Grundriss Allgemeine Geographie 3099

Klimatologie

Bearbeitet vonWilhelm Kuttler

1. Auflage 2008. Taschenbuch. 260 S. PaperbackISBN 978 3 8252 3099 9

Format (B x L): 15 x 21,5 cmGewicht: 394 g

Weitere Fachgebiete > Geologie, Geographie, Klima, Umwelt > Geologie >Meteorologie, Klimatologie

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UTB 3099

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Wilhelm Kuttler

Klimatologie

Ferdinand SchöninghPaderborn · München · Wien · Zürich

Der Autor:Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Kuttler ist seit 1986 Professor für Klimatologie am Institut für Geographie an der Universität Duisburg-Essen, Campus Essen. Seine Arbeitsschwerpunkte liegen in der Stadt- und Geländeklimatologie.

Umschlagabbildung:Gewitterzelle über der Stadt Porto, Portugal. Foto: D. Dütemeyer

Bibliografi sche Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Gedruckt auf umweltfreundlichem, chlorfrei gebleichtem Papier � � �SO 9706

© 2009 Verlag Ferdinand Schöningh, Paderborn(Verlag Ferdinand Schöningh GmbH & Co. KG, Jühenplatz 1, D-33098 Paderborn)ISBN 978-3-506-76576-5

Internet: www.schoeningh.de

Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und straf-bar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfi lmungen und die Einspei-cherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Printed in Germany. Herstellung: Ferdinand Schöningh, PaderbornEinbandgestaltung: Atelier Reichert, Stuttgart

UTB-Bestellnummer: ISBN 978-3-8252-3099-9

INHALT 5

Inhalt

Vorwort 9

Klimatologische Begriffsbestimmungen 11

1.1 Einführung 11

1.2 Klima 121.2.1 Solares Klima 121.2.2 Klimasystem der Erde 14

1.3 Witterung und Wetter 15

1.4 Maßstabsbereiche und Zeitskalen 181.4.1 Maßstabsbereiche 181.4.2 Zeitskalen 18

1.5 Klimaelemente und Klimafaktoren 21

1.6 Häufig verwendete Größen und Einheiten in der Klimatologie 21

Der Planet Erde 25

2.1 Einführung 25

2.2 Stellung der Erde im Sonnensystem 26

2.3 Daten zur Gestalt und zum Aufbau der Erde 282.3.1 Gestalt der Erde 282.3.2 Aufbau der Erde 30

2.4 Bewegungsformen der Erde 312.4.1 Erdrevolution 312.4.2 Erdrotation 34

Atmosphäre, Luftdruck und Temperatur 37

3.1 Einführung 37

3.2 Zusammensetzung der Atmosphäre 38

1

2

3

6 INHALT

3.3 Aufbau der Atmosphäre 39

3.4 Luftdruck 433.4.1 Luftdruckmessung 443.4.2 Statischer und dynamischer Luftdruck 463.4.3 Darstellung des Luftdrucks 47

3.5 Temperatur 493.5.1 Temperaturmessungen 503.5.2 Temperaturverhalten 513.5.3 Temperaturveränderungen bei Vertikalbewegungen 54

Strahlungs- und Wärmehaushalt 59

4.1 Einführung 59

4.2 Herkunft und Intensität der Sonnenenergie 60

4.3 Strahlungsempfang auf der Erde 62

4.4 Solares Strahlungsspektrum 63

4.5 Strahlungs- und Wärmebilanz der Erdoberfläche 684.5.1 Strahlungs- und Wärmebilanz einer Rasenfläche 694.5.2 Wasserkörper und Landoberflächen 74

4.6 Globale Strahlungs- und Wärmebilanz 77

Wasser und seine klimatische Wirkung 79

5.1 Einführung 79

5.2 Struktur und Eigenschaften von Wasser 80

5.3 Hydrologischer Zyklus 84

5.4 Wasser- und Landoberflächen im strahlungsklimatischen Vergleich 86

5.5 Verdunstung 87

5.6 Luftfeuchtigkeit 91

5.7 Wolkenbildung 95

5.8 Niederschlag 100

Wind 105

6.1 Einführung 105

6.2 Kleinräumiger Wind 107

4

5

6

INHALT 7

6.3 Großräumiger Wind 1096.3.1 Luftdruckgradientkraft 1096.3.2 Corioliskraft 1106.3.3 Reibungskraft 1146.3.4 Zentrifugalkraft 115

6.4 Rotationsrichtung von Hoch- und Tiefdruckgebieten 116

6.5 Stürme und Orkane 117

Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre 123

7.1 Einführung 123

7.2 Ursache und Wirkung der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre 124

7.3 Erscheinungsbild der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre 1267.3.1 Einzellenmodell 1267.3.2 Dreizellenmodell 1267.3.2.1 Hadley-Zelle 1287.3.2.2 Ferrel-Zelle 1337.3.2.3 Polarzelle 140

7.4 Zusammenfassendes Bild der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre 140

7.5 Luftmassen 143

Klimatypen und Klimaklassifikation 147

8.1 Einführung 147

8.2 Klimatypen 1488.2.1 Maritimität und Kontinentalität 1488.2.2 Jahreszeiten- und Tageszeitenklima 1518.2.3 Westküsten- und Ostküstenklima 1538.2.4 Aridität und Humidität 156

8.3 Klimaklassifikationen 159

Bioklima und Geländeklima 167

9.1 Einführung 167

9.2 Bioklima 1689.2.1 Agrar- und Forstmeteorologie 1709.2.2 Phänologie 1719.2.3 Human-Biometeorologie 1749.2.3.1 Photoaktinischer Wirkungskomplex 1749.2.3.2 Thermischer Wirkungskomplex 1779.2.3.3 Lufthygienischer Wirkungskomplex 179

7

8

9

8 INHALT

9.3 Geländeklima 1859.3.1 Ebenes Gelände 1859.3.2 Reliefiertes Gelände 1879.3.3 Angewandte Geländeklimatologie 190

Stadtklima 193

10.1 Einführung 193

10.2 Das Stadtklima im Überblick 194

10.3 Ursachen des Stadtklimas 197

10.4 Klimawirksamkeit städtischer Oberflächen 19710.4.1 Thermische Eigenschaften 19810.4.2 Hydrologische Eigenschaften 199

