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ENSO-Lexikon

ENSO-Lexikon

V

Verdunstung

Der sich unterhalb des Siedepunktes vollziehende Übergang des Wassers vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zum Wasserdampf. Die zum Verdunsten benötigte Wärmeenergie wird dabei der Flüssigkeit und der Umgebung entzogen, was zu Abkühlung führt (Verdunstungskälte). Bei der Kondensation wird sie wieder frei.
Die Verdunstung hat eine große Bedeutung für den Wärmehaushalt der Erde, weil die im Wasserdampf latent enthaltene Wärme beim Übergang von Wasserdampf in Wasser (Kondensationsvorgänge wie Wolken- und Niederschlagsbildung) der Atmosphäre wieder zugeführt wird. Sie stellt somit eine wichtige Größe im Wasserkreislauf der Erde dar.
Man unterscheidet nach drei Verdunstungsarten:

  • Evaporation
    Als Evaporation bezeichnet man den Übergang des Oberflächenwassers auf der Erde in den gasförmigen Zustand duch Verdunstung über einer freien Wasserfläche oder über einer vegetationslosen Erdoberfläche.
    Die Messung der Evaporation kann u.a. mit Hilfe von Verdunstungskesseln erfolgen (siehe nebenstehende Abbildung), wobei der abnehmende Wasserstand das Maß für die Verdunstung über der durch den Kesseldurchmesser definierten Wasseroberfläche angibt.
  • Transpiration
    Dieser Begriff steht für die Abgabe von Wasserdampf durch Pflanzen in die Atmosphäre (Pflanzenverdunstung).
    Die Transpiration ist nur der Anteil der Pflanzenverdunstung vom Gesamtverdunstungspotenzial, welches durch die Evapotranspiration (Pflanzen- und Bodenoberflächenanteil) beschrieben wird.
  • Evapotranspiration
    Ist die Gesamtverdunstung von einer natürlich bewachsenen Bodenoberfläche. Sie setzt sich aus der Evaporation und der Transpiration zusammen.
    Die Messung der Evapotranspiration erfolgt mit Hilfe sogenannter Lysimeter.
Volkswirtschaft

Die Gesamtheit der miteinander verflochtenen und zusammenwirkenden privaten und öffentlichen Wirtschaftssubjekte innerhalb eines (i.d.R. mit dem Staatsgebiet zusammen fallenden) Wirtschaftsraums. Dabei stellt sich die Volkswirtschaft nicht nur als Summe ihrer Teile dar, sondern ist auch charakterisiert und von anderen Volkswirtschaften unterschieden durch ein einheitliches Wirtschaftssystem, eine einheitliche Geld- und Währungsordnung, die staatliche Wirtschaftspolitik, die gegebenen rechtlichen, sozialen, kulturellen und gesellschaftlichen Verhältnisse sowie die natürliche Ausstattung des Wirtschaftsraums.

W

Waldbrand

Ein Waldbrand ist ein Brand in bewaldetem Gebiet. Waldbrände entstehen meist während Trockenperioden und sind wegen ihrer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit gefährlich für Mensch, Tier und materielle menschliche Einrichtungen. Wenn keine geeignete Brandbekämpfung erfolgt, entwickeln Waldbrände sich schnell zu Flächenbränden. Der Begriff Buschfeuer wird für große Brände von Gras-, Busch- und Waldland während der Sommerzeit auf dem australischen Kontinent verwendet. Im Englischen existiert der Überbegriff “wildfire”, der ein unkontrolliertes Feuer in einem Gebiet mit brennbarer Vegetation in Kulturland oder in Wildnis bezeichnet. Weitere Bezeichnungen wie brush fire (Gestrüpp), bush fire, forest fire, desert fire, grass fire, hill fire, peat fire (Torf), vegetation fire können verwendet werden um Brände in Abhängigkeit vom jeweiligen Brennmaterial näher zu beschreiben.

Ein Waldbrand kann in drei Phasen unterteilt werden: Meist entzünden sich zunächst das Gras und der trockene Unterwuchs. Es kommt zu einem Bodenfeuer, das noch leicht bekämpft werden kann. Wenn es zu einem Lauffeuer auswächst, kann es besonders bei Nadelholzbeständen, auf die Baumwipfel überspringen. Das führt rasch zu einem Kronenfeuer und zu einer rasanten Ausbreitung der Flammen. Kronenfeuer lassen sich deutlich schwerer bekämpfen und wachsen sich leicht zur dritten Stufe, einem Totalbrand aus. Dieser kann so gut wie nicht mehr gelöscht werden.

Waldbrände sind in vielen Regionen der Welt ein ganz natürliches Phänomen. Dort nehmen sie positiv Einfluss auf das betroffene Waldgebiet – zum Beispiel dann, wenn die während eines Brandes entstehende extreme Hitze Samen freisetzt, aus denen neue Bäume entstehen. Doch es gibt eine äußerst bedenkliche Kehrseite von Waldbränden: Immer dann, wenn Waldbrände zu heftig, am falschen Ort, zu einem ungewöhnlichen Zeitpunkt oder zu häufig auftreten, ist das ein sicheres Zeichen dafür, dass das Ökosystem durch menschliche Eingriffe aus den Fugen geraten ist. In diesen Fällen stellen Waldbrände eine ernsthafte Bedrohung dar.

Weltweit lassen sich nur etwa vier Prozent aller Waldbrände (Anm.: Bezogen auf die Zahl der Brände, nicht auf die abgebrannte Flächengröße) auf natürliche Ursachen zurückführen. Der Rest entfällt auf vorsätzliche Brandstiftung (Brandrodung, Brandstiftung, etwa um Bauland in einem Naturschutzgebiet zu gewinnen) oder Fahrlässigkeit (Unachtsamkeit, beispielsweise durch „wilde“ Lagerfeuer, weggeworfene Zigarettenkippen oder Streichhölzer). Eine oft unterschätzte Ursache sind auch heiße Katalysatoren von auf Waldboden abgestellten Autos und Motorrädern. Glasflaschen und -scherben können entgegen einem weit verbreiteten Irrglauben die Sonnenstrahlen nicht wie Brenngläser bündeln und somit kein Laub oder Gras entzünden.

Seltener entstehen Waldbrände durch natürliche Ursachen wie Blitzschlag oder vulkanische Aktivität. Früher zählte die Selbstentzündung auch noch zu den selteneren Waldbrandursachen, allerdings vermehren sich Waldbrände durch Selbstentzündung aufgrund langanhaltender Trockenperioden, die durch den Klimawandel häufiger auftreten.

Die Auswirkungen der Waldbrände auf die weltweite Artenvielfalt sind nach Ansicht des WWF gravierend: Sämtliche Ökoregionen, die für die Erhaltung der globalen Artenvielfalt entscheidend sind, sind auf 84 % ihrer Fläche durch Veränderungen in der Intensität und Häufigkeit von Feuern gefährdet. Nur auf den verbleibenden 16 % bewegen sich die auftretenden Feuer noch innerhalb der ökologisch akzeptablen Grenzen. Feuerempfindliche Ökosysteme wie zum Beispiel die tropischen Regenwälder, in denen den Pflanzen und Tieren die Anpassung an natürliche Brände fehlt, sind sogar auf 93 % ihrer Fläche gefährdet. Eine WWF-Studie (Wälder in Flammen) fasst die Ursachen und Auswirkungen von Waldbränden nach Regionen zusammen und benennt die gravierenden „Brennpunkte“ der Erde.

