Dieses Kapitel befasst sich mit der Lufttemperatur, d. h. der Temperatur der Luft, die in 1,2 m Höhe über dem Boden gemessen wird. Die Lufttemperatur beeinflusst viele Aspekte des menschlichen Lebens, von der Kleidung, die wir tragen, bis hin zu den Treibstoffkosten, die wir zahlen. Die Lufttemperatur und die Lufttemperaturzyklen wirken sich auch auf die Auswahl der Pflanzen und Tiere aus, die die biologische Landschaft einer Region ausmachen. Und die Lufttemperatur ist zusammen mit dem Niederschlag ein Schlüsselfaktor für das Klima, das wir in Kapitel 7 genauer untersuchen werden.

Fünf wichtige Faktoren beeinflussen die Lufttemperatur:

1. Breitengrad. Die täglichen und jährlichen Zyklen der Sonneneinstrahlung variieren systematisch mit der geografischen Breite, wodurch auch die Lufttemperaturen und die Lufttemperaturzyklen variieren. Die jährliche Sonneneinstrahlung nimmt in Richtung der Pole ab, so dass weniger Energie zur Erwärmung der Luft zur Verfügung steht. Da jedoch der jahreszeitliche Zyklus der Sonneneinstrahlung mit der geografischen Breite stärker wird, schwanken die Lufttemperaturen in hohen Breitengraden im Laufe des Jahres viel stärker.
2. Oberflächentyp. Die Lufttemperaturen in Städten sind im Allgemeinen höher als auf dem Land. Städtische Oberflächenmaterialien – Asphalt, Dachschindeln, Stein, Ziegel – enthalten im Vergleich zu den feuchten Bodenoberflächen ländlicher Gebiete und Wälder wenig Wasser, so dass die Verdunstungskälte gering ist. Städtische Materialien sind außerdem dunkler und absorbieren einen größeren Teil der Sonnenenergie als vegetationsbedeckte Flächen. Das Gleiche gilt für Gebiete mit kargen oder felsigen Bodenoberflächen, wie z. B. Wüsten.
3. Küsten- oder Binnenlage. In Meeresnähe ist die Bandbreite der Lufttemperaturen geringer als im Inneren des Kontinents. Da sich Wasser langsamer erwärmt und abkühlt als Land, sind die Lufttemperaturen über Wasser weniger extrem als über Land. Wenn Luft vom Wasser zum Land strömt, spürt ein Küstenort den Einfluss des angrenzenden Wassers.
4. Höhenlage. Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab. In großer Höhe befindet sich weniger Atmosphäre über der Oberfläche, und die Treibhausgase bilden eine weniger effektive Isolierschicht. Es geht mehr Oberflächenwärme in den Weltraum verloren. Auf hohen Gipfeln sammelt sich Schnee an und bleibt länger liegen. Der geringere Treibhauseffekt führt auch zu größeren täglichen Temperaturschwankungen.
5. Atmosphärische und ozeanische Zirkulationen. Lokale Temperaturen können schnell steigen oder fallen, wenn Luft aus einer Region in eine andere gebracht wird. Die Temperaturen in Küstenregionen können durch warme oder kalte Küstenströmungen beeinflusst werden. (Wir werden diesen Faktor in Kapitel 5 genauer untersuchen.)

TEMPERATUR DER OBERFLÄCHE

Temperatur ist ein bekannter Begriff. Sie ist ein Maß für die kinetische Energie der Atome in einem Stoff, egal ob es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff handelt. Wenn eine Substanz Strahlungsenergie erhält, z. B. durch Sonnenlicht, steigt ihre Temperatur an. Verliert eine Substanz Energie, sinkt ihre Temperatur. Dieser Energiefluss bewegt sich in und aus einer festen oder flüssigen Substanz an ihrer Oberfläche – zum Beispiel in der sehr dünnen Oberflächenschicht des Bodens, die die kurzwellige Sonnenstrahlung absorbiert und die langwellige Strahlung in den Weltraum abstrahlt.