10.5 Aufbau der Stadtatmosphäre 200

10.6 Städtische Energiebilanz 20210.6.1 Anthropogene Wärme 203

10.7 Städtische Überwärmung 204

10.8 Bodennahes Windfeld 208

10.9 Urbane Wasserbilanz 209

10.10 Städtische Luftqualität 210

10.11 Steuerung stadtklimatischer Prozesse 212

10.12 Stadtklima und globale Klimaentwicklung 213

Treibhauseffekt und Ozonloch 217

11.1 Einführung 217

11.2 Treibhauseffekt 21811.2.1 Natürlicher und zusätzlicher Treibhauseffekt 22011.2.2 Der CO2-Gehalt der Atmosphäre 22211.2.3 Einfluss atmosphärischer Partikeln auf den Treibhauseffekt 22611.2.4 CO2 und Temperaturabhängigkeiten 22711.2.5 Auswirkungen des Treibhauseffekts 228

11.3 Ozonloch 23111.3.1 Zur Problematik des stratosphärischen Ozons 23111.3.2 Ozonverteilung 23111.3.3 Auf- und Abbau des Ozons 23311.3.4 Antarktischer und arktischer Ozonschwund 23711.3.5 Auswirkungen des Ozonschwunds 238

Anhang 239

Farbtafeln 241

Literatur 249

Sachregister 255

10

11

9

Vorwort

Der vorliegende Überblick über die Klima-tologie vervollständigt die Reihe „Grund-riss Allgemeine Geographie“, die vonHeinz Heineberg seit Jahren erfolgreichherausgegeben wird. Das Buch stellt einevollständige Neufassung der seinerzeit zu-sammen mit Paul Busch veröffentlichtenzweiten Auflage der „Klimatologie“ indieser Reihe aus dem Jahr 1990 dar. DerVerfasser hat sich bemüht, komplexeSachverhalte möglichst einfach darzustel-len. Verschiedentlich werden klimatologi-sche Probleme durch Rechenaufgaben ver-tieft, deren Lösungswege und Ergebnissejeweils angegeben werden.

Das Buch richtet sich nicht nur an Stu-dierende und Lehrende geowissenschaft-licher Fächer, sondern auch an diejenigenLeserinnen und Leser, die sich mit denGrundlagen der Klimatologie einerseitsund einem sich ändernden Globalklima an-dererseits auseinandersetzen möchten.

Für die vielfältige Unterstützung bei derAnfertigung des Buches bedanke ich michbei folgenden Personen bzw. Institutionen:• Herrn Prof. Dr. Heinz Heineberg, Müns-

ter, als betreuenden und sehr geduldigenHerausgeber, der den gesamten Textdurchgesehen und zu seiner Verbesse-rung beigetragen hat,

• meinen mir seit vielen Jahren verbunde-nen Kollegen Prof. Dr. Helmut Mayerund Prof. Dr. Gerd Jendritzky, beideMeteorologisches Institut der Universi-tät Freiburg (Brsg.), für das Redigierenentsprechender Textabschnitte im Kapi-tel „Human-Biometeorologie“,

• Frau Kollegin Prof. Dr. K. Labitzke, Ins-titut für Meteorologie, Freie UniversitätBerlin, für die Überlassung von Abbil-dungen zur Temperaturverteilung der ark-tischen und antarktischen Stratosphäre,

• Herrn Kollegen Prof. Dr. Franz Rubel,Biometeorologie und MathematischeEpidemiologie Gruppe, Veterinärmedi-zinische Universität Wien, Österreich,für die Abdruckgenehmigung der nochnicht veröffentlichten Weltkarte derKöppen-Geigerschen Klimaklassifikationfür den Zeitraum 2076–2100,

• dem Deutschen Wetterdienst (DWD),Offenbach am Main, für die freundlicheÜberlassung von Wolkenbildern sowie

• meinen Mitarbeitern der Abt. Ange-wandte Klimatologie, Universität Duis-burg-Essen, insbesondere Herrn Dipl.-Umweltwissenschaftler Klaus Kordowskisowie Herrn Akad. Direktor Dr. A.-B.Barlag für die mühevolle Arbeit des Kor-rekturlesens.

Ganz besonderer Dank ergeht an HerrnDipl.-Ing. H. Krähe, der nicht nur mit gro-ßem persönlichen Einsatz das Manuskriptdruckfertig erstellte, sondern auch half,darin enthaltene fachliche Unstimmigkei-ten zu beseitigen.

Dem Ferdinand Schöningh Verlag seifür die Aufnahme in die Reihe „GrundrissAllgemeine Geographie“ und Herrn Dr.Sawicki für seine Geduld und begleitendeUnterstützung beim Zustandekommen desBuches gedankt.

Wilhelm KuttlerEssen, im September 2008

10

V

ORWORT

1.1

E

INFÜHRUNG

11

Klimatologische Begriffsbestimmungen

An den Anfang des Buches wird ein Kapi-tel gestellt, in dem grundlegende Begriffe,die für das klimatologische Verständniswichtig sind, erläutert werden. Hierbeiwird von der Definition des Begriffes Kli-

ma ausgegangen, und es werden die Be-dingungen der tages- und jahresperiodi-schen Sonneneinstrahlung vorgestellt, diedas „solare Klima“ ohne Beeinflussungdurch die Atmosphäre bestimmen. DerAbschnitt „Klimasystem“ stellt mittlereglobale Zusammenhänge zwischen deneinzelnen Teilbereichen der verschiedenenUmweltmedien auf der Erde dar. Das im

Abb. 1.1 Sonnenuhr auf der Bergehalde Hoheward (150 m ü.NN), die aus Schüttungen der Ze-chen Ewald und General Blumenthal/Haard zwischen den Städten Herten und Recklinghausen (NRW) entstand. Das Schattenende des Obelisken zeigt die wahre Ortszeit an.

Foto: N

EKES

1

1.1 Einführung

12

1

K

LIMATOLOGISCHE

B

EGRIFFSBESTIMMUNGEN

Gegensatz zum Klima eine wesentlich kür-zere Zeitspanne umfassende Wetter unddie einen etwas längeren Zeitabschnitt be-anspruchende Witterung werden nach ih-rem atmosphärischen Austauschverhaltenunterschieden und an charakteristischenBeispielen erläutert. Ferner erfolgt ineinem weiteren Abschnitt die Beschrei-bung von Zeitskalen und Raummaßstäben,die wichtige Einteilungskriterien für atmo-sphärische Prozesse sind. Bevor abschlie-ßend häufig verwendete Größen und Ein-heiten in der Klimatologie definiert wer-den, wird kurz auf die Begriffe Klimaele-ment und Klimafaktor eingegangen.

Als Teildisziplin der Meteorologie undGeographie ist die Klimatologie die Wis-senschaft von der Erforschung des Klimasund seiner Veränderungen. Mit dem Be-griff

Klima

werden alle Wettererscheinun-gen für einen bestimmten Zeitraum aneinem Ort oder in einem Gebiet zusam-mengefasst.

