April, April!

Die launenhafte Diva
Er ist verschrien als launenhaft und bietet wettermäßig so ziemlich alles, was in unseren Breiten denkbar ist, von Winterrückfällen bis zu ersten Sommertagen. Ihm zu Ehren gibt es gar einen eigenen Ausdruck im Deutschen – „Aprilwetter“ steht für wechselhaftes, unbeständiges, meist kühles Wetter. Der April ist schlicht die Wetter-Diva schlechthin unter allen Monaten, doch: Warum macht ausgerechnet der April, was er will?

Einer gewinnt immer
Der Frühling ist jene Jahreszeit, in der Winter und Sommer um die Vormacht am Kontinent kämpfen; subtropische Wärme drängt immer öfter von Süden Richtung Mitteleuropa vor, nach wie vor aber besteht jederzeit die Möglichkeit eines polaren Kälterückfalls von Norden. Auch wenn der Ausgang des Kampfes im Grunde klare Sache ist (der Sommer gewinnt am Ende immer!), so ist dieses Herumgeplänkel im April besonders ausgeprägt. Und zwar aus einem einzigen Grund: der Sonne.

Die Abhängigkeit der ankommenden Strahlung vom Einfallswinkel. Es macht einen Unterschied, ob die Sonne im Zenit steht oder nicht, da sich die ankommende Energie auf unterschiedlich große Flächen verteilt. (Graphik: wetterblog.at)

Eine Frage der Länge …
Laut Kalender beginnt am 20. März der Frühling – dieses Datum ist freilich nicht willkürlich gewählt, sondern hat mit der Tag-Nacht-Gleiche einen triftigen Grund: Ab diesem Zeitpunkt sind die Tage auf der Nordhalbkugel wieder länger als die Nächte, die Sonnenscheindauer nimmt damit immer mehr zu, es steht Tag für Tag mehr Energie zur Verfügung – und zwar bis zum 21. Juni, der Sommersonnenwende.

… und des Winkels …
Gleichzeitig mit der Sonnenscheindauer steigt nun aber auch der Sonnenstand, was besonders wichtig ist, da die auf der Erdoberfläche ankommende Strahlung sonst nur von deren Einfallswinkel abhängt; steht die Sonne im Zenit, ist die empfangene Strahlung maximal¹. Klingt vielleicht im ersten Moment kompliziert, ist aber einleuchtend: Umso flacher der Sonnenstand, desto größer die bescheinte Fläche, auf der sich die gleiche Menge Strahlung (und damit Energie) verteilen kann (siehe Bild rechts).

Die Einfallswinkel zur Sommersonnenwende. Am nördlichen Breitenkreis (etwa Sahara) steht die Sonne am 21. Juni im Zenit, in Mitteleuropa bei etwa 65°, am Nordpol bei 23,5°. (Bildquelle unbekannt, entnommen aus einer Vorlesung der Uni Graz)

… sowie der Breite!
Sonnenscheindauer und Sonnenstand sind somit die Gründe, warum es auf der Erde überhaupt Jahreszeiten gibt, und beide steigen nun mal in den Frühlingsmonaten kontinuierlich an – allerdings beide unterschiedlich stark, was wiederum von einem dritten Parameter abhängt: der geographischen Breite. Während in den Subtropen (z.B. in der Sahara) der Sonnenstand ausschlaggebend ist, der bis zum 21. Juni Werte an die 90° (= Zenit) annehmen kann, ist im hohen Norden (also in der Arktis) eher die Tageslänge entscheidend, die bis zu einer Dauer von 24 Stunden ansteigt (= Polartag).

Absolute Highlights
Nun wissen wir alle, dass es an den Polen stets kälter bleibt als etwa in der Sahara, der Sonnenstand muss demnach größere Auswirkungen haben als die Sonnenscheindauer. Da sich dadurch der Mittelmeerraum schneller aufheizt, kann es im April bei uns noch winterlich, aber auch schon sommerlich sein. Denn abhängig von der Großwetterlage, kommt die Luftmasse mal aus südlicher oder nördlicher Richtung; von Frost bis Sommerhitze ist somit alles möglich – die (absolut) tiefste Temperatur (Bergstationen ausgenommen) liegt im April bei bei -19,7° (08. April 2003, Seefeld, T), das (absolute) Maximum hingegen bei 32° (28.04.2013, Waidhofen/Ybbs, NÖ) – rund 50 Grad Spanne! An dieses Temperaturniveau kommt sonst nur der Oktober heran, wobei dieser aber wettermäßig weniger Spompanadeln bringt. Klären wir also noch, warum das Aprilwetter so wankelmütig ist.

Sonnenstandsdiagramm Wien. Auf den ersten Blick etwas kompliziert, zeigt dieses Diagramm alle relevanten Informationen: Sonnenstand, Himmelsrichtung und Tageslänge für Wien; aufgetragen ist der Höhenwinkel (y-Achse) über den Azimut (einem nach den Himmelsrichtungen orientierten Horizontalwinkel, x-Achse). Foto: Sch / CC BY-SA 3.0, Quelle: Wikipedia

Simpel aber oho!
Mit Anstieg des Sonnenstandes und der Sonnenscheindauer steht im April zwar mehr Energie zur Verfügung (genaugenommen sogar die gleiche Menge wie im August!), aufgrund der Wärmekapazität aber, kann sich nicht jeder Stoff gleich schnell erwärmen. Wasser beispielsweise braucht relativ lang, man muss sehr viel Energie reinstecken: Ganze 4187 Joule sind nötig, um 1 kg Wasser 1 Grad zu erwärmen! Hierzu ein simples, kurzes Rechenbeispiel, um diese 4187 Joule angreifbarer zu machen.

