Grafik: Stroemungen und Druckverhaeltnisse in der unteren Troposphaere

Auf dieser Seite erwarten Sie atmospärische Zirkulation und stürmische Zeiten.

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Atmosphärische Zirkulation und die Erfindung des Sturmtiefs

Winkel des Strahlungseinfalls und Temperatur der Erdoberfläche

In der Atmosphäre der Erde gibt es großräumige Luftströmungen, die atmosphärische Zirkulation. Diese hat ihren Ursprung in den Temperaturunterschieden zwischen den Polen und der Äquatorregion.
An den Polen der Erde ist es bekanntlich kälter als am Äquator. Das kommt daher, dass die Sonnenstrahlung in der Nähe des Äquators mehr oder weniger senkrecht auf die Erdoberfläche trifft, an den Polen jedoch unter einem größeren Winkel. Der größere Winkel der Erdoberfläche zum Strahl hat zur Folge, dass die Sonnenstrahlung – und damit die Energie – sich auf eine größere Fläche verteilt, und damit gewissermaßen „verdünnt“ wird. Die Erwärmung der Erdoberfläche ist entsprechend geringer als am Äquator.

Abb. 1 ¦ Strahlungsintensität   Grafik: Abhaengigkeit der Strahlungsintensitaet vom Winkel der getroffenen Oberflaeche
Bildunterschrift Links steht die Scheibe senkrecht im einfallenden Strahlenbündel (gelb), rechts steht sie schräg. Das Strahlenbündel hat in beiden Fällen dieselbe Breite; auf der schräg stehenden Scheibe trifft aber nur ein Ausschnitt aus dem Strahlenbündel ein, der Rest der Strahlung geht daran vorbei und trägt nicht zur Erwärmung der Scheibe bei. Deshalb bekommt ein einzelnes Flächenelement auf der schräg stehenden Scheibe entsprechend weniger Strahlung, und damit auch weniger Energie ab als auf der senkrecht stehenden und wird weniger erwärmt.Bildunterschrift Ende

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Rolle der Atmosphäre bei der Temperaturverteilung

Die intensivere Sonnenstrahlung erhitzt auch die Luft in der Äquatorregion stärker als an den Polen. Die warme Äquatorluft steigt auf, die kalte Polarluft sinkt nach unten. Am Boden entsteht dadurch am Äquator ein Unterdruck, ein Tief, an den Polen entsteht Überdruck, also ein Hoch. In der Höhe ist es gerade umgekehrt: die aufsteigende Äquatorluft sorgt in der Höhe für ein Hoch, die absinkende Luft an den Polen für Tiefs. Aus den Hochdruckgebieten strömt die Luft ab, hin zu den Tiefdruckgebieten – und eine großräumige Zirkulation zwischen der

„Höhe“ bedeutet den oberen Rand der Troposphäre. So heißt der Teil der Atmosphäre, in dem sich das Wettegeschehen abspielt. Sie reicht im Mittel ca. 10 km hoch – über den Polen sind es 7 km, über dem Äquator 15 km. Der Grund hierfür liegt in der unterschiedlichen Temperatur – warme Luft dehnt sich aus.

Abb. 2 ¦ Zirkulation ohne Erddrehung   Grafik: Zirkulation in einer Atmosphaere ohne Erddrehung
Bildunterschrift Die warme Luft steigt am Äquator auf, die kalte Luft sinkt am Pol ab (dargestellt ist hier nur die Nordhalbkugel, aber natürlich spielt sich auf der Südhalbkugel dasselbe ab). Durch das Aufsteigen bildet sich am Äquator am Boden ein Tief- und in der Höhe ein Hochdruckgebiet aus; das Absinken führt am Pol entsprechend zu einem Hochdruck am Boden und einem Tiefdruckgebiet in der Höhe. (Wobei „Höhe“ hier am oberen Rand der Troposphäre, also 7 bis 15 Kilometer Höhe bedeutet.) Ausgleichsströmungen zwischen den Hoch- und Tiefdruckgebieten lassen die Luft in der Höhe Richtung Pol, am Boden zurück zum Äquator fließen. Bildunterschrift Ende

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Einfluss der Erddrehung auf die Luftströmungen

Die Erddrehung hat jedoch zur Folge, dass die Strömungen vom Äquator in Richtung Pole nicht in Nord-Süd-Richtung fließen. Während am Äquator die Corioliskraft keine Auswirkungen hat, lenkt sie die Luftströme mit zunehmender Entfernung vom Äquator immer stärker nach Osten ab (auf beiden Halbkugeln). Auf etwa 30° Breite schließlich strömt die Luft genau nach Osten. Nach Osten strömende Luft bildet einen Westwind. Diesen Westwind bei 30° Breite nennt man den subtropischen Strahlstrom oder subtropischen Jet.
Die Luft kommt also nur 30° nordwärts, weiter nicht. Da jedoch immer weitere Luft vom Äquator angeströmt kommt, entsteht hier ein Hochdruckgebiet in der Höhe, ein Höhenhoch. Dieses Hoch hat jedoch keine thermische Ursache (es ist kein thermisches Hoch), der Grund für seine Entstehung liegt nicht in irgendwelchen Temperaturunterschieden. Es entsteht durch eine Luftstau. Die angestaute Luft muss irgendwohin, das Hochdruckgebiet setzt sich also bis auf den Boden fort. Es gibt hier also auch ein Bodenhoch. Das Hoch bei 30° ist kein einzelner Hochdruckring, sondern ein Gürtel aus vielen Hochs – der subtropische Hochdruckgürtel.
Aus diesem Hochdruckgürtel wird die Luft nun zum Äquator gesaugt – dort herrscht ja ein Bodentief (weil die warme Luft aufsteigt). Dieses Tief nennt man äquatoriale Tiefdruckrinne. Auch diese bodennahen Luftströme von den Subtropen zurück zum Äquator spüren die Corioliskraft und werden nach Westen abgelenkt. Da die Corioliskraft in Richtung Äquator aber immer schwächer wird, entsteht kein reiner Ostwind, sondern auf der Nordhalbkugel ein Nordost-, auf der Südhalbkugel ein Südostwinde – die berühmten Passatwinde.
Die am Äquator aufsteigende Warmluft kühlt sich mit zunehmender Höhe ab, es bilden sich Wolken und heftige Gewitterregen. In diesen Gebieten ist daher der Regenwald zu finden. Über den Subtropen sinkt die Luft ab, erwärmt sich, die Wolken lösen sich auf und die Luft kommt trocken unten an. Hier liegen die großen Wüstengebiete.
Die kalte Luft an den Polen sinkt nach unten und strömt dann nach Süden. Auch auf sie wirkt die Corioliskraft und lenkt sie ab nach Westen. Am Boden haben wir hier also einen Ostwind. Nachschub kommt, weil das Bodenhoch am Pol ein Höhentief zur Folge hat, welches Luft aus dem Subpolargebiet ansaugt. Über den subpolaren Breiten entsteht also ein Höhentief, weil hier Luft abgesaugt wird. Dieses Höhentief pflanzt sich ebenfalls zum Boden fort, weil es durch Luft vom Boden aufgefüllt wird. Analog zum subtropischen Hochdruckgürtel entstehen hier also subpolare Tiefdruckgebiete.

