Warum nimmt die Temperatur mit der Höhe ab?

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Die Temperatur ist generell vom Druck abhängig. Je höher der Druck, umso höher die Temperatur. Da der Druck der Atmosphäre auf Meereshöhe am grössten ist, werden auf Meereshöhe bei vergleichbaren Witterungsbedingungen grundsätzlich die höchsten Temperaturen gemessen. Je höher man dann steigt, um so mehr nimmt die Temperatur ab, weil der Druck abnimmt.

Neben dem Druck ist die Art der Erwärmung der Atmosphäre von grundlegender Bedeutung. Die Atmosphäre wird zur Hauptsache von der Erdoberfläche her erwärmt. Das heisst, die einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung erwärmt die Erdoberfläche. Die erwärmte Erdoberfläche wiederum gibt langwellige Wärmestrahlung an die darüberliegende Atmosphäre ab.

Die Atmosphäre kann umso mehr Wärmestrahlung absorbieren, je mehr Wasserdampf (gasförmiges, unsichtbares Wasser) sie enthält. Wird eine Atmosphärenschicht erwärmt, wird sie selber zum Wärmestrahler, d.h. sie gibt die Wärme wieder ab. Ein grosser Teil dieser Wärme aus der Atmosphäre wird zurück Richtung Erdoberfläche gestrahlt. Man nennt dies die langwellige atmosphärische Gegenstrahlung. Diese Gegenstrahlung ist auch nachts aktiv. (Der Prozess von kurzwelliger Einstrahlung und langwelliger atmosphärischer Gegenstrahlung ist nichts anderes als der natürliche Treibhauseffekt.)

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre ist vom Druck abhängig. Mit zunehmender Höhe und abnehmendem Druck wird der Wasserdampfgehalt immer geringer. Mit zunehmender Höhe kann deshalb die Atmosphäre immer weniger Wärmestrahlung absorbieren bzw. an die Erdoberfläche zurückstrahlen. Das heisst, mit zunehmender Höhe wird die Atmosphäre immer durchlässiger für die von der Erdoberfläche her abgestrahlte Wärme. Die nicht absorbierte Wärme geht in den Weltraum verloren.

Steigt warme Luft auf, so dehnt sie sich in der Höhe infolge des abnehmenden Drucks aus. Die Ausdehnung der Luft benötigt Energie, und diese Energie wird aus der mitgeführten Wärme geschöpft. Das heisst, beim Ausdehnen mit zunehmender Höhe wird die aufsteigende Luft immer kühler.

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