Temperaturverhalten je nach Standort und Wetter

Die Lufttemperatur im Tagesverlauf ist nicht nur das Ergebnis von Sonnereinstrahlung, langweilliger Abstrahlung, Wärmleitung in und aus dem Untergrund, usw (mehr dazu hier), sondern ist auch stark von der Bodenbeschaffenheit, der Bwölkung, usw. geprägt und darum geht es in diesem Abschnitt.

Inhaltsverzeichnis

• Temperaturverhalten je nach Untergrund 

• Temperaturverhalten je nach Bewölkung / Luftfeuchtigkeit 

• Temperaturverhalten je nach Windverhältnisse  

• Temperaturverhalten je nach Topographie 

• Temperaturverhalten je nach Wetterlage 

Temperaturverhalten je nach Untergrund

Auf unterschiedenen Flächen ist der Temperaturverlauf am Tag und in der Nacht unterschiedlich. So erwärmt sich die Luft über dem Asphalt sehr rasch, während sie über Moorböden in der Nacht stark abkühlt. Diese Unterschiede sind von zahlreichen Faktoren abhängig, denen stets die Energiebilanz zugrunde liegt.

Punkt Nr. 1 – Albedo: Wie bereits erwähnt, wird von der Erdoberfläche immer nur ein Teil des eintreffenden Sonnenlichtes reflektiert und zwar abhängig von der Beschaffenheit dieser Oberfläche. Die Albedo (Verhältnis reflektierter zur gesamten auftreffenden Strahlung) kann dabei je nach Oberfläche erheblich schwanken:

• frischer Schnee: 80-90%

• Wolken: 60-90%

• alter Schnee: 45-90%

• Gletschereis: 30-45%

• Wüstenboden: 30%

• Sandboden: 15-40%

• Beton: 14-22%

• Wiesen: 12-30%

• Ackerboden: 7-17%

• Wald: 5-18%

• Asphalt: 15%

• Wasser (45°-Einfallswinkel): 5%

Hinweis: Die Werte gelten für Wellenlängen im Bereich des Sonnenlichtes.

Je niedriger die Albedo, desto weniger Sonnenlicht wird also reflektiert. Deshalb wundert es nicht, dass diese Flächen entsprechend dunkler sind. Da dies aber auch bedeutet, dass mehr Energie absorbiert wird, werden sich solche Flächen bei Sonneneinstrahlung stärker erwärmen. Umgekehrt bleibt die Erwärmung auf stark reflektierende Flächen (wie z.B. Schnee) vergleichsweise gering.

Punkt Nr. 2 – Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes: Verschiedene Materialien leiten die Wärme unterschiedlich schnell. Die Wärmeleitfähigkeit ist generell tief, wenn darin abgeschlossene, unbewegte Luft enthalten ist. Materialien, die nur wenig oder keine unbewegte Luft enthalten, weisen hingegen hohe Wärmeleitfähigkeiten auf. Ein entscheidender Faktor ist auch der Wassergehalt: Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist sehr hoch und so auch diejenige von wasserhaltigem Material. Eher niedrig ist die Wärmeleitfähigkeit von organischem Material (das in Pflanzen, Torf, etc. enthalten ist).

Beispiele für Materialen mit niedrigen Wärmeleitfähigkeiten sind:

• Pflanzendecke (organisches Material und viel Luft zwischen den Pflanzen)

• Torfboden (hoher Anteil an organischem Material)

• Neuschnee (viel eingeschlossene Luft und praktisch kein flüssiges Wasser)

• trockene Sedimente (Luft in den Poren)

Beispiele Materialien mit hohen Wärmeleitfähigkeiten sind:

• Asphalt / Beton (keine Luft)

• Festgestein (keine Luft)

• feuchtes Lockergestein (Wassergehalt)

• Altschnee (Wassergehalt)

• Wasser generell

• Früchte (wegen Wassergehalt)

Um ein Vielfaches höher ist die Wärmeleitfähigkeit übrigens bei Metallen. Diese kommen jedoch in dieser Form natürlicherweise nicht in der Natur vor.