Die Temperatur einer Oberfläche wird durch das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Energieströmen bestimmt, die sich über sie bewegen. Die Nettostrahlung – das Gleichgewicht zwischen einfallender kurzwelliger Strahlung und ausgehender langwelliger Strahlung – erzeugt einen Strahlungsenergiefluss, der eine Oberfläche erwärmen oder abkühlen kann. Tagsüber übersteigt die eingehende Sonnenstrahlung normalerweise die ausgehende langwellige Strahlung, so dass die Nettostrahlungsbilanz positiv ist und sich die Oberfläche erwärmt. Die Energie fließt durch die Oberfläche in den kühleren Boden darunter. Nachts ist die Nettostrahlung negativ, und der Boden verliert Energie, da die Oberflächentemperatur sinkt und die Oberfläche langwellige Energie in den Weltraum abstrahlt.

Energie kann auch auf andere Weise zu oder von einer Oberfläche fließen. Konduktion beschreibt den Fluss von fühlbarer Wärme von einer wärmeren Substanz zu einer kälteren durch direkten Kontakt. Wenn tagsüber Wärme von der warmen Oberfläche in den Boden fließt, geschieht dies durch Wärmeleitung. Nachts wird die Wärme an die kältere Bodenoberfläche zurückgeleitet. Auch die latente Wärmeübertragung ist wichtig. Wenn Wasser an einer Oberfläche verdunstet, entzieht es die Wärme, die bei der Zustandsänderung von Flüssigkeit zu Dampf gespeichert ist, und kühlt so die Oberfläche ab. Wenn Wasser an einer Oberfläche kondensiert, wird latente Wärme freigesetzt, die die Oberfläche erwärmt.

Eine weitere Form der Energieübertragung ist die Konvektion, bei der sich die Wärme in einer Flüssigkeit durch Vermischung verteilt. Wenn die Oberfläche mit einer Flüssigkeit in Berührung kommt, z. B. eine Bodenoberfläche mit darüber befindlicher Luft, können aufwärts und abwärts fließende Strömungen die Oberfläche erwärmen oder abkühlen.

LUFTTEMPERATUR

Im Gegensatz zur Oberflächentemperatur steht die Lufttemperatur, die in einer Standardhöhe von 1,2 m über der Bodenoberfläche gemessen wird. Die Lufttemperatur kann sich erheblich von der Oberflächentemperatur unterscheiden. Wenn Sie an einem klaren Sommertag über einen Parkplatz gehen, werden Sie feststellen, dass der Bürgersteig viel heißer ist als die Luft an Ihrem Oberkörper. Im Allgemeinen spiegeln die Lufttemperaturen über einer Oberfläche die gleichen Trends wider wie die Oberflächentemperaturen am Boden, aber die Bodentemperaturen sind wahrscheinlich extremer.

In den Vereinigten Staaten wird die Temperatur immer noch weitgehend auf der Fahrenheit-Skala gemessen und angegeben. In diesem Buch verwenden wir die Celsius-Temperaturskala, die den internationalen Standard darstellt. Auf der Celsius-Skala liegt der Gefrierpunkt von Wasser bei 0 °C und der Siedepunkt bei 100 °C. Die Umrechnungsformeln zwischen diesen beiden Skalen sind in Abbildung 3.4 angegeben.

Lufttemperaturmessungen werden routinemäßig von Wetterstationen durchgeführt. Obwohl einige Wetterstationen die Temperaturen stündlich melden, geben die meisten nur die höchsten und niedrigsten Temperaturen an, die während eines 24-Stunden-Zeitraums gemessen wurden. Dies sind die wichtigsten Werte für die Beobachtung langfristiger Temperaturtrends.