Angaben zum Klima sollen sich auf lan-ge Zeiträume beziehen; in der Regel han-delt es sich hierbei um 30 Jahre, für die

die Mittel- und Extremwerte sowie diestatistischen Häufigkeitsverteilungen derKlimaelemente aufbereitet werden. DieserZeitraum wurde von der Weltorganisationfür Meteorologie (WMO, Genf) als Stan-dard- oder Normalperiode festgelegt. Nor-malperioden waren zum Beispiel 1931–1960 sowie 1961–1990; diese werden imEnglischen als

CLINO

(climatologicalnormals) bezeichnet. Die Daten der Nor-malperioden stellen wichtige Bezugsgrö-ßen dar, mit deren Hilfe zum Beispielaktuelle Klimadaten verglichen und Aus-sagen über eine Klimaänderung vorge-nommen werden können. Eine zwar schonüber 160 Jahre alte, nach wie vor in ihrerAussage aber umfassende und treffendeKlimadefinition formulierte Alexandervon Humboldt (s. Kasten 1.1).

1.2.1 Solares Klima.

Das solare Klima stellt eine Abstraktion indem Sinne dar, dass man den Klimabegriffausschließlich auf die von der geographi-schen Breite abhängige Sonneneinstrah-lung unter Vernachlässigung der Atmo-sphäre reduziert. Es handelt sich somit umeine Modellvorstellung, nach der jeder Ortauf demselben Breitenkreis das gleiche„solare“ Klima hat. Auf die Berechnungder Einstrahlungswerte aus Sonnenhöhe

1.2 Klima

Kasten 1.1 Definition des Begriffes „Klima“ nach Alexander von Humboldt auf der Grund-lage seines Buches „Kosmos. Entwurf einer physischen Weltbeschreibung“ (VON HUMBOLDT 1845, S. 340)

Der Ausdruck Klima bezeichnet in seinem allgemeinsten Sinne alle Veränderungen in der Atmo-sphäre, die unsre Organe merklich afficiren1): die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Veränderungen des barometrischen Druckes, den ruhigen Luftzustand oder die Wirkungen ungleichnamiger Win-de, die Größe der electrischen Spannung, die Reinheit der Atmosphäre oder die Vermengung mit mehr oder minder schädlichen gasförmigen Exhalationen, endlich den Grad habitueller Durchsich-tigkeit und Heiterkeit des Himmels; welcher nicht bloß wichtig ist für die vermehrte Wärmestrah-lung des Bodens, die organische Entwicklung der Gewächse und die Reifung der Früchte, son-dern auch für die Gefühle und ganze Seelenstimmung des Menschen.

1) beeinflussen

1.2

K

LIMA

13

und Strahlungsdauer soll hier nicht einge-gangen werden. Mit Hilfe der Darstellungdes solaren Klimas lassen sich grundle-gende Erkenntnisse hinsichtlich der strah-lungsklimatischen Unterschiede auf derErde gewinnen, ohne dass diese durch an-dere Einflüsse modifiziert werden. So kön-nen solare Klimazonen voneinander abge-grenzt und damit zum Beispiel Unterschie-de in den Strahlungsjahreszeiten zwischenTropen und den Polargebieten verdeutlichtwerden. Tabelle 1.1 enthält für ausgewähl-te Termine die breitenabhängigen Tages-summen der solaren Einstrahlung auf einerebenen Fläche. Aus den Daten können fol-gende Schlüsse gezogen werden (B

LÜTH-

GEN

/W

EISCHET

, 1980

3

):Während die Einstrahlung in den äqua-

torialen Tropen über das ganze Jahr relativgleichmäßig verteilt ist (9,4–10,7 kWh/(m

2

·d)), setzt sich diese in den hohen undinsbesondere den polaren Breiten durch ih-re starke zeitabhängige Schwankung deut-lich davon ab. So erfolgt in den Polarge-bieten nur in den jeweiligen Frühjahrs-und Sommermonaten (Polartag) hohe undhöchste Zustrahlung (Nordhalbkugel: 12,9kWh/(m

2

·d); Südhalbkugel: 13,7 kWh/(m

2

·d)), in den Herbst- und Wintermona-

ten (Polarnacht) ist die Einstrahlung je-doch gleich Null.

Die höchsten Tagessummen der Ein-strahlung werden zur Sommersonnenwen-de (Sommersolstitium, lat.

solstitium

, Son-nenstillstand) der jeweiligen Halbkugel anden Polen erreicht. Sie liegen damit deut-lich über den Werten der Tropen, was aufdie größere Tageslänge an den Polenzurückzuführen ist. Auch zeigt sich imdirekten Vergleich der Werte zwischenNordpol (12,9 kWh/(m

2

·d)) und Südpol(13,7 kWh/(m

2

·d)), dass die Südhalbkugelim Südsommer etwas höhere Tagessum-men aufweist als die Nordhalbkugel imNordsommer. Das liegt daran, dass sichdie Erde um die Sonne nicht auf einerKreisbahn bewegt, sondern auf einer ellip-tischen Bahn mit dem kleinsten Abstandzur Sonne (Perihel) im Januar und demgrößten Abstand zur Sonne (Aphel) im Ju-li. Entsprechend ist die Strahlung im Süd-sommer auf der Südhalbkugel stärker alsim Nordsommer auf der Nordhalbkugel,dagegen im Südwinter auf der Südhalb-kugel schwächer als im Nordwinter auf derNordhalbkugel.

Das tatsächliche Klima eines Ortes ent-spricht natürlich nicht diesem mathema-

Tab. 1.1 Breitenkreisabhängige Tagessummen der mittleren Einstrahlung im solaren Klima für bestimmte Tage im Jahr (in kWh/(m

2

·d))

(Quelle: B

LÜTHGEN

/W

EISCHET

1980

3

; verändert)

21. März 6. Mai 22. Juni 8. Aug. 23. Sept. 8. Nov. 22. Dez. 4. Febr.

Nord 90° 0 9,2 12,9 9,1 0 0 0 0

70° 3,7 8,9 12,1 8,5 3,6 0,3 0 0,3

50° 6,9 10,3 11,8 10,2 6,8 3,4 2,1 3,5

30° 9,2 11,1 11,7 10,9 9,1 6,7 5,5 6,8

10° 10,5 10,7 10,5 10,5 10,4 9,4 8,7 9,5

0° 10,7 9,9 9,4 9,9 10,5 10,4 10,1 10,5

10° 10,5 9,1 8,2 8,9 10,4 11,1 11,1 11,1

30° 9,2 6,5 5,2 6,5 9,1 11,5 12,4 11,6

50° 6,9 3,3 1,9 3,2 6,8 10,8 12,6 10,9

70° 3,7 0,3 0 0,3 3,6 9,3 12,9 9,5

Süd 90° 0 0 0 0 0 9,5 13,7 9,6

14

1

K

LIMATOLOGISCHE

B

EGRIFFSBESTIMMUNGEN

tisch festgelegten Einstrahlungsgang. Ne-ben den Erdbahnelementen modifizierenKlimafaktoren die gemessenen oder be-obachteten Werte der meteorologischenGrößen, die als Klimaelemente bezeichnetwerden (s. Kap. 1.5).

