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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.