Abb. 3 ¦ Luftströmungen in der oberen Troposphäre   Grafik: Stroemungen in der oberen Troposphaere
Bildunterschrift

Die in der Höhe nach Norden strömende Luft wird durch die Corioliskraft immer weiter nach Osten abgelenkt, bis sie bei etwa 30° Breite genau nach Osten fließt, also einen Westwind bildet. (Auf der Südhalbkugel wird die nach Süden strömende Luft ebenfalls nach Osten abgelenkt.) In höheren Breiten wird die nach Osten gerichtete Strömung instabil und es kommt zu Wellen und Ausbuchtungen – siehe weiter unten im Text. Bildunterschrift Ende

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Atmosphärische Zirkulation

Auf die Weise entstehen zwei großräumige Zirkulationen – zum einen zwischen Äquator und Subtropen, zum andern zwischen Subpolargebieten und Polen. Diese Zirkulationen haben thermische Ursachen, sie entstehen durch die Erwärmung am Äquator bzw. die Abkühlung am Äquator. Kreisförmige Strömungen aus aufsteigender Warmluft und absinkender Kaltluft nennt man Konvektionszellen.
Interessant wird es nun zwischen diesen beiden Konvektionszellen. Hier stoßen die polare Kaltluft und die tropische Warmluft aufeinander. Zwischen dem subtropischen Hoch und dem subpolaren Tief kommt es ebenfalls zu einer Zirkulation, allerdings ist diese schwächer und unregelmäßiger. Ein Teil der subtropischen absinkenden Luft strömt am Boden nicht zum Äquator, sondern polwärts Richtung subpolarem Tief. Dieser nordwärts gerichtete Strom wird von der Corioliskraft nun ostwärts abgelenkt, sodass in mittleren Breiten am Boden im Mittel ein Westwind weht.

Abb. 4 ¦ Strömungen in der unteren Troposphäre   Grafik: Stroemungen und Druckverhaeltnisse in der unteren Troposphaere
Bildunterschrift Strömungen und Druckverhältnisse auf Bodenniveau für die Nordhalbkugel der Erde – schematisch

Die am Äquator aufsteigenden warmen Luftmassen fließen zunächst nach Norden. Ab etwa 30° Breite ist die Corioliskraft so stark, dass die Ströme nach Osten abgelenkt werden und den subtropischen Jet (oder auch Strahlstrom) bilden. Die äquatorwärts gerichtete Ausgleichsströmung am Boden wird durch die Passatwinde geliefert. Wegen der Corioliskraft wehen die Passatwinde nicht nach Süden beziehungsweise Norden, sondern nach Südwesten beziehungsweise Nordwesten.
Die kalte Luft am Pol sinkt ab, will nach Süden abfließen, wird aber aufgrund der Corioliskraft zum polaren Ostwind.
Das Druckgefälle zwischen den warmen Luftmassen bis etwa 30° Breite und den kalten Luftmassen ab etwa 60° führt zu einem weiteren starken ostwärts gerichteten Jet oder Strahlstrom, dem polaren Jet. Am Boden wehen die Winde hier ebenfalls aus Westen, weshalb diese Zone auch Westwindzone genannt wird. Da hier die warmen Luftmassen der Tropen und Subtropen von den kalten der Polregion getrennt werden, nennt man diese Zone auch planetarische Frontalzone. Das Aufeinanderstoßen der kalten und warmen Luftmassen führt hier zu den wechselhaften Wettererscheinungen, die wir in unseren Breiten im Zusammenhang mit durchziehenden Tiefdruckgebieten kennen.

rot = warme Luftmassen, blau = kalte Luftmassen, H = Hochdruckgebiet, T = Tiefdruckgebiet; Dreiecke kennzeichnen eine Kaltfront, Halbkreise eine Warmfront; Pfeile geben die Richtung von Winden an; die Gradangaben beziehen sich auf die (ungefähre) geografische Breite. Die Höhe der Troposphäre – und damit die der Konvektionszellen – nimmt zum Pol wegen der zunehmenden Abkühlung der Luft eigentlich ab.

Großansicht der AbbildungBildunterschrift Ende

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Der polare Strahlstrom

Auch in der Höhe herrscht Westwind, da die Luft vom subtropischen Höhenhoch zum subpolaren Höhentief strömt. Da hier die warmen und kalten Luftmassen aufeinanderstoßen, herrschen hier hohe Temperaturunterschiede, die auch entsprechend hohe Luftdruckunterschiede zur Folge haben. Die Westwinde in der Höhe der Westwindzone sind also sehr stark. Man nennt sie den polaren Jet oder subpolaren Strahlstrom. Da hier über die ganze Höhe der Troposphäre Westwind weht, spricht man von der Westwindzone.
Im polaren Jet herrschen Windgeschwindigkeiten von 200 bis 500 km/h. Der von West nach Ost wehende Wind wird nun durch Gebirge behindert, vor allem solche, die in Nord-Süd-Richtung verlaufen. Der Jet wird instabil, strömt nicht mehr geradlinig, sondern bildet Wellen und Ausbuchtungen.