Wie kompliziert das Ursachengeflecht von Klima, menschlicher Nutzung und dem Auftreten von Waldbränden ist, zeigen die Feuerkatastrophen der Jahre 1997 und 1998. Damals führte das Wetterphänomen El Niño in weiten Teilen Südostasiens, Lateinamerikas und im russischen fernen Osten zu extremer Trockenheit. In Brasilien und Indonesien gerieten riesige Waldgebiete in Brand, die zuvor durch Holzeinschlag aufgelichtet und damit der Austrocknung schutzlos preisgegeben worden waren. Allein in Indonesien brannten fast fünf Millionen Hektar Wald. Rauch und Gase verschmutzten die Luft und gefährdeten die Gesundheit von 70 Millionen Menschen in der Region. Wissenschaftler befürchten, dass sich die El Niño-Zyklen durch die drohende Erderwärmung in Zukunft verkürzen und so zu mehr Trockenperioden führen könnten. Torfwälder sind in El Niño-Jahren besonders durch Brände bedroht. Feuer, mit dem ursprünglich nach einem Kahlschlag die verbliebenen Holzreste verbrannt werden sollten, dringt in den Torf ein und kann dort, lange nachdem das Oberflächenfeuer abgebrannt ist, weiter schwelen, wodurch dichte Rauchwolken verursacht werden. 94 % des gesamten Brandsmogs (tropical haze) 1997/98 stammten aus solchen Schwelbränden in den Torfwäldern Ostsumatras und Südkalimantans.

Walker-Zirkulation
Sir Gilbert Walker
Sir Gilbert Walker1868-1958

Von dem norwegisch-amerikanischen Meteorologen Jacob Bjerkness (links) nach dem Briten Sir Gilbert Walker (rechts) geprägte Bezeichnung für eine zonale Windzirkulationszelle über dem äquatorialen Pazifik. Unter normalen (nicht El Niño-) Bedingungen sinkt Luft über den kühlen Gewässern des östlichen Pazifiks ab (randtropisches Hoch), strömt als Teil des Südost-Passats dem Druckgefälle folgend nach Westen (Zonalzirkulation) um dort nach Erwärmung und Wasseraufnahme im Gebiet tiefen Druckes aufzusteigen, abzuregnen und in der oberen Troposphäre nach Osten zurückzukehren (Antipassat). Diese Walker-Zelle ist somit der klassischen Meridional-Zirkulation zwischen den dynamischen Suptropenhochs und der äquatorialen Tiefdruckrinne, der sogenannten Hadley-Zelle, überlagert.

Im Unterschied zu äquatorfernen Breiten, in denen die Luftbewegung einer Ablenkung durch die Corioliskraft unterliegt, streben die Luftmassen innerhalb der Walker-Zirkulation unmittelbar vom Gebiet hohen Drucks in das Gebiet tiefen Drucks. Die Erklärung liegt im Fehlen oder der geringen Stärke der Corioliskraft in Äquatornähe. Die für die Walker-Zirkulation notwendige Luftdruckverteilung in den Tropen hängt wesentlich von den Wassertemperaturen der tropischen Zonen ab.

Die Walker-Zirkulation ist während des Südwinters besonders deutlich ausgeprägt, da dann auch das SO-pazifische Subtropenhoch markant entwickelt ist. Aus dem gleichen Grund ist die Walker-Zirkulation auch während La Niña-Ereignissen besonders kräftig.

Die Walker-Zirkulation vermag als Folge einer von Walker schon früher (Walker und Bliss 1932) beschriebenen "Luftdruckschaukel" (Southern Oscillation) ihre Strömungsrichtung zu ändern. Steigt der Luftdruck über Indonesien, so fällt er über dem Ostpazifik und umgekehrt. Walkers Entdeckung der Southern Oscillation war der erste wissenschaftliche Hinweis auf die Verknüpfung von Wetterverhältnissen in weit entfernten Teilen des tropischen Pazifiks.

Bjerknes (1969) erkannte, dass es eine enge Beziehung zwischen El Niño und der Southern Oscillation gibt, und dass sie zwei unterschiedliche Aspekte des gleichen Phänomens (ENSO) sind. Bjerknes stellte die Hypothese auf, dass eine positive Ozean-Atmosphäre-Rückkopplung unter Einbezug der Walker-Zirkulation, eine Ursache von ENSO sei.

Eine initiale positive Anomalie der Meeresoberflächentemperaturen (Sea Surface Temperature, SST) im östlichen Äquatorialpazifik vermindert den Ost-West SST-Gradienten und damit die Stärke der Walkerzirkulation (Gill 1980; Lindzen und Nigam 1987), was zu schwächeren Passaten in Äquatornähe führt. Je schwächer die Passate aber die Ozeanzirkulation antreiben, umso mehr wird die SST-Anomalie verstärkt. Diese positive Ozean-Atmosphäre-Rückkopplung überführt den äquatorialen Pazifik in einen besonders warmen Zustand, d.h. in die Warmphase von ENSO, eben El Niño. In seiner Zeit wusste Bjerknes noch nicht, was den nachfolgenden Umschwung von der Warmphase in die Kaltphase von ENSO bewirkt, welche später als La Niña bezeichnet wurde (Philander 1985).

Das pazifische Zirkulationsrad der Walkerzirkulation ist nur ein Teil eines den ganzen Globus im Bereich des Äquators umspannenden, zonalen Zirkulationssystems mit weiteren Aufstiegszonen über Ostafrika und dem Amazonasgebiet bzw. mit Absinkgebieten im Bereich der kalten Meeresströmungen vor der westafrikanischen Küste und dem westlichen Indischen Ozean.

 

Walker-Zirkulation - Neutrale Bedingungen

Generalized Walker Circulation (December-February) during ENSO-neutral conditions.  Convection associated with rising branches of the Walker Circulation is found over the Maritime continent, northern South America, and eastern Africa.

Thanks to Earth’s rotation on its axis, trade winds at the equator blow relentlessly from east to west, pushing sea water towards the west side of most ocean basins. The ocean water warms the entire way.

The end result is relatively warmer surface water in the west and cooler surface waters in the east. Above this large pool of warm water (West Pacific Warm Pool), air rises; above the cooler water in the east, air dries and settles near the surface. More widespread storminess and rising air motion are associated with a larger warm pool. Temperature contrasts between land and ocean also amplify the circulation.

 
 

Walker-Zirkulation - El Niño-Bedingungen

Generalized Walker Circulation (December-February) anomaly during El Niño events, overlaid on map of average sea surface temperature anomalies. Anomalous ocean warming in the central and eastern Pacific (orange) help to shift a rising branch of the Walker Circulation to east of 180°, while sinking branches shift to over the Maritime continent and northern South America.

 

 

 
 

Walker-Zirkulation - La Niña-Bedingungen

Generalized Walker Circulation (December-February) anomaly during La Niña events, overlaid on map of average sea surface temperature anomalies. Anomalous ocean cooling (blue-green) in the central and eastern Pacific Ocean and warming over the western Pacific Ocean enhance the rising branch of the Walker circulation over the Maritime Continent and the sinking branch over the eastern Pacific Ocean. Enhanced rising motion is also observed over northern South America, while anomalous sinking motion is found over eastern Africa.

NOAA Climate.gov drawing by Fiona Martin. Quelle: NOAA: The Walker Circulation: ENSO's atmospheric buddy

 

Walker war ursprünglich Mathematiker in Cambridge und in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts schließlich Generaldirektor der meteorologischen Stationen in Indien, wo er die Gesetzmäßigkeiten des Monsuns mit Hilfe globaler Wetterdaten zu ergründen versuchte. Er fand heraus, dass im Falle ungewöhnlich tiefen Luftdruckes über dem Indischen Ozean und dem tropischen Westpazifik der Druck östlich der internationalen Datumsgrenze über dem südöstlichen tropischen Pazifik hoch war. Diese Situation entsprach Phasen mit guten Monsunniederschlägen in Indien. Bei der Umkehr dieser Druckverhältnisse kam es zu Niederschlagsdefiziten in Indien, wie auch in Australien und der SO-asiatischen Inselwelt.
Walker musste leider erfahren, dass die Variationen der SO den Variationen im Niederschlagsmuster des indischen Sommermonsuns hinterherhinkten und so als Vorhersage für dessen Regenintensität ausfielen.
Walker entdeckte auch die Korrelation zwischen low-index-Phase der SO und milden Wintern sowie Trockenheit in Teilen des südlichen Afrika.
Walkers Aussagen wurden lange mit Skepsis begegnet, insbesondere da er keine physikalische Erklärung für die weltweiten Zusammenhänge bieten konnte.