Temperaturmessungen werden an Regierungsbehörden gemeldet, die mit der Wettervorhersage beauftragt sind, wie der U.S. Weather Service oder der Meteorological Service of Canada. Diese Stellen stellen in der Regel tägliche, monatliche und jährliche Temperaturstatistiken für jede Station zur Verfügung, wobei die tägliche Höchst-, Mindest- und Mitteltemperatur verwendet wird. Die mittlere Tagestemperatur ist definiert als der Durchschnitt der maximalen und minimalen Tageswerte. Die Monatsmitteltemperatur ist der Durchschnitt der durchschnittlichen Tagestemperaturen in einem Monat. Diese Statistiken werden zusammen mit anderen, wie dem täglichen Niederschlag, verwendet, um das Klima der Station und ihrer Umgebung zu beschreiben.

Bodennahe Temperaturen

Die Boden-, Oberflächen- und Lufttemperaturen innerhalb weniger Meter über dem Boden ändern sich im Laufe des Tages (Abbildung 3.6). Die täglichen Temperaturschwankungen sind knapp über der Oberfläche am größten. Die Lufttemperatur in Standardhöhe ist weitaus weniger variabel. Im Boden wird der tägliche Zyklus mit der Tiefe allmählich weniger ausgeprägt, bis wir einen Punkt erreichen, an dem die täglichen Temperaturschwankungen an der Oberfläche überhaupt keine Veränderung verursachen.

UMWELTKONTRASTE: STÄDTISCHE UND LÄNDLICHE TEMPERATUREN

An einem heißen Tag fühlen sich ländliche Umgebungen kühler an als städtische Umgebungen. In ländlichen Gebieten wird das Wasser von den Pflanzenwurzeln aufgenommen und durch die Transpiration zu den Blättern transportiert. Dieses Wasser verdunstet und kühlt die Blattoberflächen, die wiederum die Luft in der Umgebung abkühlen. Die Bodenoberfläche ist feucht, weil bei Regenfällen Wasser in den Boden sickert. Es wird nach oben gezogen und verdunstet, wenn das Sonnenlicht die Oberfläche erwärmt, was wiederum zu einer Abkühlung führt. Wir bezeichnen die kombinierten Effekte von Transpiration und Verdunstung als Evapotranspiration.

Es gibt noch weitere Gründe, warum städtische Oberflächen heißer sind als ländliche. Viele städtische Oberflächen sind dunkel und absorbieren die Sonnenenergie, anstatt sie zu reflektieren. Tatsächlich absorbieren Asphaltflächen mehr als doppelt so viel Sonnenenergie wie die Vegetation. Der Regen läuft von den Dächern, Gehwegen und Straßen in die Regenwasserkanalisation ab. Da die städtischen Oberflächen trocken sind, gibt es nur wenig Verdunstung, die zur Senkung der Temperaturen beiträgt. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Abwärme. Im Sommer werden die Lufttemperaturen in der Stadt durch Klimaanlagen erhöht, die die Wärme aus den Gebäuden pumpen und an die Luft abgeben.

Im Winter wird die Wärme aus den Gebäuden und Strukturen direkt in die städtische Umgebung geleitet.

Die städtische Wärmeinsel

Als Ergebnis dieser Effekte sind die Lufttemperaturen in der zentralen Region einer Stadt in der Regel um mehrere Grad wärmer als in den umliegenden Vororten und auf dem Land, wie in Abbildung 3.8 dargestellt. Die Skizze eines Temperaturprofils über einem Stadtgebiet am späten Nachmittag zeigt diesen Effekt. Wir bezeichnen den zentralen Bereich als städtische Wärmeinsel, da er eine deutlich erhöhte Temperatur aufweist. Während des Tages wird eine so große Wärmemenge im Boden gespeichert, dass die Wärmeinsel auch nachts wärmer bleibt als ihre Umgebung. Das thermische Infrarotbild des zentralen Geschäftsviertels von Atlanta bei Nacht zeigt den Wärmeinseleffekt.

