Warum nimmt Luftdruck in der Höhe ab

Die Erde besitzt eine dicke Verpackung aus Luft, die Atmosphäre. Diese Lufthülle bemerken wir nur, wenn sie sich bewegt. Dann spüren wir einen feinen Lufthauch oder einen starken Wind. Doch obwohl sie uns schwerelos erscheint, hat diese Luft ganz schön viel Gewicht: Auf jeden einzelnen Quadratzentimeter Erde drückt ein ganzes Kilo Luft. Rechnet man aus, was dadurch auf unseren Schultern lastet, kommt erstaunliches heraus: Es sind mehrere hundert Kilogramm! Dass wir unter diesem Gewicht nicht zusammengedrückt werden, liegt am Gegendruck, den unser Körper erzeugt.

Durch ihre Schwere übt die Luft also einen Druck auf die Erdoberfläche aus: den Luftdruck. Je weiter man sich von der Erdoberfläche entfernt, desto geringer wird er. Das ist deutlich in den Ohren zu spüren, wenn man in einem Flugzeug sitzt, das aufsteigt oder sinkt.

Aber nicht nur die Höhe, auch die Temperatur wirkt sich auf den Luftdruck aus. Denn warme Luft dehnt sich aus, ist leichter und steigt auf: Der Luftdruck am Boden sinkt. Kalte Luft dagegen ist schwerer und fällt nach unten: Der Luftdruck in Bodennähe steigt. Werden die Luftmassen an verschiedenen Orten der Erde unterschiedlich erwärmt, entstehen Gebiete mit hohem und Gebiete mit niedrigem Luftdruck: die Hoch- und Tiefdruckgebiete. In den Hochdruckgebieten sinken die Luftmassen und erwärmen sich. Wolken lösen sich auf, der Himmel ist blau und die Sonne scheint. Tiefdruckgebiete sorgen dagegen für schlechtes Wetter: Beim Aufsteigen der feuchtwarmen Luft bilden sich beim Abkühlen in der Höhe Wolken und es kann regnen.

Auf Wetterkarten sind die Hoch- und Tiefdruckgebiete mit den Buchstaben H für Hoch und T für Tief eingezeichnet. Gebiete mit gleichem Luftdruck werden auf den Karten durch Linien voneinander abgegrenzt, die so genannten Isobaren.

Die Druckunterschiede zwischen Hoch und Tief gleicht der Wind wieder aus: Von den Hochdruckgebieten weht er immer in Richtung Tief. Weil er dabei durch die Corioliskraft abgelenkt wird, können die Luftmassen nicht direkt vom Hoch zum Tief strömen. Statt kerzengerade zu fließen, machen sie eine Schlangenlinie. Auf der Nordhalbkugel drehen sie nach rechts und umkreisen daher das Hoch im Uhrzeigersinn, das Tief entgegen dem Uhrzeigersinn. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.

Eine Hülle aus Gas

Vom Weltraum gesehen erscheint sie wie ein feiner bläulicher Schleier, der sich um die Erde legt: die Atmosphäre. Sie ist die Lufthülle, die unseren Planeten umgibt. Im Vergleich zum Durchmesser der Erde ist diese Hülle ziemlich dünn: Wäre die Erde so groß wie ein Apfel, dann hätte die Atmosphäre etwa die Dicke seiner Schale.

Ohne die Atmosphäre gäbe es auf diesem Planeten kein Leben, denn Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Luft zum Atmen. Sie schützt uns vor der Kälte und vor schädlicher Strahlung aus dem Weltall. Außerdem lässt sie Meteoriten verglühen, bevor sie auf der Erdoberfläche einschlagen können. Diese Lufthülle ist für uns lebenswichtig – aber woraus besteht sie eigentlich?

Die Atmosphäre ist ein Mix aus verschiedenen Gasen. Ein großer Teil dieses Gasgemischs ist Stickstoff: Mit 78 Prozent sind das fast vier Fünftel der gesamten Atmosphäre. Nur 21 Prozent bestehen aus Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Das restliche eine Prozent machen verschiedene Spurengase aus – also Gase, die nur in Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Zu diesen Spurengasen gehören Methan, Stickoxide und vor allem Kohlendioxid, kurz CO2 genannt. Obwohl der CO2-Anteil recht gering ist, hat dieses Spurengas gewaltigen Einfluss auf unser Erdklima. Das zeigt sich am Treibhauseffekt, der unseren Planeten aufheizt.

