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Lufttemperatur

Die Temperatur ist eine Zustandsgröße, die durch die mittlere kinetische Energie aller Teilchen eines thermodynamischen Systems bestimmt ist. In der Meteorologie charakterisiert sie den Wärmezustand der Atmosphäre und wird aus praktischen Gründen in Grad Celsius angegeben (0 °C = 273,15 K).
Die Lufttemperatur steht in enger Wechselwirkung mit anderen klimatischen Größen (Luftdruck, relative Feuchte, Wind, Niederschlag) und trägt so zum Wettergeschehen maßgeblich bei.

Allgemeine Aspekte und Einflußfaktoren
Das Temperaturgeschehen auf der Erde ist im wesentlichen auf die Umwandlung solarer Strahlungsenergie in Wärmeenergie innerhalb der Atmosphäre und an der Erdoberfläche zurückzuführen. Unterschiedliche Strahlungsverhältnisse begründen zeitlich und örtlich verschiedene Lufttemperaturen. Wärmetransport erfolgt hauptsächlich über Luftbewegung und Meeresströmungen, weniger durch Wärmeleitung.

Entscheidend für die globale Temperaturverteilung sind Dauer und Intensität der Sonneneinstrahlung im Verhältnis zur Abstrahlung (Strahlungsbilanz). Durch den Wechsel zwischen Tag und Nacht ist die Lufttemperatur eine Größe mit ausgeprägtem Tagesgang. Weiterhin spielen geographische Breite und Jahreszeit eine erhebliche Rolle (Einstrahlungswinkel). Der sich ergebende tägliche und jährliche Strahlungszyklus ist ein wesentlicher Faktor für die Ausbildung globaler Temperaturprofile und verschiedener Klimazonen. Am Äquator variieren die mittleren Monatstemperaturen nur zwischen 25 und 27 °C, während sie am Südpol zwischen -13 und -48 °C schwanken (Nordpol: -1 bis -41 °C). Als globaler Mittelwert werden 14,3 °C angegeben.

Die tatsächliche Temperatur an einem bestimmten Ort ist auf spezifische groß- und kleinräumige Gegebenheiten zurückzuführen. Bewölkungsgrad und Luftverunreinigungen behindern die Ein- und Abstrahlung. Verschiedenste physikalische Aspekte wie unterschiedliche Absorptions- und Reflexionsgrade von Materialien, verschiedene Wärmekapazitäten der Stoffe, Wärmeleitfähigkeit der obersten Erdschichten oder das Auftreten von Umwandlungswärme bei Zustandsänderungen sind zur Erklärung des Temperaturgeschehens heranzuziehen.

Größere Wasserflächen oder feuchte Areale, Eisflächen, bestimmte Gesteinsarten oder großflächige Bebauung wirken als Wärmespeicher. Wald, Gebirge, hohe Gebäude u.ä. behindern den horizontalen Luftaustausch (Advektion). Versiegelte oder bewachsene Flächen sind sehr verschieden im Vermögen Feuchtigkeit aufzunehmen und zu verdunsten. Dies sind nur einige Beispiele der komplexen Einflüsse auf die Temperatur. Die geringe Wärmekapazität der Luft ermöglicht "schnelle" lokale und zeitliche Änderungen ihrer Temperatur.

Die Lufttemperatur ist abhängig von der Höhe des Meßortes. Im allgemeinen sinkt sie mit zunehmender Höhe über NN um 0,5 bis 0,8 °C je 100 m (in der unteren Atmosphäre). Unter besonderen Bedingungen kann es jedoch auch zu einer umgekehrten Temperaturschichtung kommen, man spricht dann von einer Inversion.

Die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht erreichen im Sommer deutlich höhere Werte als im Winter.

Besonderheiten in der Stadt
Im Stadtklima liegt die Lufttemperatur um mehrere Zehntel bis einige Grad über der Temperatur des Umlandes (Wärmeinsel). Der Temperaturgang hinkt besonders im Maximumbereich (Nachmittagsstunden) dem des Freilandes um ein bis mehrere Stunden hinterher. Im Tagesminimum (Ende der Nacht) ist der Wärmeinseleffekt der Stadt am größten (höchste Temperaturdifferenz zwischen Stadt und Umland). Bodeninversionen in den Nacht- und frühen Morgenstunden treten seltener und schwächer auf als außerhalb der Städte. Diese Erscheinungen lassen sich auf das Zusammenwirken verschiedenster Ursachen zurückführen:

  • Bebauung und Versiegelung steigern die Wärmespeicherung.
  • Versiegelung und eine geringere Vegetationsdichte mindern die Verdunstung (weniger Verdunstungskälte).
  • Durch Luftverunreinigungen wird verstärkt (langwellige) Wärmestrahlung absorbiert (Treibhauseffekt). Die Atmosphäre heizt sich stärker auf als im freien Gelände.
  • Der horizontale Wärmetransport ist durch erhöhte "Rauhigkeit" der Erdoberfläche (Bebauung) behindert.
  • Verkehr, Industrie, Heizung usw. erzeugen zusätzlich Wärme.