Schema der tropischen Zirkulationsmuster

trop_moisture_circulation

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Quelle: MetEd / UCAR (Zugang über kostenfreie Registrierung)

Die tropische Zirkulation ergibt sich aus symmetrischen und nicht-symmetrischen Komponenten diabatischer Erwärmung über dem Äquator in Gestalt der Hadley- und der Walker-Zirkulation. Die schematische Darstellung wurde mit Hilfe von Daten über die mittleren Niederschläge aus dem Global Precipitation Climatology Project for 1979-2008 erstellt.

Ein Ergebnis der nicht-symmetrischen Erwärmung ist die Ausprägung der Hadley-Zelle im Juli (blaue Pfeile), die einen aufsteigenden Ast über dem nordhemisphärischen Wärmeüberschussgebiet besitzt und einen absinkenden Ast über der kühleren südhemisphärischen Region. Ein Beispiel für den Effekt von symmetrischer Erwärmung ist der pazifische Zweig der Walker-Zirkulation, eine O-W-Zirkulation, deren aufsteigender Abschnitt auf die überschüssige Wärme im Westpazifik zurückzuführen ist (hellbraune Pfeile). Die größte der entlang des Äquators ausgerichteten Zellen erstreckt sich über dem Pazifik und wird zu Ehren von Sir Gilbert Walker als „Walker-Zirkulation“ bezeichnet.

Die vorherrschende Variabilität der Walker-Zirkulation ist die El Niño-Southern Oscillation (ENSO), ein gekoppeltes Ozean-Atmosphäre-Phänomen mit einem Zyklus von 2-7 Jahren. Während der normalen Walker-Zirkulation kommt es zu kaltem Upwelling im Osten und zu warmen SST im Westen. Während eines El Niño wird der Ost- und der Zentralpazifik anomal warm und der Westpazifik anomal kühler, und die atmosphärischen Zirkulationsvorgänge, die Southern Oscillation, verlagern sich als Reaktion auf die Erwärmung der Meeresoberfläche. Die Störung der Walker-Zirkulation verursacht weltweit bedeutende Verlagerungen der Atmosphärenzirkulation, der Niederschlagsmuster und des jahreszeitlichen Klimas. Das kalte Extrem von ENSO wird La Niña genannt.

 
Warenterminbörse

Börse, an der Terminkontrakte (Futures) auf Waren (Commodities) gehandelt werden. Futures beinhalten dabei die Verpflichtung, nach Ablauf einer Frist eine im Voraus festgelegte Menge zu einem zuvor festgelegten Preis abzunehmen. Spekulanten ist die Möglichkeit geboten, von eventuellen Schwankungen zu profitieren, die sie, aber nicht die Mehrheit der Marktteilnehmer, vorhergesehen haben. Die bekannteste Warenterminbörse für landwirtschaftliche Produkte ist The Chicago Board of Trade, die seit 2007 zur Chicago Mercantile Exchange (CME) gehört.
Große Broker-Häuser unterhalten ihre eigenen meteorologischen Abteilungen, um Marktentwicklungen bei diesen wetterabhängigen Produkten besser abschätzen zu können.

Wärme

Die durch ständige Zusammenstöße der Luftmoleküle ungeordnete Molekülbewegung. Je wärmer ein Stoff ist, desto stärker ist die Bewegung der Moleküle. Mit der Temperatur wird die in der Luft enthaltene Wärmeenergie gemessen.

In der Meteorologie unterscheidet man zwischen zwei Arten von Wärme:

  1. fühlbare Wärme (syn. sensible W.); Bezeichnung für eine durch das Gefühl erfassbare, und damit mit einem Thermometer messbare Wärmemenge, die von warmen Oberflächen durch Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung, vor allem jedoch durch turbulente Luftbewegungen weitertransportiert wird. Bei der Kondensation wird latente Wärme (s. 2.) in fühlbare Wärme umgewandelt.
  2. latente Wärme (lat. latere = verborgen sein); die im Wasserdampf der Luft (durch Verdunstung an der Erdoberfläche) enthaltene potentielle Energie, die bei der Kondensation (Kondensationswärme) bzw. Sublimation (direkter Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Zustand) des Wasserdampfes freigesetzt wird und in fühlbare Wärme übergeht. Sie entspricht der gleichen Wärmemenge, die bei der Verdampfung von Wasser bzw. beim Schmelzen von Eis verbraucht wird.
Warvenchronologie

Zeitgliederung mit Hilfe der Untersuchung von saisonal unterschiedlichen, bandartig abgelagerten Feinsedimenten (Bändertone) in eiszeitlichen Seen. Die gute Schichtung erklärt sich aus der jahreszeitlich schwankenden Wasser- und Sedimentzufuhr. So entspricht die Zeit der Schneeschmelze (Frühling / Frühsommer) das hellere und gröbere, der abnehmenden Wassermenge des Hochsommers bis Frühwinters das dunkle, feinere Material. Frostbedingt findet im Winter kein Absatz statt. Eine helle und eine dunkle Lage bilden jeweils zusammen eine ca. 0,5-1cm dicke Jahresschicht, eine Warve.

klimamessung_warven  

Vom Streifenmuster zur Klimainformation

Ablagerungen in den Sedimentev von Binnenseen sind natürliche Archive der Klimaentwicklung.

Mit einem Stechschwert oder einem Hohlrohr werden Sedimentproben aus dem Seeboden "gezogen".

Links die Fotografie eines Bohrkerns aus einem Maarsee. Deutlich zu erkennen ist das Streifenmuster der Ablagerungen. In diesem Streifenmuster verbirgt sich die Klima-Information.

Jede Schicht stellt die Ablagerungen eines Jahres dar und wird als Warve bezeichnet. Vielfach können innerhalb der einzelnen Schichten die vier Jahreszeiten unterschieden werden. Die Ablagerungen bestehen unter anderem aus Algenblüten, die charakteristisch für bestimmte Jahreszeiten sind. Unter dem Mikroskop können z. B. die verschiedenen Arten von Kieselalgen (Diatomeen) bestimmt werden. Im Idealfall lässt sich eine jahreszeitliche Auflösung der Ablagerungen über Tausende von Jahren erzielen, die ein hochgenaues Abbild der Umweltbedingungen während der Ablagerungszeit wiedergeben.

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Quelle: GFZ Potsdam
 

Weitere Informationen:

Wasser

Bezeichnung für die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung mit der chemischen Summenformel H2O. Reines Wasser ist eine geruchs- und geschmacksneutrale Flüssigkeit. Es besitzt einen bläulichen Schimmer, der aber nur an dickeren Schichten wahrgenommen werden kann. Bei Normaldruck (760 Millimeter Quecksilbersäule) liegt der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 ºC und der Siedepunkt bei 100 ºC. Wasser erreicht seine größte Dichte bei einer Temperatur von 4 ºC; beim Gefrieren dehnt es sich aus. Wie die meisten Flüssigkeiten kann Wasser auch in einem unterkühlten Zustand existieren. In diesem Zustand bleibt es auch dann flüssig, wenn seine Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Wasser kann unter Laborbedingungen und selbst in der Atmosphäre leicht bis circa -25 °C abgekühlt werden, ohne dass es einfriert. Unterkühltes Wasser gefriert bei Erschütterung, bei weiterer Temperaturabnahme oder wenn man einen Eiskristall hinzufügt.

Mit Wasser lassen sich Stoffe (z. B. wasserlösliche Salze) in Ionen zerlegen. Mit einigen Salzen bildet Wasser Hydrate. Wasser lässt sich elektrolytisch in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen.

Wasser ist die einzige Substanz, die bei Durchschnittstemperaturen in allen drei Aggregatzuständen vorkommt (fest, flüssig und gasförmig).
Die Oberflächenspannung von Wasser ist höher als die der meisten Flüssigkeiten. Dies erleichtert sein Eindringen in Gesteinsspalten und über die Frostsprengung letztlich die Bodenbildung.
Wasser tritt als Feuchtigkeit im oberen Bereich des Bodenprofils auf. Durch die Kapillarwirkung haftet es an den Teilchen im Boden. In diesem Zustand nennt man es gebundenes Wasser. Es unterscheidet sich in seinen Eigenschaften von freiem Wasser. Unter dem Einfluss der Schwerkraft sammelt sich Wasser in den Gesteinsspalten unter der Erdoberfläche. Ein riesiges Grundwasserreservoir versorgt Brunnen und Quellen und erhält einige Wasserläufe während Trockenperioden am Fließen.

