Kondensationsniveau

Grundbegriff und Bedeutung

Das Kondensationsniveau, auch Wolkenkondensationszone genannt, ist die Höhe oder Schicht, in der die Lufttemperatur dem Taupunkt entspricht. Die Luft ist dann vollständig mit Wasserdampf gesättigt; die relative Luftfeuchtigkeit beträgt 100 Prozent. Die Lage des Kondensationsniveaus hängt vor allem vom vertikalen Temperaturverlauf und vom Feuchtegehalt des aufsteigenden Luftpakets ab.

Steigt ein gesättigtes Luftpaket weiter auf, kühlt es sich bei abnehmender Temperatur weiter ab. Wasserdampf beginnt zu kondensieren, oder in höheren Schichten zu resublimieren, also zu gefrieren. Dadurch können Wolken entstehen. Das Kondensationsniveau entspricht besonders bei durch Hebung entstandenen Cumuluswolken häufig der Wolkenuntergrenze, ist aber nicht vollständig mit der Wolkenbasis gleichzusetzen.

In der Meteorologie werden vor allem zwei Arten unterschieden: das Hebungskondensationsniveau (HKN) und das Konvektionskondensationsniveau (KKN). Das HKN entsteht durch erzwungene Hebung, etwa an Bergen oder Fronten; das KKN durch thermisch verursachte Hebung, also Thermik.

Wolkenhöhen können mit einem Laser-Wolkenhöhenmesser (Ceilographen) oder nachts mit Wolkenscheinwerfer und Sextant gemessen werden. Bei den weltweit stündlichen synoptischen Wetterbeobachtungen schätzen erfahrene Wetterbeobachter die Wolkenuntergrenzen außerdem. In der Luftfahrt heißt die Hauptwolkenuntergrenze ceiling. Dieser Begriff wird verwendet, wenn der Gesamtbedeckungsgrad mindestens 5/8 beträgt. Die sichtbare Untergrenze einer einzelnen Wolke heißt Cloud Base.

Für rechnerische und graphische Untersuchungen werden Daten von Radiosonden verwendet. Diese werden viermal täglich um 00Z, 06Z, 12Z und 18Z gestartet und liefern für ein Gebiet eine Vertikalsondierung der Atmosphäre. Im einfach logarithmischen Temperatur-Druck-Diagramm bilden die aus dem TEMP-Schlüssel gewonnenen Werte Temperatur, Taupunkt, Druckhöhe sowie Windrichtung und Windgeschwindigkeit der Höhenwinde ab.

Hebungskondensationsniveau

Das Hebungskondensationsniveau (HKN; englisch lifting condensation level, LCL) ist die Höhe oder Fläche, in der ein zunächst ungesättigtes Luftpaket durch erzwungene Hebung erstmals gesättigt wird. Ursachen können das Überströmen eines Berges oder Gebirges, Hebungs- und Aufgleitvorgänge an einer Front sowie Hebung in Bereichen mit Windscherung sein.

Bis zum HKN steigt das Luftpaket trockenadiabatisch auf. Trockenadiabatisch bedeutet hier, dass es sich ohne Kondensation abkühlt, während sein Mischungsverhältnis gleich bleibt. Am HKN tritt Sättigung ein. Bei weiterem Aufsteigen führt die weitere Abkühlung zur Kondensation und damit zur Bildung von Schichtwolken oder anderen Wolken. Je nach Höhe des HKN kann statt Kondensation auch Sublimation, also das Gefrieren zu Eis, eine Rolle spielen.

Das Luftpaket bleibt nach Erreichen des HKN nicht stehen, solange die Hebungsursache fortbesteht. Wegen der bereits erfolgten Kondensation steigt es nun feuchtadiabatisch weiter. Dabei ist die Abkühlung geringer als beim anfänglichen trockenadiabatischen Aufstieg, weil bei der Kondensation Energie frei wird.

Graphische Bestimmung im Temperatur-Druck-Diagramm

Im Temperatur-Druck-Diagramm mit logarithmierter Druckachse wird das HKN als Schnittpunkt bestimmt, indem man vom Ausgangswert der Temperatur T entlang der Trockenadiabate nach oben geht und vom Taupunkt T_D entlang der Linie des Sättigungsmischungsverhältnisses R_w. Das HKN wird grundsätzlich vom Ausgangsniveau aus bestimmt, also von der Höhe 0 beziehungsweise der Platzhöhe, an der die Radiosonde gestartet wurde.

Die morgendliche Bestimmung kann durch die hohe bodennahe Feuchtigkeit verfälscht werden. Ein mit dem 00UTC- oder 06UTC-TEMP bestimmtes HKN kann deshalb im Tagesverlauf deutlich zu niedrig liegen. Um diesen Einfluss zu vermindern, wird das HKN₁ verwendet. Dafür wird der Bereich vom Ausgangsniveau bis 30 hPa gemittelt; der Schnittpunkt der so berücksichtigten Temperatur- und Taupunktwerte liefert das HKN₁.

Für eine beliebige Druckfläche kann ein HKN₂ bestimmt werden. Soll beispielsweise die mögliche Wolkenbildung auf der 500-hPa-Fläche untersucht werden, wird der Schnittpunkt der Trockenadiabate mit der Linie gleichen Sättigungsmischungsverhältnisses auf dieser 500-hPa-Fläche als HKN₂ bezeichnet.