Je schlechter die Wärmeleitfähigkeit des Bodens, desto weniger Wärme kann tagsüber in den Untergrund abgeleitet und dort «zwischengespeichert» werden. Dies bedeutet einerseits, dass die Erdoberfläche tagsüber stärker erwärmt wird, anderseits dass nachtsüber weniger Wärme aus dem Untergrund nachgeliefert wird und die Nächte damit kälter werden. Es gilt ausserdem: Je tiefer die Weiterleitfähigkeit, desto weniger tief reichen die Tages- und Jahresschwankungen der Temperatur in den Untergrund hinein.

Punkt Nr. 3 – Wassergehalt des Untergrundes: Dessen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit wurde bereits erläutert. Der Wassergehalt hat jedoch auch einen wichtigen Einfluss, wenn es um die Intensität der Wasserverdunstung geht: Je höher der Wassergehalt, desto mehr Wärme (latente Energie) wird für die Verdunstung aufgewendet, was die Erwärmung der Erdoberfläche und somit der bodennahen Luft während des Tages reduziert. Durch den starken Einfluss des Wassergehaltes ist das Temperaturverhalten einer Oberfläche stark davon abhängig ob diese sich gerade in einem trockenen oder feuchten Zustand befindet (z.B. Wiesen trocken oder nass?).

Temperaturverhalten nach Untergrund: Für die einzelnen Untergründe ergibt sich folgendes Temperaturverhalten:

• Moor: Diese sind bekannt für eine häufigere, bzw. verstärkte Nebelbildung in der Nacht («Moornebel»). Der Grund hierfür liegt in der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes (und nicht wie man vermuten könnte an der generell feuchteren Luft), welcher durch einen hohen Anteil organischen Materials gekennzeichnet ist. Die schlechte Wärmeleitung führt dazu, dass am Tag weniger Wärme in den Untergrund fliesst und damit in der Nacht weniger nachgeliefert werden kann. Deshalb ist die nächtliche Abkühlung stärker. Äcker, die durch das Entwässern von Mooren gewonnen sind dadurch übrigens besonders gefährdet für Bodenfrost.

Moore sind, wegen der schlechten Wärmleitfähigkeit des Bodens, eher mit kalten Nächten verbunden

• Wiese: Eine dichte Pflanzendecke ist wie erwähnt ein schlechter Wärmeleiter. Dies hat, ähnlich wie beim Moor, am Tag eine verminderte Wärmeleitung in den Untergrund zu Folge, bzw. dadurch liegt eine geringere Wärmenachlieferung in der Nacht vor. Die Folge sind also eher kältere Nächte, die oft mit Taubildung begleitet sind. Einen wichtigen Einfluss hat der Wassergehalt der Pflanzendecke: Je feuchter, desto höher die Verdunstung und somit geringer die Erwärmung am Tag. Trockene Wiesen können sich am Tag sehr stark aufheizen.

Auf der Wiese ist es, wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Pflanzendecke, generell tagsüber wärmer und nachtsüber kälter. Trockene Wiesen können sich am Tag stark aufheizen.

• unbewachsener Boden: Dieser liegt z.B. vor, wenn ein Acker geerntet, bzw. gepflügt wurde. Die braune bis schwarze Oberfläche weist eine hohe Albedo auf, was sich in starker Erwärmung während des Tages äussert. Da die isolierende Pflanzendecke fehlt, kann tagsüber ein Teil der Wärme sehr gut in den Boden abgeleitet werden und reduziert damit die nächtliche Abkühlung.

auf den Äckern kann die Erwärmung tagsüber, durch die hohe Albedo, sehr hoch sein

• Wald: Im geschlossenen Wald ist der Raum unter den Baumkronen ein schlechter Wärmeleiter, so dass am Tag wenig Wärme auf den schattigen Waldboden gelangt und es dort mehrere Grad kühler sein kann als im offenen Gelände. Auch die Erwärmung des Kronendachs ist wegen der starken Verdunstung der Bäume und den erhöhten Wind-Turbulenzen des Windes (durch raue Oberfläche) vermindert. In der Nacht, wenn sich die Luft über dem Kronendach abkühlt, kann diese jedoch (anders als auf der Wiese) zum Waldboden hin absinken und so zu einem Luftaustausch führen. Die nächtliche Abkühlung am Waldboden wird durch die langwellige Abstrahlung des Kronendaches reduziert. Die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht sind sowohl am Waldboden, als auch im Bereich der Baumkronen generell geringer als im offenen Gelände. Wird der Wald forstwirtschaftlich aufgelockert oder sogar ein Kahlschlag durchgeführt, hat dies jedoch eine drastische Zunahme der Bodentemperaturen am Tag zur Folge.