Daten von Jena
Das Jahresmittel der Lufttemperatur beträgt in Jena 9,3 °C. Der Januar mit 0,4 °C und der Juli mit 18,2 °C sind die Monate mit dem tiefsten bzw. höchsten Temperaturmittelwert.

Extrema der Lufttemperatur lagen im Winter bei –23,5 °C, im Sommer bei +37,7 °C. (Meßstelle Schillergäßchen, 1961-1990)

Messverfahren und Messgeräte
Die Meßverfahren nutzen die unterschiedliche Wärmedehnung verschiedener Stoffe sowie Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes oder Thermospannungen aus.

Flüssigkeitsthermometer:

Das Flüssigkeitsthermometer wurde wahrscheinlich um 1611 von Galilei erfunden. Als Meßsubstanzen haben sich vor allem Quecksilber und Alkohol bewährt, wobei Alkohol besonders für tiefe Temperaturen geeignet ist (Gefrierpunkt unter –100 °C).

Bimetallthermometer:

Zwei Streifen aus verschiedenen Metallen sind zusammengeschweißt. Jede Temperaturänderung ruft eine Krümmung des Bimetalls hervor, die über Hebelarme einen Zeiger oder Schreiber auslenkt. Letztere Variante ist der Bimetallthermograf und dient zur kontinuierlichen Registrierung.

Widerstandsthermometer:

Widerstandsthermometer können mit Halbleitern (Heißleiter- ) oder mit Metallen (Kaltleiter-Widerstandsthermometer) arbeiten. Bei Metallen erhöht sich der Widerstand mit der Temperatur, hingegen nimmt er bei Halbleitern im allgemeinen ab (Thermistoren).

Besonders weit verbreitet ist das Platin-Widerstandsthermometer Pt 100. Bei ihm entsprechen 100 Ohm genau 0 °C und eine Temperaturänderung um 1 K verändert den Widerstand um 0,3 ... 0,4 Ohm. Bei neueren Ausführungen ist der Platindraht in Keramikplättchen oder -zylinder eingebrannt. Eine Vierleiter-Schaltung minimiert systematische Fehler, z.B. durch Zuleitungswiderstände.

Mit Minimum- und Maximumthermometer werden die täglichen Extremwerte der Lufttemperatur erfaßt.

Standort
Um Einflüsse der Umgebung auf die gemessene Lufttemperatur möglichst gering zu halten, sollte die Meßstelle 2 m über mit kurzgehaltenem Gras bedeckten Boden angeordnet sein (die bodennahe Luftschicht ist nicht repräsentativ!). Der Sensor selbst ist gegen direkte Strahlung abzuschirmen, sollte aber gut belüftet sein. Ein ausreichender Abstand zu größeren Gegenständen, die den Luftraum "einengen", muß eingehalten werden. Ein Schutz gegen Niederschlag sowie mechanische Beschädigungen ist ebenso erforderlich.

Meßbereich, Meßgenauigkeit und Kalibrierung

  Meßbereich Meßgenauigkeit
Quecksilberthermometer -30 ... 50 °C 0,1 K
Bimetallthermometer z.B. -35 ... 45 °C 0,5 ... 1 K
Pt 100 -200 ... 850 °C 0,1 ... 0,2 K

Als Eichthermometer werden Quecksilberthermometer verwendet, die der Eichgültigkeitsverordnung genügen.

Körper mit großer Wärmekapazität und Flächen mit hohem Reflexionsvermögen beeinflussen die Temperatur der angrenzenden Luft. Besonders bei geringer Windgeschwindigkeit können auch am abgeschirmten Thermometer etwas zu hohe Werte gemessen werden (bis zu 1 ... 2 K).

Auswertung der Meßwerte
Als erstes ist der Tagesgang der Lufttemperatur von Interesse. Dabei kann sowohl ein einzelner Tag mit besonderen Wettererscheinungen betrachtet werden als auch eine Mittelung über eine bestimmte Anzahl von Tagen.

Das wahre Tagesmittel der Lufttemperatur (arithmetisches Mittel aller Stunden- oder 10-Minuten-Meßwerte) unterscheidet sich vom traditionell üblichen Tagesmittelwert der Temperatur: ¼ x (T1 + T2 + 2 x T3); T1, T2 und T3 sind dabei die Temperaturwerte zu den klimatologischen Beobachtungsterminen, den sogenannten "Mannheimer Stunden" (7, 14 und 21 Uhr MEZ). Aus den Tagesmittelwerten ergeben sich dann Monats- und Jahresmittel.

Zur Bewertung eventueller klimatologischer Veränderungen werden 30-jährige Reihen betrachtet: Mittelwertbildung gleicher Art über viele Jahre (als "Normalperioden" wurden 1901-1930, 1931-1960, 1961-1990 usw. festgelegt). Dies trifft auch für alle anderen Klimaelemente zu.

Neben den Mittelwerten der Temperatur werden Minimum und Maximum eines Tages registriert. Die Differenz beider Extrema wird als Tagesschwankung bezeichnet.

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