Luftdruck

Obwohl Menschen stetig dem Druck der Luft ausgesetzt sind nehmen sie ihn nicht wahr. Ein Gerät zur Bestimmung des Luftdruckes ersann der italienische Mathematiker und Physiker Evangelista Torricelli (1608-1647 siehe auch Kapitel Geschichte), das Quecksilberbarometer.

Abbildung 1: Quecksilberbarometer : Torricelli  nutzte als Erster zum Nachweis des Luftdruckes ein oben geschlossenes, mit Quecksilber gefülltes Glasrohr, das er in eine Schale mit Quecksilber brachte. Der Flüssigkeitsspiegel im Rohr blieb in allen Fällen in einer Höhe von ungefähr 760mm stehen. Der Lufdruck drückt auf die Oberfläche in der Schale und damit das Quecksilber in die besagte Höhe.

Barometer, Gerät zur Messung des Luftdruckes, d. h. der Kraft, die durch das Gewicht der Luft in der Atmosphäre auf eine Flächeneinheit ausgeübt wird. Da eine Luftsäule eine Flüssigkeitssäule im Gleichgewicht hält, kann der Luftdruck durch die Höhe dieser Flüssigkeitssäule ermittelt werden. Eine entsprechende Wassersäule wäre etwa 10,33 Meter hoch und daher etwas unhandlich. Flüssigkeitsbarometer enthalten Quecksilber, das 13,6-mal so schwer wie Wasser ist, wodurch die Quecksilbersäule, die den Luftdruck aufwiegt, nur im Mittel 760 Millimeter hoch ist.

Diese 760-Millimeter-Quecksilbersäule legt den mittleren Luftdruck in Meereshöhe fest. Mit der veralteten Einheit des Luftdruckes entspricht das einem Wert von 760 Torr (also 1 Torr = 1 Millimeter Quecksilbersäule) oder mit der heute üblichen Einheit 1 013,2 Hektopascal (hPa, 1 Pascal ist ein Druck von 1 Newton pro Quadratmeter).

Der Luftdruck ändert sich mit der Höhe über dem Meeresspiegel, folglich lassen die Messungen des Luftdruckes Höhenmessungen zu : alle 11m = 1torr.

Abbildung 2: Für das Wetter  ist die globale Luftdruckverteilung in der Höhe verantwortlich die ganz grob gesehen zwischen heißen und kalten Zonen differiert. So steigt am Äquator die durch die Sonne erwärmte Luft auf, der Druck in der Höhe nimmt folglich zu, und strömt in Richtung Nord- bzw. Südpol. Allerdings beeinflussen viele Faktoren den tatsächlichen Luftdruckausgleich.

Leider ist der tatsächliche Weg der Winde (horizontal bewegte Luft die ihren Namen nach der Richtung aus der sie kommt bekommt z.B. Wind von West nach Ost = Westwind) viel komplizierter weil einige Faktoren für Ab- und Umlenkung sorgen. Prinzipiell weht der Wind allerdings vom Hoch zum Tief. Er folgt damit dem Druckgefälle.

Abbildung 3: Wind weht vom Hoch zum Tief. Ein Druckausgleich findet auf diese Weise statt. Die Bezeichnung für diese Druckausgleichskraft ist Gradientenkraft. Die Linien gleichen Luftdrucks also mit gleichem Druckgradienten werden als Isobaren bezeichnet. Winde welche unabgelenkt dem Druckgefälle folgen werden als ageostrophische Winde bezeichnet.

Abbildung 4 : Wenn der Wind lediglich dem Druckausgleich folgt, so weht er quer zu den Isobaren. Durch die Corioliskraft (siehe zugeh. Kapitel) wird er in  etwa in Höhe der gemäßigten Breiten allerdings um 45° nach rechts auf der Nordhalbkugel und um 45° nach links auf der Südhalbkugel abgelenkt. Er weht dann isobarenparallel. Dergestalt abgelenkte Winde werden als geostrophe Winde bezeichnet.

Das thermisch bedingte Druckgefälle zwischen Äquator und Polen ist nicht gleichmäßig über die jeweilige Halbkugel verteilt, vielmehr werden in tropischen und polaren Breiten Temperatur- und Druckunterschiede durch Turbulenzen rasch ausgeglichen. so das sich hier 2 relativ einheitliche Massen gleichen Drucks und gleicher Temperatur einstellen. In diesen Luftmassen weisen die Isobaren in etwa die gleiche Höhenlage auf. Da in kalter Luft die Isobarenflächen tiefer liegen (Pole) als in warmer Luft (Äquator) ist die Zone der großten Temperaturgegensätze und des größten Druckgefälles im Bereich zwischen 35°-65° auf jeder Halbkugel zusammengedrängt. Diese Zone wird als Frontalzone bezeichnet.

Abbildung 5 : Verteilung des Luftdrucks in Kaltluft und Warmluft. Entstehung der Frontalzone.