Im Wald sind die tageszeitlichen Temperaturunterschiede geringer. Im Sommer ist es unter dem Kronendach am Tag generell kühler als im offenen Gelände.

• Schneedecke: Ob die Landschaft schneebedeckt ist oder nicht, hat einen starken Einfluss auf die bodennahen Lufttemperaturen. Bei Schnee ist die Erwärmung während des Tages durch die hohe Albedo deutlich geringer als ohne Schneedecke. Da Schnee ausserdem ein schlechter Wärmeleiter ist, sind auch in der Nacht besonders tiefe Lufttemperaturen möglich. Für kleinere Pflanzen ist die isolierende Schneedecke jedoch ein Segen, denn diese bietet (sofern sie komplett vom Schnee bedeckt sind) einen guten Frostschutz. Während an der Schneeoberfläche starke Minusgrade herrschen, beträgt die Temperatur an der Unterseite meist über Null Grad. Pflanzen oder Pflanzenteile, die aus der Schneedecke herausschauen sind jedoch besonders frostgefährdet. Durch Spuren im Schnee können übrigens Brücken erhöhter Wärmeleitfähigkeit zwischen Atmosphäre und dem Erdboden geschaffen werden, wodurch Letzterer in der Nacht stärker auskühlt.

über einer Schneedecke ist es, wegen der niedrigen Albedo und der niedrigen Wärmleitfähigkeit, Tag oder Nacht generell kälter

• Wüste: Der Wüstenboden ist sehr trocken, was am Tag sowohl die Verdunstung, als auch die Wärmeleitung in den Untergrund reduziert. Die Folge ist eine sehr starke Erwärmung tagsüber und ein ebenso hoher Temperaturabfall in der Nacht. Letztere wird durch die meist klaren Nächte mit wenig Bewölkung und niedriger Luftfeuchtigkeit zusätzlich verstärkt (siehe Abschnitt "Temperaturverhalten je nach Bewölkung / Luftfeuchtigkeit"). So kann es in der Sahara während den Wintermonaten teilweise unter den Gefrierpunkt abkühlen während tagsüber angenehme 20° C herrschen. Was für die Wüste gilt, gilt übrigens auch teilweise für die trockene Ruderalflächen (Brachflächen, Steinbrüche, etc.) in unseren Breitengraden.

hohe Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht charakterisieren Wüsten

• Gewässer: Im Gegensatz zum festen Untergrund kann das Sonnenlicht direkt ins Wasser hinein dringen. Dabei werden auch tiefer liegende Wasserschichten von der Sonne erwärmt, während sie an der an der Wasseroberfläche reduziert ist. Die Erwärmung ist trotz der tiefen Albedo von Wasser geringer als am Land. Dies weil einerseits die Verdunstung sehr intensiv ist und andererseits weil die Wärmekapazität des Wassers sehr hoch ist (d.h. ein Grad Temperaturerhöhung braucht vergleichsweise viel Energie). Wegen diesem Puffer ist die nächtliche Abkühlung geringer. Auf oder in der Nähe eines Sees oder dem Meer ist das Klima deshalb durch gering Temperaturschwankungen zwischen Tag/Nacht, bzw. Winter/Sommer geprägt.

Seen oder das Meer führen zu tages- und jahreszeitlich ausgeglicheneren Temperaturen

• Asphalt: Durch die dunkle Farbe ist die Albedo sehr hoch. Wegen dem fehlenden Wasser ist gleichzeitig die Verdunstung sehr gering. Die Folge ist also eine starke Erwärmung während des Tages. Meist ist auch die Wärmeleitfähigkeit in den Untergrund durch den Unterbau aus Schotter reduziert.

eine hohe Albedo und fehlende Wasser-Verdunstung, führen tagsüber auf Asphaltflächen zu einer starken Erwärmung