1.2.2 Klimasystem der Erde.

In der jüngeren Zeit hat sich in den Atmo-sphärenwissenschaften im Zusammenhangmit der Diskussion um den Klimawandelder Gebrauch des Begriffs

Klimasystem

anstelle von Klima immer mehr durchge-setzt. Mit der Betonung einer systembezo-genen Beschreibung soll letztlich der Tat-sache Rechnung getragen werden, dass dasKlima als Ganzes in direkter, aber auch in-direkter Abhängigkeit zu Wirkungsfakto-ren aus verschiedenen Teilbereichen (

Sub-systemen

) steht und durch diese auch

nachhaltig geprägt wird (Abb. 1.2). Beiden Subsystemen handelt es sich um: At-mosphäre (Lufthülle), Biosphäre (Lebe-welt), Hydrosphäre (Gewässer) und Kryo-sphäre (Eisgebiete) sowie Pedosphäre(Erdboden) und Lithosphäre (Gesteins-hülle). Die Grenzen zwischen den „Sphä-ren“ sind fließend und ein Austausch derphysikalischen und chemischen Eigen-schaften deshalb möglich. Allerdings sinddie Komponenten des Klimasystems durchunterschiedliches Zeitverhalten charakte-risiert. Mit dem Begriff

Zeitverhalten

–auch Anpassungs-, Reaktions- oder Rela-xationszeit genannt – wird derjenige Zeit-bedarf eines Subsystems beschrieben, dernotwendig ist, um nach einer Störung wie-der einen Gleichgewichtszustand eintretenzu lassen. Derartige Störungen könnenzum Beispiel durch Wechselwirkungen

Abb. 1.2 Das Klimasystem der Erde mit seinen Subsystemen sowie Angabe der Reaktions-zeiten auf Störungen

(nach verschiedenen Verfassern; hier nach H

UPFER

/K

UTTLER

200612)

Wolken

Niederschlag

Luft-Eis-Kopplung

Kosmisches Material(z.B. Meteoriten)

Solarstrahlung(z.B. Intensitätsschwankung)

Gravitationskräfte(z.B. Gezeiten)

W E L T R A U M

CO2, H2, O2, O3, SO2

Terrestrische Strahlungu.a. Aerosole

Terrestrische Strahlung

Schnee

Gletscher

Luft-Biosphäre-Land-Kopplung

Wald ≈ 60 a

Land5–20 d

Grundwasser10–104 a

B I O S P H Ä R E

KRYOSPHÄRE

A T M O S P H Ä R E

L I T H O S P H Ä R E

Mensch, z.B. ZunahmeEnergieverbrauch

Vegetation,z.B. Entwaldung

Land,z.B.

Verwitterung

Eisschilde104–106 a

WindWärme-

austausch

Stratosphäre100–500 d

Troposphäre4–8 d

Verdunstung

KopplungAtmosphäre–Ozean

60–200 d

H Y D R O S P H Ä R E

Tiefseebis 500 a

Meereis1–5 a

CO2, H2O,H2S, SO2

Aerosole

NatürlicheEmissionen

(z.B. Vulkane)

Zusammensetzungdes Meerwassers(z.B. Salzgehalt-

schwankung)

Land und Ozean(z.B. Kontinental-drift, Orographie)

Eis-Ozean-Kopplung

PEDO-SPHÄRE

1.3 WITTERUNG UND WETTER 15

bzw. Rückkopplungen mit anderen Sub-systemen hervorgerufen werden. Die kür-zesten Anpassungszeiten ergeben sich mit4 bis 8 Tagen für die Troposphäre, einschon deutlich größerer Zeitbedarf tritt inder Stratosphäre (100–500 d) auf, währenddie höchsten Werte für Eisschilde (104–106 a) gelten. Die genannten Zeitkonstan-ten der Komponenten bestimmen auchden Einfluss auf Klimaschwankungen, diekurz- oder langperiodisch auftreten kön-nen. Weitere Steuerungsgrößen des Kli-masystems sind neben den externen Ein-flüssen (Änderung der solaren Strahlungs-energie und der Erdbahnparameter) derVulkanismus und die menschlichen Akti-vitäten (Landnutzungsänderung, Umwelt-verschmutzung).

Im Gegensatz zum Klima bezeichnetman mit dem Begriff Witterung denWetterablauf an einem Ort oder innerhalbeines Gebietes während eines kürzerenoder längeren Zeitabschnitts. Mit Wetterwird der Zustand meteorologischer Vor-gänge an einem bestimmten Ort oder ineinem bestimmten Gebiet während einerkurzen Zeitspanne (meist ein Tag) be-zeichnet.

Bei der Beschreibung der Witterungwerden den Wetterablauf kennzeichnendemeteorologische Erscheinungen herausge-stellt und Gesetzmäßigkeiten ihres Ablaufsim Jahresgang aufgezeigt. Allerdings gibtes hierzu auch mehr oder weniger eng anbestimmte Kalendertage gebundene Ab-weichungen. Diese bezeichnet man alsWitterungsregelfälle, Singularitäten (lat.singularis, vereinzelt). Bekannte Singula-ritäten sind zum Beispiel die Eisheiligen

(Kälterückfälle im Mai), die Schafkälte(Mitte Juni), Siebenschläfer (Ende Juni)und der Altweibersommer (Ende Septem-ber); letzterer wird auch in Deutschlandwegen seines nicht geschlechtsneutralenNamens zunehmend „Indian Summer“ ge-nannt. Dieser Begriff geht auf die im All-gemeinen ab Mitte September herrschendeSchönwetterperiode im Nordosten derUSA zurück, wenn der Frühherbst zu einerfür dieses Gebiet typischen Laubfärbungführt.

