Temperaturmessungen

Die Temperatur kennzeichnet den thermischen Zustand von Körpern oder Systemen. Sie gibt an, wie heiß oder wie kalt ein Körper bzw. ein System ist. Die Temperatur wird bei uns meist in Grad Celsius (°C) oder in Kelvin (K) angegeben. Daneben gibt es mit der Fahrenheit-Skala (°F) und der Réaumur-Skala (°Ré) weitere Temperaturskalen.

Temperaturmessungen können berührend oder berührungslos erfolgen und basieren auf der Erfassung physikalischer Eigenschaften wie Ausdehnung, elektrischem Widerstand, Strahlung oder dem Seebeck-Effekt. Gängige Methoden umfassen die Verwendung von Flüssigkeitsthermometern, elektronischen Sensoren wie Thermoelementen und Widerstandsthermometern sowie berührungslosen Infrarot-Thermometern. 

Motive für Temperaturmessungen

Die Temperatur der Luft, des Ozeans und der Erdoberfläche hat Auswirkungen auf menschliche und natürliche Systeme. Die Temperatur beeinflusst beispielsweise die Gesundheit, die Landwirtschaft und den Energiebedarf sowie die biologische Vielfalt und die natürliche Umwelt. Die menschliche Gesundheit wird besonders durch extreme Temperaturen beeinträchtigt.

Die Temperaturen auf der ganzen Welt werden regelmäßig überwacht, und Langzeitaufzeichnungen sind für die Erfassung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung. Der Copernicus-Klimawandeldienst (Copernicus Climate Change Service, C3S) stellt qualitätsgesicherte Temperaturdaten mit globaler Abdeckung bereit, die für jedermann frei zugänglich und nutzbar sind. Diese Daten werden von einer Vielzahl von Interessengruppen genutzt, darunter die Wissenschaft, politische Entscheidungsträger, öffentliche Organisationen, der Privatsektor und Dienstleister sowie einzelne Bürger, und sind ein wichtiges Instrument im Kampf gegen den Klimawandel.

Genaue, qualitätsgesicherte Temperaturdaten aus aller Welt sind unerlässlich, um beispielsweise die Fortschritte bei der Erreichung der Ziele des Pariser Übereinkommens zu überwachen, das darauf abzielt, „den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf deutlich unter 2 °C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen“ und Anstrengungen zu unternehmen, um den Anstieg auf 1,5 °C zu begrenzen.

Definitionen gängiger Temperaturmessungen

Weltweit werden von verschiedenen Organisationen regelmäßig zahlreiche Temperaturmessungen durchgeführt, die unterschiedliche Tiefen im Ozean, die Bodenoberfläche und viele Schichten der Atmosphäre bis hin zur Stratosphäre umfassen. (Thermalfernerkundung)

Zur Überwachung des Klimas verwendet C3S hauptsächlich die Oberflächenlufttemperatur, die auch als 2-m-Lufttemperatur bezeichnet wird, da sie fernab von den Haupteinflüssen des Bodens gemessen wird. Oberflächentemperaturen über dem Ozean – Meeresoberflächentemperatur (SST) und Meereisoberflächentemperatur – werden ebenso wie die Oberflächenwassertemperatur von Seen für die Klimaüberwachung herangezogen.

Die Landoberflächentemperatur (oder Bodentemperatur) bezieht sich auf die Temperatur des Landes selbst. Diese Temperaturen können mehrere Grad wärmer oder kühler sein als die Oberflächenlufttemperatur. In städtischen Gebieten beispielsweise neigen Materialien wie Asphalt, Beton und Kunstrasen dazu, Wärme leichter zu absorbieren als natürliche Oberflächen. Dies trägt auch zum „urbanen Wärmeinseleffekt” bei, bei dem städtische Umgebungen deutlich wärmer sind als die umliegenden ländlichen Gebiete. C3S verfügt derzeit nicht über einen Datensatz für die Landoberflächentemperatur.

Verfahren der Temperaturmessung

Daten zur Temperatur werden auf verschiedene Weise erfasst. Dazu gehören beispielsweise Messungen vor Ort an Wetterstationen, auf Schiffen oder Bojen. Während Datenaufzeichnungen vor Ort nur für bestimmte Standorte verfügbar sind, können Satelliten theoretisch jede Oberfläche zu jeder Zeit messen. Anstatt die Temperatur direkt zu messen, erfassen sie Informationen über Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen, beispielsweise Infrarot. Die Informationen werden dann gefiltert, um sicherzustellen, dass die Messungen beispielsweise vom Boden und nicht von Wolkenoberflächen stammen. Anschließend werden Berechnungen durchgeführt, um die Temperatur abzuleiten. Diese Analyse kann schwierig sein, da verschiedene Nutzer unterschiedliche Methoden verwenden, weshalb die Datensätze Abweichungen aufweisen können.

