Inversionswetterlage

Definition und Grundprinzip

Eine Inversionswetterlage oder Umkehrwetterlage liegt vor, wenn sich der übliche vertikale Temperaturgradient der Atmosphäre umkehrt: Statt mit zunehmender Höhe abzunehmen, steigt die Lufttemperatur an. Der Bereich dieser Temperaturumkehr heißt Inversionsschicht. Weil kalte Luft eine höhere Dichte als warme Luft besitzt, bleibt sie unter der wärmeren Schicht liegen. Dadurch entsteht in der Troposphäre eine stabile Schichtung; Konvektion und vertikaler Luftaustausch werden weitgehend unterdrückt.

Normalerweise erwärmt der Erdboden die bodennahe Luft, während höhere Luftschichten Wärme in den Weltraum abstrahlen. Bei einer Inversion ist es dagegen in der Höhe wärmer als weiter unten. Die Geländeform beeinflusst ihre Entstehung: In Gebirgen sowie in Tälern und Becken treten Inversionen häufiger auf als im Flachland, weil sich dort kalte Luft sammeln kann.

Nachts können kleinräumige Becken durch zufließende, am Boden abgekühlte Luft zu Kaltluftseen werden. Solche Bodeninversionen zerfallen tagsüber meist etwa 3 h nach Sonnenaufgang. Bei sehr kaltem Winterwetter und durchgehender Schneedecke können sie jedoch mehrere Tage bestehen bleiben.

Bodennahe Strahlungsinversion

Eine Strahlungsinversion, auch Bodeninversion genannt, entsteht durch die nächtliche Wärmeabstrahlung und Abkühlung der Erdoberfläche. Sie betrifft gewöhnlich die unmittelbare Nähe zum Boden und tritt besonders bei herbstlichen und winterlichen Hochdruckwetterlagen auf. Eine fehlende Wolkendecke fördert die nächtliche Auskühlung.

Zwischen Mittag und drei Uhr erreicht die Lufttemperatur gewöhnlich ihr tägliches Maximum. Der erwärmte Boden heizt dann die Luft darüber auf. Eine labile Schichtung und ein bodennah überadiabatischer Temperaturgradient ermöglichen die konvektive Durchmischung. Gegen Abend nimmt die Sonneneinstrahlung ab, die Strahlungsbilanz wird negativ und der Boden kühlt mit den untersten Luftschichten aus. Es bildet sich eine zunächst schwache Inversion, die den vertikalen Luftaustausch praktisch stoppt. Schwacher Wind verstärkt die Abkühlung. Bis zum frühen Morgen kann die Inversionsschicht mehrere hundert Meter mächtig werden; die Morgensonne baut sie wieder ab, meist spätestens bis zum Mittag.

Beim Abbau kann vorübergehend eine Fumigation-Lage entstehen: Am Boden liegt eine labile Schichtung, darüber weiterhin eine Inversion. Dieser Zustand dauert länger, wenn die Inversionsschicht mächtiger ist, besteht aber meist zu kurz für eine bedeutende Schadstoffanreicherung.

Je schwächer der Wind und je stärker die Ausstrahlung, desto ausgeprägter ist die Inversion. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt tritt Frost auf; starker Wind kann ihn verhindern oder abschwächen. Bildet sich Strahlungsnebel, kann seine hohe Albedo, also sein starkes Rückstrahlvermögen, die Inversion über mehrere Tage erhalten. Strahlungsinversionen begünstigen außerdem Industrieschnee.

Ein typisches Beispiel ist das im Ober- und Ostallgäu sowie im Kleinwalsertal als „Obheiter“ bezeichnete Herbstwetter. Zwischen Talboden und Berggipfel liegt eine Wolkenschicht: Darunter ist es kühl und trüb, darüber deutlich wärmer und sonnig.

Absinkinversion

Eine Absink-, Schrumpfungs- oder Subsidenzinversion entsteht, wenn eine mächtige Luftschicht geschlossen absinkt. Wegen ihrer großen Höhe wird sie auch Höheninversion genannt. Beim Absinken steigt der Luftdruck; die kompressible Luft wird dichter und die Schicht dünner. Jedes Luftpaket erwärmt sich dabei. Das Luftpaket an der Oberkante legt einen längeren Weg nach unten zurück als eines an der Unterkante und erwärmt sich deshalb stärker. So kann die Temperatur innerhalb der abgesunkenen Schicht nach oben zunehmen.

Das im Artikel verwendete, ausdrücklich vereinfachte Beispiel beginnt mit einer Luftschicht zwischen sechs und acht Kilometern Höhe. An ihrer Oberseite beträgt die Temperatur −75 °C, an der Unterseite −70 °C. Der Temperaturgradient liegt damit bei nur zweieinhalb Grad Celsius je Kilometer. Nach der angenommenen Absenkung auf ein bis zwei Kilometer Höhe herrschen unten −20 °C und oben −15 °C: Die Temperatur steigt nun um fünf Grad Celsius je Kilometer. Schichtdicke, Absenkung und Halbierung der Mächtigkeit sind in diesem Beispiel nicht realistisch, sondern zur Veranschaulichung willkürlich gewählt.

