Thema des Tages
Ausgegeben vom Deutschen Wetterdienst. Neueste Meldung oben

Wissenschaft kompakt Wo endet die Atmosphäre, wo beginnt der Weltraum? Der US-amerikanische Testpilot Robert Aitken Rushworth flog im Jahr 1963 mit dem raketengetriebenen Experimentalflugzeug X-15 bis in eine Höhe von 86 Kilometern. Befand er sich dabei im Weltraum? Eine Frage der Definition. Eindeutig im Weltraum kreisen hingegen bekanntermaßen Satelliten und die Internationale Raumstation ISS um die Erde - und somit auch außerhalb der Erdatmosphäre, richtig? Wenn man vom Weltraum spricht, stellt man sich den luftleeren Raum jenseits der Erdatmosphäre vor, wobei sich die Frage stellt, ab welcher Höhe dieser "luftleere" Weltraum eigentlich beginnt. Eine scharfe Abgrenzung gibt es tatsächlich nicht, da die Atmosphäre mit zunehmender Höhe einfach immer dünner wird und allmählich in den Weltraum übergeht. Mit zunehmender Höhe nimmt der atmosphärische Druck ab, weil die darüberliegende Luftsäule immer kürzer wird und damit die Masse der darüber befindlichen Luft geringer. Entsprechend sinkt auch die Teilchendichte: In einem bestimmten Volumen befinden sich mit zunehmender Höhe immer weniger Gasmoleküle. Die Atmosphäre wird somit kontinuierlich dünner, ohne an einer bestimmten Höhe abrupt zu enden. Wie aber definiert man dann, ob der Flug des Testpiloten Rushworth unter die Kategorie der Luft- oder der Raumfahrt fällt? Über Konventionen, welche allerdings, der Natur der Sache gemäß, international nicht eindeutig definiert sind. So gilt Robert Rushworth in den USA aufgrund seines X-15 Testflugs bereits als Astronaut oder Raumfahrer, da er die dort geltenden Grenzhöhe von 50 Meilen (ca. 80,5 km) überstiegen hatte. Stellt man dieselbe Überlegung außerhalb der USA an, so würde Rushworth' Flug wohl eher der Luftfahrt zugeordnet werden, da seine Flughöhe die international häufiger verwendete Kármán-Linie bei einer Höhe von 100 km über dem Meeresspiegel nicht überschritt. Alan Shepard flog 1961 mit der Freedom 7 auf eine Höhe von etwa 187 km und ist somit international anerkannt ein Astronaut, selbes gilt natürlich eindeutig für den Orbitalflug des Kosmonauten Juri Gagarin, dem ersten Menschen im Weltraum, am 12. April 1961. Wie aber definiert sich die Grenze von 80 beziehungsweise 100 Kilometern über dem Meeresspiegel, und warum ist sie nicht eindeutig? Die Kármán-Linie basiert auf Überlegungen des namensgebenden ungarisch-amerikanischen Physikers und Luftfahrttechnikers Theodore von Kármán. Ein Flugzeug erzeugt mit seinen Tragflächen durch seine Bewegung relativ zur umgebenden Luft einen aerodynamischen Auftrieb. Dafür ist eine ausreichende Luftdichte und eine entsprechend hohe Fluggeschwindigkeit nötig. Da die Dichte der Atmosphäre mit der Höhe jedoch stark abnimmt, benötigt ein hypothetisches Universal-Flugzeug mit eindeutiger mathematischer Beschreibung des geschwindigkeitsabhängigen Auftriebs ab einer Höhe von etwa 100 km Fluggeschwindigkeiten in der Größenordnung der sogenannten Orbitalgeschwindigkeit von etwa 28.000 km/h. Also eben jene Geschwindigkeit, bei der ein Körper in einem niedrigen, kreisförmigen Orbit "um die Erde fallen" würde, da die dafür nötige Zentripetalkraft der Gravitationskraft der Erde entspricht. Nur ist das hypothetische Universal-Flugzeug der Realität nicht gewachsen und der geschwindigkeits- und dichteabhängige Auftrieb hängt von einer Vielzahl weiterer Parameter ab, beginnend bei der