Der urbane Wärmeinseleffekt hat erhebliche wirtschaftliche Folgen. Höhere Temperaturen erfordern im Sommer mehr Klimaanlagen und mehr elektrische Energie. Die zur Erzeugung dieses Stroms verbrannten fossilen Brennstoffe belasten die Luft mit CO2 und Luftschadstoffen. Die erhöhten Temperaturen können zur Bildung von Smog führen, der ungesund und schädlich für die Materialien ist. Um diese Auswirkungen zu verringern, pflanzen viele Städte mehr Pflanzen und verwenden reflektierende Oberflächen wie Beton oder helle Dächer, um die Sonnenenergie zurück in den Weltraum zu reflektieren.

Der Wärmeinseleffekt gilt nicht unbedingt für Städte in Wüstenklimaten. In der Wüste kann die Evapotranspiration der bewässerten Vegetation der Stadt die Stadt tatsächlich kühler halten als die umliegende karge Region.

Hochgebirgsumgebungen

Wir haben gesehen, dass die Bodenoberfläche die Temperatur der Luft direkt über ihr beeinflusst. Aber was passiert, wenn man sich in höhere Lagen begibt? Wenn man zum Beispiel auf einen Berg steigt, kann man kurzatmig werden und merkt, dass man leichter einen Sonnenbrand bekommt. Außerdem sinkt die Temperatur, wenn man aufsteigt. Wenn Sie zelten, werden Sie feststellen, dass die Temperatur in der Nacht niedriger ist, als Sie vielleicht erwarten, selbst wenn man bedenkt, dass die Temperaturen im Allgemeinen kühler sind, je höher man kommt.

Was sind die Ursachen für diese Auswirkungen? In großen Höhen gibt es deutlich weniger Luft über uns, der Luftdruck ist also niedrig. Es wird schwieriger, nach Luft zu schnappen, einfach weil der Sauerstoffdruck in der Lunge geringer ist. Und da es weniger Moleküle gibt, die das Sonnenlicht streuen und absorbieren, wirken die Sonnenstrahlen stärker. Es gibt weniger Kohlendioxid und Wasserdampf, so dass der Treibhauseffekt geringer ist. Durch die geringere Erwärmung sinken die Temperaturen nachts tendenziell noch weiter ab. Später in diesem Kapitel werden wir sehen, wie sich dieses Muster abnehmender Lufttemperaturen bis hoch in die Atmosphäre erstreckt.

Abbildung 3.10 zeigt Temperaturkurven für fünf Stationen in verschiedenen Höhen in der Andenkette in Peru. Die Durchschnittstemperaturen nehmen mit der Höhe deutlich ab, von 16°C (61°F) auf Meereshöhe bis ?1°C (30°F) auf 4380 m (14.370 ft). Auch die Spanne zwischen Höchst- und Tiefsttemperaturen nimmt mit der Höhe zu, außer in Qosqo. In dieser Großstadt sinken die Temperaturen wegen der städtischen Wärmeinsel nicht so tief, wie man erwarten könnte.

TEMPERATURINVERSION

So weit scheint die Lufttemperatur mit der Höhe abzunehmen. Aber ist das immer so? Überlegen Sie, was in einer klaren, windstillen Nacht passiert. Die Bodenoberfläche strahlt langwellige Energie in den Himmel ab, und die Nettostrahlung wird negativ. Die Oberfläche kühlt ab. Das bedeutet, dass sich auch die Luft in der Nähe der Oberfläche abkühlt, wie wir in Abbildung 3.6 gesehen haben. Wenn die Oberfläche kalt bleibt, bildet sich eine Schicht kühlerer Luft über dem Boden unter einer Schicht wärmerer Luft, wie in Abbildung 3.11 dargestellt. Dies ist eine Temperaturinversion.