Dass die Erde überhaupt eine Atmosphäre hat, liegt an der Schwerkraft. Sie hält die Gasmoleküle auf der Erde fest und verhindert, dass diese einfach ins Weltall hinaus fliegen. Tatsächlich wird die Luft mit steigender Höhe und damit abnehmender Schwerkraft immer dünner. Schon ab 2000 Metern über dem Meeresspiegel kann sich das für den Menschen unangenehm bemerkbar machen: Er leidet an der Höhenkrankheit mit Atemnot, Kopfschmerzen und Übelkeit. Extrembergsteiger, die hohe Gipfel wie die 8000er des Himalaya erklimmen wollen, nehmen daher meistens künstlichen Sauerstoff mit auf ihre Tour.

Wie entsteht Wind?

An der Küste weht oft ein frischer Wind. Bläst er besonders kräftig, ist auch von einer steifen Brise die Rede. Aber nicht nur am Meer – überall auf der Erde ist Luft in Bewegung. Nur an wenigen Orten der Erde weht nicht das leiseste Lüftchen, wie in der Kalmenzone am Äquator – benannt nach dem französischen Wort für Flaute: „calme“. Diese windstille Gegend war früher von Seefahrern gefürchtet, denn die Segelschiffe kamen dort wochenlang nicht vom Fleck. Doch woran liegt es, dass manchmal Flaute herrscht und manchmal ein heftiger Sturm übers Land fegt?

Wind entsteht vor allem durch die Kraft der Sonne. Wenn die Sonnenstrahlen den Erdboden aufheizen, erwärmt sich darüber auch die Luft. Die Warmluft dehnt sich aus und wird dadurch dünner und leichter: die Luftmasse steigt nach oben. In Bodennähe entsteht so Tiefdruck. Wo es kalt ist, sinkt die Luft dagegen ab und am Boden bildet sich Hochdruck. Um den Druckunterschied zwischen benachbarten Luftmassen auszugleichen, strömt kältere Luft dorthin, wo warme Luft aufsteigt. Das geschieht umso schneller, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Luftschichten ist. So gerät die Luft in Aktion – es weht ein mehr oder weniger starker Wind.

Besonders gut lässt sich die Entstehung von Wind am Meer beobachten. Tagsüber erwärmt sich die Luft über dem Land schneller als über dem Wasser. Die warmen Luftmassen steigen nach oben und saugen die kühle und schwere Luft über der See an: Der Wind weht vom Meer zum Land. Nachts ändert der Wind seine Richtung. Weil das Wasser die Wärme länger speichert als das Land, ist auch die Luft darüber noch wärmer und steigt auf. Dann bläst der Wind vom Land zum Meer.

Woher der Wind weht, wird immer mit der Himmelsrichtung angegeben. In unseren Breiten ist das oft aus westlicher Richtung, wir leben in der sogenannten Westwindzone. Die heißen Passatwinde wehen dagegen zuverlässig aus östlicher Richtung zum Äquator hin. Und die polaren Ostwinde transportieren eisige Luftmassen vom Pol zum Polarkreis.

Wie bilden sich Wolken?

Wie Wolken entstehen, lässt sich besonders gut an kalten Wintertagen beobachten: Beim Ausatmen dampft es aus dem Mund – ein weißlicher Schleier hängt in der Luft. Er bildet sich, wenn die feuchte, warme Atemluft auf kältere Luft trifft. Denn warme Luft kann viel Feuchtigkeit speichern – deutlich mehr als kalte. Kühlt die warme Luft ab, kann sie nicht mehr so viel Wasser aufnehmen. Dann sammelt sich das überschüssige Wasser zu kleinen Wassertropfen, die in der Luft schweben und als weißer Schleier sichtbar werden. Ganz ähnlich verhält es sich mit den „echten“ Wolken.

Die Kraft der Sonne heizt das Land und das Wasser an der Oberfläche auf. Durch die Wärme verwandelt sich ein Teil des flüssigen Wassers in gasförmiges Wasser: Es verdunstet. Weil warme Luft leichter ist als kalte, steigt sie auf. Kühlt die feuchtwarme Luft nach oben immer weiter ab, sammelt sich das überschüssige Wasser als Tröpfchen rund um winzige Staub- oder Rußteilchen. Man sagt auch, das Wasser kondensiert. Noch sind die Tropfen so klein und leicht, dass sie in der Luft schweben. Eine Wolke ist entstanden.