Tragflächengeometrie - und somit verbleibt auch der konzeptionelle Übergang zum orbitalen Weltraumflug unscharf definiert. Die Internationale Raumstation ISS umkreist die Erde auf ihrem Orbit in ca. 400 km Höhe somit nicht im quasi-luftleeren Weltraum, sondern tatsächlich noch innerhalb der Atmosphäre, konkret in der Thermosphäre. Auch wenn die hier stark von der Sonnenaktivität abhängige atmosphärische Dichte (die sich vor allem aus atomarem Sauerstoff, Stickstoff, Helium und Wasserstoff zusammensetzt) in der Größenordnung eines Faktors von 100 Milliarden geringer ist als auf Meeresniveau, verliert die ISS durch Kollision mit diesen Teilchen kontinuierlich Orbitalenergie. Dadurch sinkt ihre Umlaufbahn allmählich ab und muss durch regelmäßige sogenannte Reboosts wieder angehoben werden. Die NASA veranschaulicht diesen Sachverhalt mit der Angabe einer orbitalen Lebensdauer von etwa 2 Jahren, also die Zeit in der es ohne Reboosts zu einem Wiedereintritt in die Atmosphäre käme. Die Atmosphäre, welche in diesem Fall per Definition bei 400.000 Fuß beziehungsweise 122 km Höhe beginnt. Klar soweit? Natürlich haben all diese Definitionen - auch die zuletzt erwähnte sogenannte Wiedereintrittsgrenze - ihre eigene Eleganz und Daseinsberechtigung. Der hier doch sehr vereinfachte Überblick soll nur einen kleinen Einblick geben, dass es interessant sein kann, über die Konventionen und Eigenheiten des Übergangs zwischen Luft- und Weltraum nachzudenken. Dipl-Met. Thorsten Kaluza Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 12.09.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Wissenschaft kompakt Verifikation von Wettermodellen Wettermodelle sollen möglichst genau den zukünftigen Zustand der Atmosphäre vorhersagen können. Um die Modellrechnungen zu verifizieren, also um zu bestimmen, wie gut die Modelle tatsächlich sind, gibt es verschiedene objektive Methoden. Heute wagen wir einen ersten Blick in das komplexe Thema der Verifikation. Unsere heutigen Wettermodelle sind hochkomplexe Systeme, die auf der Grundlage von riesigen Mengen an aktuellen Messwerten und mithilfe physikalischer Prinzipien, wie beispielsweise der Impuls- oder Masseerhaltung, versuchen möglichst genau zu simulieren, wie sich die Atmosphäre verhält. Doch wie wird eigentlich "gemessen", wie gut ein Modell wirklich ist? Die Antwort auf diese Frage liefern die Methoden der Verifikation. Diese vergleichen auf objektive Art die Modellvorhersagedaten mit den in der Realität gemessenen Beobachtungsdaten. Dazu werden sogenannte Gütemaße verwendet, wobei hierbei zwischen kontinuierlichen und kategorischen unterschieden wird. Erstere sind auf Zahlenwerte anwendbar, zweitere auf Ereignisse, die entweder eintreffen oder nicht eintreffen. Beginnen wir heute mit der kontinuierlichen Art: Ein einfaches Beispiel für ein kontinuierliches Gütemaß ist der mittlere absolute Fehler (MAE - Mean Absolute Error). Hier wird zuerst die Abweichung des gemessenen Werts einer meteorologischen Variablen (zB. Druck, Temperatur, etc.) zu dem vom Modell vorhergesagten Wert berechnet. Dabei wird vernachlässigt, ob das Modell zu hoch oder zu tief liegt. Danach wird das Mittel über all diese Fehler gebildet und am Ende hat man einen Wert, der die "Richtigkeit" der Vorhersage beschreibt. Doch eine gewisse Vorsicht mit dem Ergebnis ist geboten. Nehmen wir einmal an, ein Modell läge bei der Temperaturprognose die Hälfte der Zeit genau 0,5 K zu hoch