In-situ-Daten sind für die letzten 150 bis 200 Jahre verfügbar, aber die Verfügbarkeit solcher Daten variiert erheblich. Für einige Regionen reichen sie beispielsweise nur wenige Jahrzehnte zurück, für andere reichen die Daten weiter zurück, aber mit einer geringeren geografischen Abdeckung. Die Verwendung solcher unvollständiger Daten zur Ableitung globaler Temperaturen ist keine leichte Aufgabe. Aufzeichnungen wie Briefe oder Tagebücher, in denen Wetterereignisse festgehalten wurden, können nützliche zusätzliche Informationen für die letzten paar hundert Jahre liefern. Um weiter in die Vergangenheit zurückzugehen, können sogenannte Proxy-Daten wie Baumringe, Eisbohrkerne und Sedimente aus Seen und Meeren helfen, das Klima der Erde in der Vergangenheit zu entschlüsseln.

Um den Klimawandel und Wetterextreme zu verstehen, ist es wichtig, über vollständige und räumlich und zeitlich gleichmäßig verteilte Aufzeichnungen zu verfügen. Selbst mit Satelliten liefern Beobachtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt kein vollständiges Bild der gesamten Erde. Hier sind Reanalyse-Daten ein leistungsfähiges Werkzeug. Diese kombinieren Beobachtungsdaten mit Computermodellen, um einen global vollständigen und konsistenten Datensatz zu erstellen, und werden manchmal als „Karten ohne Lücken” bezeichnet.

Die Temperaturdaten des Copernicus Climate Change Service (C3S)

Der C3S bietet zahlreiche Datensätze zu Temperaturen, darunter In-situ-, Satelliten- und Reanalyse-Daten sowie verwandte Datensätze wie thermische Komfortindizes, die die thermische Belastung und das Unbehagen des Menschen widerspiegeln. Alle Daten sind über den Climate Data Store frei verfügbar.

Um mehr über die längerfristigen Temperaturveränderungen zu erfahren, zeigen die C3S-Klimakennzahlen die Entwicklung mehrerer Schlüsselvariablen, die zur Bewertung der globalen und regionalen Trends eines sich verändernden Klimas herangezogen werden. Jährliche Zusammenfassungen der Temperaturveränderungen sind in den Global Climate Highlights und im European State of the Climate enthalten, der auch Abschnitte über thermische Belastung sowie extremes Wetter und menschliche Gesundheit umfasst. Der Bericht stellt fest, dass 2023 mit 1,02–1,12 °C über dem Durchschnitt das zweitwärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen in Europa war, und dass die drei wärmsten Jahre seit Beginn der Aufzeichnungen in Europa alle seit 2020 und die zehn wärmsten seit 2007 aufgetreten sind.

Auf einer kürzeren Zeitskala erstellt C3S auch ein monatliches Klimabulletin, das sich unter anderem auf die Oberflächenlufttemperatur konzentriert.

Der Einsatz von kommerziellen Satelliten bei der Temperaturmessung

Kommerzielle Satelliten, die Teil des TPM-Programms (Third Party Missions) der ESA sind, liefern Erdbeobachtungsdaten zu klimabedingten Gefahren, die Fernerkundungsnutzern für Forschungszwecke frei zur Verfügung stehen. Das Programm verbreitet auch Daten aus Missionen, die institutionellen Partnerorganisationen gehören oder von diesen betrieben werden.

Dieses vielfältige Portfolio unterstützt die Entwicklung robuster Krisenreaktionsfähigkeiten für extreme Temperaturen und andere klimabedingte Bedrohungen in einer Zeit, die von eskalierenden Umweltproblemen, Naturkatastrophen und vom Menschen verursachten Katastrophen sowie wachsenden Sicherheitsrisiken geprägt ist.

Kommerzielle Satelliten überwachen Temperaturextreme Quelle: Earth Online

Kommerzielle Missionen im Rahmen des TPM-Programms sind in der Lage, temperaturbedingte Gefahren zu überwachen und zu mindern, wie zum Beispiel:

• Überwachung von Waldbränden mit multispektralen Bildern oder Radardaten. Zukünftige Missionen zielen darauf ab, mithilfe von thermischen Infrarotkonstellationen frühzeitig vor Waldbränden zu warnen.
• Verfolgung von städtischen Wärmeinseln mithilfe von thermischen Infrarotdaten
• Überwachung von Ernteerträgen, Pflanzenstress und Wasserknappheit mit optischen Bildern sowie Verfolgung der Landoberflächentemperatur zur Unterstützung der Bewässerung

Siehe auch Thermalfernerkundung

Weitere Informationen:

• How we measure temperature and why it matters (Copernicus)
• Temperaturmessungen vom Weltall aus (DWD)