Einführung
Luft ist ein greifbarer materieller Stoff und hat daher eine Masse. Jedes Objekt mit Masse steht unter dem Einfluss der universellen Kraft, die als Gravitation bekannt ist. Das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation besagt, dass zwei Objekte, die im Raum voneinander getrennt sind, von einer Kraft angezogen werden, die proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Auf der Erde lässt sich die Schwerkraft auch als eine Beschleunigungskraft von etwa 9,8 Metern pro Sekunde ausdrücken. Infolge dieser Kraft beschleunigt sich die Geschwindigkeit jedes Objekts, das auf die Erdoberfläche fällt (1. Sekunde – 9,8 Meter pro Sekunde, 2. Sekunde – 19,6 Meter pro Sekunde, 3. Sekunde – 29,4 Meter pro Sekunde usw.), bis die Endgeschwindigkeit erreicht ist.
Die Schwerkraft gestaltet und beeinflusst alle atmosphärischen Prozesse. Sie bewirkt, dass die Dichte und der Druck der Luft exponentiell abnehmen, wenn man sich von der Erdoberfläche entfernt. Die folgende Abbildung 7d-1 zeigt die durchschnittliche Veränderung des Luftdrucks mit der Höhe über der Erdoberfläche. In diesem Diagramm beträgt der Luftdruck an der Oberfläche etwa 1013 Millibar (mb) oder 1 Kilogramm pro Quadratzentimeter der Oberfläche.
Abbildung 7d-1: Veränderung des durchschnittlichen Luftdrucks mit der Höhe.
Messung des Luftdrucks
Jedes Instrument, das den Luftdruck misst, wird Barometer genannt. Die erste Messung des atmosphärischen Drucks begann mit einem einfachen Experiment von Evangelista Torricelli im Jahr 1643. In seinem Experiment tauchte Torricelli ein Rohr, das an einem Ende verschlossen war, in einen Behälter mit Quecksilber (siehe Abbildung 7d-2 unten). Durch den Atmosphärendruck wurde das Quecksilber in das Rohr gepresst, bis es deutlich höher war als das Quecksilber im Behälter. Torricelli stellte bei diesem Experiment fest, dass der Druck der Atmosphäre etwa 30 Zoll oder 76 Zentimeter beträgt (ein Zentimeter Quecksilber entspricht 13,3 Millibar). Er stellte auch fest, dass die Höhe des Quecksilbers je nach den äußeren Wetterbedingungen schwankte.
Torricellis Barometer
Abbildung 7d-2: Diagramm, das den Aufbau von Torricellis Barometer zeigt.
Das häufigste Barometer, das in Haushalten verwendet wird, ist das Aneroidbarometer (Abbildung 7d-3). In diesem Instrument befindet sich eine kleine, flexible Metallkapsel, die Aneroidzelle. Bei der Konstruktion des Geräts wird im Inneren der Kapsel ein Vakuum erzeugt, so dass sich die Kapsel bei kleinen Änderungen des Außenluftdrucks ausdehnt oder zusammenzieht. Die Größe der Aneroidzelle wird dann kalibriert, und jede Änderung ihres Volumens wird durch Federn und Hebel auf einen Anzeigearm übertragen, der den entsprechenden atmosphärischen Druck anzeigt.
Abbildung 7d-3: Aneroidbarometer.
Für klimatologische und meteorologische Zwecke wird der Standarddruck auf Meereshöhe mit 76,0 cm oder 29,92 Zoll oder 1013,2 Millibar angegeben. Wissenschaftler verwenden häufig das Kilopascal (kPa) als bevorzugte Einheit für die Druckmessung. 1 Kilopascal ist gleich 10 Millibar. Eine andere Krafteinheit, die von Wissenschaftlern manchmal zur Messung des atmosphärischen Drucks verwendet wird, ist das Newton. Ein Millibar entspricht 100 Newton pro Quadratmeter (N/m2).
Luftdruck an der Erdoberfläche
Abbildung 7d-4 beschreibt den monatlichen Durchschnittsdruck auf Meereshöhe an der Erdoberfläche. Diese Animation zeigt, dass der Luftdruck an der Oberfläche sowohl räumlich als auch zeitlich variiert. In den Wintermonaten (Dezember bis Februar) bilden sich Hochdruckgebiete über Zentralasien (Sibirisches Hoch), vor der Küste Kaliforniens (Hawaii-Hoch), über Zentralnordamerika (Kanadisches Hoch), über Spanien und Nordwestafrika bis in den subtropischen Nordatlantik (Azoren-Hoch) und über den Ozeanen der südlichen Hemisphäre in den Subtropen. Tiefdruckgebiete treten südlich der Aleuten (Aleuten-Tief), an der Südspitze Grönlands (Island-Tief) und bei 50 bis 80° südlicher Breite auf.
In den Sommermonaten (Juni bis August) verschwindet eine Reihe dominanter Winterdrucksysteme. Verschwunden sind das Sibirische Hoch über Zentralasien und die dominierenden Tiefdrucksysteme bei den Aleuten und an der Südspitze Grönlands. Das Hawaii- und das Azorenhoch verstärken sich und dehnen sich nordwärts in ihre jeweiligen Ozeanbecken aus. Hochdrucksysteme über den subtropischen Ozeanen der südlichen Hemisphäre verstärken sich ebenfalls und dehnen sich nach Norden aus. Über Australien und der Antarktis (Südpolarhoch) bilden sich neue Gebiete mit dominantem Hochdruck. Tiefdruckgebiete bilden sich über Zentralasien und Südwestasien (Asiatisches Tief). Diese Drucksysteme sind für die sommerlichen Monsunregen in Asien verantwortlich.
Wir werden diese Grafik noch einmal in Thema 7p betrachten, wenn die globale Zirkulation besprochen wird.
Abbildung 7d-4: Monatlicher durchschnittlicher Luftdruck und vorherrschende Winde auf der Erdoberfläche, 1959-1997. Die Atmosphärendruckwerte sind höhenbereinigt und relativ zum Meeresspiegel angegeben. Mit dem Schieberegler am unteren Rand des Bildes können Sie die Zeit des Monats ändern. 05/07/2009 10:08Farbschattierung. Blaue Schattierungen zeigen Druckwerte an, die unter dem globalen Durchschnitt liegen, während gelbe bis orangefarbene Schattierungen höhere Werte als die Durchschnittswerte anzeigen. (Quelle: Climate Lab Section of the Environmental Change Research Group, Department of Geography, University of Oregon – Global Climate Animations).
(Um diese Animation zu sehen, muss Ihr Browser das QuickTime Plug-in von Apple haben. Das QuickTime-Plug-in ist für Macintosh- und Windows-Betriebssysteme verfügbar und kann kostenlos von der World Wide Web Site www.apple.com/quicktime heruntergeladen werden).