber zusätzlich noch Temperaturmessungen notwendig.

Grundsätzlich lässt sich sagen:

Bei kalten Wetterbedingungen sind:

• die vom Höhenmesser angezeigten Höhen zu tief

• die mit Hilfe des Höhenmessers bestimmten Höhendifferenzen grösser als diejenigen, die effektiv überwunden wurden

Bei warmen Wetterbedingungen sind:

• die vom Höhenmesser angezeigten Höhen zu hoch

• die mit Hilfe des Höhenmessers bestimmten Höhendifferenzen kleiner als diejenigen, die effektiv überwunden wurden

Abb. 10: Der Luftdruck an der Untergrenze und an der Obergrenze jeder Luftsäule ist gleich. Da die Temperaturen innerhalb der Luftsäulen verschieden sind, haben sie unterschiedliche Längen. In kalter Luft muss man weniger hoch steigen, um einen bestimmten Luftdruckwert zu erreichen als in warmer Luft. In warmer Luft muss man höher steigen, um einen bestimmten Luftdruckwert zu erreichen als in kalter Luft.

In der Praxis werden die Temperaturen der durchschrittenen Luftsäule für die Korrektur der angezeigten Höhenangaben, wegen dem damit verbundenen Zusatzaufwand, praktisch nie berücksichtigt. Mit einem regelmässig durchgeführten Höhenabgleich an bekannten Referenzpunkten (z. B. Wegkreuzungen, Triangulationspunkte, Berghütten, Passübergänge usw.) lassen sich jedoch die Fehler stark reduzieren. Es ist daher empfehlenswert, wenn alle 300 bis 400 Meter Höhendifferenz, jede Stunde oder nach etwa 3 bis 5 Kilometern Horizontaldistanz ein Höhenabgleich gemacht wird. Besonders wichtig sind die regelmässigen Abgleiche bei extrem kalten oder warmen Tagen. Bei diesen Wetterlagen sind nämlich die Abweichungen zwischen den Vorgaben der Standardatmosphäre und der effektiven Atmosphäre besonders gross.