Da Wasser zahlreiche Substanzen in großen Mengen zu lösen vermag, kommt es in der Natur selten in reiner Form vor.
Bei der Kondensation und beim Niederschlag absorbieren Regen oder Schnee veränderliche Mengen an Kohlendioxid und anderen Gasen, auch Spuren von organischen und anorganischen Substanzen aus der Atmosphäre.
Beim Kontakt mit der Erdkruste reagiert Wasser mit den Mineralien im Boden und in den Gesteinen. Im Oberflächen- und Grundwasser sind in erster Linie Sulfate, Chloride und Hydrogencarbonate von Natrium und Kalium sowie Calcium und Magnesium enthalten. Den höchsten Mineralstoffgehalt der natürlichen Wässer weist das Meerwasser auf.

Wasserbilanz an der Erdoberfläche
Vorkommen Volumen in 106 km3 Anteil in %
Ozean  1370   97,25
Polkappen und Gletscher    29     2,05
Tiefes Grundwasser (750 m bis 4 km)     5,3     0,38
Oberes Grundwasser (<750 m)     4,2     0,03
Bodenfeuchte     0,065     0,005
Seen     0,125     0,01
Flüsse     0,0017     0,0001
Atmosphäre     0,013     0,001
Biosphäre     0,0006     0,00004
Gesamt 1408,7 100
Quelle: Frimmel, Fritz H. (1999):
Wasser und Gewässer. Heidelberg und Berlin

Zwischen den einzelnen Umweltkompartimenten findet ein ständiger Austausch statt. Die Verweilzeit eines individuellen Wassermoleküls in der Atmosphäre wird auf nur ca. 11 Tage geschätzt. In den gemäßigten Breiten kann ein Wassermolekül während dieser Zeit etwa 1.000 km weit verfrachtet werden. Die mittlere Verweilzeit eines Wassermoleküls im Ozean beträgt hingegen ca. 39.000 Jahre. Etwa 80 % der Niederschläge fallen über dem Meer. Dort übertrifft die Verdunstung die Niederschlagsmengen, der Überschuß wird als Dampf zum Land transportiert.

Die hohe Wärmekapazität des Wassers steht für seine Fähigkeit, beachtliche Mengen thermischer Energie zu speichern. Durch diese Wärmekapazität werden über die Meeresströme riesige Wärmemengen verfrachtet, und in den Organismen von Warmblütern trägt sie dazu bei, isotherme Bedingungen aufrecht zu erhalten.

Wasser ist der Hauptbestandteil der lebenden Materie. 50 bis 90 Prozent der Masse lebender Organismen bestehen aus Wasser. Protoplasma, die Grundsubstanz lebender Zellen, enthält u. a. Fette, Kohlenhydrate, Proteine, Salze und andere Substanzen. Wasser fungiert dabei als eine Art Bindeglied. Es transportiert diese Substanzen, geht mit ihnen Verbindungen ein und sorgt für ihren chemischen Abbau.

Weitere Informationen:

Wasserdampf

Wasser im gasförmigen Aggregatzustand. Unter Normaldruck (1013 hPa) ist alles über 100 °C warme Wasser gasförmig.

Wasserkreislauf

Auch hydrologischer Kreislauf; vereinfacht der Weg des Wassers, den es im System Erde vom Meer über die Verdunstung, den atmosphärischen Wasserdampftransport und den Niederschlag zum Land sowie über die Flüsse zum Meer nimmt, maßgeblich hervorgerufen durch Sonneneinstrahlung und Schwerkraft.

Dieser modellhaft vereinfachte Wasserkreislauf erfasst jedoch nicht die Hauptmasse des Wasserumsatzes. Dieser geht vielmehr über dem Meer selbst vor sich, wobei der größte Teil des verdunstenden Wassers als Niederschlag auf das Meer zurückkehrt. Nur ein verhältnismäßig geringer Teil des Wassers wird zwischen Meer und Landflächen ausgetauscht. Der Umsatz über den Landflächen ist etwas größer, aber erreicht bei weitem nicht denjenigen über dem Meer. Für den Menschen ist der Wasserumsatz über dem Land besonders wichtig, weshalb er meist für sich betrachtet wird. Der Wasserkreislauf über den Landflächen ist komplizierter. Er teilt sich in ungezählte Einzelkreisläufe auf, die sowohl zeitlich als auch räumlich verschiedene Werte annehmen. Der Wasserkreislauf selbst besteht aus vielen Teilprozessen, wie Verdunstung, Kondensation, Sublimation, Niederschlag, Deposition, Interzeption, Abfluss, Infiltration, Evapotranspiration, Ablation u.w.

Die Atmosphäre spielt bei der Umverteilung des Wassers zwischen den Reservoiren Ozean und Land die zentrale Rolle. Sie nimmt das von den beiden anderen Reservoiren verdunstete Wasser auf, wandelt es in Wassertröpfchen oder Eiskristalle um und transportiert es über weite Strecken vom Ozean aufs Land oder umgekehrt. Dort fällt es dann in fester oder flüssiger Form aus der Atmosphäre wieder heraus. Während über dem Ozean die Verdunstung den Niederschlag übertrifft, ist es über dem Land umgekehrt. Netto transportiert die Atmosphäre also Wasser vom Ozean Richtung Land, und zwar etwa 9% des über dem Ozean verdunsteten Wassers. Das hat zur Folge, dass etwa 35% des über Land fallenden Niederschlags verdunstetes Ozeanwasser ist, das über die Atmosphäre herantransportiert wurde.

Die mittlere Verweilzeit des verdunsteten Wassers in der Atmosphäre liegt bei etwa 10 Tagen.

Initiale Größen im Wasserkreislauf sind Verdunstung bzw. Sublimation, über die das Wasser als Wasserdampf in die Atmosphäre gelangt und dort im Rahmen der atmosphärischen Zirkulation horizontal transportiert werden kann. Dabei ist vor allem die Troposphäre in den Wasserkreislauf eingebunden, da aufsteigender Wasserdampf in der Regel vor Erreichen der Tropopause kondensiert und in Form von Niederschlag ausfällt. Aufgrund regional unterschiedlicher Wasserverfügbarkeit und Verdunstungsraten unterliegt der Wasserkreislauf deutlichen raum-zeitlichen Schwankungen.

Das Niederschlagswasser trifft zunächst, wenn keine Überbauung, nackter Erdboden oder Felsflächen vorliegen, auf die Vegetationsdecke, wo ein Teil des Niederschlages zurückgehalten wird und von dort entweder direkt wieder verdunstet oder zum Teil verzögert auf den Erdboden gelangt.

Nach der Infiltration in den Erdboden füllt das Niederschlagswasser zunächst die Bodenwasservorräte wieder auf. Überschüssiges Wasser wird in tiefere Bereiche abgeleitet. An der Bodenoberfläche erleidet das Wasser wieder Verluste durch den Verdunstungsprozess. Beim weiteren Eindringen des Wassers in den Boden gelangt das Wasser entweder in das Grundwasser oder an weniger durchlässige Schichten. An letzteren wird es zunächst gestaut und bewegt sich unter dem Einflus der Schwerkraft und dem Potentialgradient parallel zu der weniger durchlässigen Schicht dem Weg des größten Gefälles folgend. Dabei fließt es oft hangparallel und tritt entweder zeitlich verzögert an der Oberfläche oder in einem Vorfluter wieder aus oder es erreicht das Grundwasser. Nach Ein- bzw. Austritt des Wassers in den Vorfluter folgt es dem größten Gefälle und es kommt zur Bildung des Abflusses im offenen Gerinne. Hier bewegt es sich, dem Gefälle folgend, dem Meer oder einem See zu.

Größere Wassermassen können über längere Zeitabschnitte auf der Erdoberfläche in Form von Schnee und Eis gespeichert werden, wenn die Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt.