Wolken bilden sich also immer dann, wenn warme Luft abkühlt. Das kann passieren, wenn sich der Boden und die darüber liegende Luft erwärmt und nach oben steigt. Auch wenn der Wind die Luft auf ein Gebirge treibt, wird wärmere Luft nach oben gezwungen. In der Höhe kühlt sie ab, Wolken entstehen. Das Gleiche geschieht, wenn eine Zone von warmer Luft auf eine Zone kalter Luft trifft. Die Kaltluft lässt die leichtere Warmluft aufsteigen und schon wieder bilden sich Wolken!

Doch nicht aus jeder Wolke regnet es sofort. Erst, wenn sich die Wassertröpfchen durch Luftbewegung zu größeren Tropfen vereinigen und schwer genug sind, fallen sie als Regen auf die Erde zurück. Liegt die Temperatur unter 0° Celsius, gefrieren die Tropfen zu Eiskristallen. Dann fällt der Niederschlag als Schnee, bei Gewitterwolken auch als kleine Graupel- oder als große Hagelkörner.

Es gibt auch Wolken, die direkt über der Erdoberfläche entstehen. Das geschieht oft im Herbst, wenn die Luft immer weiter abkühlt. Die ganze Landschaft erscheint dann weißlich verschwommen. Wenn man durch diesen weißen Dunst weniger als einen Kilometer sehen kann, spricht man von Nebel.

Was ist die Corioliskraft?

Flugzeuge, die von New York nach Frankfurt fliegen, haben ordentlich Rückenwind. Der Wind, der sie antreibt, bläst in etwa 10 Kilometern Höhe von West nach Ost. Jetstream heißt diese starke Luftströmung, die bis zu 500 km/h schnell sein kann. Ihre Richtung ist das Ergebnis der so genannten Corioliskraft.

Sie ist benannt nach dem französischen Wissenschaftler Gaspard Gustave de Coriolis, der sie im Jahr 1835 als erster mathematisch untersuchte. Ursache für die Corioliskraft ist die Drehung der Erde um die eigene Achse: Am Äquator dreht sich die Erde mit 1670 Kilometern pro Stunde nach Osten, in Richtung der Pole nimmt die Geschwindigkeit immer weiter ab. Strömen Luftmassen vom Äquator zum Nordpol, nehmen sie den Schwung nach Osten mit und bewegen sich dann schneller als die Erdoberfläche. Von der Erdoberfläche aus betrachtet, sieht es so aus, dass sie von ihrem Nordkurs nach Osten – also nach rechts – abgelenkt werden. Umkehrt werden Luftmassen, die vom Pol zum Äquator strömen, von der Erdoberfläche überholt, werden also auf ihrem Südkurs nach Westen – ebenfalls nach rechts – abgelenkt.

Auf dem Weg zum Südpol sind die Richtungen umgekehrt: Luftmassen auf dem Weg zum Pol werden von ihrem Südkurs nach Osten, also nach links abgelenkt – ebenso wie die Luftmassen auf Nordkurs Richtung Äquator, die nach Westen abgelenkt werden. So führt also die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel zu einer Rechtsablenkung, auf der Südhalbkugel zu einer Linksablenkung, und zwar um so stärker, je näher man den Polen kommt.

Auf diese Weise beeinflusst die Corioliskraft das globale Windsystem, die großen Luftströmungen auf der Erde. Damit hat sie einen großen Einfluss auf das Wetter: In unseren Breiten zum Beispiel strömt die Luft Richtung Nordpol und wird daher nach Osten abgelenkt. Bei uns kommt der Wind also meistens aus Westen, vom Atlantik her und bringt deshalb eher feuchte Luft mit gemäßigten Temperaturen. Auch die Jetstreams verdanken ihre Richtung der Corioliskraft.

Sogar tropische Wirbelstürme mit einigen 100 Kilometern Durchmesser entstehen mit Hilfe der Corioliskraft. Denn durch sie beginnt sich feuchtheiße Luft zu drehen bis sie zum zerstörerischen Wirbel heranwächst. Die Corioliskraft wirkt sich aber nicht nur auf große Luftmassen aus, sie lenkt auch Meeresströmungen ab. So ist es zu erklären, dass der warme Golfstrom auf dem Weg nach Norden nach rechts driftet und große Teile Nordeuropas beheizt.