Abbildung 1.3 sind für zwei Standortedie mittleren Jahresverläufe der Lufttem-peraturen zu entnehmen. Geht man davonaus, dass bei langjährigen Mittelwerten dieJahresgänge der Lufttemperaturen einenglatten Verlauf mit entsprechenden Mini-ma im Januar und Maxima im Juli haben,

1.3 Witterung und WetterAbb. 1.3 Mittlerer Jahresverlauf der Lufttem-peratur in Emden und Augsburg über einen Zeitraum von 80 Jahren(Quelle: VAN EIMERN/HÄCKEL 19793)

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Temperatur Emden(°C)

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

–2

–4

TemperaturAugsburg

(°C)

Jan FebMär Mai Juni Juli AugSep Okt NovDezApr

17,4°

18,9°

0,3°

–2,4°

Schafkälte

Altweiber-sommer

16 1 KLIMATOLOGISCHE BEGRIFFSBESTIMMUNGEN

dann fallen, bezogen auf diese Ausgleichs-kurven, die durch die Singularitäten be-dingten Temperaturabweichungen auf; soMitte Juni der Kälterückfall als Schafkälte,der auch deshalb so markant ist, weil die-sem im Allgemeinen eine warme Witte-rungsperiode vorausgeht. Gegen Mitte/En-de September stellen sich bei wolkenlosemHimmel während trockenen Hochdruck-wetters meist höhere Temperaturen ein,was für den Altweibersommer (Strah-lungswetterlagen) charakteristisch ist. Eshandelt sich hierbei um die beständigstenWetterlagen im Jahresverlauf.

In der Witterungsklimatologie kanngrundsätzlich in zwei wichtige Witterungs-typen unterschieden werden. Es handeltsich um die sogenannte autochthone undallochthone Witterung.

Erstgenannte spielt insbesondere imRahmen gelände- oder stadtklimatischerUntersuchungen eine Rolle, da sich wäh-rend ihres Vorherrschens die lokalklimati-schen Unterschiede am stärksten zeigen.

So wird unter einer autochthonen Wit-terung (griech. autos, eingeboren, undgriech. chthon, Boden) ein Wetterablaufverstanden, der an das Vorherrschen anti-zyklonaler, also durch Hochdruck be-stimmter Großwetterlagen gebunden ist.Eine derartige Witterung ist bei geringeroder nicht vorhandener Bewölkung imSommer tagsüber durch starke Sonnen-einstrahlung und nachts durch eine starkeeffektive Ausstrahlung (negative Strah-lungsbilanz Q*) sowie Windarmut charak-terisiert. Man spricht in diesem Zusam-menhang deshalb auch von einer aus-tauscharmen Strahlungswetterlage. DerWitterungscharakter und das lokale Wetterwerden demnach am untersuchten Stand-ort durch lokale Einflussfaktoren be-stimmt. Das thermische Verhalten des je-weiligen Untergrundes kommt deshalb

maximal zur Geltung und führt zu ausge-prägten Tagesgängen vieler meteorologi-scher Elemente. Liegt eine heterogeneOberflächengestaltung vor, können sichgroße Unterschiede zwischen den Standor-ten entwickeln, die durch den Wechsel vonTag und Nacht bedingte Ausgleichsströ-mungen wie den Land-/Seewind an derKüste, den Berg-/Talwind im Gebirge oderden Flurwind zwischen Stadt und Umlandin Gang setzen. Während des Vorherr-schens einer solchen Witterung entstehenin reliefiertem Gelände durch abfließendeKaltluft in Becken oder abflusslosen Tä-lern häufig Kaltluftseen, die nach obendurch eine Inversionsschicht (Strahlungs-inversion) abgeschlossen werden. Einestarke Austauscharmut mit massiver Un-terdrückung des vertikalen turbulentenTransportes ist die Folge.

Im Gegensatz zur autochthonen Witte-rung steht die allochthone Witterung(griech. allos, fremd, und griech. chthon,Boden). Es handelt sich hierbei um einefremdbürtige Witterung, die durch groß-räumige Luftbewegung, meist in Folgezyklonaler Großwetterlagen, auftritt. Da-bei werden Luftmassen unterschiedlicherTemperatur und Feuchte aus weit entfern-ten Gebieten herangeführt und kräftigdurchmischt. Ein Tagesgang der meteoro-logischen Elemente, wie er in ausgepräg-tem Maße bei autochthoner Witterung zubeobachten ist, fehlt fast völlig. Im Gegen-teil, es lassen sich eher unperiodisch auf-tretende Veränderungen feststellen, die aufdem Durchzug von Tiefdruckgebieten be-ruhen. Tagesperiodische Winde wie Berg-und Talwinde, Land-/Seewinde oder Flur-winde können dann meist nicht beobachtetwerden.

Abbildung 1.4 zeigt für beide Witte-rungstypen exemplarisch die Tagesgängeausgewählter Klimaelemente wie der Strah-

1.3 WITTERUNG UND WETTER 17

lungsbilanz (Q*), der Lufttemperatur (tL),der Bodentemperaturen (tB; –0,05 m und–0,10 m) sowie der relativen Feuchte (f).

Im autochthonen Fall, bei wolkenlosemHimmel, weisen die Strahlungsbilanz unddie Lufttemperatur gut strukturierte Tages-gänge auf mit Maxima gegen Mittag undMinima während der Nacht. Der Gang der

relativen Feuchte verhält sich invers dazuund durchläuft am frühen Nachmittag einMinimum von fast 40 %, während in denAbend- und Nachtstunden annähernd Sät-tigung auftritt. Die Bodentemperaturen in5 cm und 10 cm Tiefe erreichen ihre Maxi-ma am frühen Nachmittag, wobei sich bei-de nicht nur in ihren absoluten Beträgen,sondern auch in ihren jeweiligen Amplitu-den unterscheiden. Auch verspätet sich das10 cm-Tiefen-Maximum im Vergleichzum 5 cm-Tiefen-Maximum um etwa eineStunde.

Im Gegensatz zum autochthonen Falllassen sich bei allochthoner Witterungkeine oder nur geringe Unterschiede derMessergebnisse im Tagesgang erkennen.Zurückzuführen ist dieses auf die Wolken-bedeckung, den Niederschlag und die ho-hen Windgeschwindigkeiten an diesemTag. Dadurch erreicht die Strahlungsbi-lanz tagsüber nur leicht erhöhte Werte,ebenso wie die Temperatur am frühenNachmittag. Weder die Bodentemperatu-ren noch die relative Feuchte weisen einenTagesgang auf. Auffallend bei den Boden-temperaturen ist, dass sich diese auch von-einander nicht unterscheiden. Der Grunddafür ist, dass die Bodenoberfläche alsStrahlungsumsatzfläche wegen der Bewöl-kung keine wesentliche Strahlungszufuhrvon der Sonne erhält. Dadurch treten kei-ne tiefen-(= volumen-)abhängigen Wärme-transporte auf, die sich durch hohe Tem-peraturen in der Nähe der Oberfläche, wieim autochthonen Fall, und niedrigere Tem-peraturen in den tieferen Bodenschichtenauszeichnen.

Autochthonie und Allochthonie lassensich auch auf das Wetter anwenden, wennes sich um den entsprechenden Zeitraumhandelt. Der Begriff „Strahlungswetter“oder „Strahlungswetterlage“ drückt diesesja bereits aus.