Insgesamt kommt dem großen Wasserkreislauf eine zentrale Bedeutung für den Wärme- und Energiehaushalt der Erde zu.

Auch kann der Wasserkreislauf als eine riesige Destillationsanlage betrachtet werden, da ständig aus Salzwasser, das für die Festlandsbereiche lebenswichtige Süßwasser produziert wird. Zusätzlich dient er durch Auswaschungsprozesse (Rain-out- oder Wash-out-Prozess) von Luftbeimengungen dem Selbstreinigungsprozess der Atmosphäre.

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Einfaches Schema des Wasserkreislaufs

Unter dem Begriff Wasserkreislauf versteht man den Transport und die Speicherung von Wasser auf globaler wie regionaler Ebene. Hierbei wechselt das Wasser mehrmals seinen Aggregatzustand und durchläuft die einzelnen Sphären des Systems Erde wie Hydrosphäre, Pedosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und Atmosphäre. Die Zirkulation des Wassers vollzieht sich in vereinfachter Vorstellung zwischen Meer und Festland. Im Wasserkreislauf geht kein Wasser verloren, es ändert nur seinen Zustand. Diese Zustände werden durch die Wasserhaushaltsgrößen vertreten und folglich im Wasserhaushalt bilanziert.

Für den Wasserdampftransport sind atmosphärische Zirkulationssysteme von entscheidender Bedeutung, z.B. die tropischen Monsune und subtropischen Passate in den niederen Breiten und in den mittleren und höheren Breiten die durch den Jetstream gesteuerten Zugbahnen der Tiefdruckgebiete.

Der Wasservorrat der Erde bleibt dabei letztendlich konstant.

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Quelle: USGS / Wikipedia
 
Wechselwirkungen Ozean-Atmosphäre

Das Klima der Erde und seine Variabilität werden ganz wesentlich von der Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre bestimmt. Dabei kommt dem Ozean schon deswegen eine große Bedeuung zu, weil er 71% der Erdoberfläche bedeckt, einen großen Teil der eingehenden Strahlungsenergie der Sonne aufnimmt, und weil diese hauptsächlich in seiner obersten Schicht in Wärmeernergie umgewandelt wird. Die zweite wichtige Eigenschaft des Ozeans ist die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser. Sie bewirkt, dass der Ozean vor allem im jahreszeitlichen Wechsel auf die Temperaturschwankungen der Atmosphäre ausgleichend wirkt. Der dritte wesentliche Faktor ist das ozeanische Strömungssystem, das erhebliche Mengen von Energie über große Entfernungen transportiert, in der Regel von den Haupteinstrahlungsgebieten beiderseits des Äquators in Richtung der Pole. Der die Einstrahlungsgegensätze ausgleichende Energietransport auf der Erde, der das Leben in den höheren geographischen Breiten überhaupt erst ermöglicht, geschieht etwa zu gleichen Teilen durch die Atmosphäre und den Ozean.

Der ozeanische Transport erfolgt durch Oberflächen- und Tiefenströmungen. Die Oberflächenströme und ihr Energietransport werden durch die atmosphärische Dynamik, d.h. durch Wind, angetrieben, die Tiefenströme wesentlich durch Dichteunterschiede des Meerwassers, die einerseits durch die Temperatur, andererseits durch den Salzgehalt bestimmt werden. Temperatur und Salzgehalt des oberflächennahen Meerwassers und damit seine Dichte werden durch Energie- und Frischwasserflüsse (Niederschlag und Verdunstung) zwischen Atmosphäre und Ozean beeinflusst, der Salzgehalt von Meerwasser wird außerdem durch Frischwasserzufuhr vom Land oder schmelzendes bzw. gefrierendes Meereis bestimmt. Die windgetriebenen Oberflächenströmungen und die Tiefenzirkulation stehen in einem engen Wechselverhältnis: Winde treiben Wasser mit hohem Salzgehalt in Gebiete, in denen es abkühlt und absinkt (wie im Nordatlantik), oder sie treiben warmes Oberflächenwasser von Küsten weg, wodurch kälteres Tiefenwasser aufsteigen kann (wie in den Auftriebszonen vor einigen Westküsten der Kontinente).

Einfaches Schema der Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre

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Quelle: Dieter Kasang, Hamburger Bildungsserver

Beide Systeme treiben sich gegenseitig in einer Art und Weise an, die bis jetzt nur unzulänglich geklärt, aber von großer Wichtigkeit für das Verständnis der Variabilität des Klimas ist.

Ein markantes Beispiel dafür ist das El Niño-Phänomen, das sich durch eine Erwärmung des Oberflächenwassers im Pazifischen Ozean vor der Küste von Peru bemerkbar macht, aber auch große Auswirkungen auf verschieden Regionen der Welt hat, z. B. durch die mit ihm verbundenen Änderungen der lokalen Niederschlagsmengen und den damit einhergehenden Dürren oder Überschwemmungen.

Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit versucht die Wissenschaft über ein verbessertes Verständnis der Rolle von Ozean und Atmosphäre bei derartigen gekoppelten Klimaschwankungen, im Bereich von Jahren bis zu Jahrzehnten, auch eine verbesserte Vorhersage des physikalischen Klimas zu ermöglichen. Mittlerweile ist es zudem eine akzeptierte Tatsache, dass der Ozean eine Schlüsselrolle bei der durch den Menschen verursachten Klimaänderung einnimmt.

 

Eine weitere wichtige Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre besteht in dem Gasaustausch zwischen diesen beiden Subsystemen des Klimasystems. Von besonderer Bedeutung für das Klima ist die Fähigkeit des Ozeans das atmosphärische Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) durch Lösung aufzunehmen. Dabei kann kaltes Oberflächenwasser mehr Kohlendioxid aufnehmen als warmes. Das ist der Hintergrund für wichtige Rückkopplungsprozesse. Falls sich die Atmosphäre, z.B. durch eine geringere Sonneneinstrahlung, abkühlt, wird auch das Oberflächenwasser des Ozeans kälter und kann dadurch mehr CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen. Die Folge sind eine Schwächung des Treibhauseffekts und eine noch kühlere Atmosphäre, woraus eine weitere Abkühlung des Oberflächenwassers folgt, das dadurch noch mehr CO2 aufnehmen kann usw. Bei einer Erwärmung der Atmosphäre, z.B. durch anthropogene CO2-Emissionen, läuft der Prozess in umgekehrter Richtung ab. Gelöstes CO2 geht im Wasser neue chemische Verbindungen ein und wird durch Photosynthese im Phytoplankton gebunden. Ein bedeutender Teil des Kohlenstoffs wird durch Konvektion und absinkende organische Substanzen dem Oberflächenwasser und damit dem Austausch mit der Atmosphäre für längere Zeit entzogen. Auch diese Prozesse sind temperaturabhängig. So verstärkt kälteres Wasser die Konvektion und wärmeres schwächt sie. Dadurch wird in dem ersten Fall mehr Kohlendioxid dem Oberflächenwasser entzogen, das infolgedessen weiteres CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen kann, wodurch sich die Atmosphäre weiter abkühlt und die Konvektion noch mehr verstärkt wird.

Weltorganisation für Meteorologie (WMO)

Engl. World Meteorological Organisation; 1951 gegründete Unterorganisation der Vereinten Nationen mit Sitz in Genf. Die Aufgaben der WMO:

  • die Koordination internationaler Zusammenarbeit in den Bereichen Meteorologie und Hydrologie, insbesondere beim Aufbau von Messnetzen
  • die Standardisierung meteorologischer Beobachtungen, ihrer Auswertung und Publikation
  • die Verbesserung und Beschleunigung des weltweiten Datenaustausches

Die WMO besitzt 191 Mitgliedstaaten bzw. -territorien (2014), die eigene nationale Wetterdienste betreiben. Ziel der Arbeit der WMO ist u.a. die Verbesserung von Wettervorhersagen im Hinblick auf Katastrophenwarnungen, die Sicherung und Förderung sozioökonomischer Prozesse sowie der Schiff- und Luftfahrt.