In einer Temperaturinversion kann die Temperatur der Luft in Bodennähe unter den Gefrierpunkt fallen. Diese Temperaturbedingung wird wegen ihrer Auswirkungen auf empfindliche Pflanzen während der Wachstumsperiode als „Killerfrost“ bezeichnet, auch wenn sich kein echter Frost bildet.

Züchter von Obstbäumen oder anderen Kulturen verwenden verschiedene Methoden, um eine Inversion aufzubrechen. Große Ventilatoren können eingesetzt werden, um die kühle Luft an der Oberfläche mit der wärmeren Luft darüber zu vermischen, und manchmal werden Ölheizungen verwendet, um die Luftschicht an der Oberfläche zu erwärmen.

TEMPERATURINDEXE

Die Temperatur kann auch mit anderen Wetter- und Klimadaten verwendet werden, um Temperaturindizes zu erstellen – Indikatoren für die Auswirkungen der Temperatur auf die Umwelt und die menschlichen Bedingungen. Zwei der bekannteren Indizes sind der Windchill-Index und der Hitzeindex.

Der Windchill-Index wird verwendet, um zu bestimmen, wie kalt sich Temperaturen für uns anfühlen, und basiert nicht nur auf der tatsächlichen Temperatur, sondern auch auf der Windgeschwindigkeit. Luft ist ein sehr guter Isolator. Wenn die Luft still steht, kann sich unsere Hauttemperatur stark von der Temperatur der Umgebung unterscheiden. Wenn sich die Luft jedoch über unsere Haut bewegt, entzieht sie uns sensible und latente Wärme und transportiert sie von unserem Körper weg. Im Sommer hält uns dieser Prozess kühl, da der Schweiß verdunstet und unsere Hauttemperatur sinkt. Im Winter entzieht sie uns die Wärme, die wir brauchen, um unseren Körper warm zu halten, wodurch unsere Haut abkühlt und sich die Bedingungen viel kälter anfühlen als die tatsächlich gemessene Temperatur.

Der Windchill-Index, der in den Vereinigten Staaten verwendet und in °F gemessen wird, kann sich stark von der tatsächlichen Temperatur unterscheiden (Abbildung 3.12). Eine tatsächliche Temperatur von 30°F (?1°C) und eine Windgeschwindigkeit von 13,45 m/s (?26°C) ergeben beispielsweise einen Windchill-Index von 15°F (?26°C).

Der Hitzeindex gibt einen Hinweis darauf, wie heiß wir uns fühlen, basierend auf der tatsächlichen Temperatur und der relativen Feuchtigkeit. Die relative Luftfeuchtigkeit ist die Luftfeuchtigkeit, die in den meisten Wetterberichten angegeben wird, und gibt an, wie viel Wasserdampf sich in der Atmosphäre als Prozentsatz der maximal möglichen Menge befindet. Eine niedrige relative Luftfeuchtigkeit weist auf relativ trockene atmosphärische Bedingungen hin, während eine hohe relative Luftfeuchtigkeit relativ feuchte atmosphärische Bedingungen anzeigt.

Warum beeinflusst die relative Luftfeuchtigkeit, wie heiß die Temperatur empfunden wird? Eine der Möglichkeiten, wie unser Körper überschüssige Wärme abführt, ist die Verdunstung von Schweiß auf unserer Haut. Durch diese Verdunstung wird latente Wärme abgeführt, die unseren Körper kühlt. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit jedoch hoch ist, findet weniger Verdunstung statt, da die umgebende Atmosphäre bereits relativ feucht ist, und der Kühleffekt ist geringer.

Der Hitzeindex wird in °F angegeben und kann, wie der Windchill, stark von der tatsächlichen Temperatur abweichen (Abbildung 3.13). Wenn beispielsweise die tatsächliche Temperatur 32°C (90°F) und die relative Luftfeuchtigkeit 90 Prozent beträgt, gibt der Hitzeindex an, dass sich die Temperatur wie 50°C (122°F) anfühlt – ein Unterschied von 18°C (32°F)!