Private Wetterstation Attenhofen

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Labilität


Labilität oder Instabilität ist - wie der Name schon sagt - das Gegenteil von stabiler Schichtung. Das heißt, dass es am Boden besonders warm ist und in der Höhe besonders kalt. Das soll jetzt nicht heißen, dass es nur im Sommer Gewitter geben kann, weil es hier am Boden am heißesten ist. Vielmehr geht es um die Temperaturdifferenz zwischen Erdboden und einer bestimmten Höhenschicht. Darum sind auch im Winter Gewitter möglich, wenn die Höhenluft dabei besonders kalt ist.

Physikalisch gesehen läuft das folgendermaßen ab:
Ein Luftpaket ändert seine Temperatur, wenn seine Höhe über dem Meerespiegel verändert wird. Wenn Luft bei trockenen Bedingungen ohne Wolkenbildung aufsteigt, nimmt seine Temperatur um 1 K (=°C, Kelvin sagt man korrekterweise bei Temperaturdifferenzen) pro 100 Höhenmeter ab. Das ist der atmosphärische Normalwert, mit dem nun die folgenden Schichtungsmuster verglichen werden.

Wir haben drei verschiedene Schichtungen:
A) Eine stabile Schichtung bei der die Temperatur mit der Höhe gar nicht oder nur sehr leicht abnimmt (hier 0,5 K pro 100m).
Bei einer Inversion (=Temperaturumkehr) nimmt die Luft mit der Höhe sogar zu.
B ) Eine indifferente (nicht labil oder stabil zuordenbar) Schichtung bei der die Temperatur um 1K pro 100m abnimmt.
C) Eine labile Schichtung bei der die Temperatur mit steigender Höhe abnimmt (hier 1,5 K pro 100m).

Wir stellen uns nun ein Luftpaket vor, das am Boden 20°C hat und nun unter trockenen Bedingungen bis 1000m über NN aufsteigt. Aufsteigende Luft nimmt bei trockenen Verhältnissen (ohne Kondensation und Wolkenbildung) immer um 1 K pro 100 Höhenmeter ab. 20°C - (10 x 1 K) = 10°C. Daher hat dieses Luftpaket in 1000m über NN genau 10°C.
Dieses Aufstiegsverhalten repräsentiert die graue Aufstiegskurve.

A) Das Luftpaket wird in der Schichtung A) gehoben und hat in 1000m Höhe 10°C (Aufstiegskurve). Nun hat aber die Umgebungsluft in 1000m bei dieser Schichtung 15°C. Das bedeutet, dass unser Luftpaket kälter ist als die Umgebungsluft und damit eine höhere Dichte hat. Daher sinkt sie soweit ab, bis sie die graue Linie schneiden würde, damit alles wieder im Gleichgewicht wäre.
Weil diese Schichtung Absinken produizert, ist sie nicht konvektionsfördernd und somit stabil. Diese Schichtung ist in Hochdruckgebieten zu finden, denn durch das Absinken setzt zugleich Wolkenauflösung ein.

B ) Das Luftpaket wird in der Schichtung B ) gehoben und hat in 1000m Höhe 10°C (Aufstiegskurve). Damit ist es genau so warm wie die Umgebungsluft. Da sie keinen weiteren thermischen Antrieb erfährt, bleibt das Luftpaket wegen des thermischen Gleichgewichts in seiner Position. Das ist in einer indifferenten Schichtung der Fall. Hier passiert ohne Zutun weiterer Faktoren (Bsp.: Hebung) nichts; mehr dazu weiter unten. Würde man aber z. B. die Bodenschicht erwärmen, dann wäre das Luftpaket wärmer als die Umgebungsluft und würde somit Aufsteigen. Das ist auch das Funktionsprinzip eines Heißluftballons.

C) Das Luftpaket wird in der Schichtung C) gehoben und hat in 1000m Höhe 10°C (Aufstiegskurve). Nun hat aber die Umgebungsluft hier 5°C. Das heißt, dass unser Luftpaket wärmer ist, als die umgebende Luft. Und da wärmere Luft eine geringere Dichte hat, steigt sie auf. Dieses Aufsteigen hält solange an, bis sich Aufstiegs- und Temperaturkurve wieder schneiden, weil sie dann den gleichen Wert haben und das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Das ist spätestens im Bereich der Tropopause (Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre; in Mitteleuropa bei 10-14km Höhe) der Fall. Das ist auch der Grund, warum ein Gewitter in unseren Breiten etwa maximal 14 km hoch werden kann. Hat das Luftpaket die Tropopause (=riesige Inversion= stabile Schicht) erreicht, kann es sich nicht mehr nach oben, sondern nur mehr zur Seite ausbreiten. Dieses Ausweichen zur Seite bildet dann bei einem Gewitter den breiten Gewitterschirm bzw. -amboss, der am oberen Ende glatt aussieht (Ausnahme: overshooting top), weil ein weiteres Aufsteigen durch die Blockierung unmöglich ist.

Grafik:


Wir halten also fest, dass eine labile Schichtung auftritt, wenn die Temperaturunterschiede zwischen Boden und Höhe größer als normal ausfallen. Dann schafft es ein Luftpaket einen Antrieb zu entwickeln, das es immer weiter nach oben befördert. Voraussetzung dafür aber ist, dass keine starken Inversionen auftreten, die den Aufwärtsdrang der Luftpakte unterbinden.

Labilität kann man mit dem Diagramm eines Radiosondenaufstiegs oder mit dem sog. Lifted Index (LI) bestimmen:
Liegt der LI bei Werten unter Null, dann ist die Atmosphäre labil geschichtet, bei unter -5 stark labil. Bei Werten direkt um 0 ist sie indifferent und bei über Null ist die stabil geschichtet.

Ein Besonderheit ist die potentielle Instabilität. Diese tritt auf, wenn die Luftschichtung nur dann instabil würde, wenn aus irgendwelchen Gründen (Hebung durch nahende Fronten) nicht einzelne Luftpakete, sondern ganze Luftschichten gehoben werden. Potentielle Instabilität besteht häufig dann, wenn eine feuchtwarme unter einer trockenkalten Luftschicht lagert. Bei einer Hebung der gesamten Luftsäule setzt in der unteren, feuchtwarmen Luftschicht rasch Kondensation ein. In der darüberliegenden trockenen Schicht setzt dagegen kaum oder erst viel später Kondensation ein. Bei Kondensation verringert sich die Temperatur um 0,65 K / 100m durch die Kondensationswärme, aber in den trockenen Höhenschichten nimmt die Temperatur um 1 K / 100m ab. Somit kühlt sich die trockenkalte Höhenschicht relativ gesehen stärker ab, als die feuchtewarme bodennahe Schicht, weshalb der Temperaturgradienten zwischen Boden und Höhe hoch gehalten wird und die Atmosphäre labil ist und bleibt.

Wir halten abschließend fest:
Labilität kann nur entstehen, wenn der Temperaturunterschid zwischen dem Erdboden und der Höhe besonders groß ist oder vergrößert wird. Dazu gibt es folgende Möglichkeiten:
- Labilisierung durch Bestrahlung des Erdbodens durch die Sonne mit einhergehender Erwärmung bodennaher Luftschichten
- Labilisierung durch Zufuhr (=Advektion) von Kaltluft in höhen Luftschichten bzw. Warmluftadvektion in tiefen Schichten
- Labilisierung durch Hebung (z.B. Fronten)

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