West(ern) Pacific Warm Pool (WPWP)

Zu deutsch etwa ‚Westpazifischer Warmwasserkörper‘; ein Gebiet warmer Wassermassen, das sich etwa von den Gewässern südlich Japans südwärts über Indonesien hinweg im Bereich des tropischen Westpazifik erstreckt, und das vom Südäquatorialstrom aufgebaut wird. Die Meeresoberflächentemperaturen sind hier die höchsten weltweit, oft liegen sie über 30 °C. Zwar können die definitorischen Grenzwerte unterschiedlich sein, aber verbreitet gelten ca. 29 °C als Schwellenwert.
Der Warmwasserkörper weist saisonale Veränderungen hinsichtlich Größe und Lage auf und liegt mit seinem Kern nördlich des Äquators während des nordhemisphärischen Sommers und südlich des Äquators während des Nordwinters. Unter El Niño-Einfluss kann sich der Warmwasserkörper bis weit in den Zentralpazifik hinein ausdehnen.

Bei Betrachtung der Zirkulation von oberflächennahen Wasserschichten zeigt sich, dass der Warm Pool Wasser von zwei antizyklonalen Strömungskreisen (North and South Pacific gyre) bezieht, vor allem aus dem South Pacific gyre über den Südäquatorialstrom. Der Abfluss erfolgt dann über den nordäquatorialen Gegenstrom und den Indonesischen Durchstrom (Indonesian throughflow), sowie an der Westbegrenzung des Pazifik über die polwärtigen Äste der beiden Strömungskreise. Der Verbleib des Wasser im Warm Pool beträgt lediglich 1,3 Jahre, was den Pool empfindlich macht für zwischenjährliche Variationen der Wärmezufuhr.

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Mittlere Meeresoberflächentemperaturen in den Tropen und Subtropen - Animation des Jahresverlaufs

 

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Quelle: Vernon Kousky - NOAA (pers. Mitteilung)
 

Der Warmwasserkörper liegt unter Luftmassen mit ausgeprägter Konvektionstätigkeit und entsprechend hohen Niederschlägen. Diese führen zu einer geringen Salinität des Oberflächenwassers. Die Thermokline liegt im WPWP deutlich tiefer als im Osten, was eine tiefreichende vertikale Durchmischung verhindert. Mit einer Tiefe von ca. 80 m (nach Trenberth 2013 sogar 150 m) liegt sie nahe der unteren Grenze der photischen Zone. Die Thermokline hat einen starken Temperaturgradienten, welcher eine wirksame Sperre für den Transfer von Nährstoffen an die Oberfläche darstellt. Entsprechend ist Upwelling nicht vorhanden. So ist das relativ gleichmäßig temperierte Wasser eher oligotroph mit einer geringen Primärproduktion und weist einen geringen Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) auf. Während durchschnittlicher klimatischer Bedingungen ist die Biomasse von sowohl Phytoplankton als auch von heterotrophen Organismen in der photischen Zone des Warm Pool nur halb so groß wie die im Bereich der Äquatorial-Pazifischen Divergenz (PEDC). Die Biomasse von heterotrophen Bakterien und von Mikrozooplankton in den tieferen Schichten ist nicht bekannt.

Diese Situation ändert sich deutlich während El Niño-Episoden, wenn die Thermokline bis auf ca. 40 m ansteigt. Wenn dies geschieht, gibt es eine Zunahme der Primärproduktion, angeregt durch den Einstrom von neuen Nährstoffen in die photische Zone unter der Thermokline. Die gesamte Primärproduktion wächst dann auf die doppelte Menge, und die Biomasse von Zooplankton ist 1,5 mal höher. Diese verstärkte Produktivität kommt möglicherweise nicht vollständig in Aufnahmen der Meeresfarbe zum Ausdruck, da Fernerkundungsdaten der oberflächennahen Schichten keine Auskunft geben über die Komponenten des Nahrungsnetzes in tieferen Schichten.

Nach Osten zu ist der WPWP durch starke Gradienten bezüglich Salinität, pCO2 und Chlorophyll von den deutlich unterschiedlichen Wassermassen des Ostpazifiks abgegrenzt (Warm Pool Edge).

Änderungen der Meeresoberflächentemperatur, die hier wegen der ENSO-Variabilität ablaufen, haben wichtige Auswirkungen auf den Wärmetransport von niedrigen in höhere Breiten. Die Verlagerung des Warmwasserkörpers und der begleitenden konvektiven Aktivität führt zu Veränderungen der Walker- und der Hadley-Zirkulation und beeinflusst dann globale Klima-Variationen.

Wegen seiner Rolle im System von Atmosphäre und Klima spielt der WPWP auch eine wichtige Rolle bei der Bestimmung lang- und kurzfristiger globaler Klimaänderungen.

Es wird wird vermutet, dass die globale Erwärmung u.a. zu einer Expansion des WPWP führen könnte.

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W-O-Profil durch den äquatorialen Pazifik

Schema des äquatorialen Pazifik mit den Besonderheiten von Ozean und darüber liegender Atmosphäre im Ost- und Westpazifik und im Bereich der Ostgrenze des WPWK (Warm Pool Edge). Der Westpazifik ist durch wärmeres und salzärmeres Wasser gekennzeichnet als der Osten und besitzt hochreichende Konvektionsvorgänge. Die Madden Julian Oscillation (MJO) ist über dem Westpazifik stärker als über dem Osten, und Westwindausbrüche beeinflussen die Meeresoberfläche. Die ozeanische Deckschicht (mixed layer) und die Thermokline sind im Westen tiefer als im Osten. Im Warmwasserkörper können sich Sperrschichten unter der Deckschicht bilden, oftmals aufgrund der Abführung von salzhaltigem Wasser nach Osten. Am Ostrand des Warmpools gibt es starke zonale Gradienten bezüglich Salinität, pCO2 und Chl-a.

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Quelle: sciencedirect
 

Weitere Informationen:

Westerly Wind Bursts (WWB)

Begriff, der noch keine allgemein anerkannte Übersetzung besitzt, häufig englisch verwendet wird und am ehesten mit "Westwindausbrüche" ins Deutsche übertragen werden kann. WWBs bilden sich, wenn die östlichen Passatwinde erlahmen oder wenn sich westliche Winde im Zusammenhang mit großskaligen Phänomenen wie die Madden-Julian Oscillation entwickeln.

Zum 'normalen' Zustand des tropischen Pazifiks gehören östliche Passatwinde, die das von der Sonne erwärmte Wasser nach Westen treiben. Als Folge ist das Oberflächenwasser im Westen wärmer als jenes im Osten. WWB sind damit vorübergehende, auf das Wetter bezogene Umkehrungen dieser normalen Windflusses. Die bodennahen WWB entstehen vorwiegend über dem tropischen Westpazifik, besitzen eine Dauer von einigen Tagen bis zu ein paar Wochen (6 - 7 Tage in 75 % der Ereignisse) und wehen mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 5 - 10 m/s. Ihre longitudinale Ausbreitung schwankt zwischen 500 und 8.000 km mit einem Mittel von 4.000 km. Sie kehren die ozeanische Oberflächenströmung von einer westwärtigen in eine ostwärtige Richtung um. Die WWB helfen dabei, einen Teil des warmen Wassers zurück in den zentralen und östlichen Äquatorialpazifik zu bewegen, indem sie die ostwärtige Strömung des äquatorialen Gegenstroms verstärken. Gleichzeitig bewirken sie so ein zonales Druckgefälle, das einen westwärts gerichteten Unterstrom erzeugt.

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Entstehung von Westerly Wind Bursts (WWB) und tropische Zyklogenese mit Bildung von Super Cloud Clusters (SCC) während der MJO


Die WWB besitzen eine besondere Bedeutung in der Modifikation der Temperatur vor allem des östlichen Pazifiks. Lang ahaltende WWB rufen ozeanische Kelvinwellen hervor, die die Thermokline herabsetzen und zu einer lokalen Erwärmung der SST führen. Den WWB wird daher auch eine Auslösefunktion für einen El Nino zugeschrieben.

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Quelle: Bendix, A. und Bendix, J. (2004)

 

WWB werden mit als treibende oder auslösende Kraft (Forcing) für ein El Niño-Ereignis angesehen. Bei dieser Einschätzung steckt man allerdings in einem Henne-Ei-Problem.