Eine solche Umkehr tritt vor allem bei ausgeprägten Hochdruckwetterlagen im Spätherbst und Winter auf. Reicht das Absinken nicht für eine Inversion aus, schwächt es zumindest den Temperaturgradienten und stabilisiert die Atmosphäre. Mehrere übereinanderliegende Absinkinversionen können eine komplexe Schichtung erzeugen. Ein besonders stabiler Sonderfall ist die Passatinversion. Wird eine Luftschicht stattdessen gehoben, kann eine bestehende Inversion abgebaut oder wenigstens abgeschwächt werden.

Absinkinversionen wirken als Wolkensperren: Wolken enden an ihrer Unterseite abrupt. Dort ist die Luftfeuchtigkeit am höchsten, während sie an der durch adiabatische Erwärmung geprägten Oberseite ein Minimum erreicht. Liegt die Inversion niedrig genug, kann es auf Bergen erheblich wärmer sein als in Tälern; ein Höhengewinn von einem Kilometer kann nicht selten eine Temperaturerhöhung von 15 °C bewirken.

Weitere Entstehungsformen

Eine Aufgleit- oder Turbulenzinversion entsteht durch Advektion, also durch die horizontale Heranführung von Luftmassen. Starker Wind durchmischt zunächst die unteren Luftschichten und nähert deren Temperaturgradienten einer adiabatischen Schichtung an. Oberhalb der Durchmischungszone bleibt der zuvor unteradiabatische Gradient bestehen, sodass relativ zur durchmischten Zone eine Inversion entsteht. Dies geschieht häufig bei einer herannahenden Warmfront: Warmluft erreicht zunächst nur höhere Schichten, während am Boden noch Kaltluft liegt, besonders bei Hochdruckgebieten über dem Meer.

Bei der Aufgleitinversion ist die Luftfeuchtigkeit an der Oberseite am höchsten. Die herangeführte Luft ist meist feuchter als die vorher vorhandene Kaltluft, und Konvektion transportiert Feuchtigkeit nach oben. Unter der Inversion entstehen daher bei starker Turbulenz häufig Stratus- oder Stratocumuluswolken, bei schwacher Turbulenz Cumuluswolken. Auch Föhn ist oft mit Aufgleitinversionen und typischen Föhnwolken verbunden.

Eine marine Inversion kann an Meeresküsten, in der Nähe großer Gewässer oder in der Region der Großen Seen auftreten. Sie entsteht, wenn das Wasser deutlich kälter ist als die darüberströmende Luft. Das Wasser kühlt die untersten Luftschichten so weit ab, dass sich Wolken bilden. In Südkalifornien heißt diese im Frühsommer häufige Wetterlage „May Grey“ oder „June Gloom“.

Auch die Tropopause bildet eine sehr stabile Inversion. In 10 bis 15 Kilometern Höhe nimmt die Ozonkonzentration langsam zu. Das Ozon absorbiert den sehr kurzwelligen UV-B-Anteil der Sonnenstrahlung und erwärmt dadurch die Luft entgegen dem allgemeinen Trend der Temperaturabnahme.

Luftqualität, Nebel und Smog

Da eine Inversionsschicht die untere von der oberen Luftschicht abschirmt, können Rauch, Autoabgase und andere Luftschadstoffe kaum nach oben entweichen. Bei Windstille können sich über Siedlungen erhöhte Staubkonzentrationen bilden. Der Staub absorbiert Sonnenlicht, erwärmt die umgebende Luft und verringert zugleich die Erwärmung des Bodens. Besonders im Winter kann die belastete Luftschicht dadurch wärmer als die bodennahe Luft werden und die Inversion erhalten. Häufig beendet erst aufkommender Wind diese Situation.

Unter der warmen Sperrschicht sammelt sich in einem Kaltluftsee weitere belastete Luft an. Zusammen mit Bodennebel kann eine „Dunstglocke“ und schließlich Smog entstehen. In Industriegebieten und Ballungszentren ist diese Anreicherung besonders problematisch. Aufsteigender Rauch wird an der wärmeren Schicht gestoppt und breitet sich nach seiner Abkühlung horizontal aus. Oberhalb der Inversion ist die Fernsicht dagegen deutlich besser; von dort erkennt man oft die großflächige Dunstschicht über dem Tiefland. Bodennahe Kaltluftblasen, die durch Inversionen entstehen, sind weltweit für Kälterekorde verantwortlich.

Auswirkungen auf Wellen und Nutzung

Inversionswetterlagen verändern die Ausbreitung von Funkwellen. Am Dichteübergang werden die Wellen in das dichtere Medium, also in die kalte Bodenluft, zurückreflektiert. Funkamateure können diese Totalreflexion nutzen, um größere Reichweiten zu erzielen. Beim UKW-Rundfunk entstehen Überreichweiten. Sie sind bei DX-Hörern und Funkamateuren mit Richtantennen beliebt, können aber durch überlappende Versorgungsbereiche auch gegenseitige Störungen verursachen.

Auch Schall kann sich bei einer Inversion besonders weit in Bodennähe ausbreiten. Da die Schallgeschwindigkeit in warmer Luft höher als in kalter Luft ist, werden Schallwellen zum Boden hin gebrochen und über große Entfernungen weitergeleitet.

Manche Regionen nutzen Inversionslagen touristisch. Liegt der Gipfel eines Hausbergs oberhalb des Hochnebels, werben Städte damit, dass Besucher dem Nebel mit einer Bergbahn entkommen können. Als Beispiele nennt der Artikel die Fahrt von Freiburg auf den Schauinsland und von Zürich auf den Üetliberg.