Abb. 1.4 Tagesgänge verschiedener meteo-rologischer Elemente während autochthoner (oben) und allochthoner (unten) Witterung an der Albert-Kratzer-Klimastation (AKKS) der Universität Duisburg-Essen in Essen am 24.8.2007 (oben) und am 22.8.2007 (unten); Tagesniederschlagssumme am 22.8.2007: 22 mm; 8/8 bedeckt

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

Temperatur t(°C)

100

90

80

70

60

50

40

30

Strahlungsbilanz Q*(W/m2)

500

400

300

200

100

0

–100

–200

–300

–400

RelativeLuftfeuchtigkeit f (%)

0 3 6 9 12 15 18 21 24MEZ

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

Temperatur t(°C)

100

90

80

70

60

50

40

30

Strahlungsbilanz Q*(W/m2)

500

400

300

200

100

0

–100

–200

–300

–4000 3 6 9 12 15 18 21 24

MEZ

Q* f2mtL 2m

tB 0,1m

tB 0,05m

24.8.2007

22.8.2007 RelativeLuftfeuchtigkeit f (%)

18 1 KLIMATOLOGISCHE BEGRIFFSBESTIMMUNGEN

1.4.1 Maßstabsbereiche. Atmosphärische Vorgänge nehmen einengroßen räumlichen und zeitlichen Skalen-bereich ein, wenn man bedenkt, dass zudiesen sowohl die kleinräumige Entste-hung von Turbulenzen an Häuserecken,aber auch kontinentbeherrschende Hoch-oder Tiefdruckgebiete zählen. Abbildung1.5 stellt wegen der weiten Spanne dieräumlichen und zeitlichen Abhängigkeitenin logarithmischem Maß dar.

Grundsätzlich ist bei den atmosphäri-schen Prozessen zu beachten, dass es sichnicht um diskrete, also um scharf vonein-ander zu trennende Phänomene handelt,sondern um miteinander verbundene Vor-gänge, die in ein globales atmosphärischesKontinuum eingebettet sind. So umfasst

die Mikroskala Längenbereiche zwischenZentimetern, Metern und wenigen Kilo-metern sowie Lebensdauern, die nur einenkurzen Zeitraum einnehmen. Die sich an-schließende Mesoskala erreicht maximalschon wenige tausend Kilometer mit cha-rakteristischen Zeiten. Erst die im An-schluss beginnende Makroskala bindetden globalen Bereich mit ein.

1.4.2 Zeitskalen. Zeitliche Bezugsgrößen spielen in derKlimatologie eine außerordentlich großeRolle, denn Dynamik und Eigenschaftender atmosphärischen Phänomene werdendurch ihre verschiedenen Lebensdauerngeprägt und charakterisiert. Aus diesemGrunde ist es für die Beschreibung desKlimas eines Ortes oder Gebietes wichtig,eine zeitliche Orientierungsgröße zu defi-nieren, um damit einen Zeitbezug herstel-len zu können. Hierzu bot sich schon seit

1.4 Maßstabsbereiche und Zeitskalen

Abb. 1.5 Räumliche und zeitliche Skalen atmosphärischer Prozesse(Quelle: Lex. Geographie 2002; verändert)

105

104

103

102

101

100

10–1

10–2

10–3

10–4

CharakteristischeLängein km

10–6 10–5 10–4 10–3 10–2 10–1 100 101 102 103 104 105

Mik

roM

eso

Mak

roGlobal

2 000 km1 000 km

200 km

2 km

100 m

1 m

Charakteristische Zeit in Jahren

Stunde Tag Monat Jahr JahrhundertMinute

El-Niño-Phänomen Hemisphärisch

CO2-EffektKaltzeit(Eiszeit)

Sahel-Dürre

Typische Sommeranomaliein Deutschland

Niederschlagsjahresgangin einer Stadt

Stations-Tagesgangder Lufttemperatur

Jahreszuwachseines Baumes

Rossby-Welle

EktropischeZyklone

TropischerWirbelsturm

Wetterfront

Gewitter

Wolke

Mikro-turbulenz

Massstabsbereiche und Zeitskalen

1.4 MASSSTABSBEREICHE UND ZEITSKALEN 19

alters her der Lauf der Sonne an.Bis zur zweiten Hälfte des 19. Jhds.

richtete man sich in der Zeitrechnung imAllgemeinen nach dem Stand der Sonneund bezeichnete die diesem entsprechendeZeit als wahre Sonnenzeit bzw. wahreOrtszeit. Einen wichtigen Bezugszeit-punkt stellte dabei die Mittagsdefinitioneines Ortes dar, die durch den Kulminati-onspunkt der Sonne festgelegt wurde.Zwölf Uhr Mittag war demnach die Zeit,zu der die Sonne ihren Höchststand imTagbogen erreicht hatte. Diese Festlegungführte allerdings dazu, dass jeder Ort undjede Region eine andere wahre Sonnenzeithatte, denn die Eintrittszeiten der Kulmi-nationspunkte werden stets durch die geo-graphische Lage eines Ortes bestimmt.Erst durch den schottischen IngenieurSandford Fleming (1827–1915) wurdeeine einheitliche Zeit eingeführt, die vomlokalen Sonnenstand unabhängig war. Vonihm ging auch die Idee aus, die Erde in 24Zeitzonen (24 h ·15°/h = 360°) zu unter-teilen. Die Einteilung in Zeitzonen wurdeallerdings erst im Jahre 1884 durch dieMeridiankonferenz in Washington mög-lich. Auf dieser Konferenz beschloss mannämlich, dass die Erde in je 180 Län-gengrade in östlicher und westlicher Rich-tung unterteilt werden sollte, ausgehendvon einem willkürlich festgelegten Null-punkt, der, der Seefahrernation Englandgeschuldet, durch den Londoner VorortGreenwich verlaufen sollte. Dieser Null-punkt für die Einteilung der Längengradewurde auch gleichzeitig als Ausgangs-punkt für die Einteilung in die 24 interna-tionalen Zeitzonen gewählt, auf die weiterunten eingegangen wird. Von da an be-stimmte nun nicht mehr der Sonnenstanddie Zeit in den einzelnen Ländern, sondernausschließlich die Festlegung durch einestaatenübergreifende Konvention. Eine

weltweite Einheitszeit wurde jedoch erstzu Beginn des 21. Jhds. eingeführt. Es han-delt sich um die koordinierte Weltzeit, dieUniversal Time Coordinated (UTC)bzw. CUT (engl. Coordinated UniversalTime), die sich auf den Nullmeridian vonGreenwich bezieht. Die dort berechnetemittlere Sonnenzeit ist die mittlere Ortszeitvon Greenwich, die auf astronomischenBeobachtungen der wahren Sonnenzeit be-ruht und gemittelt wird. Man bezeichnetdiese Greenwichzeit auch als Weltzeit(UT, auch UT0, Universal Time). Die da-von abgeleitete UTC ist eine statistischeZeit, die als Mittel berechnet auf der Zeit-messung durch zahlreiche Atomuhren inverschiedenen Staaten der Erde beruht.