Die kinetische Energie E (=Bewegungsenergie) eines Körpers ist nur von dessen Masse m und seiner Geschwindigkeit v abhängig:

E=\frac{mv^2}{2}

Klar: Keine Bewegung, keine Energie! Wenn wir nun wissen wollen, wie schnell ein Körper bei gegebener Energie werden kann, formen wir nach nach der Geschwindikeit v um:

v=\sqrt{\frac{2E}{m}}

So einfache Beispiele hätten wir wohl alle gern bei der Mathe-Schularbeit gehabt, denn die Unbekannten sind nun bekannt :)
Auflösen bringt:

v=\sqrt{\frac{ 2\cdot4187 J}{1 kg}}
v=91,5 \frac{m}{s} = 330 \frac{km}{h}

Wir sehen: Mit der Energie, die nötig ist, um 1 kg Wasser 1 Grad zu erwärmen, könnte man einen 1 kg schweren Gegenstand auf 330 km/h beschleunigen! Nicht schlecht ;)

Conclusio
Wasser braucht also seine Zeit, bis es warm ist; um einen kalten See oder gar Ozean aufzuheizen, muss man schon gewaltig viel Energie reinstecken. Genau das ist auch der Grund, warum man am ersten Sommertag nicht gleich in den Badesee hupfen kann! Auch ein Topf Wasser kocht schließlich nicht stante pede auf der Herdplatte. Im Umkehrschluss heißt das aber folgerichtig: Ist der Lieblings-See endlich mal warm, braucht er auch länger, um wieder abzukühlen.

Warm vs. kalt
Ganz anders hingegen geht’s auf Land zu, die (vorher erwähnte) Wärmekapazität ist hier um ein Vielfaches geringer. Wir brauchen also weniger Energie um den Kontinent aufzuwärmen, der damit zwangsläufig schneller warm als das umgebende Meer ist (vom Mittelmeer mal abgesehen – wir erinnern uns: höherer Sonnenstand & Sonnenscheindauer = mehr Energie). Kalte Luftmassen, die nun von Norden kommen, strömen also zwangsläufig über bereits wärmeres Land – et voila: das klassische Schauerwetter ist die Folge, nicht selten begleitet von Graupel, Blitz und Donner.

Klassisches Aprilwetter über Wien – aufgenommen am 06. April 2015 mittags. Während im Nordwesten der Stadt ein Graupelschauer niedergeht, scheint in den anderen Stadtteilen die Sonne (Foto: foto-webcam.eu)

Lust auf Sommer
Einzig die Sonne ist also der Grund, warum just der April macht, was er will. Dadurch unterscheidet er sich vom März, der zwar auch schon warme Tage bringen kann, aber in der Regel noch winterlich sein darf, sowie vom dritten Frühlingsmonat Mai, der de facto schon sommerlich zu sein hat. In den letzten Jahren allerdings lässt sich ein recht eindeutiger Trend erkennen: Der April verliert immer mehr die Lust zu tun, was er will. Er wird nämlich nicht nur immer wärmer, nein, er weist sogar von allen Monaten die höchste Abweichung nach oben auf – der subjektive Eindruck, wir rutschen immer öfter vom Winter direkt in den Sommer, ist dadurch erklärt. Kein Aprilscherz, eher Gruß vom Klimawandel!

PS: Noch ein kleines aber feines astronomisches Detail. Viele Leute glauben, dass es im Winter kalt sei, weil die Erde weiter von der Sonne weg ist – was in der Tat einleuchtend wäre. Genau das Gegenteil ist aber der Fall, Anfang Juli hat die Erde gar den größten Abstand von der Sonne (Aphel, 152 Mio km), Anfang Jänner hingegen den geringsten (Perihel, 147 Mio km). Diese 5 Mio Kilometer Unterschied hätten auch in der Tat einen Einfluss – im Winter kämen (aufgrund des geringeren Abstandes) rund 7% mehr Energie auf der Erde an. Warum es trotzdem im Winter kalt ist? Weil dieses Mehr an Energie flöten geht! Aufgrund des Einfallswinkels nämlich, sinkt die Energieausbeute im Winter um etwa 60% – wir verlieren also deutlich mehr, als wir durch die Sonnennähe gewinnen. Außerdem sind ja die Tage kürzer :)

¹ Für alle Interessierten als Fußnote:
Die ankommende Strahlung lässt sich über folgende Formel berechnen (Gesetz nach Lambert):

E = L \cos \theta\frac {\pi r^2}{R^2}

mit

L = 2\cdot10^7 W/m^2, planetenunabhängige Radianz der Sonne
\theta = Einfallswinkel
r = 6,96\cdot10^8 m Radius der Sonne
R = 150\cdot10^6 km , Abstand Sonne-Erde

Mit Ausnahme des Einfallswinkels \theta sind die sonstigen Parameter konstant, weshalb die Winkelabhängigkeit einleuchtend ist.