• Stadt: Die Temperatur in den Städten ist im Allgemeinen, sowohl am Tag, als auch in der Nacht bis zu mehreren Grad höher als im Umland. Der Grund liegt dabei nicht wie vermutet werden könnte in der geringeren Albedo ihrer Oberflächen. Denn diese wird durch die geringere Sonneneinstrahlung als Folge der Luftverschmutzung (Smog, stärkere Bewölkung durch mehr Kondensationskeime) wieder kompensiert. Stattdessen ist es v.a. die geringere Verdunstung der trockenen Oberflächen (Asphalt, Hausmauern, etc.). Ein weiterer Faktor ist die Abwärme von Autos, Industrieanlagen und oder auch Wärme aus geheizten Innenräumen. Bei Wind sind die Unterschiede kleiner, da ein Austausch mit der Umgebung stattfindet. In der Nacht sind die Temperaturunterschiede zum Umland besonders stark ausgeprägt. Dies weil einerseits die Temperatur am Tag höher war, die Bauwerke gute Wärmespeicher sind und eine geringere Abstrahlung vorliegt. Die Reduktion der Abstrahlung hängt dabei sowohl mit der Luftverschmutzung (Smog, stärkere Bewölkung), als auch der Tatsache zusammen, dass die Abstrahlung von den Wänden nicht nach oben, sondern gegen die Nachbarswände erfolgt.

in der Stadt liegen gegenüber dem Umland generell höhere Temperaturen vor und zwar sowohl am Tag, als auch in der Nacht

• Brücken: Auf Objekten in der Luft, wie z.B. Brücken, kann die nächtliche Abkühlung sehr stark sein. Dies weil im Gegensatz zur Erdoberfläche, der Nachschub des Bodenwärmestroms fehlt.

Temperaturverhalten je nach Bewölkung / Luftfeuchtigkeit

Je intensiver die Bewölkung, desto mehr Sonnenlicht wird am Tag zurück ins Weltall reflektiert, bevor es die Erdoberfläche erreicht. In Mitteleuropa ist die Intensität der Sonneneinstrahlung bei einer geschlossenen Wolkendecke etwas 4x geringer als ohne Bewölkung. Dies führt zu einer geringeren Erwärmung der Erdoberfläche, bzw. bodennahen Luft: Bewölkte Tage sind also generell kühler als wolkenlose Tage.

Bei einer Wolkendecke ist die Sonneneinstrahlung gegenüber dem wolkenlosen Himmel stark reduziert, mit entsprechend geringerer Erwärmung der Erdoberfläche / bodennahen Luft

In der Nacht ist das ganze jedoch umgekehrt: Je intensiver die Bewölkung, desto geringer ist die nächtliche Abkühlung. Dabei hört man oft die Behauptung, dass das daran liege, dass «die Wolken die Infrarotstrahlung reflektieren» würden. Dies stimmt so jedoch nicht! Am Tag führen die Wolkentröpfchen zwar dazu, dass ein Grossteil des Sonnenlichtes daran reflektiert wird (wobei auch hier eigentlich von «anisotroper Mehrfachstreuung» gesprochen werden muss, siehe hier). Bei der Infrarotstrahlung ist die Situation aber ein andere: Die Wolken absorbieren dabei nahezu den gesamten Anteil der darauf auftreffenden Strahlung, d.h. es wird praktisch nichts reflektiert! Die Wolkentröpfchen selbst strahlen jedoch als Körper selbst wieder Strahlung (in Form von Infrarot) nach oben und unten (bzw. auch seitlich). Die an der Wolkenuntergrenze emittiert Strahlung ist dabei gegen die Erdoberfläche gerichtet und wird von dieser wieder absorbiert. Damit wird die Abkühlung des Erdbodens reduziert. Ähnlich wie mit der Bewölkung, verhält es sich übrigens wenn eine belaubte Baumkrone den Boden bedeckt, indem dessen Blätter und Äste Infrarotstrahlung zum Erdboden hin aussenden.

In bewölkten Nächten ist die Abkühlung an der Erdoberfläche geringer und zwar weil die Wolken langwellige Strahlung aussenden, welche die bodennahe Abstrahlung teilweise kompensiert. Die Abstrahlung an der Wolkenuntergrenze ist wegen der höheren Temperatur übrigens höher als diejenige an der Wolkenobergrenze.

Auch die Luftfeuchtigkeit hat einen Einfluss auf die Strahlungsbilanz. Je höher diese ist, desto mehr Strahlung wird in der Atmosphäre absorbiert (Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas!) und wieder zum Erdboden zurückgestrahlt. An klaren Tagen (mit guter Fernsicht bzw. klarem Sternenhimmel) ist deshalb sowohl die Erwärmung des Tages, als auch die Abstrahlung in der Nacht gegenüber feuchteren Verhältnissen deutlich erhöht.

Die Abstrahlung und damit nächtliche Abkühlung der Erdoberblache ist in klaren, trockenen Nächten eher hoch. Solche Nächte äussern sich übrigens durch einen imposanten Sternenhimmel und evtl. einer guten Fernsicht während des Tages.

Temperaturverhalten je nach Windverhältnisse

Auch der Wind hat einen Einfluss auf das Temperaturverhalten der Luft. Dies weil er zu einer Durchmischung der Luftschichten führt. Dies ist vor allem in der Nacht relevant, weil sich dann, wie bereits erwähnt, bei Windstille eine stabile Luftschichtung einstellt, welche Luftbewegungen verhindert und somit den vertikalen Wärmetransport stark reduziert. Diese Barriere kann jedoch durch windinduzierte Turbulenz teilweise überwunden werden. So wird in der Nacht warme Luft der höheren Schichten, welche ja am Tag erwärmt wurde, nach unten geführt. Die windigen Nächte sind in der Folge generell wärmer.

Vergleich einer windstillen mit einer windigen Nacht: Generell führt die nächtliche Abstrahlung der Erdoberfläche zu einer Abkühlung bodennaher Schichten und damit auch einer stabiler Luftschichtung, welche den vertikalen Luftaustausch verhindert.

Ist jedoch Wind vorhanden, führen turbulente Strömungen trotzdem zu einer vertikalen Durchmischung, so dass dabei die nächtliche Auskühlung am Erdboden geringer ausfällt.

Temperaturverhalten je nach Topographie

Wie bereits erwähnt, nimmt die Strahlungsintensität mit zunehmend flacherem Sonnenstand ab. Einen Einfluss hat aber auch die Topographie (Hangneigung und Exposition). Südhänge kriegen dabei besonders viel Sonne ab, während die Strahlungsintensität an Nordhängen stark reduziert ist. Bei steilen Felswänden ist die die Sonneneinstrahlung im Winter sogar höher als im Sommer. Durch ein strukturiertes Gelände entstehen also je nach Hanglage verschiedene Mikro-Klimata. Diese sind vor allem im Winter stark ausgeprägt, wo gewisse Nordhänge teilweise für mehrere Monaten im Schatten liegen.

Auch bei der langwelligen Abstrahlung gibt es Unterschiede. Allgemein ist diese in topographisch strukturiertem Gelände verringert und zwar, weil sich die Hänge, bzw. Talboden und Hänge sich gegenseitig anstrahlen.

In Tälern und Vertiefungen muss jedoch in windstillen Nächten mit der Bildung von Kaltluftseen gerechnet werden. Während die bodennahe Kaltluft sich im flachen Gelände durch die stabile Luftschichtung kaum bewegt, kann sie an den Hängen ins Tal runterfliessen. In den Tälern werden damit die Nächte deutlich kälter als den höher gelegenen Hangbereichen. Ausgeprägt ist dieses Phänomen vor allem in abgeschlossenen Senken ohne «Kaltluft-Abfluss», wie z.B. in La Brévine (Schweizer Jura). Kaltluftseen bilden sich übrigens auch in kleineren Mulden von teils weniger als 1 Meter Tiefe. Solche sind nach klaren Herbstnächten oft mit Reif bedeckt.

Eine dichte Hangbebauung oder auch geschlossenen Wälder an den Hängen können das Hangabwärtsströmen von Kaltluft verlangsamen. Auch nächtlicher Wind verhindert wegen der vertikalen Durchmischung die Bildung von Kaltluftseen.

Temperaturverhalten je nach Wetterlage

Wetterlagen mit Kaltluft- oder Warmlufteinbrüchen können das Temperaturverhalten stark verändern. Damit kann sogar am tagsüber einer Abkühlung oder nachts eine Erwärmung stattfinden.

Mehr zum Thema Temperatur und Energie-/Strahlungsbilanz:

• Temperatur im Tagesverlauf

• Temperaturverhalten je nach Standort und Wetter

• Treibhauseffekt

• ​Beurteilung der Temperaturfaktoren