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Es beginnt mit der Sonne.

Die Sonne ist die Haupten­er­giequelle der Erde, und damit auch hauptver­ant­wort­lich für die Entwicklung und den Erhalt des Lebens, wie wir es kennen. Ihre En­er­gie treibt zudem die Bewe­gun­gen in un­ser­er At­mo­sphäre und in un­ser­en Ozean­en an.

Diese En­er­gie er­reicht uns in Form von Sonnen­strah­len – einer Art elektro­mag­net­ischer En-ergie, die wir zu­mind­est teil­weise als sicht­bares Licht wahrneh­men können.

8:30 Min.
Mit Licht­geschwindigkeit reis­en die Sonnen­strah­len zu uns: In etwa 8½ Minuten über­winden sie fast 150 Mil­lion­en Kilo­met­er – von der Sonnen­ober­fläche bis zum Rand der Erd­at­mo­sphäre.

Exosphäre

600km Thermosphäre

85 km Mesosphäre

25km Ozonhülle

50km Stratosphäre

12km Troposphäre

Mit Hilfe von Sa­tel­liten können wir beo­bacht­en, wie das Licht auf dem Weg zur Er­dober-fläche die ver­schieden­en Schicht­en der At­mo­sphäre durch­dringt. Diese Schicht­en un­ter­scheiden sich durch die Zusam­menset­zung der Luft und die ab­laufenden physikalis­chen Prozesse. Es find­en ver­schiedene Wech­sel­wirkun­gen zwis­chen Licht und der At­mo­sphäre statt.

Die un­ter­ste Schicht ist die Tro­posphäre, in der auch wir Menschen leben. Die Dichte der Luft, also das Ver­hält­nis zwis­chen der Masse der Luft und dem Volu­men, das sie ein­nim­mt, ist hoch genug, damit wir atmen können. Diese erd­nahe Schicht können wir am be­sten mit Flug­zeu­gen, Wet­ter­bal­lons und an­der­en Mess­ger­äten beo­bacht­en.

Der Teil der Sonnenen­er­gie, der schließ­lich die Er­dober­fläche er­reicht und un­ser­en Tag er­hellt, wird zum Teil vom Land oder den Ozean­en wieder nach oben re­flektiert, zum Teil aber auch von ihnen auf­gen­om­men. Bei der Auf­nahme der Sonnenen­er­gie wird diese in Wärme umge­wan­delt.

Während un­sere Erde Sonnenen­er­gie aufn­im­mt, strahlt sie auch selbst elektro­mag­net­ische En­er­gie ab. Genau wie die Sonne, nur wesent­lich weni­ger in­tens­iv und für un­sere Augen nicht sicht­bar. Heizen sich der Boden oder das Wass­er durch die Sonnen­strahlung auf, er­wär­men sie um­lie­gende Luftmassen. Warme Luft ist leichter als kalte und steigt auf. Durch das Auf­steigen der Luftmassen wird Wärme in Bewe­gung­sen­er­gie umge­wan­delt.

Wass­er wird durch Wärme zum Teil ver­dampft und steigt dann mit den Luftmassen in Form von Wasser­dampf auf. Konden­siert das Wass­er in Wolken zu klein­en Tröp­fchen, wird die gespeich­erte Wärme wieder freige­set­zt, er­wärmt die Luft weit­er und treibt sie noch höher hin­auf. Und wo die Luft auf­steigt, muss Luft von den Seiten nachströ­men. So entstehen Winde.

Dies fin­d­et im Klein­en bei Som­merge­wit­tern statt, je­doch auch in den großen Wind­syste­men über tausende Kilo­met­er hin­weg. Am heißen Äquat­or steigt die Luft auf, an den kal­ten Polen sinkt sie wieder herab. Glob­ale Wind­systeme sind die Folge.

Der Wind fegt über Hindern­isse wie Bäume und Berge hin­weg und wird dabei ab- oder umgelen­kt. Durch diesen Vor­gang über­trägt er einen Teil sein­er En­er­gie, zum Beis­piel an Windkraf­tan­la­gen.

Durch dieses Zusam­men­spielen mit dem Boden entstehen Tur­bu­lenzen und Wel­len in der At­mo­sphäre.
Manche dieser Wel­len, die für uns ei­gent­lich un­sicht­bar sind, wer­den durch Wolken­form­a­tion­en sicht­bar.

Die Tide, aus­gelöst durch die Grav­it­a­tion­skraft von Mond und Sonne, sorgt für das An­heben und Sen­ken des Meeresspiegels entlang der Küsten.

Im tiefen Ozean hinge­gen breit­en sich dadurch Wel­len aus, mit zum Teil tausenden Kilo­met­ern Länge. So lang, dass man sie nicht merkt, wenn man auf einem Schiff fährt.
Über den Meer­en treibt der Wind das Wass­er an – das sorgt in den Meer­en für ge­waltige Strömun­gen.

