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Stabile und labile Luftschichtung der Atmosphäre |
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Vorhersagen
Nordhemisphäre Atmosphäre |
Neutrale Luftschichtung (adiabatisch)
Zunächst eine kurze Begriffserläuterung: Auf den ersten Blick erscheint uns dieser Satz etwas nebulös, er beschreibt zwar exakt, wie etwas passiert, aber was sich ändert, lässt er offen. Betrachten wir also zunächst das "wie" - und zwar bezogen auf die im Bild sichtbaren Luftpakete. "... ohne thermische Energie mit seiner Umgebung auszutauschen ..." bedeutet nichts anders als perfekte Isolierung, die in der Realität zwar nicht existiert, aber z.B. von einer Thermoskanne fast erreicht wird. Glücklicherweise haben unsere "Luftpakete" so große Ausmaße, dass Wärmeströme am Rand praktisch keine Rolle spielen. In den folgenden Bildern wird diese Isolation als Rechteck dargestellt. Nachdem wir das "wie" geklärt haben, kümmern wir uns jetzt um das "was": |
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Dass der Luftdruck mit steigender Höhe abnimmt, ist uns allen seit dem letzten
Aufstieg auf den Mt. Everest bekannt. :-)
Nun zur adiabatischen Zustandsänderung:
Bei Anhebung eines Luftpakets wird der Druck kleiner und die Temperatur sinkt. Auf dem Bild erkennen wir außerdem, dass die Luftpakete in größerer Höhe auch ein größeres Volumen einnehmen, obwohl es kälter wird. Die Erklärung hierfür ist einfach und wird im nächsten Absatz beschrieben, den wir - ohne den Faden zu verlieren - getrost überlesen können. |
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Die vereinfachte Gleichung für ideale Gase beschreibt den linearen Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Volumen in sehr guter Näherung. Nun schieben wir das Luftpaket in erheblichen Druckgefällen (~1 bar Boden - ~0,6 bar bei 4km) hin und her, während sich die Temperatur nur um 40 K ändert. 40 K sind wenig im Bezug zum absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C, ein wesentlich kleinerer Beitrag, das Druckgefälle ist dominant und sorgt gemäß der linearen Gleichung für eine Zunahme des Volumens. |
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Was wir aus der ersten Grafik mitnehmen: Das Luftpaket wird als isoliert betrachtet, es tauscht keine thermische Energie mit der Umgebung aus. Im Idealfall einer adiabatisch geschichteten Atmosphäre bleibt ein Luftpaket, nachdem es in eine andere Höhe verschoben wurde, einfach dort liegen.
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Stabile Luftschichtung |
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Bei einer stabilen Luftschichtung nimmt die Temperatur mit zunehmender Höhe langsamer ab als im Idealzustand der neutralen Schichtung. Wird ein Luftpaket angehoben, kühlt es sich adiabatisch ab, ist somit schwerer als die Umgebungsluft und sinkt zurück auf die Ausgangshöhe. Umgekehrt ist es beim Absinken leichter und steigt somit wieder auf. Schichtwolken sind, wie der Name schon sagt, ein Indiz für eine stabil geschichtete Atmosphäre.
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Labile Luftschichtung |
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Genau andersherum verhält es sich bei labil geschichteter Atmosphäre. In diesem Fall ist die Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe größer als bei adiabatischer Druckminderung, also mehr als 10°C pro km. Das Luftpaket beginn von selbst aufzusteigen, dieser Aufwärtstrend hält an, so lange die Temperaturdifferenz bestehen bleibt. Typisch für eine labile Luftschichtung sind Quellwolken, die in ihrer am stärksten ausgeprägten Form als Cumulonimbus (Gewitter-Wolke) die Obergrenze der Troposphäre erreichen und überschreiten können.
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Und die Luftfeuchtigkeit? |
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Haben wir bis jetzt außen vor gelassen und zunächst nur den Idealfall einer trockenen Atmosphäre betrachtet. Bei der mehr oder weniger vorhandenen Luftfeuchtigkeit verhält es sich aber prinzipiell nicht anders. Der Unterschied ist nur, dass sich die Luftpakete beim Aufsteigen mit einer geringeren Rate abkühlen. Wir reden dann von feuchtadiabatischen Prozessen, die entsprechenden Luftschichtungen werden dementsprechend als feuchtstabil oder feuchtlabil bezeichnet. Der trockene Idealzustand, der hier geschildert wird, ist typischerweise nur in den unteren Luftschichten anzutreffen. Erreicht das Luftpaket das Kondensationsniveau, steigt es "feuchtadiabatisch" auf, durch die Kondensationswärme kühlt es sich nur noch etwa 6K statt 10K pro km ab. In diesem Zusammenhang existiert der interessante Spezialfall der bedingten Labilität, bei dem die Atmosphäre so geschichtet ist, dass die Luftpakete sich bei einer trockenadiabatischen Hebung stabil, aber bei einem feuchtadiabatischen Aufstieg labil verhalten. Unter diesen Bedingungen können sich scheinbar aus dem Nichts Gewitter entwickeln, die Wolkenbildung setzt explosionsartig ein.
Aber ich denke, das war genug vorerst, die feuchtadiabatischen Prozesse behandeln wir demnächst in einem anderen Kapitel. |