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Entstehung „unserer“ Tiefdruckgebiete

also der Tiefdruckgebiete in der Westwindzone

Diese Ausbuchtungen im polaren Jet führen nun dazu, dass Beulen aus Kaltluft äquatorwärts in die Warmluft ragen und umgekehrt Warmluftbeulen in die Kaltluft. Kaltluft sinkt ab, erzeugt also ein Höhentief, Warmluft steigt auf und bewirkt ein Höhenhoch. Durch die Beulen hat sich nun der Abstand zwischen Höhenhoch und Höhentief verringert. Das Luftdruckgefälle ist also höher. Der höhere Druckgradient verursacht eine höhere Windgeschwindigkeit – aufgrund der Trägheit dauert es aber eine Weile, bis die zwischen die Druckgebiete gelangenden Luftpakete beschleunigt werden. Sie sind also zuerst zu langsam (also langsamer, als das Druckgefälle es eigentlich erforderte). Wenn die Luftmassen den Bereich zwischen den Druckgebieten wieder verlassen haben, sind sie umgekehrt zunächst zu schnell. Es kommt deshalb vor dem Höhentief zu einem Massenstau (also westlich von ihm) und hinter ihm (also östlich von) zu einer Massenabnahme der Luft.
Die Massenabnahme in der Höhe hatte eine Druckentlastung am Boden zur Folge, da die Luft hier aufsteigt, um den Massenverlust in der Höhe auszugleichen; der Massenzuwachs in der Höhe entsprechend einen höheren Druck am Boden, denn hier sinkt die Luft ab, um dem Stau zu entfliehen – weshalb westlich des Höhentiefs ein Bodenhoch, östlich von ihm ein Bodentief entsteht. Das Ganze verstärkt die subtropischen Hochs und die subpolaren Tiefs, so dass diese nicht eine rein thermische, sondern auch eine dynamische Ursache haben.

Abb. 5a ¦ Entstehung eines Tiefdruckgebietes   Grafik: Entstehung eines Tiefdruckgebietes
Bildunterschrift Oben: An der Grenze zwischen polarer Kaltluft und subtropischer Warmluft bilden sich im polaren Jet Ausbuchtungen aus. Kaltluft bedeutet ein Höhentief, Warmluft ein Höhenhoch – durch die „Beulen“ werden die Druckgebiete näher zueinander gebracht, wodurch der Druckgradient steiler wird. Dadurch wird die Windgeschwindigkeit erhöht, was vor (westlich) der Kaltluftbeule zu einem Massenstau und hinter ihr (östlich) zu einer Massenabnahme führt. Beides wirkt sich auf den Luftdruck am Boden aus – die Massenabnahme hat eine Druckentlastung, also ein Tiefdruckgebiet am Boden (grauer Punkt) zur Folge, der Massenstau ein Hochdruckgebiet am Boden (weißer Punkt). Diese Druckgebiete am Boden bilden den subtropischen Hochdruckgürtel beziehungsweise die subpolare Tiefdruckrinne.
Die subtropischen Hochs sind also zum einen ein Effekt der weiter oben beschriebenen thermischen Zirkulation, zum anderen der hier beschriebenen dynamischen Entstehung von Bodenhochs; die subpolaren Tiefdruckgebiete entsprechend.
Die Höhenhochkeile und Höhentiefs (Höhentröge genannt) treten mehr oder weniger immer an der gleichen Stelle auf (bedingt durch geografische Gegebenheiten), weshalb auch die Bodentiefs und -hochs immer an ähnlichen Orten entstehen – bekannt sind das Islandtief oder das Azorenhoch. Mit der Strömung des polaren Jets werden sie dann ostwärts geschleppt. Bildunterschrift ende

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Wetter beim Durchzug eines Tiefdruckgebietes

Am Boden setzt der entstandene Druckunterschied zwischen Hochdruckgebiet und Tiefdruckgebiet die Luft in Bewegung. Die Coriolis-Kraft lenkt auch diese Luftströmung ab, die Warm- und Kaltluftmassen strömen also in einem Wirbel um das Tief herum.

Abb. 5b ¦ Entstehung eines Tiefdruckgebietes   Grafik: Entstehung eines Tiefdruckgebietes
Bildunterschrift Unten: Am Boden verläuft die Luftbewegung wegen der Coriolis-Kraft wirbelförmig um das Tief (weiße Pfeile), die Fronten der Kaltluft- (weiße Dreiecke) und Warmluftmassen (weiße Halbkreise) drehen sich so ebenfalls um das Tief. Die Kreise stellen Linien gleichen Druckes dar – so genannte Isobaren. Bewegt man sich längs eines Kreises, bleibt der Luftdruck konstant; bewegt man sich senkrecht zu den Kreisen (also radial vom Tief weg oder auf es zu), ändert sich der Luftdruck am schnellsten.Bildunterschrift Ende

Die hinter der Warmfront heranströmende Warmluft gleitet auf die von vorher vorhandene kältere Luft auf. Dadurch kühlt die warme Luft ab und es bilden sich hohe Schleierwolken. In diesen können sich Halos bilden, die deshalb oft ein Vorbote von durchziehenden Tiefs sind. Die warme Luft zehrt von oben die kalte Luft nach und nach auf, wodurch die Warmfront in tiefere Lagen gerät und mit ihr auch die Wolken sich in immer geringeren Höhen bilden. In diesem Stadium fällt Dauerregen aus Schichtwolken, bis nach dem Durchzug der Warmfront die Wolkenbildung und der Regen aufhören. Der Luftdruck ist während des Durchzuges der Warmfront gefallen und fällt noch weiter. Es wird schwül. Die anrückende Kaltfront wird am Boden durch Reibung abgebremst. Sie bildet eine Beule, die sich über die warme Luft schiebt. Kalte Luft über warmer Luft – das ist eine recht instabile Angelegenheit, da die leichte warme Luft natürlich nach oben drängt. Heftige Konvektionsbewegungen setzen ein, hochaufreichende Haufenwolken bildeten sich, Fallwinde setzten ein. Gewitter und Sturm können entstehen. Dabei vermischen sich kalte und warme Luft und das Tief löst sich auf. So dass diese Tiefdruckgebiete eine entscheidende Rolle bei der Vermischung warmer tropischer und kalter polarer Luft und so beim Temperaturausgleich zwischen Äquator und Polen spielen.

Abb. 6 ¦ Durchzug eines Tiefdruckgebietes   Grafik: Wettergeschehen beim Durchzug eines Tiefdruckgebietes
BildunterschriftWettergeschehen beim Durchzug eines Tiefdruckgebietes. Warm- und Kaltfront wandern von links nach rechts durch das Bild.Bildunterschrift Ende

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Dynamische und thermische Tiefs und Hochs

Man muss thermische und dynamische Tiefs und Hochs unterscheiden. Bei thermischen Druckgebieten ist die Einstrahlung der Sonne und der dadurch erzeugte Temperaturunterschied schuld an der Entstehung. Warme Luftmassen sind leichter als kalte und steigen daher auf. Dadurch entsteht ein Druckabfall am Boden (Bodentief) und eine Druckzunahme in der Höhe. Das Absinken kalter Luft erzeugt entsprechend ein Höhentief und ein Bodenhoch. Sowohl am Boden als auch in der Höhe sorgen dann Winde für einen Druckausgleich. Auf diese Weise entstehen beispielsweise die Land-See-Winde. Da Wasser eine höhere Wärmekapazität hat als der Boden, „schluckt“ es mehr Sonnenstrahlen, bevor es um 1 °C erwärmt wird, als der Boden. Deshalb erwämt Wasser sich langsamer, und mit ihm auch die Luft über ihm. Die Luft über dem Land steigt also auf und sinkt über dem Meer ab. Um einen Druckausgleich zu erwirken, weht dann ein Wind vom Meer zum Land. Da sich Wasser auch langsamer abkühlt, drehen sich die Verhältnisse nachts um und der Wind weht am Boden dann vom Land zum Meer. Bei diesen relativ kleinräumigen Windsystemen macht sich die Coriolis-Kraft nicht bemerkbar. Auch die zur Zirkulation zwischen Äquator und Polen gehörende äquatoriale Tiefdruckrinne und das polare Hoch sind thermisch bedingt.
Bei dynamischen Tiefs wird der Druckunterschied nicht durch Temperaturunterschiede hervorgerufen, sondern durch andere Kräfte. Ein Beispiel sind die subtropischen Hochdruckgebiete und die subpolaren Tiefdruckgebiete wie das beschriebene Orkantief Kyrill, die auch in weniger heftiger Ausprägung bei uns wetterbestimmend sind. Hier werden durch die Instabilitäten im polaren Jet Massenstaus und Massendefizite vor und hinter der Ausbuchtung des Jets erzeugt, die mit einer Druckzunahme beziehungsweise Druckabnahme in der Höhe einhergehen. Nehmen wir zum Beispiel den Massenstau, der ja im polaren Jet zunächst in der Höhe erzeugt wird – die Luftmassen müssen irgendwo hin, da ja auch immer mehr Luft nachströmt. Sie fließen also nach unten ab, wodurch der Massenstau und mit ihm die Druckzunahme nach unten transportiert werden. Bei dynamischen Druckgebieten hat also ein Höhenhoch immer auch ein Bodenhoch zur Folge (beziehungsweise ein Höhentief auch ein Bodentief).
Wie erwähnt, ist die Ursache der Subtropenhochs und der subpolaren Tiefs zusätzlich aber auch thermisch bedingt, da die polare und die Passatzirkulation an ihrer Entstehung beteiligt sind.

Mehr Informationen

zu Sturmtiefs:

www.wetteran.de
Private Internetseite von Felix Welzenbach zur Meteorologie, unter anderem zu Sturmtiefs

zu Wetter und atmosphärischer Zirkulation:

www.m-forkel.de
Private Internetseite von Matthias Forkel zum Klima der Erde und Wettererscheinungen

Die Erfindung des Sturmtiefs

Michaela, die Assistentin für alles Philosophische und Psychologische, Yoga und Wellness. Chronisch unfrisiert liebt sie alles Chaotische, Kreative und möchte deshalb natürlich Leben im Universum haben.
Luzie, die Assistentin aus dem Untergeschoss, zuständig für alles Brennbare und Explosive, ist der Untergang aller Ordnung und Symmetrie und der Ruin der Nerven ihrer Kolleginnen.
Laplacie, der Laplacesche Dämon, der als fleißiger HiWi immer für Ordnung sorgt und für den nur die Quantenmechanik schlimmer ist als das Aufeinandertreffen aller drei Kolleginnen.
Gott, der Chef, der mit unerschütterlicher Ruhe die Kolleginnen und ihre Arbeiten dahin lenkt, wo er sie hinhaben will, zu einer funktionierenden Physik und irgendwann der Entstehung von Bakterien, Quallen, Nashörnern und anderen Lebewesen.
Gabriela, die Assistentin für Naturwissenschaften. Stets exakt frisiert hält sie hochsymmetrische Zustände für den Inbegriff von Schönheit und steht der Idee, Leben und das damit verbundene Chaos im Universum entstehen zu lassen, mit Skepsis, um nicht zu sagen, tief empfundenem Abscheu gegenüber.

„Über 100 °C. Ich höre die Kollegin sich schon wieder aufregen, dass irgendwelche vom Aussterben bedrohten Eisbären mit dieser Temperatur nicht glücklich sind. Aber muss mich das eigentlich interessieren?“ Stirnrunzelnd betrachtete Gabriela eine Scheibe, die sie ins Sonnenlicht gestellt hatte und zwar so, dass sie senkrecht im Strahl stand. Praktischerweise – sie hasste Verschwendung – hatte sie das Strahlenbündel aus Sonnenstrahlung genauso breit wie die Scheibe gewählt, so dass es die Scheibe komplett ausleuchtete, aber nichts an ihr vorbeilief, um sinn- und zwecklos in den Tiefen des Labors zu entschwinden.
„Wenigstens ist der Strahlungseinfall über die gesamte Scheibe derselbe. Schön einheitlich. Womit dann natürlich auch die zugeführte Strahlungsenergie einheitlich ist und die Scheibe somit schön gleichmäßig erwärmt wird. Ja, wirklich sehr schön.“
„Wieso is das eine Scheibe?“ Laplacie stemmte die Arme in die Seiten und musterte die Scheibe missbilligend.
„Und ein bisschen sehr warm ist es ja schon, oder?“ Gott fuhr sich durch den Rauschebart. „Nicht nur wegen der Eisbären. Auch wegen der Pinguine. Sie möchten es etwas kälter in ihrem Erholungsurlaub.“
Die Rückwand von Gottes Computer öffnete sich, ein Pinguin watschelte heraus, fegte ein oder zwei Megabyte von seiner Kehrschaufel in den Mülleimer, starrte finster auf die heiße Scheibe und verschwand kopfschüttelnd wieder im Computer.
Gabriela geriet kurzzeitig aus dem Konzept. „Pinguine. Pinguine? Sie haben Pinguine im Rechner?“
„Aber ja, sehr nützlich, die Tiere. Er räumt gerade meine Festplatte auf und diese da …“ Gott wies auf drei Pinguine, die gerade einen Eimer Bits über den Bildschirm verteilten, „stellen die Ergebnisse meiner letzten Wettersimulation dar. Hm, sieht nicht so gut aus. Ein Tief. Sieht heftig aus, scheint ein Sturmtief zu werden. Haben wir noch sturmfeste Regenschirme? Nun ja, und weil sie so fleißig sind, haben sie sich ja auch mal Urlaub verdient. Sie dachten da an die Antarktis. Aber auf so einer Scheibe haben wir ja dann wohl gar keine Antarktis?“
„Wieso is das eine Scheibe?“ Laplacie musterte das Ding immer noch missbilligend.
„Kälte möchten Sie. Oder Ihre Pinguine. Nun ja. Dazu müsste ich die Strahlungsintensität verringern. Damit wird weniger Strahlungsenergie auf die Scheibe übertragen und sie erwärmt sich entsprechend weniger. Es muss also weniger Strahlung pro Quadratmeter Oberfläche einfallen als jetzt. Mal sehen – ich könnte …“ Gabriela stellte die Scheibe schräg in den Sonnenstrahl. Nun füllte die Scheibe nicht mehr das gesamte Strahlenbündel aus. Das Strahlenbündel hatte einen größeren Durchmesser als die Scheibe und an allen Seiten lief Sonnenstrahlung an der Scheibe vorbei. Es traf also weniger Strahlung auf die Scheibe, was bedeutete, es kam weniger Energie bei ihr an. Diese wenige Energie verteilte sich aber weiterhin auf die gesamte Fläche der Scheibe und war deshalb gewissermaßen „verdünnt“. Prompt sank die Oberflächentemperatur auf antarktische –50 °C.

„Wieso is das …“ Laplacie konnte seinen Satz nicht beenden, denn Michaela stürmte herein, mehrere Gnus und ein auf den Namen Susi hörendes Chamäleon im Schlepptau, alle schön warm in Pullover, Schals und Mützen verpackt. „Was fällt Ihnen ein – das mag ja für Pinguine interessant sein, aber was ist mit meinen neuesten Entwicklungen für die afrikanische Steppe?“ Sie blies sich die Haarmähne aus dem Gesicht und wies auf die trotz Pullover bibbernden Gnus.
Gott zog dem Chamäleon die Mütze zurecht. „Nun ja, die Welt ist sicher besser dran, wenn auch Gnus und Chamäleons sich wohl fühlen. Wir …“
Er warf einen kurzen Blick in Gabrielas Gesicht, deren gerunzelte Stirn eindeutig nicht von Wohlfühlen kündete. „Könnten Sie sich bitte erst einmal einigen, welches Viehzeug sich in Ihren Rechnern – äh, auf der Erde wohlfühlen soll? Ich kann schließlich nicht ständig die Stellung der Scheibe ändern!“
„Aber nein, meine Liebe, wir sollten einfach nur mal unseren grünen Kollegen zu Ende reden lassen!“
„… is das eine Scheibe? Eine Scheibe is doof, wir brauchen eine Kugel – Kugeln sind hochsymmetrisch, schön rund und überhaupt viel besser als so eine doofe Scheibe!“ Laplacie schupste die Scheibe aus dem Sonnenstrahl und schob seine schöne, runde und symmetrische Kugel hinein.
Michaela beobachtete das Ganze misstrauisch. „Und was hat das jetzt mit der Temperatur zu tun?“
Gabriela hatte dasselbe fragen wollen, unterdrückte die Frage aber, denn mit der Kollegin einer Meinung zu sein, kam ja gar nicht in Frage. Dann stutzte sie und war froh, die Frage nicht gefragt zu haben. „Das, verehrte Kollegin, liegt ja wohl auf der Hand. Nun haben wir hier …“ Sie wies auf den Äquator. „… senkrechten Strahlungseinfall, also eine hohe Strahlungsintensität und entsprechend hohe Temperaturen, und hier …“ Sie zeigte auf die Pole. „… fällt das Sonnenlicht sehr schräg ein, es verteilt sich also auf eine größere Fläche, womit die Temperaturen niedriger sind. Hier hat nun jedes Ihrer Viecher einen Platz, der ihm genehm ist. Hoffe ich.“ Ihr Gesichtsausdruck ließ keinen Zweifel über die Überlebenschancen der Spezies, die nicht zufrieden wären.

So ganz zufrieden war Gott noch nicht (er war unsterblich, konnte es sich also leisten, unzufrieden zu sein). „Aber meinen Sie nicht, dass es am Äquator mit über 100 °C nicht doch etwas zu warm ist? Und die Pole mit unter –100 °C, ich glaube, ganz so kalt wollen es meine Pinguine denn doch nicht. Wir sollten …“
Seine Pläne gingen in einem ohrenbetäubenden Knall unter. Eine Gaswolke strömte ins Labor und hüllte den kugelrunden Planeten ein. Luzie steckte den Kopf durch die Tür. „Sorry, is was schief gegangen. Kommt bestimmt wieder vor!“ Und verschwand wieder.
Die Gaswolke dagegen fühlte sich wohl bei der Erde und bildete eine Atmosphäre. Nun war Gott zufrieden. „Es ist doch immer wieder erstaunlich, wie gut die Kollegin im Untergeschoss mitarbeitet, nicht wahr?“
Gabriela enthielt sich jeden Kommentars, sie hatte schon lange den Verdacht, dass die gelungeneren unter Luzies Explosionen nicht so ganz ohne göttliche Einflussnahme vonstatten gingen. Und diese gehörte zu den gelungeneren. Jedenfalls, wenn man lebensfreundliche Bedingungen auf der Erde haben wollte. Sie persönlich hätte auch mit lebensfeindlichen Bedingungen leben können.
Die am Äquator stärkere Sonnenstrahlung erhitzte die Luft, woraufhin diese aufstieg, denn warme Luft ist ja bekanntlich leichter als kalte. An den Polen war es kälter, dort sank die Luft nach unten. Die aufsteigende Luft am Äquator ließ dort am Boden den Luftdruck sinken, am Pol drückte die absinkende Luft nach unten und ließ hier am Boden den Druck steigen. Es entstand also zum eine eine äquatoriale Tiefdruckrinne, zum anderen ein polares Hoch. Nun ja, zwei polare Hochs natürlich. Und damit gab es ein Druckgefälle zwischen den Polen und dem Äquator. Die Luft an den Polen fühlte sich bald zu sehr unter Druck gesetzt und begann, in Richtung Äquator zu fließen, da hier deutlich weniger Druck ausgeübt wurde. Am Äquator angekommen, wurde auch sie erwärmt, wurde leichter und stieg ebenfalls auf. In der Höhe sammelte sich nun also Luft, wodurch hier oben der Druck stieg. Die absinkende Luft an den Polen hatte hingegen den Druck in der Höhe sinken lassen. Oben gab es also ein Druckgefälle vom Äquator zu den Polen – was die Luft dort veranlasste, vom Äquator zu den Polen zu strömen. Es bildeten sich also Konvektionswalzen, in denen die Luft in der Höhe vom Äquator zu den Polen und am Boden zurück zum Äquator strömte.

Gott war nun fast zufrieden. Die Luftströmungen transportierten Wärme vom Äquator zu den Polen, was dazu führte, dass es am Äquator kühler und an den Polen wärmer wurde. Zwar herrschten in einigen Wüsten immer noch bis zu 50 °C und in der Antarktis kamen auch Temperaturen von –50 °C vor, aber alles in allem konnte man jetzt für jedes Viech einen Lebensraum finden. Michaela zog auch gleich ab und machte sich daran, ihre Viecher über die Erde zu verteilen.

Ganz zufrieden war Gott, als eine neuerliche Explosion im Untergeschoss die Erde in Drehung versetzte. Rasch ließ er sein Handy in der Tasche verschwinden, damit Gabriela nicht etwa einen Zusammenhang zwischen ihm und den Aktivitäten der höllischen Kollegin vermutete. Eine Beteiligung Luzies an neuen Entwicklungen ließ Gabrielas Bereitschaft zu konstruktiver Mitarbeit immer so unvermittelt sinken.
Gabriela hatte derzeit ohnehin anderes im Kopf. Sie lief um die Erde und vermaß die Luftströmungen, schwebte durch die Atmosphäre und runzelte mal wieder unzufrieden die Stirn. „Was soll das jetzt schon wieder? Eben hatten wir diese schönen gleichmäßigen Konvektionsströmungen vom Äquator zu den Polen und nun? Nun strömt es hier …“ Missbilligend wies sie auf etwa 30° Breite. „… nach Osten! Was bitte soll das? Oh. Die Corioliskraft. Natürlich. Mit zunehmender Entfernung der polwärts strömenden Luft vom Äquator wirkt die Corioliskraft immer stärker. Bis sie auf 30° Breite so stark ist, dass sie die Nordwärtsströmung um 90° gedreht und in eine Ostwärtsströmung, also einen Westwind verwandelt hat. Nun gut, von mir aus, dann weht es eben nach Osten. Wir haben also nun am Äquator aufsteigende Luft, die in der Höhe nach Norden fließt (oder nach Süden, aber wir beschränken uns mal auf die Nordhalbkugel, sonst wird es zu unübersichtlich), also die warme Luft vom Äquator fließt in der Höhe nach Norden, bis sie bei 30° Breite von der Corioliskraft nach Osten abgelenkt wird. Ein Westwind. Ein starker Westwind. Ein sogenannter Strahlstrom oder auch Jet. Da der hier über den Subtropen weht, nenne ich ihn am besten subtropischen Jet. Hm. Hier kann die Luft also nicht weiter nach Norden. Aber es kommt immer neue Luft vom Äquator angerauscht. Hier sammelt sich Luft, das heißt, der Druck nimmt zu. Aber die muss ja nun irgendwohin, hier kann sich ja nicht einfach sämtliche Luft sammeln. Am besten schicke ich einiges nach unten. So, jetzt ist aber unten auch relativ viel Luft. Aha. Wir haben also nun bei 30° Breite ein Höhenhoch, das sich bis unten fortsetzt. Also auch ein Bodenhoch. Genau genommen mehrere davon. Einen subtropischen Hochdruckgürtel, wie es aussieht. Sehr schön, von den Bodenhochs aus wird die Luft jetzt wieder zur äquatorialen Tiefdruckrinne gesogen. Wobei sie nicht genau südwärts fließt, sondern von der Coriolis-Kraft abgelenkt wird. Da die Corioliskraft in Äquatornähe aber schwächer wird, weht hier kein reiner Ostwind, sondern ein Nordost- beziehungsweise Südostwind. Passatwinde. Sehr passabel. Der Aufstieg der warmen Luft am Äquator schafft also eine geschlossene Konvektionszelle, die Passatzirkulation. Sehr schön. Der Antrieb dieser Zirkulation ist die Erwärmung am Äquator. Es ist also eine thermisch angetriebene Zirkulation. So. Sehen wir uns mal den Rest an. An den Polen sinkt die Luft weiterhin nach unten, strömt dann nach Süden und – ja natürlich, hier wirkt auch die Corioliskraft und lenkt die südwärts strömende Luft ebenfalls ab und zwar nach Westen, hier weht also am Boden ein Ostwind. Wenn dieser Wind weiter wehen soll, muss ja irgendwoher Nachschub kommen. Ahja. Das polare Hoch am Boden erzeugt ein Tief in der Höhe, was nun Luft aus der oberen Troposphäre Richtung Pol saugt. Damit erzeugen wir über subpolaren Breiten in der Höhe ein Massendefizit, also ebenfalls ein Tief. Dieses saugt wiederum Luft von unten an. Nämlich die Luft, die vom polaren Hoch südwärts fließt. Wodurch sich dann am Boden der Luftdruck auch erniedrigt. Subpolare Tiefdrücke. Ähm. Subpolare Tiefdruckgebiete, meine ich. Sehr schön. Damit haben wir auch hier eine thermisch angetriebene Zirkulation, die polare Zirkulation.“

Gott hatte keine Zweifel gehabt, dass Gabriela dem Ganzen auf die Spur kommen würde, und sich derweil anderen Problemen zugewandt. Diese ganze Zirkulation sollte ja nun dazu dienen, die Wärme ein bisschen gleichmäßiger über die Erde zu verteilen. Wenn aber die Luft – statt von den Tropen zu den Polen zu fließen – gleichmäßig westwärts und ostwärts um die Erdkugel herumströmte, war es nichts mit effektivem Wärmeaustausch. Das funktionierte noch ganz gut in den Tropen bis etwa 30° Breite, in der Passatzirkulation, in der die Luft am Äquator aufstieg und dann in der Höhe nach Norden strömte. Da oben kühlte sie sich ab, was zu Wolkenbildung und heftigen Gewitterregen führte. (Gott beschloss, Michaela ein Regenwaldprojekt für diese Gegend in Auftrag zu geben.) Die Luft konnte dann wegen der Coriolis-Kraft nicht weiter geradewegs nach Norden strömen, staute sich und musste nach unten ausweichen – sie sank in den Subtropen wieder ab. Dabei erwämte sie sich, was zur Auflösung der Wolken und entsprechender Trockenheit führte. (Aber irgendwo mussten ja auch die geplanten Wüstengebiete hin. Dafür hatte Michaela bestimmt auch irgendwelche Lebewesen im Sinn.) Durch die absinkende Luft entstand in den Subtropen ein Bodenhoch. Genau genommen ein ganzer Gürtel davon, der subtropische Hochdruckgürtel.
In Polnähe gab es auch eine Konvektionszelle – auch hier war die Temperatur einigermaßen ausgeglichen.
Interessant war es nun zwischen der Passatzirkulation und der polaren Zirkulation. Hier fand der Übergang zwischen der polaren Kaltluft und der tropischen und subtropischen Warmluft statt. Hier herrschte gelinde gesagt Durcheinander. Aber gerade dieses Durcheinander schien Gott das Interessante zu sein. Er beobachtete das Ganze ein paar Jahrzehnte und stellte fest, dass im langjährigen Mittel hier offenbar trotz allen Durcheinanders auch eine Zirkulation stattfand. Die in den Subtropen absinkende Luft strömte am Boden nicht nur südwärts zum Äquator, sondern zum Teil auch nordwärts Richtung Pol. Die thermische Zirkulation zwischen Äquator und Subtropen setzte hier zwischen 30° und 60° also eine weitere Zirkulation in Gang. Aber natürlich wirkte hier ebenfalls die Coriolis-Kraft (das musste man Gabriela lassen, wenn sie ein Naturgesetz entwickelte, hatte das immer universumweite Gültigkeit) und verwandelte die bodennahe nordwärtige Strömung in den mittleren Breiten in einen Westwind. Diese Zirkulation der mittleren Breiten wurde nicht thermisch angetrieben, jedenfalls nicht direkt. Sie wurde durch die anderen beiden Zirkulationen in Gang gesetzt.

In dem Bereich zwischen 30° und 60° Breite stießen – eben wegen des verhinderten Wärmetransportes – die warmen Luftmassen auf die kalte Polarluft, mit einem entsprechend hohen Temperaturunterschied. Was natürlich auch einen entsprechend hohen Druckunterschied zur Folge hatte. Das starke Druckgefälle zwischen dem Höhenhoch in der warmen Luft und dem Höhentief in der kalten Luft führte in etwa 10 km Höhe zu starken Westwinden. Gott betrachtete den subtropischen Jet zwischen 20° und 30° Breite und den polaren Jet zwischen 40° und 60° Breite. Aha. Zusammen mit den bodennahen Westwinden in diesen Breiten herrschte hier also Westwind über die ganze Höhe der Troposphäre. Also eine regelrechte Westwindzone, wie Gott feststellte.
Er beobachtete diese Westwinde noch eine Weile. Mit diesem polaren Jet da oben müsste sich doch etwas machen lassen. Gott drehte noch ein bisschen am Gradienten, bis die Windgeschwindigkeit so hoch war, dass die Strömung instabil zu werden begann. Die Windgeschwindigkeiten lagen jetzt bei 200 bis 500 km/h. Dann versteckte Gott sich hinter der Erde, zückte sein Handy und telefonierte mit Luzie.
Während Luzie ihr Handwerkzeug zusammensuchte, blätterte Gott in den Gelben Seiten, um sich Agenturen für Gebäudeversicherungen herauszusuchen. Der erste Telefonierversuch scheiterte, weil bei einem ordentlichen „Rumms!“ das Telefon vom Tisch fiel. Gott brachte in Windeseile einige Stoßdämpfer unter seiner guten Stube an, die Telefonate wurden nämlich etwas eilig. Es rummste wieder und wieder – bis die Reihe „Rummser“ kurz von Gabriela unterbrochen wurde, die eine Erklärung wollte.
„Was um Himmels willen tun Sie da schon wieder? Was machen Sie in meinem Erdmantel?“
Luzie krabbelte durch einen Vulkanschlot nach oben, wischte sich etwas Magma von den Hörnern. „Ich mach da so neue Konventionen, weil wegen der Gebirge, die der Chef haben wollte. Müssen ein paar Kontinente zusammenkrachen, damit Berge wachsen.“ Sie winkte noch kurz mit der Kohlenschaufel und verschwand wieder im Erdinneren, eine stirnrunzelnde Gabriela zurücklassend. Nicht etwa, weil sie den Zusammenhang zwischen Konvektionen im Erdmantel, der Kontinentaldrift und der Gebirgsentstehung nicht verstanden hätte. Aber wozu brauchte der Chef noch neue Gebirge?
Gott hatte bereits seine Gebäudeversicherung um Sturmschäden erweitert, als auch Gabriela bemerkte, worauf das Ganze hinauslief. Gebirge, die in Nord-Süd-Richtung verliefen, behinderten den Strahlstrom. Statt ordentlich von Ost nach West zu wehen, wurde er instabil, bildete Wellen und Ausbuchtungen. Natürlich. Anstelle einer ordentlichen Strömung brauchte der Chef wieder dieses Durcheinander. Luzie kroch aus einer Magmaspalte hervor, klopfte sich ein wenig Asche und Magma aus dem Haar und besah sich das Ergebnis.
Wegen der Ausbuchtungen im polaren Jet ragten Beulen von Kaltluft nach Süden und subtropische Warmluft geriet nach Norden. Kaltluft sinkt ab, bewirkt also in der Höhe einen Druckabfall, ein Höhentief; Warmluft bewirkt entsprechend ein Höhenhoch. Die Ausbuchtungen von Warm- und Kaltluft bewirkten also, dass zwischen ihnen der Abstand zwischen Luftdruckmaximum und -minimum verringert wurde – anders ausgedrückt, das Druckgefälle wurde höher. Luzie schwebte in den polaren Jet hinein. Das musste sie sich genauer ansehen, das sah sehr viel versprechend aus.
„Chef, was tut sie da?“ Gabriela beobachtete die Kollegin.
„Hm. Sie versucht zu verstehen, was da passiert, fürchte ich.“
„Und – kann ihr das gelingen?“
„Wir sollten nicht warten, bis wir es wissen, wenn Sie mich fragen.“ Gott begann, seine Dachziegel mit Sturmsicherungen zu versehen.

Luzie war derweil schwer beschäftigt. Der höhere Druckgradient verlangt nämlich entsprechend eine höhere Windgeschwindigkeit (eine viel höhere, wenn man hie und da noch ein wenig nachhalf) – aufgrund der Trägheit dauerte es aber eine Weile, bis die zwischen die Druckgebiete gelangenden Luftpakete beschleunigt werden, sie waren also zunächst zu langsam (also langsamer, als das Druckgefälle es eigentlich erfordert hätte). Nachdem die Luftmasssen den Bereich zwischen den Druckgebieten wieder verlassen hatten, waren sie umgekehrt zunächst zu schnell. Es kam deshalb vor (also westlich von ihm) dem Höhentief zu einem Massenstau und hinter (also östlich von) ihm zu einer Massenabnahme der Luft. Luzie hielt die Luft auf der einen Seite noch ein wenig auf und fegte sie auf der anderen Seite weg, um Massenstau und Massendefizit noch ein wenig – wirklich nur ganz wenig – zu verstärken. Das war der Moment, in dem Gott die Höhe sämtlicher Deiche verdreifachte.
Die Massenabnahme in der Höhe hatte eine Druckentlastung am Boden zur Folge, da die Luft hier aufstieg, um den Massenverlust in der Höhe auszugleichen; der Massenzuwachs in der Höhe entsprechend einen höheren Druck am Boden, denn hier sank die Luft ab, um dem Stau zu entfliehen – weshalb westlich des Höhentiefs ein Bodenhoch, östlich von ihm ein Bodentief entstand. Gott registrierte interessiert, dass das Ganze die subtropischen Hochs und die subpolaren Tiefs verstärkte, so dass diese nunmehr nicht eine rein thermische, sondern auch eine dynamische Ursache hatten. Diese Überlegungen hielten ihn selbstverständlich nicht davon ab, sein Haus auf eine Warft zu setzen, deren Ausmaße an den Brocken erinnerten.

Am Boden setzte der entstandene Druckunterschied zwischen Hochdruckgebiet und Tiefdruckgebiet die Luft in Bewegung. Er setzte sie heftig in Bewegung, schließlich machte Luzie keine halben Sachen und es war ein recht ansehnlicher Druckunterschied zustandegekommen. Die Coriolis-Kraft lenkte auch diese Luftströmung ab, die Warm- und Kaltluftmassen strömten also in einem Wirbel um das Tief herum. Die anströmende Warmluft schob sich über die vorher vorhandene kältere Luft. Dadurch kühlte die warme Luft ab und es bildeten sich hohe Schleierwolken. Die warme Luft zehrte von oben die kalte nach und nach auf, wodurch die Warmfront in tiefere Lagen geriet und mit ihr auch die Wolken sich in immer geringeren Höhen bildeten, bis schließlich ein Dauerregen aus einer depressiv-grauen Schichtwolke einsetzte, der Michaelas Schokoladenverbrauch akut ansteigen ließ. Gleichzeitig mit dem Ende des Schokoladenvorrats hörte zum Glück auch der Regen auf, da nach dem Durchzug der Warmfront die Wolkenbildung und der Regen aufhörten. Aber nun wurde es schwül und Michaela brauchte Yogi-Tee gegen die Kopfschmerzen. Der Luftdruck war während des Durchzuges der Warmfront gefallen und fiel immer noch. Jetzt kam die Kaltfront. Am Boden wurde sie durch Reibung abgebremst, weshalb sie eine Beule hatte und sich über die warme Luft schieben konnte. Gott schloss die Fensterläden, nur Gabriela wollte sich diesen ersten Orkan des Universums nicht entgehen lassen – wegen des großen Druckgradienten hatte bereits mit der Warmfront heftiger Wind eingesetzt – und verließ das Haus. Kalte Luft über warmer Luft – das ist eine recht instabile Angelegenheit, da die leichte warme Luft natürlich nach oben drängt. Heftige Konvektionsbewegungen setzten ein, hochaufreichende Haufenwolken bildeten sich, Fallwinde setzten ein. Starke Fallwinde, eigentlich schon stürmische Fallwinde. Um nicht zu sagen, Stürme. Seien wir ehrlich – der stärkste Orkan, den das Universum je gesehen hat. Luzie hockte in einer Sturmbö und ließ vergnügt Huf und Fuß baumeln und auch Gabriela war gut gelaunt bei der Erforschung dieser Sturmfront und ließ sich weder durch Blitze stören, die haarscharf neben ihr einschlugen, noch durch Böen, die sie über den halben Globus wirbelten. Auch Gott war zufrieden, kalte und warme Luft vermischen sich und das Tief löste sich auf. So dass dieses Tief (und sämtliche Tiefs, die nach ihm kommen würden, nicht zu vergessen der polare Jet, der die Ursache für all das war) eine entscheidende Rolle bei der Vermischung warmer tropischer und kalter polarer Luft und so beim Temperaturausgleich zwischen Äquator und Polen spielte. Man würde nur Luzie von späteren Tiefs fern halten müssen – Windstärken bis 12 schienen ihm ausreichend. Er öffnete die Fensterläden wieder. Auch Michaela kam nun ohne Yogi-Tee aus, da der Luftdruck nach Durchzug der Kaltfront wieder stieg.

© Wiebke Salzmann, April 2009

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