Heiter bis Stürmisch

HBS005 Wie schwer ist Luft

17 May 2020

Der Luftdruck ist eines der geläufigsten Begriffe in der Wettervorhersage. Täglich begegnet er uns in den Wetterberichten. Aber was ist der Luftdruck eigentlich und was bewirkt er?

Die Erde ist umgeben von einer Menge Luft. Die Luft ist aber nicht schwerelos, sondern wiegt auch etwas. Unsere Atmosphäre drückt mit einem bestimmten Gewicht auf die Erde. Allgemein beschreibt der Druck mit welcher Kraft ein Körper auf eine Fläche von einem Quadratmeter wirkt. Was heißt das für den Luftdruck? In diesem Fall beschreibt das Gewicht der Atmosphäre die Kraft, mit der ein Körper, hier unsere Luft, auf einen Quadratmeter Fläche wirkt. Da der Begriff Luft recht allgemein ist, wird eher von einer Luftsäule gesprochen. Diese Luftsäule reicht vom Erdboden bis zum äußersten Rand der Atmosphäre. Der Luftdruck lässt sich nun als das Gewicht einer Luftsäule verstehen, die senkrecht auf eine gewisse Fläche drückt.

Hochgerechnet wiegt die gesamte Atmosphäre ungefähr 5 Billiarden Tonnen. Das ist eine recht unanschauliche Zahl. Etwas greifbarer sieht das so aus: Auf von unseren Schultern lastet ein Gewicht von etwa drei afrikanischen Elefantenbullen, das entspricht 17 Tonnen. Warum wird der menschliche Körper oder auch ein Hausdach nicht von dem enormen Gewicht zerdrückt? Nun, zum einen umgibt uns der Druck von allen Seiten und nicht nur von oben. Und außerdem haben wir uns als Mensch dem bodennahen Druckniveau angepasst. Der Mensch hat einen Körper-Innendruck, der von innen nach außen gegen den Luftdruck drückt. Und das Hausdach stürzt nicht durch die Last von oben ein, da der Luftdruck auch von unten gegen das Hausdach drückt. Auch hat der Mensch kein Sinnesorgan, um den Luftdruck wahrzunehmen. Es gibt allerdings Situationen, in denen wir den Luftdruck doch spüren. Sitzen wir zum Beispiel in einem Flugzeug, das startet oder landet, sind wir starken Luftdruckänderungen ausgeliefert. Diese spüren wir dann durch ein Druck oder Knacken im Ohr.

Der Luftdruck bzw. seine Veränderung wird auch bemerkbar, wenn wir zum Beispiel einen Berg emporklimmen. Irgendwann fällt es uns schwer zu atmen. Und wenn wir eine bestimmte Höhe erreicht haben, benötigen BergsteigerInnen sogar eine Sauerstoffmaske. Ab diesen Höhen ist die Luft zu dünn, um die Lunge ausreichend mit Sauerstoff zu füllen. Es drückt einfach nicht genug Luft in die Lunge. Der Luftdruck ist im Vergleich zum Boden teilweise schon sehr stark reduziert. Auf dem Mont Blanc beispielsweise entspricht der Luftdruck nur noch 50% von dem am Boden und auf der Spitze des Mount Everest ist es nur noch ein drittel. Man kann auch noch eine weitere spannende Beobachtung auf den Bergen machen. Die Siedetemperatur des Wassers ist nämlich abhängig vom Luftdruck. Das bedeutet, das Wasser fängt nicht bei 100 Grad Celsius an zu kochen, sondern schon bei geringeren Temperaturen. Wird auf der Zugspitze noch etwa 90 Grad Celsius benötigt, um das Wasser zum kochen zu bringen, sind es auf dem Mount Everest nur noch ungefähr 70 Grad Celsius. Der Siedepunkt nimmt pro 300 m um etwa ein Grad ab. Natürlich spielt auch das Wetter auf den Bergen eine Rolle und auch dort kommen Luftdruckschwankungen vor. Deshalb kann man ohne den genauen Luftdruck zu kennen keine genaue Angabe über die Siedetemperatur machen.