und die andere Hälfte genau so viel darunter. Berechnet man einfach nur das Mittel, wäre dieses Modell dementsprechend perfekt, obwohl das offensichtlich nicht wirklich der Fall ist. Betrachten wir dagegen den MAE, so gäbe dieser einen Wert von 0,5, da das Vorzeichen des Fehlers ignoriert wird. Doch gleichzeitig gehen hier andere wichtige Informationen verloren: Sollte das Modell zu einem Zeitpunkt völlig danebengelegen haben, wird sich das im MAE durch die Mittelung nicht deutlich zeigen. Deshalb gibt es noch zahlreiche andere solcher Gütemaße, die ihre eigenen Schwerpunkte setzen. Der mittlere quadratische Fehler (MSE - Mean Squared Error) lässt beispielsweise eben diese besonders schlechten Vorhersagen stärker ins Gewicht fallen, ist jedoch nicht so intuitiv verständlich wie der MAE. Andere Maße sind der RMSE (Root Mean Squared Error, die Wurzel des MSE) oder auch die Korrelation. Letztere gibt an, wie sich zwei Variablen zueinander verhalten. Eine Korrelation (oder auch ein Korrelationskoeffizient) von -1 bedeutet, dass sie sich exakt linear entgegengesetzt verhalten, 1 bedeutet, dass sie sich linear positiv zueinander verhalten. Nun schauen wir uns mithilfe der Grafik an, wie sich die Modelle des Deutschen Wetterdienstes entwickelt haben. Die farbigen Linien zeigen die berechneten Korrelationen für die Vorhersage des Luftdrucks für die nächsten 24 Stunden (dunkelgrün), ansteigend bis hin zur Vorhersage für 168 Stunden (braun). Auf der y-Achse ist dabei die Korrelation aufgetragen und auf der x-Achse die Jahreszahlen. Was können wir aus dieser Grafik lesen? Einleuchtend ist, dass die Ein-Tages-Vorhersage (dunkelgrün) besser ist, als Vorhersagen für mehrere Tage im Voraus. Auch wenn das Gefühl des ein oder anderen vielleicht etwas Gegenteiliges sagt, wird ersichtlich, dass die Vorhersagequalität insgesamt nach oben geht und somit besser wird. Vergleichen wir die braune (Sieben-Tages-Vorhersage) mit der dunkelgrünen Linie, so können wir festhalten, dass unsere heutige Wochenvorhersage etwa so gut ist, wie eine Ein-Tages-Vorhersage im Jahre 1980. Spannend sind auch die abrupten Sprünge in den Linien. Beispielsweise wurden um 1975 wichtige geostationäre Satelliten in Betrieb genommen. Somit waren kontinuierliche großflächige Daten verfügbar, die in die Modelle einfließen konnten. Die Verbesserungen um 1990 oder auch 2015 hängen mit einem Modellwechsel zusammen. Das Globale Modell (GM) berechnete erstmals die atmosphärische Entwicklung für den gesamten Globus. Somit wurden auch weit entfernte Einflüsse auf Europa und den Nordatlantik berücksichtigt. Der Schritt zum ICON 13 Modell (ICOsahedral Non-hydrostatic model) führte erneut zu einer deutlichen Verbesserung. Natürlich zeigt diese Grafik lediglich ein Gütemaß für einen einzigen Parameter, trotzdem ist die positive Entwicklung eindeutig. In der Meteorologie gibt es jedoch nicht nur Vorhersagen für Zahlenwerte, sondern auch "Ja-Nein-Vorhersagen". Beispielsweise "regnet es hier heute?" oder "gibt es heute einen Sommertag?". Hierfür werden kategorische Methoden verwendet, doch diese würden den Rahmen dieses Thema des Tages sprengen und werden bei anderer Gelegenheit genauer betrachtet. (Das Bild und den Link zum heutigen Thema des Tages finden Sie wie immer im Internet unter www.dwd.de/tagesthema.) M.Sc.-Met. Fabian Chow Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 11.09.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst