Luftdruck und Temperatur

Auf dieser Seite werden die physikalischen Zusammenhänge zwischen Luftdruck, Temperatur und Höhe systematisch dargestellt. Darüber hinaus wird untersucht, ob Treibhausgase im Klimasystem eine Rolle spielen, einschließlich ihrer chemischen Eigenschaften sowie der historischen Entwicklung der Treibhausgas-Hypothese.
Zunächst widmen wir uns aber den physikalischen Grundlagen und beginnen mit der Frage, wie der Luftdruck entsteht.

Wie entsteht der Luftdruck?

Wie auf der Seite "Atmosphäre" bereits erläutert, besteht die Atmosphäre aus verschiedenen Gasen, die durch die Erdanziehungskraft (Schwerkraft) an den Planeten gebunden sind. Ohne diese Kraft würden die Gase ins All entweichen, was in sehr geringem Umfang über die Exosphäre tatsächlich auch geschieht.

Gase sind kompressibel und folgen den physikalischen Gasgesetzen. In einer Gasmischung mit konstantem Druck nimmt jedes Gas den gesamten zur Verfügung stehenden Raum ein (Entropie). 
Würde die Atmosphäre nicht durch die Schwerkraft zur Erde hingezogen, wären die Gase im atmosphärischen Raum gleichmäßig verteilt und hätten überall denselben Druck und dieselbe Temperatur. Dies entspricht der linken, im Bild dargestellten Luftsäule ohne gravitativen Einfluss. 

In der Realität werden alle Gase durch die auf sie wirkende Schwerkraft zur Erde hin gezogen (rechte Luftsäule). Unter der Annahme, dass keine Wärmeenergie zu- oder abgeführt wird (adiabatische Zustandsänderung), wird die Luft in Bodennähe komprimiert, wodurch ihre Dichte zunimmt; in größeren Höhen wird sie dekomprimiert und ihre Dichte nimmt entsprechend ab.

Diese Zustandsänderungen führen unmittelbar zu einem Temperaturanstieg im Bereich der Kompression und zu einer Abkühlung im Bereich der Dekompression. Sie treten unabhängig von der jeweiligen Ausgangstemperatur auf. Das vertikale Temperatur- und Druckgefälle ist somit eine direkte Folge grundlegender physikalischer Prozesse.

Die Gase der Luft bilden mit der Summe der jeweiligen Gewichte (genauer durch die Summe ihrer Partialdrücke) den Luftdruck, wie im nachfolgenden Bild dargestellt.

Eine Obstschale mit beispielsweise fünf Äpfeln, zwei Birnen, einer Erdbeere und einer Weinbeere hat auf der Waage ein bestimmtes Gesamtgewicht. Genauso verhält es sich bei der Luft: Statt verschiedener Obstsorten setzt sie sich aus unterschiedlichen Gasen zusammen, deren Anteile gemeinsam das Gesamtgewicht beziehungsweise über die Partialdrücke den Gesamtdruck ergeben..

Der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe beträgt p₀ = 1.013 hPa (Hektopascal). Dies entspricht einem Druck von etwa 10.000 kg/m² beziehungsweise dem Gewicht einer 10 Meter hohen Wassersäule auf einer Fläche von 1 m × 1 m.

Im Alltag nehmen wir diesen Druck in der Regel nicht bewusst wahr. Würde sich die Luft nicht bewegen oder erwärmen, sondern statisch auf der Erdoberfläche lasten, wäre der Luftdruck auf Meereshöhe nahezu konstant. Mit zunehmender Höhe nimmt der Druck ab, wie wir von einer Fahrt in den Bergen wissen. Von den Bergen wissen wir auch, dass die Luft mit zunehmender Höhe dünner wird. Den Zusammenhang zwischen Höhe und Luftdruck beschreibt die barometrische Höhenformel:

Durch Anwendung der Formel kann für jede Höhe der zugehörige Luftdruck berechnet und grafisch dargestellt werden. In der nachfolgenden Grafik bleibt der Wasserdampf unberücksichtigt, da sein Anteil im Gegensatz zu den übrigen Gasen räumlich und zeitlich stark schwankt. 

Warum ändert sich die Temperatur mit der Höhe?

In einer Höhe von etwa 5.400 Metern ist der Luftdruck bereits auf die Hälfte des Wertes auf Meereshöhe gesunken. Das bedeutet, dass sich rund 50 % der gesamten Luftmasse unterhalb dieser Höhe befinden, während sich die übrigen 50 % darüber verteilen. Die ebenfalls halbierte Sauerstoffmenge macht sich beim Atmen deutlich bemerkbar, insbesondere bei körperlich anstrengenden Tätigkeiten wie Bergtouren. Um die gleiche Menge Sauerstoff aufzunehmen, muss in dieser Höhe ungefähr die doppelte Luftmenge eingeatmet werden. Die Folgen sind Kurzatmigkeit und eine erhöhte Atemfrequenz. 

Die Abkühlung der Luft mit zunehmender Höhe ist auf die abnehmende Dichte zurückzuführen: Mit steigender Höhe nimmt die Anzahl der energetisch angeregten Teilchen ab, was zu einer niedrigeren Temperatur führt. 

Die Temperatur in der Höhe von 5.400 m entspricht der mittleren Strahlungstemperatur der Erde beziehungsweise besser der die Erde umgebenden Gashülle, welche allgemein mit 255 K angegeben wird. Der Wert entspricht den berechneten Werten für feuchte Luft und stimmt weitgehend mit  Beobachtungen überein, etwa beim Landeanflug eines Flugzeuges (siehe unten). 

Der starke Einfluss des Wasserdampfes wird hierbei deutlich: Feuchte Luft enthält erheblich mehr Wärmeenergie als trockene Luft, weshalb die Temperatur mit zunehmender Höhe weniger stark abnimmt. Ursache für dieses unterschiedliche Verhalten ist die im Wasserdampf gespeicherte latente Wärme.

Dass die theoretische Berechnungen für normalfeuchte Luft gut mit realen Messungen übereinstimmen, zeigen die über das Bordsystem während eines Landeanflugs auf den Frankfurter Flughafen angezeigten Werte. Die Bodentemperatur lag dabei etwa 5–8 K über den der blauen Kurve zugrunde liegenden 15 °C (288 K). In Höhen über 10.000 m deuten die gemessenen Temperaturen auf deutlich trockenere Luft hin.

Anmerkung:
Die den Diagrammen zugrunde liegenden Daten und Tabellen stehen direkt zum Download bereit. Für die Lufttemperatur wurden zwei Kurven berechnet: einmal für trockene Luft (rote Linie) mit dem Isentropen-Exponenten i = 0,286 und einmal für normalfeuchte Luft (blaue Linie) mit i = 0,19. Im zweiten Fall wird der zuvor nicht berücksichtigte Wasserdampf einbezogen. Siehe hierzu auch die Seite "Der globale Wasserkreislauf" im Beitrag Der Wind – unsichtbar, geheimnisvoll und energiegeladen.

Treibhauseffekt und Treibhausgase?

Wie kann es in der unteren Schicht der Troposphäre warm werden und warm bleiben, wenn in ca. 15 km Höhe bereits Temperaturen bis zu -80° C herrschen und bekanntermaßen warme Luftmassen aufsteigen? Wie kann erklärt werden, dass die Strahlungstemperatur der Erde bei 255 K, die mittlere Temperatur auf der Erde aber bei 288 K liegt? Als Antwort auf diese Fragen haben "Wissenschaftler(?)" die Treibhaustheorie erfunden und postuliert, dass von der Erde abgehende Infrarotstrahlung insbesondere durch CO₂ absorbiert werde, um dann wieder zur Erde zurückzustrahlen. Die belastbare Physik wurde außen vorgelassen und einer unbewiesenen Theorie Tür und Tor geöffnet.

Dabei hätte es gereicht, die Physik heranzuziehen. Wie oben bereits dargestellt, ergibt sich die im Gegensatz zur mittleren Strahlungstemperatur von 255 K höhere Oberflächentemperatur auf der Erde von 288 K allein schon durch die Verdichtung der normalfeuchten Luft. Die mittlere Strahlungstemperatur entspricht dem Temperaturmittel der 50 % kalten und 50 % warmen Luftmasse in der Atmosphäre.

Zur Erklärung der atmosphärischen Temperaturen sind weder ein Treibhauseffekt noch Treibhausgase erforderlich! Eine aus Beobachtungen abgeleitete und auf vermuteten „theoretischen Schlüsselerkenntnissen“ (IPCC) aufgebaute Theorie ist und bleibt nur eine unbewiesene Hypothese. Und eine Hypothese wird auch nicht wahr, wenn viele daran glauben. 

Unstrittig ist, dass die wesentliche Quelle für die Temperatur auf der Erde bzw. der Erdoberfläche die Strahlung der Sonne ist. Unstrittig ist auch, dass dies schon seit Milliarden von Jahren so ist und unterschiedlichste klimatische Szenarien auf der Erde völlig ohne menschliche Eingriffe und auf natürliche Art auftraten. Diese klimatischen Veränderungen hatten extreme Ausmaße und haben mit den vergleichsweise marginalen Schwankungen oder Veränderungen der Temperaturen im Nullkommabereich, welche heute allgemein als Klimawandel bezeichnet werden, rein gar nichts gemein. 

Alle Gase der offenen Lufthülle verhalten sich ähnlich und speichern Wärmeenergie. Die spezifische Wärmekapazität von Luft wird im Wesentlichen von Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf bestimmt. Der zusätzliche Wasserdampf fungiert als Hauptenergieträger (schwüle Luft). Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Wärmeenergie benötigt wird, um die Temperatur eines Stoffes mit der Masse 1 kg um 1 Kelvin zu erhöhen. Massebezogen ist die spez. Wärmekapazität von Wasser etwa viermal höher als die von Luft. 

Die Dichte von Luft mit 1,29 kg/m³ ist aber erheblich geringer als die von Wasser mit 1.000 kg/m³. Volumenbezogen kann Wasser also mehrere tausendmal mehr Energie speichern, als die gleiche Menge an Luft. Oder umgekehrt: Geringe Mengen an Wasserdampf in Luft speichern enorme Wärmemengen. 

Luft ist auch ein sehr schlechter Wärmeleiter, deshalb muss warme Luft bewegt werden, z. B. durch Konvektion oder Wind. Stehende Luft kann sich stark erwärmen, weshalb Wind für ein ausgeglichenes Klima unabdingbar ist. Vom Föhn oder Heizlüfter ist auch bekannt, dass sich Luft sehr schnell wieder abkühlt, egal wie heiß sie gerade ist. Luft ist auch stark durchlässig für Infrarotstrahlung. Wäre dem nicht so, käme die Strahlung der Sonne nicht auf dem Erdboden an. 

Fazit:

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich das wesentliche klimatische Geschehen in der Troposphäre abspielt und hier in den untersten Höhenbereichen von wenigen 1.000 m über dem Meeresspiegel (Biosphäre).

Und genau hier greift der Mensch ein und entzieht der Troposphäre massenhaft Energie mittels Windenergiewandlern, an Küsten, in Windkorridoren und auf Gebirgszügen! Dabei ist der Wind zusammen mit dem Wasserdampf und dessen Verteilung die wesentliche klimatische Größe. 

Weitergehende und detailliertere Informationen zum Aufbau der Atmosphäre, den troposphärischen Wetterzellen (Hadley, Ferrel, Polar) und der Windströmungen sowie zum globalen Wasserkreislauf finden Sie im Buch Windwahn - Der Windwahn und seine klimatischen Konsequenzen.