Noch mal zurück zum Luftdruck an sich: Der Luftdruck ist ja etwas unanschaulich, wir können ihn weder sehen noch anfassen. Um den Luftdruck etwas besser zu verstehen, stelle sich jede ein Glas mit Wasser vor. Am Boden des Glases ist der Wasserdruck am größten, denn das darüber liegende Wasser drückt nach unten. Nach oben hin nimmt der Wasserdruck weiter ab bis er an der Wasseroberfläche komplett verschwindet. So ähnlich ist es auch in der Atmosphäre. Dabei wird nun eine Luftsäule statt ein Glas Wasser betrachtet. Auch in der Luftsäule nimmt der Luftdruck mit der Höhe ab. Das Gewicht der Luft drückt von oben auf die darunter liegende Luft. Je höher man kommt, desto weniger Luft befindet sich darüber und der Luftdruck wird geringer. Nun nimmt der Luftdruck mit der Höhe aber nicht gleichmäßig ab. Die Luftdruckabnahme am Boden erfolgt recht schnell und wird nach oben hin immer langsamer. Der Luftdruck ist vom Gewicht der darüber liegenden Luft abhängig. Das bedeutet, die vertikale Luftdruckabnahme ist selbst auch vom Luftdruck abhängig. Das macht die Sache etwas komplizierter, ist aber nicht unlösbar. Um den Luftdruck in verschiedenen Höhen auszurechnen, gibt es die sogenannte Barometrische Höhenformel. Das ist eine der grundlegenden Gleichungen, die es in der Meteorologie gibt. Sie liefert einen Verlauf der Höhenkurve des Luftdrucks. Demnach gehen wir am Boden von einem Standarddruck von 1013 hPa aus. In 5,5 km Höhe hat sich der Luftdruck bereits halbiert und beträgt etwa 500 hPa. Das ist eine der wichtigsten Höhen für die Wettervorhersage. Weitere 5 km höher hat sich der Luftdruck nochmals halbiert und beträgt in etwa 11 km nur noch 250 hPa. So geht das in etwa weiter. Doch haben wir bei Luft keine feste Grenze wie bei dem Wasserglas mit der Wasseroberfläche, wo der Wasserdruck einfach aufhört. Vielmehr wird die Luft nach oben hin immer dünner und dünner und geht kontinuierlich in den sogenannten "luftleeren" Weltraum über.

Auch in der Wettervorhersage ist es wichtig den Luftdruck in der gesamten Höhe zu kennen. Denn der Luftdruck gibt Auskunft über Luftbewegungen in der Atmosphäre. Um das besser zu verstehen, soll ein Gedankenexperiment helfen. Stellen wir uns drei gleiche Luftsäulen vor. Jetzt wird eine Luftsäule abgekühlt, eine behält ihre Temperatur bei und die dritte Luftsäule wird erwärmt. Die kalte Luft zieht sich dabei zusammen, ihre Dichte steigt also und die Luftsäule wird kleiner. Die erwärmte Luftmasse hingegen hat jetzt eine geringere Dichte, sie dehnt sich aus. Daher gewinnt die erwärmte Luftsäule nun an Höhe. Das Gewicht in den drei Luftsäulen ist bis jetzt aber gleich geblieben. Und damit auch der Druck am Boden, denn wir haben ja nur die Höhe der Luftsäule variiert. Allerdings nimmt der Druck mit der Höhe unterschiedlich stark ab. Und jetzt wird es etwas komplizierter. Der gleiche Druck bei kalter Luft ist tiefer als bei der wärmeren Luftsäule. In der Höhe herrscht also ein Ungleichgewicht. Dieses Ungleichgewicht des Drucks in der Höhe führt dazu, dass von der wärmeren Luftsäule Luft bzw. Masse in die kältere Luftsäule fließt. Die abgekühlte Luftsäule hat jetzt mehr Masse und damit auch mehr Gewicht. Und das lässt den Druck am Boden nun wiederum steigen. Die wärmere Luftsäule hingegen hat an Masse verloren. Der Druck in der gesamten Luftsäule sinkt und am Boden herrscht tieferer Druck. Bei solchen Hochdruck- und auch Tiefdruckgebieten wird von thermischen Hochs und Tiefs gesprochen, weil sie aufgrund von Temperaturunterschieden entstehen. Neben thermischen Luftdruckgebieten gibt es auch noch dynamische Hochs und Tiefs, das ist aber Thema für ein anderes Mal. Das ist der Grund warum der Druck in kalter Luft am Boden höher ist und mit der Höhe schneller abnimmt. In warmer Luft ist der Luftdruck am Boden hingegen geringer und nimmt mit der Höhe langsamer ab. Besonders tiefe Temperaturen trifft man beispielsweise in Sibirien an. Dort ist dann vor allem im Winter der Luftdruck besonders hoch. Mit 1083,8 hPa wurde dort der höchste Luftdruck der Welt gemessen (Agata, UdSSR, 31.12.1968).

Auf den Wetterkarten kann man diese Hoch- und Tiefdruckgebiete wiederfinden. Die Lage der Hochs und Tiefs gibt schon mal einen ersten groben Überblick, wie das Wetter an einem bestimmten Ort ist oder wie es sich entwickeln wird. Aber mehr dazu erzähl ich in der nächsten Folge.

Episode: Download (mp3) | Download (opus)