Den sich im Jahresverlauf ergebendenUnterschied zwischen der wahren undmittleren Sonnenzeit nennt man Zeitglei-chung (Abb. 1.6).

Die Zeitgleichung gibt die sich perio-disch ändernde Differenz zwischen derwahren und der mittleren Sonnenzeit ent-sprechend der wahren Ortzeit (WOZ) undder mittleren Ortszeit (MOZ) an. Wie derAbbildung zu entnehmen ist, belaufen sichdie zeitlichen Unterschiede etwa zwischen

Abb. 1.6 Darstellung der Unterschiede zwi-schen wahrer und mittlerer Sonnenzeit im Verlaufe eines Jahres („Zeitgleichung“)

+20

+15

+10

+5

0

–5

–10

–15

Wahre minus mittlere Sonnenzeit(Minuten)

Jan Feb Mär Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov DezApr

Sonnenuhr geht vor

Sonnenuhr geht nach

20 1 KLIMATOLOGISCHE BEGRIFFSBESTIMMUNGEN

+16 Minuten und –14 Minuten. Mit Hilfeder Zeitgleichung kann die durch eineSonnenuhr angezeigte wahre Ortszeit indie mittlere Ortszeit umgerechnet werden.Die aus der Abbildung hervorgehende Pe-riodizität der Differenzen ist auf die Ex-zentrizität der Erdbahn und die Schiefe derEkliptik zurückzuführen (s. Kap. 2). Da-durch überlagern sich ein Jahres- und einHalbjahreszyklus.

Um die Vergleichbarkeit meteorologi-scher Messungen und der auf ihnen beru-henden Berechnungen zu gewährleisten,wurden in Deutschland als tägliche Mess-termine 7 Uhr, 14 Uhr und 21 Uhr mittle-rer Ortszeit (die so genannten MannheimerStunden; s. Kap. 2) festgelegt. Damit wur-de sichergestellt, dass die entsprechendenMessungen an allen Orten bei gleichemSonnenstand erfolgen.

Für die bereits genannten Zeitzonen giltjeweils die gleiche Zeit für Abschnitte vonjeweils 15 Längengraden (Abb. 1.7). Esgibt jedoch aus verschiedenen, durchauspraktikablen Gründen Abweichungen da-von. Zu den bekanntesten Zeitzonen inEuropa zählen: Mitteleuropäische Zeit(MEZ) als mittlere Sonnenzeit auf den 15.Längengrad östlich von Greenwich bezo-gen, Osteuropäische Zeit (OEZ) auf den30. Längengrad östlich von Greenwich be-zogen sowie die Westeuropäische Zeit(WEZ), die sich auf den Längengrad vonGreenwich bezieht. Die Zonenzeiten orien-tieren sich an der UTC, indem die MEZum 1 Stunde und die OEZ gegenüber derWEZ um 2 Stunden vorgeht. Das bedeutet,östlich des Nullmeridians wird die Zeit ad-diert, westlich davon subtrahiert.

Abb. 1.7 Zeitzonen der Welt

1.5 KLIMAELEMENTE UND KLIMAFAKTOREN 21

Bei der mitteleuropäischen Sommerzeit(MESZ) wird im Sommerhalbjahr zurMEZ eine Stunde addiert, um das Tages-licht besser auszunutzen. In der englischenSprache wird treffenderweise von der day-light saving time gesprochen. Die Som-merzeit wurde in Deutschland wieder imJahre 1980 eingeführt. Die MESZ beginntam letzten Sonntag im März durch Vor-stellen der Uhren um eine Stunde und en-det am letzten Sonntag im Oktober durchRückstellen der genannten Zeitspanne. DieSommerzeit wird bei klimatologischenMessungen nicht berücksichtigt.

Das Klimasystem der Erde wird durch Kli-maelemente und Klimafaktoren bestimmt.Die Klimaelemente sind messbare meteo-rologische (physikalische) Größen, die un-ter Berücksichtigung des Messzeitraumsstatistisch aufbereitet werden.

Die Klimafaktoren hingegen stellenraumtypische Einflussgrößen dar, die dieKlimaelemente modifizieren. TypischeKlimaelemente sind zum Beispiel• der Jahresmittelwert der Lufttemperatur,• die mittlere Häufigkeit des Niederschla-

ges für einen bestimmten Tag,• der mittlere Tagesgang des Dampfdru-

ckes,• die vorherrschende Windrichtungsver-

teilung eines Monats,• die mittlere Windgeschwindigkeit wäh-

rend eines Jahres.Als typische Klimafaktoren sind beispiels-weise die Einflüsse durch• Geographische Breite,• Topographische Lage,• Orographie,• Land-Meer-Verteilung,

• Meeresströmungen,• Bodenart,• Bodenbeschaffenheit,• Bodenbedeckung,• Wasserverhältnisse an der Oberfläche,• Bebauungzu nennen.

Klimaelemente und Klimafaktoren wer-den in diesem Buch verschiedentlich be-handelt, sodass an dieser Stelle nicht wei-ter darauf eingegangen wird.

Nachfolgend werden Größen und Einhei-ten erläutert, die in der Klimatologie häu-fig Anwendung finden. Diese gehen zu-rück auf die 11. Generalkonferenz für Maßund Gewicht, die im Jahre 1960 das Inter-nationale Einheitensystem (Système In-ternational d’Unités) einführte und dasunter der Abkürzung SI weltweit bekanntist. Dem Einheitensystem liegen siebenBasiseinheiten zugrunde (s. Kasten 1.2).

In diesem Buch bedeuten eckige Klam-mern um das Formelzeichen einer Größe,dass es sich dabei um die Einheit dieserGröße handelt. Ein Beispiel möge dieseserläutern:

1.5 Klimaelemente und Klimafaktoren

1.6 Häufig verwendete Größen und Einheiten in der Klima-tologie

Kasten 1.2 Die Basiseinheiten des Système International d’Unités (SI)

Einheit der Länge das Meter (m)Einheit der Zeit die Sekunde (s)Einheit der Masse das Kilogramm (kg)Einheit der elektrischen das Ampere (A) StromstärkeEinheit der Temperatur das Kelvin (K)Einheit der Stoffmenge das Mol (mol)Einheit der Lichtstärke die Candela (cd)

Häufig verwendete Grössen und Einheiten in der Klimatologie

22 1 KLIMATOLOGISCHE BEGRIFFSBESTIMMUNGEN

Die Größe Kraft hat das Formelzeichen

N (Newton) und die Einheit .

