Warum ist es nachts in heißen Wüsten kalt?

Extreme Temperaturschwankungen in den Wüsten und sehr niedrig auf einigen Inseln. physikalische Erklärungen.

Wüsten wie die Sahara, die Kalahari oder die große australische Wüste sind der Ort sehr starker thermischer Amplituden über einen Tag.

Während die Temperatur in einer Stadt wie Djanet in Algerien unter der prallen Sonne der Sahara um die fünfzig Grad erreichen kann, kann sie in der folgenden Nacht um etwa dreißig Grad sinken.

Wie kommt es, dass an manchen Orten, etwa auf Inseln mitten im Ozean, die Temperatur zwischen Tag und Nacht kaum schwankt, während an anderen, etwa in Wüsten, die Temperaturschwankungen so stark sind?

Leitung, Konvektion und Strahlung

Die Wärmeübertragung erfolgt auf drei Wegen. Wärmeleitung, die einer Übertragung von Wärme in Materie von hohen zu niedrigen Temperaturen entspricht, Konvektion, die einer Wärmeübertragung entspricht, die mit einer Flüssigkeitsbewegung verbunden ist, und Strahlung, die einer Übertragung elektromagnetischer Wellen zwischen erhitzten Körpern entspricht. Zur Berücksichtigung des Wärmeaustauschs muss auch die thermische Trägheit berücksichtigt werden, die die Fähigkeit eines Materials bezeichnet, Wärme zu speichern.

Der Wärmehaushalt in Wüsten wird stark durch Strahlungsaustausch (verbunden mit Wärmestrahlung) dominiert. Auf der Erde kommt die Hauptenergiequelle von der Sonne, einem Körper mit einer Oberflächentemperatur von 6000 °C, der Strahlung im sichtbaren Bereich aussendet.

Tagsüber empfängt und absorbiert der Wüstenboden ohne Wolkendecke wie an jedem anderen Punkt der Planetenoberfläche die Wärmestrahlung der Sonne. Wie jeder Körper, der auf gewöhnliche Temperaturen erhitzt wird, emittiert der erhitzte Boden hauptsächlich im Infrarotbereich und strahlt in Richtung der Erdatmosphäre und des Himmels. Wenn jedoch die Erdatmosphäre für sichtbare Strahlung ziemlich transparent ist, ist dies für Infrarotstrahlung nicht der Fall. Die Atmosphäre verhindert, dass ein Teil dieser Strahlung in den Weltraum zurückkehrt. Es ist der berühmte Treibhauseffekt, der es unserem Planeten ermöglicht, eine Durchschnittstemperatur von 15°C zu haben, was ohne dieses Phänomen -18°C wäre. Tagsüber ist die Absorption der Sonnenstrahlung viel größer als die Emission des Bodens durch die Atmosphäre, sodass sich der Boden am Ende auf eine geringe Dicke von zehn Zentimetern aufheizt. Nachts findet keine Absorption der Sonnenstrahlung mehr statt und der Boden kühlt durch die Atmosphäre zum Himmel hin ab.

Eine mehr oder weniger transparente Atmosphäre

Die Transparenz der Atmosphäre hängt von mehreren Parametern ab. Sie hängt von der betrachteten Strahlung (sichtbar, infrarot), der Konzentration bestimmter Treibhausgase (CO₂, Methan, Wasserdampf), seine Dicke und die Wolkendecke. Je trockener die Atmosphäre und je dünner die Atmosphäre (z. B. in der Höhe) ist, desto transparenter ist sie im Infrarotbereich. Im Gegensatz dazu ist eine wolkenhaltige Atmosphäre praktisch undurchlässig für Infrarotstrahlung. In einer Wüste kann die Luftfeuchtigkeit im Sommer auf ein sehr niedriges Niveau sinken, bis auf wenige Prozent relative Luftfeuchtigkeit. Unter diesen Bedingungen ist die Atmosphäre fast durchsichtig, so dass sich der Boden direkt mit dem Weltraum austauscht, dessen Temperatur nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Dann sind die Bedingungen für eine sehr deutliche Strahlungskühlung erfüllt.

Andere Parameter können dieses Phänomen weiter verstärken. Zunächst einmal hängt die Wärmeabgabe des Bodens von seiner Zusammensetzung ab. Sand und Schnee emittieren also viel mehr als die Vegetation, insbesondere jene, die Ebenen und Wälder bilden. Andererseits erhöht das Vorhandensein von Wind den Austausch zwischen Luft und Boden.

Wir befinden uns dann in Gegenwart einer Wärmeübertragung durch Konvektion. Wenn in der Nacht die Luft wärmer wird als der Boden, wird dieser den Boden erwärmen und damit dessen Abkühlung verringern. Im Gegenteil, die Abwesenheit von Wind verringert die Übertragung durch Konvektion und führt zu sehr günstigen Bedingungen für die Kühlung.

Außerdem hat der Sand, der den Boden der Wüste bildet, eine relativ geringe thermische Trägheit. Mit anderen Worten, der auf eine bestimmte Temperatur erhitzte Sand speichert weniger Wärme als ein Material wie Erde, Feuchtigkeit, Beton oder Wasser. Je geringer die gespeicherte Wärmemenge bei gegebener Kühlung ist, desto schneller erfolgt die Wärmeabfuhr, was zu einem plötzlichen Temperaturabfall während der Nacht führt. Somit sind die geringe Feuchtigkeit der Wüsten, ihr Fehlen einer Wolkendecke und ihre Zusammensetzung aus einem stark emittierenden Material mit geringer thermischer Trägheit für die starke nächtliche Abkühlung und die große thermische Amplitude verantwortlich, die in diesen Räumen beobachtet wird.

Die vorangegangenen Überlegungen ermöglichen es auch, andere Situationen zu erklären, in denen die tägliche thermische Amplitude sehr signifikant sein kann. So hält das Dorf Mouthe (Doubs) im Juramassiv den Rekord für Kälte (-36,7 °C) und Tagestemperaturamplitude in Frankreich (37,8 °C). Seine Lage im Winter auf einem schneebedeckten Plateau macht ihn zu einem Standort, der bei sehr geringer Luftfeuchtigkeit stark in den Weltraum abstrahlt. Diese Plateaukonfiguration ist auch günstiger für die Abwesenheit von Wind, im Gegensatz zu Bergstädten, wo Temperaturunterschiede in unterschiedlichen Höhen Konvektionsströmungen auslösen, die die Abkühlung des Bodens dämpfen.

Umgekehrt sind Inseln wie Ouessant, die weniger als einen Tag Frost pro Tag erleben, als Orte mit geringer thermischer Amplitude bekannt. Ouessant hat ein sehr windiges, wolkiges Klima und liegt mitten im Meer.Der Ozean, dessen Temperatur über eine große Dicke gleichmäßig ist, hat eine hohe thermische Trägheit. Seine Temperatur ändert sich im Laufe des Tages kaum. Schließlich sind die Bedingungen für eine starke nächtliche Abkühlung (Windstille, klare Nacht, geringe Luftfeuchtigkeit und geringe thermische Trägheit) fast nie gegeben. All diese Elemente, die die Strahlungskühlung begrenzen, führen dazu, dass die Temperatur auf den Inseln und allgemein an der Küste im Laufe des Tages viel weniger schwankt als im Landesinneren.

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Karl Joulain, Professor für Physik und Energetik, Universität Poitiers

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