So­wohl Regen und Ver­dun­stung, als auch Er­wär­mung und Ab­kühlung in Wech­sel­wirkung mit der darüber lie­genden At­mo­sphäre ändern die Dichte des Wass­ers. Die Dichte ist das Ver­hält­nis zwis­chen der Masse des Meer­wassers und seinem Volu­men. Die Dichteän­der­ungen und der An­trieb durch Winde sor­gen im Ozean für ein glob­ales Net­zwerk aus Strömun­gen und riesigen Wir­beln. Wärme und Wass­er un­ter­schied­lich­er Dichte sowie an­dere schwim­mende Partikel wer­den so welt­weit trans­por­tiert.

Dieses Net­zwerk wie­der­um in­ter­agiert mit kleiner­en Phäno­men­en, wie zum Beis­piel so genan­nte ozean­is­che Ed­dies, jeder mit einem Durchmess­er von vielen Kilo­met­ern. Man sagt auch: Ed­dies erzeu­gen das Wet­ter des Ozeans.

An der Ober­fläche sor­gen Wel­len dafür, dass das Wass­er gut durch­mis­cht ist, und so­wohl Dichte als auch Wärme in den ober­en Metern re­lat­iv gleich­mäßig ver­teilt sind. Die Ober­fläche können Forschende recht gut beo­bacht­en. Sch­wer­er ist es hinge­gen, in die Tiefen vorzudrin­gen.

Wenn zum Beis­piel im eis­igen Norden sehr kalte oder salzige Wasser­massen mit höher­er Dichte ab­sinken, können sie die Wasser­ober­fläche durch die Schicht­en hindurch mit Meer­estiefen von mehr­er­en hun­dert Metern in Kon­takt brin­g­en.

Im In­nern des Ozeans wandern in­terne Wel­len umher, ver­gleich­bar mit denen an der Ober­fläche, nur zwis­chen Wasser­massen un­ter­schied­lich­er Dichte. Diese Wel­len können große Distan­zen zurückle­gen, bevor sie schließ­lich brechen – so wie Ober­flächen­wel­len am Strand. Dabei wird Bewe­gung­sen­er­gie durch Reibung wieder in Wärme umge­wan­delt.

Den Ver­lauf von Wel­len und Tur­bu­lenzen im In­nern des Ozeans können Forschende nur mit ein­igem Aufwand und mit Hilfe von forts­ch­rit­t­lichen Mess­ger­äten er­forschen. Und auch in­ner­halb des Ozeans gibt es Schicht­en, die man auf­grund ihrer Ei­genschaften un­ter­scheidet. Wenngleich dies wegen der un­ter­schied­lichen Meer­estiefen nicht so eindeut­ig ist wie in der At­mo­sphäre.

Er­reichen wir schließ­lich den Grund der Meere, kommt es zu wichti­gen Wech­sel­wirkun­gen zwis­chen den ver­schieden­en Bewe­gung­s­prozessen des Wass­ers mit dem Un­ter­grund. Auch hier wird Bewe­gung­sen­er­gie durch Reibung in Wärme umge­wan­delt. Strömun­gen wer­den umgelen­kt, Wasser­massen tref­fen auf Hindern­isse, die sie über­winden müssen, und Wel­len wer­den re­flektiert oder in ihrer Form ver­ändert. Dies geschieht auch entlang der Küsten.

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Gitterpunkte

All diese und noch viele weit­ere Prozesse und ihre Wech­sel­wirkun­gen sind von größter Wichtigkeit, wenn wir un­ser­en Plan­eten, unser Wet­ter und das lang­fristige Klima ver­stehen wollen.

Um zuver­lässige Vorhersagen für das mor­gige Wet­ter oder das Klima in 50 Jahren tref­fen zu können, müssen wir diese En­er­gi­etrans­fer-Prozesse er­forschen. Wir müssen be­gre­ifen, wie sie funk­tionier­en und wie durch sie En­er­gie kontinu­ier­lich von einer Form in eine an­dere umge­wan­delt wird. Mathem­atik, Physik, Meteor­o­lo­gie, Ozeano­graph­ie sowie Com­puter­wis­senschaften helfen uns dabei, auf Hoch­leis­tung­s­rech­nern Modelle un­seres Kli­masys­tems zu en­twick­eln. Mit der Zeit wer­den diese Modelle immer genauer.

So wie im Märchen der Wahrsager mit sein­er Kugel können wir damit schon jetzt tat­säch­lich re­lat­iv zuver­lässig in die Zukun­ft schauen. Doch es gibt natür­lich immer noch viel zu tun.