Die Westwindausbrüche erzeugen auch Downwelling hervorrufende äquatoriale Kelvinwellen, die in den Ostpazifik wandern und dort einen Anstieg der Meeresoberflächentemperatur bewirken können. Das zusätzliche warme Wasser wird unter der Oberfläche in ca. 40 m bis 400 m Tiefe entlang des Äquators im Cromwellstrom (syn. Äquatorialer Unterstrom) nach Osten transportiert.

WWB gehen möglicherweise auch auf den zeitlich wechselnden Einfluss verschiedener Konvergenzzonen zurück. Denn im Westpazifik treffen die Einflussbereiche der South Pacific Convergence Zone, der ITK und des Monsuns aufeinander. WWB treten üblicherweise in der westlichen Phase der Madden-Julian-Oscillation auf. WWB werden als bodennahe Ausprägung der MJO angesehen. Man geht davon aus, dass die Mechanismen, die für die MJO verantwortlich sind, auch eine wesentliche Rolle bei der Bildung und Aufrechterhaltung der WWB spielen.
Eine weitere Theorie zur Entstehung der WWB stellt einen Zusammenhang mit dem Auftreten von einem Paar äquatornaher Zyklonen her. Dieser Zusammenhang besteht aber nicht für alle WWB. Auch werden Kaltluftvorstöße aus mittleren Breiten diskutiert.

Wetter

Als "Wetter" wird der physikalische Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem auch kürzeren Zeitraum an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet bezeichnet, wie er durch die meteorologischen Elemente und ihr Zusammenwirken gekennzeichnet ist.

Das Wettergeschehen spielt sich in der unteren Atmosphäre ab, die als Troposphäre bezeichnet wird. In höheren Atmosphärenschichten gibt es zwar auch messbare Luftbewegung und Temperatur, aber so gut wie keine Feuchte. Deswegen gibt es dort auch kein Wetter im engeren Sinne, wenn man davon absieht, dass gelegentlich sehr hohe Eiswolken auftreten können.

Ursache der Wetterabläufe sind die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche und daraus resultierend der darüberliegenden Luftschichten in Abhängigkeit von der geographischen Breite, der Höhenlage über NN, der Land-Meer-Verteilung, der Orographie, des Bewuchses usw.

Das Wetter wird mit Hilfe quantifizierbarer Parameter charakterisiert. Diese Parameter sind fundamentale Größen des Wetters (Wetterelemente) wie z.B. Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Drucktendenz, Windrichtung und Windgeschwindigkeit, Bewölkung, Niederschlag und Sichtweite.

Das Wetter gilt als typisches Beispiel für ein chaotisches System, welches durch eine begrenzte Vorhersagbarkeit charakterisiert ist. Die Grenze liegt im Mittel bei etwa 14 Tagen.

Weitere Informationen:

Wind

Durch den Begriff "Wind" wird die - vorwiegend horizontale - Verlagerung von Luftteilchen in Bezug auf deren Richtung und Geschwindigkeit beschrieben. Der Wind ist somit eine typische Vektorgröße, da zu seiner vollständigen Beschreibung sowohl ein Betrag (Geschwindigkeit) als auch eine Richtung (die Windrichtung) notwendig ist. In der Meteorologie sind Begriffe wie "Höhenwind" oder "Bodenwind" geläufig. Wenn bei Höhen- oder Bodenwind der zurückgelegte horizontale Weg der Luftteilchen pro Zeiteinheit anzugeben ist, werden durch Schätzung bestimmte Werte als Windstärke und durch Messung erhaltene Werte als Windgeschwindigkeit bezeichnet.

Hauptursache für Wind sind Unterschiede im Luftdruck zwischen Luftmassen. Dabei bewegen sich Luftteilchen aus dem Gebiet mit einem höheren Luftdruck – dem Hochdruckgebiet – solange in das Gebiet mit dem niedrigeren Luftdruck – dem Tiefdruckgebiet –, bis der Luftdruck ausgeglichen ist.

Die Geschwindigkeit des Windes wird in Meter pro Sekunde (m/s), in Kilometer pro Stunde (km/h) oder in der Seefahrt sowie in der Luftfahrt in Knoten (1 kt = 1,852 km/h) gemessen. Die bisher höchsten gemessenen Windgeschwindigkeiten um 500–650 km/h traten bisher nur in großen Höhen bei den sogenannten Jetstreams auf. Die Stärke eines Windes wird – innerhalb der sehr verbreiteten Beaufortskala – in der Einheit Beaufort (Bft) ausgedrückt. Winde zwischen 2 und 5 Bft werden als Brise bezeichnet. Winde mit Windstärken zwischen 6 und 8 Bft bezeichnet man als Wind mit den Abstufungen starker, steifer und stürmischer Wind. Bei Windstärken ab 9 Bft spricht man von einem Sturm. Winde mit der Windstärke 12 bezeichnet man als Orkan.

Die Windrichtung, meist in Form einer Hauptwindrichtung angegeben, wird durch die Lage von Tiefdruckgebiet und Hochdruckgebiet bestimmt. Dabei wird sie aber durch die Corioliskraft in Bewegungsrichtung nach rechts (Nordhalbkugel) bzw. nach links (Südhalbkugel) abgelenkt. Unterhalb der freien Atmosphäre wird der Wind zusätzlich durch Reibung beeinflusst und kann auch durch morphologische Strukturen wie Berge, Täler und Canyons stark variieren (Beispiel: Föhn bzw. Fallwind, Aufwind, Talwind, Bergwind). Bei rotierenden Systemen wie Wirbelstürmen spielt zusätzlich die Zentrifugalkraft eine entscheidende Rolle. In der freien Atmosphäre bewegt sich die Luft parallel zu den Isobaren.

Windscherung

Als Windscherung wird ein scharfer Unterschied in der Windgeschwindigkeit oder Windrichtung zwischen zwei Punkten der Erdatmosphäre bezeichnet, hervorgerufen durch das Aneinandervorbeiströmen zweier unmittelbar benachbarter Luftschichten, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Triebkraft sind große Luftdruckunterschiede, bei denen die als Scherwind bezeichnete Windbewegung als Ausgleich zwischen diesen Punkten fungiert. Je nachdem, ob sich diese zwei Punkte auf unterschiedlichen Höhen oder unterschiedlichen geographischen Positionen befinden, wird von einer vertikalen oder horizontalen Windscherung gesprochen. Die vertikalen Windscherungen treten bei unterschiedlichen Luftströmungen an den Grenzflächen unmittelbar übereinander befindlicher Luftschichten auf. Sie können sowohl durch verschiedene Windrichtungen als auch durch unterschiedliche Windgeschwindigkeiten hervorgerufen werden. Besonders ausgeprägte Schereffekte zeigen sich in Gewittern oder bei den Jetstreams.

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Windscherung und Hurrikanbildung über dem Atlantik

When the wind shear is weak, the storms that are part of the cyclone grow vertically, and the latent heat from condensation is released into the air directly above the storm, aiding in development. When there is stronger wind shear, this means that the storms become more slanted and the latent heat release is dispersed over a much larger area.

The primary explanation for the decline in hurricane frequency during El Niño years is due to the increased wind shear in the environment. In El Niño years, the wind patterns are aligned in such a way that the vertical wind shear is increased over the Caribbean and Atlantic. The increased wind shear helps to prevent tropical disturbances from developing into hurricanes. In the eastern Pacific, the wind patterns are altered in such a way to reduce the wind shear in the atmosphere, contributing to more storms.

Quelle: WW2010
 
Windschub

Bezeichnung für die durch Reibung entstehende Schubspannung, die Wind auf eine Wasseroberfläche ausübt. Man schreibt den Windschub τ als horizontalen Vektor. Von seiner physikalischen Bedeutung her ist τ der (nach unten positiv gerechnete) vertikale turbulente Fluss von Horizontalimpuls. Anschaulicher formuliert: Der Wind gibt seinen Impuls durch turbulenten Reibung an die obersten Wasserschichten ab, die dabei beschleunigt werden.