Geschrieben wird dieses: [N] = ,

und gelesen: Einheit der Kraft ist Kilo-gramm mal Meter durch Sekundenquadrat.

Kurz sollen hier die in der Klimatologiegebräuchlichsten Basiseinheiten definiertwerden. Es sind dies: Meter (m), Kilo-gramm (kg), Sekunde (s) und Kelvin (K).

Ein Meter ist die Strecke, die dasLicht im luftleeren Raum innerhalb von

eine Geschwindigkeit von 299 792 458 m/sbesitzt, wird in der genannten Zeit exaktdie Strecke von einem Meter zurückgelegt.

Ein Kilogramm ist die Masse eines Zy-linders mit gleicher Höhe und Durchmes-ser (etwa 39 mm), der zu 90 % aus Platinund zu 10 % aus Iridium besteht (Interna-tionaler Kilogrammprototyp) und in Parisaufbewahrt wird.

Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer derjenigen elek-tromagnetischen Strahlung, die beim Über-gang zwischen den beiden Hyperfeinstruk-turniveaus des Grundzustands von Atomendes Cäsiumisotops 133Cs emittiert wird.Man spricht in diesem Zusammenhangauch von der „Atomsekunde“, die durchdie Cs-Atomuhr angezeigt wird.

Ein Kelvin ist der 273,16te Teil derthermodynamischen Temperatur des Tri-pelpunktes des Wassers (s. Kap. 5).

Neben den Basiseinheiten unterscheidetman ferner hergeleitete, das heißt aus denBasiseinheiten hervorgehende Einheiten,zu denen zum Beispiel das Newton (N),das Pascal (Pa), das Watt (W) sowie dasJoule (J) zählen. Auch diese sollen kurzerläutert werden.

Newton (N): Die Maßeinheit Newtongeht auf den englischen Physiker, Mathe-matiker und Astronomen Sir Isaac Newton(1642–1727) zurück. Das Newton (N) isteine abgeleitete SI-Einheit, mit der mandie Kraft bezeichnet. Dabei ist ein Newtondie Kraft, die einem Körper der Masse 1 kgdie Beschleunigung 1 m/s2 erteilt.

Entsprechend gilt: [N] = .

Pascal (Pa): Die Maßeinheit Pascalwurde zu Ehren des französischen Ma-thematikers, Physikers und PhilosophenBlaise Pascal (1623–1662) als Einheit desDrucks eingeführt. Man versteht untereinem Pascal den Druck, den die Kraft1 Newton (N) auf eine Fläche von 1 m2

ausübt.Entsprechend gilt: [Pa] = .

Joule (J): Das Joule (J) wurde nach demenglischen Physiker James Prescott Joule(1818–1889) benannt, der sich auf demGebiet der Energieumwandlung einen Na-men gemacht hatte. Mit dieser Einheitwerden die Arbeit, die Energie oder dieWärmemenge bezeichnet. Definitionsge-mäß ist ein Joule diejenige Arbeit, die ge-leistet wird, wenn sich der Angriffspunktder Kraft 1 Newton (N) in Richtung derKraft um 1 m verschiebt (J = N·m).

Für das Joule gilt deshalb folgende Ein-

Watt (W): Die Maßeinheit Watt gehtauf den schottischen Ingenieur James Watt(1736–1819) zurück und bezeichnet dieLeistung des Energie- und Wärmestroms.Danach ist 1 W die Leistung eines Vorgan-ges, bei dem in 1 Sekunde die Arbeit von1 Joule verrichtet wird (W = J/s).

kgms2----⋅

kgms2----⋅

s zurücklegt. Da das Licht1

299 792 458----------------------------

kgms2----⋅

kgm s2⋅------------

heit: [J] = = Ws (Wattsekunde).kg m2⋅

s2----------------

1.6 HÄUFIG VERWENDETE GRÖSSEN UND EINHEITEN IN DER KLIMATOLOGIE 23

Die Einheit des Watt ist demnach

In der Klimatologie wird verschiedent-lich für nur in geringen Konzentrationenauftretende atmosphärische Spurenstoffederen Volumen- oder Massenmischungs-verhältnis mit der Luft angegeben. Hier-bei handelt es sich allerdings nicht um eineSI-Einheit. Das Volumen- oder Massen-mischungsverhältnis ist keine Konzentra-tion, sondern stellt eben das Verhältnis vonVolumina oder Massen dar. Zum Beispielbedeuten parts per million (ppm) 1 Volu-men oder 1 Teil auf eine Million Voluminaoder Teile (1 : 106); analog verhält sich da-zu ppb (parts per billion; 1 : 109) oder ppt(parts per trillion; 1 : 1012). GebräuchlicheVerhältnisse werden gebildet aus cm3/m3,ml/m3 oder g/t bzw. mg/kg.

So bedeuten 380 ppm CO2, dass sich380 Moleküle CO2 auf 1 Mio. MoleküleLuft in der Atmosphäre befinden. 1 ppmentspricht 0,0001 Volumenprozent (10–4

Vol.-%).Möchte man Mischungsverhältnisse in

Konzentrationen und umgekehrt umrech-nen, dann bedient man sich folgender Glei-chungen. Mit Gl. 1.1 berechnet man dasMischungsverhältnis (ppm) unter Einset-zen der Konzentration des Stoffes.

22,4 = Molvolumen (L/mol) unter Normal-bedingungen,

M = Molmasse des Stoffes (g/mol), für den die Umrechnung erfolgen soll, und

C = Konzentration des Stoffes (mg/m3)

Mit Gl. 1.2 berechnet man die Konzen-tration des Stoffes, wenn das Mischungs-verhältnis bekannt ist.

Einheitenerläuterung wie für Gl. 1.1.

Unter Molvolumen versteht man das Vo-lumen eines Mols eines Stoffes unterNormalbedingungen. Ein Mol ist dieStoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht wie Atome in0,012 kg des Kohlenstoffnuklids 12C ent-halten sind. Für ideale Gase beläuft sichdas Molvolumen auf 22,4 L unter Nor-malbedingungen, das heißt auf 273,15 K(0 °C) und 1 013,25 hPa bezogen.

Werden zum Beispiel in der Atmo-sphäre 380 ppm CO2 gemessen, dann ent-spricht dieser Wert (M von CO2 gleich44 g/mol) rund 746 mg/m3.

[W] = .kg m2⋅

s3----------------

ppm = (1.1)

C = (1.2)

22 4,M

---------- C⋅

ppmM

22 4,----------⋅