Warum es umso kälter wird, je höher man einen Berg besteigt – die Wissenschaft erklärt es

Die Mechanismen, die zur Erwärmung oder Abkühlung der Luft führen, werden nicht von der Sonne, sondern vom Luftdruck angetrieben. Hier erklären wir, wie die Gesetze der Physik und Chemie unser tägliches Leben direkt beeinflussen.

Bei der adiabatischen Abkühlung der Luft sinkt die Temperatur mit zunehmender Höhe.

Die Erde ist etwa 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Selbst wenn wir einen mehrere Kilometer hohen Berg besteigen, sind wir immer noch extrem weit von ihr entfernt. Daher spielt die Sonne beim Aufstieg auf einen Berg keine bedeutende Rolle für die Lufttemperatur, und der Temperaturabfall wird nicht dadurch verursacht, dass wir etwas weiter von der Sonne entfernt sind.

Die Luft wird nicht direkt von der Sonne erwärmt. Die Sonnenstrahlung durchdringt die Atmosphäre fast ohne sie zu erwärmen und erreicht den Boden.

Wenn Sonnenlicht auf den Boden trifft, absorbiert die Oberfläche diese Energie und gibt sie dann als Wärme in Form von Infrarotstrahlung wieder ab, wodurch die Luft in direktem Kontakt mit der Oberfläche erwärmt wird. Aus diesem Grund befindet sich die wärmste Luft in Bodennähe und nicht in höheren Schichten der Atmosphäre.

Wie wirkt sich der Luftdruck auf die Temperatur aus?

Die Atmosphäre besteht aus einem Gemisch von Gasen, die jeweils unterschiedliche Massen und damit unterschiedliche Gewichte haben. Auf Meereshöhe muss die Luft das Gewicht der gesamten darüber liegenden Luftsäule tragen, wodurch ein hoher atmosphärischer Druck entsteht.

Mit zunehmender Höhe nimmt jedoch die Luftmenge über uns ab, sodass der atmosphärische Druck sinkt. Dadurch wird die Luft weniger dicht und die Moleküle liegen weiter auseinander.

Die Beziehung zwischen Temperatur und Dichte ist umgekehrt proportional: Mit steigender Temperatur nimmt die Dichte ab. Kalte Luft ist dichter, da ihre Moleküle näher beieinander liegen, wodurch sie schwerer wird und absinkt.

Außerdem kollidieren Gasmoleküle, wenn sie näher beieinander liegen, häufiger und übertragen Wärmeenergie effizienter. Umgekehrt speichern Moleküle, wenn sie weiter voneinander entfernt sind, weniger Wärmeenergie. Daher ist die Luftdichte entscheidend für die Lufttemperatur: Je höher die Dichte, desto niedriger die Temperatur; kalte Luft ist dichter als warme Luft.

Was ist adiabatische Kühlung?

Wenn eine Luftmasse wärmer ist, ist sie weniger dicht und steigt auf. Während sie aufsteigt, nimmt der äußere Luftdruck ab. Infolgedessen dehnt sich die Luft aus, drückt gegen die umgebende Luft und nutzt einen Teil ihrer inneren Energie, um Arbeit zu verrichten.

Dieser Vorgang wird als adiabatische Abkühlung bezeichnet, bei der die Temperatur sinkt, obwohl keine Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Er ist einer der wichtigsten Mechanismen in der Meteorologie.

Wenn Luft aufsteigt, ohne Wärme mit ihrer Umgebung auszutauschen und ohne zu kondensieren, sinkt ihre Temperatur um etwa 9,8 °C pro 1000 m, was als trockene adiabatische Temperaturabnahme bezeichnet wird.

In der realen Atmosphäre kondensiert normalerweise ein Teil des Wasserdampfs, wenn die Luft aufsteigt, und die durchschnittliche Temperaturabnahme beträgt etwa 6,5 °C pro 1000 m, was dem vertikalen Temperaturgradienten entspricht.

Luft wirkt auch als Wärmeisolator. Je dichter die Luft, desto besser speichert sie Wärme. Deshalb wirkt die Atmosphäre in niedrigen Höhenlagen wie eine Decke, die verhindert, dass Wärme ins All entweicht. In den Bergen gibt es weniger Luft, sodass der Decken-Effekt schwächer ist und Wärme leichter entweichen kann, insbesondere nachts, was zu sehr niedrigen Temperaturen in hohen Lagen führt.

Andere Einflussfaktoren

Die Art der Oberfläche, die Schneebedeckung und der Wind beeinflussen ebenfalls die Temperaturen. Bergoberflächen bestehen oft aus nacktem Fels, kargem Boden oder Schnee.

Schnee hat eine hohe Albedo, die angibt, wie gut eine Oberfläche Sonnenstrahlung reflektiert.

Schnee reflektiert einen Großteil der einfallenden Sonnenenergie und absorbiert weniger, sodass sich der Boden nur wenig erwärmt und weniger Wärme an die darüber liegende Luft abgibt.

Wind in großen Höhen, verursacht durch Druckunterschiede und das Fehlen von Hindernissen, spielt ebenfalls eine Rolle. Er senkt zwar nicht die tatsächliche Lufttemperatur, erhöht jedoch den Wärmeverlust des menschlichen Körpers, indem er die warme Luftschicht um die Haut herum entfernt und so ein Gefühl kälterer Temperaturen erzeugt.

Es gibt Ausnahmen, wie beispielsweise Temperaturinversionen, bei denen kalte Luft in Tälern unter einer Schicht warmer Luft eingeschlossen ist und manchmal ein Meer aus tief hängenden Wolken bildet. Obwohl es in solchen Situationen im Tal kälter sein kann als in höheren Lagen, handelt es sich dabei um vorübergehende Phänomene, die nichts an der allgemeinen Regel ändern, dass es mit zunehmender Höhe kälter wird.