Der Windschub hat neben anderen Kräften Einfluss auf die horizontalen Meeresströmungen. Er verursacht aber auch vertikale Massenumlagerungen, die sich vor allem an der Oberfläche auswirken. Geographisch treten sie dort in Erscheinung, wo die ozeanische Grenzschicht zusätzlich seitlich begrenzt ist, wie an den Rändern der Kontinente oder wo es für das sog. Ekman-Pumpen eine dynamische Grenze gibt, wie dem Vorzeichenwechsel des Coriolisparameters am Äquator.

Windvektor

Die formale Darstellung des Windes durch einen Vektor. Da zur vollständigen Beschreibung eines Windes sowohl ein Betrag (die Windgeschwindigkeit) als auch eine Richtung (die Windrichtung) notwendig sind, ist der Wind eine typische Vektorgröße im dreidimensionalen Raum.

WOCE

Engl. Akronym für World Ocean Circulation Experiment; es bildet das maritime Kernvorhaben des Weltklimaforschungsprogramms (WCRP, World Climate Research Programme) mit den Zielen

  • Ozeanmodelle zur Vorhersage von Klimaentwicklungen zu entwerfen und durch globale Meßdaten zu überprüfen sowie
  • Konzepte zur Überwachung des Langzeitverhaltens der Ozeane zu erstellen, um klimarelevante Variationen der Ozeanzirkulation erkennen und aufzeichnen zu können.

Zur Erfüllung dieser Forderungen wurden ein umfangreiches globales Meßprogramm entworfen sowie international koordinierte Modellentwicklungen und numerische Experimente vorgenommen. Deutsche Arbeitsgruppen haben sich in den letzten 10 Jahren sowohl an den Feldarbeiten als auch an den Modellierungsvorhaben in erheblichem Umfang beteiligt.
Die dafür erforderlichen Personal- und Sachmittel wurden dem aus 21 Teilprojekten zusammengesetzten Forschungsverbund anfangs gemeinsam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft (BMBF), später ausschließlich von letzterem zur Verfügung gestellt. Auf dieser Grundlage haben Arbeitsgruppen der Universitäten Bonn, Bremen, Hamburg, Heidelberg und Kiel, des Max-Planck-Instituts für Meteorologie, des Deutschen Geodätischen Forschungsinstituts und des Bundesamtes für Seeschiffahrt und Hydrographie, koordiniert durch das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung die in diesem Bericht im folgenden dargestellten Untersuchungen durchgeführt.
Die Hauptziele des WOCE wurden im wesentlichen erreicht . Darüber hinaus wurden nicht vorhergesehene Prozesse im Periodenbereich von Jahren bis zu Jahrzehnten neu entdeckt. Die dafür verantwortlichen Mechanismen müssen allerdings noch aufgeklärt werden. Diese Aufgabe bildet den Kern des Vorhabens "Climate Variability und Predictability" (CLIVAR) innerhalb des Weltklimaforschungsprogramms.

Wolken

Eine Wolke ist eine für das menschliche Auge sichtbare, hinsichtlich ihrer Form schleier-, schicht- oder haufenartige Anhäufung von in der Luft schwebenden Eisteilchen oder Wolkentröpfchen, stets verbunden mit Turbulenz. Diese Tröpfchen sind maximal 0,1 Millimeter gross. Sind sie grösser, handelt es sich um Regentropfen. In einer Wolke sind etwa 108 Wolkentröpfchen pro m³ enthalten.
Liegt die Temperatur der Wolke unter -12° C, spricht man von einer Mischwolke, da in ihr sowohl gefrorene als auch flüssige Wasserteilchen vorkommen. Liegt die Temperatur unter -35° C, ist es eine Eiswolke. Sehr hohe Wolken (Cirren auf 8000 m Höhe) sind Eiswolken.
Die Wolken befinden sich in verschiedenen Stockwerken der Troposphäre. Die größte Häufigkeit und Dichte wird dabei in den unteren Schichten erreicht, da die Konzentration an Wasserdampf und Kondensationskernen mit der Höhe rasch abnimmt.
Wolken entstehen durch Kondensation und Sublimation (direkter Übergang vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand) von Wasserdampf, wenn in der feuchten Luft der Taupunkt durch Abkühlung unterschritten wird. Der bei der Wolkenbildung entscheidende Abkühlungsvorgang ist die adiabatische Temperaturerniedrigung beim Aufsteigen von Luftpaketen. Das Aufsteigen der Luft kann zum einen thermisch verursacht sein, zum anderen kommt es in der Atmosphäre zu dynamischen, d.h. zu erzwungenen Hebungen infolge des Strömens der Luft.
Die bei der Wetterbeobachtung allgemein verwendete Wolkenklassifikation basiert auf der Höhe, in der die Untergrenze der Wolken liegt und auf ihrem Aussehen. Hinsichtlich der Höhe unterscheidet man tiefe, mittelhohe und hohe Wolken. Über das Aussehen wird indirekt auch eine Aussage über die Entstehungsart gemacht. Beispielsweise gehören die Kumuluswolken (Quell- oder Haufenwolken) zu den Konvektionswolken.

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Wolkenrückkopplung

Eine Klimarückkopplung, die Änderungen in den Eigenschaften von Wolken als Reaktion auf andere atmosphärische Änderungen zur Folge hat. Das Verständnis von Wolkenrückkopplungen und die Bestimmung von Ausmaß und Vorzeichen erfordert das Verständnis, wie eine Änderung des Klimas das Spektrum der Wolkenarten, Wolkenhöhe und Bedeckungsgrad und die Strahlungseigenschaften der Wolken beeinflussen könnte sowie eine Einschätzung der Auswirkungen dieser Änderungen auf den Strahlungshaushalt der Erde. Zur Zeit verbleibt die Wolkenrückkopplung die größte Unsicherheitsquelle bei Schätzungen der Klimasensitivität.

World Climate Research Programme (WCRP)

Das Weltklimaforschungsprogramm wurde 1980 unter der gemeinsamen Trägerschaft des International Council for Science (ICSU) und der World Meteorological Organization (WMO) gegründet. 1993 kam als weiterer Träger die Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC) dazu. Die Ziele des Programms sind es, das physikalische Klimasystem und die Klimaprozesse wissenschaftlich so zu verstehen, um abschätzen zu können, inwieweit Klima vorhergesagt werden kann und welches Ausmaß der Einfluß des Menschen besitzt. Das Programm umfasst Untersuchungen der Atmosphäre, der Ozeane, des Meer- und Landeises und der Landflächen, die zusammen das Klimasystem der Erde bestimmen. WCRP-Studien sollen insbesondere wissenschaftlich fundierte quantitative Antworten auf allgemeine klimatische Fragestellungen und die verschiedenen natürlich bedingten Klimavariabilitäten geben, sowie die Grundlage schaffen für Vorhersagen von regionalen und globalen Klimaveränderungen und von Änderungen der Häufigkeit und Stärke von Extremereignissen.

Die Aktivitäten des WCRP befassen sich folglich mit wesentlichen wissenschaftlichen Unsicherheiten hinsichtlich des Klimasystems, einschließlich des ozeanischen Transports und der Speicherung von Wärme, des globalen Energie- und Kohlenstoffkreislaufs, der Wolkenbildung und deren Wirkung auf Strahlung sowie die Rolle der Kryosphäre (Eishülle). Diese Aktivitäten entsprechen den wissenschaftlichen Prioritäten, die vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gesetzt wurden, und sie sollen Antworten auf Fragen liefern, die im UN Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) gestellt wurden. Vergleichbares gilt für die in der Agenda 21 formulierten Forschungsdefizite. Zusammen mit dem International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) und dem International Human Dimensions of Global Environmental Change Programme (IHDP), stellt das WCRP den internationalen Rahmen für die wissenschaftliche Zusammenarbeit bei der Erforschung des globalen Wandels.

Daneben organisiert und unterstützt das WRCP Tagungen zu wissenschaftlichen Fragen. Als Kooperationspartner sind u.a. zu nennen: Global Observing System (GCOS), Global Ocean Observing System (GOOS), Ocean Observation Panel for Climate (OOPC).