Das enorme Druckgefälle in der Höhe führt in Kombination mit der Corioliskraft in einer Breite von 500 - 1000km im Bereich der Frontalzone zu ostwärts gerichteten Winden mit enormen Windgeschwindigkeiten, den sogenannten Strahlströmen oder jet streams. Bedingt durch thermische Gefälle und Unebenheiten (z.B. Berge) auf der Erdoberfläche verläuft die Frontalzone mit den Strahlströmen aber nicht gradlinig sondern mäandriert um die Halbkugel. Die dabei entstehende Welle wird als Rosby-Welle bezeichnet. Dabei kann es zu Abschnürungen einzelner Luftmassen kommen, den Zyklonen.

	Abbildung 6 : Die Rossby-Wellen ziehen sich rund um den Globus. Druckgefälle wie Temperaturgefälle und Corioliskraft führen zu Westwinden mit enormen Geschwindigkeiten, den Strahlströmen oder jet streams.  Die Grenze verläuft aus thermischen wie orographischen Gründen aber nicht gradlinig sondern mäandriert.
	Abbildung 7 : Die Mäander der unterschiedlich temperierten Luftmassen werden immer größer.
	Abbildung 8 : Die Mäander bekommen  eine regelrechte Tropfenform. Die Isolation oder Abschnürung einer Luftmasse steht bevor. Eine abgeschnürte Luftmasse wird als Zyklone bezeichnet. Das Abschnüren selbst als cut off.

Alle bisher genannten Faktoren wie Luftdruck, Corioliskraft, Temperatur , Strahlung und Reibung führen zur  Ausbildung des Westwindgürtels und zur Bildung von Zyklonen. Die Wellen führen in den mittleren Breiten zu einem raschen Witterungswechsel. Diese Erscheinungen unterscheiden sich auf der Nord- und der Südhalbkugel.

	Abbildung 9 : Die Winde auf der Nordhalbkugel entstehen durch die Gradientenkraft, werden aus Sicht des Windes durch die Corioliskraft aber nach rechts abgelenkt. Die Druckangaben sind in Hektopascal formuliert.
	Abbildung 10 : Auf der Südhalbkugel geschieht im wesentlichen das gleiche wie auf der Nordhalbkugel, die Winde werden aber nach links abgelenkt.

Die Abbildungen  9 + 10 zeigen eine Draufsicht auf die Zyklonen in der Höhe. Die folgende Abbildung verdeutlicht im Querschnitt den Zusammenhang zwischen Bodenhoch/tief und Höhenhoch/tief. Abb.10 und 11 sind deckungsgleich.

Abbildung 11 : Das Zusammenspiel zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten in der Höhe, sowie über der Erdoberfläche. Über der bodennahen Konvergenz steigt die durch Strahlung erwärmte Luft auf. Dadurch kommt es am Boden zu Tiefdruck und in der Höhe zu Hochdruck. Es kommt zum Ausgleich mit benachbarten Regionen und der Kreislauf ist geschlossen.

Eingelagert in die Westströmung der mittleren Breiten finden sich die sogenannten Frontalzyklonen. Wie auf Abbildung 9, 10 und 11 zu sehen ist, kommt es zwischen Antizyklonen und Zyklonen zum Austausch von Luftmassen. Ein Hochdruckkeil der Antizyklone schiebt in die Zyklone. Dabei entstehen kalte und warme Fronten.

Abbildung 12 : Ein Hochdruckkeil der Antizyklone schiebt sich in die Zyklone. Dabei entstehen zwei unterschiedlich temperierte Fronten. Das komplette Gebilde wird als Frontalzyklone bezeichnet.

Es kommt allerdings nicht immer zur Vermischung der Luftmassen sonder auch zur Überlagerung verschieden temperierter Luftmassen. Wenn sich warme Luftmassen über kalte Luftmassen schieben wird dies als Okklusion bezeichnet. Die meisten Zyklonen erreichen Deutschland in okkludiertem Zustand.

	Abbildung 13 : Es kommt bei der Konfrontation verschieden temperierter Luftmassen oft zum Aufstieg der warmen auf die kalte Luftmasse.
	Abbildung 14 : Wird die Luftmasse sozusagen vom Boden abgeschnitten und liegt auf der kalten Luftmasse, so bezeichnet man dies als Okklusion.

Die Grundannahme, das die Winde einfach vom Hoch zum Tief und damit verbunden vom Äquator zu den Polen wehen ist zwar richtig, wird aber durch viele Faktoren beeinflusst: Strahlung, Rotation, Revolution, Corioliskraft, Reibung und Luftdruck. Die Ablenkung der Luftmassen führt letztendlich zu folgender Druckverteilung auf der Erde.

Abbildung 15 : Die tasächliche Druckverteilung am Boden auf der Erde. Am Pol kommt es durch die Kälte zum Absinken der Luftmassen und somit zu hohem Druck am Boden. Am Äquator hingen steigt die Luft auf und es kommt zum Tief am Boden.

Die folgende Abbildung zeigt die aus den angesprochenen Gründen resultierende oberflächennahe Luftströmung auf der Erde in der Gesamtübersicht.

Abbildung 15: Bei den sogenannten Kalmen oder Mallungen handelt es sich um relativ windstille Zonen. Die starke vertikale Bewegung durch die intensive Sonneneinstrahlung führt zu derartigen Erscheinungen.