Die graphischen Verfahren dienen unter anderem dazu, Unter- und Obergrenzen von Quellwolken und Schichtbewölkung abzuschätzen. Sie beziehen sich auf ein einfach logarithmisches Temperatur-Druck-Diagramm, nicht auf ein Stüve- oder ein anderes Diagramm.

Konvektionskondensationsniveau und Faustformel

Das Konvektionskondensationsniveau (KKN), auch Cumulus-Kondensationsniveau, ist die Höhe, in der ein durch Thermik aufsteigendes Luftpaket mit Wasserdampf gesättigt wird und bei weiterem Aufsteigen kondensiert. Anders als beim HKN wird keine erzwungene Hebung vorausgesetzt. Die Erwärmung des Bodens löst thermische Aufwinde aus: Im Tagesverlauf können sich erwärmte Thermikblasen lösen und nach oben steigen. Die dafür nötige Bodentemperatur heißt Auslösetemperatur T_A.

Die Thermikblase steigt zunächst trockenadiabatisch auf und behält ihr Sättigungsmischungsverhältnis bei. Am KKN beginnt die Kondensation, sodass eine Quellwolke, beispielsweise Cumulus humilis oder Cumulus mediocris, entsteht. Von unten wird fortlaufend weitere Luft nachgeführt; dieser Aufwindbereich wird in der Segelfliegerei Thermikschlauch genannt. Bei passender Temperaturschichtung, insbesondere wenn der Temperaturgradient größer als die Feuchtadiabate ist, kann ein Cumulus weiter wachsen. Störende Windscherung oder Entrainment, also das Austrocknen der entstehenden Wolke, können dieses Wachstum begrenzen. Unter günstigen Bedingungen kann sich die Wolke bis zu einem Cumulonimbus entwickeln.

Graphisch wird das KKN als Schnittpunkt der Linie gleichen Sättigungsmischungsverhältnisses mit der Temperaturzustandskurve des TEMP bestimmt, wiederum vom Ausgangsniveau aus. Wegen der hohen morgendlichen Bodenfeuchte kann auch diese Bestimmung zu niedrige Werte liefern. Durch Mittelung der unteren 30 hPa erhält man das KKN₁. Vom KKN beziehungsweise KKN₁ aus kann man trockenadiabatisch zum Ausgangsniveau zurückgehen und dort die Auslösetemperatur T_A beziehungsweise T_A1 ablesen.

An sonnigen Strahlungstagen nimmt die Differenz zwischen Temperatur und Taupunkt, der Spread oder die Taupunktdifferenz, im Tagesverlauf zu. Dann können KKN₁ und T_A1 ebenfalls zu niedrig liegen. Für solche Fälle wird das KKN₂ gebildet, indem der gesamte Bereich zwischen Ausgangsniveau und KKN₁ gemittelt und das mittlere Sättigungsmischungsverhältnis bis zum Schnittpunkt mit der Temperaturzustandskurve verfolgt wird. Daraus kann T_A2 bestimmt werden; dabei werden sowohl die morgendliche hohe Feuchte als auch die Tagesentwicklung durch Strahlung berücksichtigt.

Nach einer Faustformel von Fritz Henning lässt sich das KKN annähernd bestimmen:

• Spread · 400 = Wolkenuntergrenze in Fuß
• Spread · 125 = Wolkenuntergrenze in m

Die Formel gilt nur für konvektive Bewölkung, nicht für Schichtwolken wie Stratus oder Stratocumulus, die beispielsweise durch Aufgleiten an einer Warmfront entstehen. Meist liegt das HKN niedriger als das KKN. Sind HKN und KKN zum Zeitpunkt der Messung bis zum HKN trockenadiabatisch geschichtet, können beide auf gleicher Höhe liegen.

Beispiel zur Wolkenuntergrenze

Bei einer Temperatur von 30 °C und einem Taupunkt von 10 °C beträgt der Spread 20 °C. Mit der Faustformel ergibt sich:

• 20 · 400 = 8000 ft
• 20 · 125 = 2500 m

Die errechnete Quellwolkenuntergrenze liegt somit bei 8000 ft beziehungsweise 2500 m. Die Formel wird besonders an Sommertagen als zusätzlicher Anhaltspunkt verwendet, weil Quellwolken bei Beobachtungen häufig etwas zu tief geschätzt werden.

Niveau der freien Konvektion und Wolkenobergrenzen

Das Niveau der freien Konvektion (NFK) ist die Druckfläche, ab der ein zuvor durch äußere Energie angehobenes Luftpaket selbstständig weitersteigt. Die Hebung kann beispielsweise durch Aufgleiten an einem Gebirge oder an einer Front erfolgt sein. Oberhalb des NFK wird bei der Kondensation von Wasserdampf Kondensationsenthalpie frei. Das Luftpaket ist dadurch wärmer und leichter als die Umgebungsluft, sodass der Auftrieb ohne weitere äußere Hebung anhält.

Der Auftrieb endet, wenn sich Temperatur, Wassergehalt, Druck und Dichte des Luftpakets an die Umgebung angeglichen haben. Dies geschieht am Niveau des neutralen Auftriebs (LNB, level of neutral buoyancy, auch equilibrium level). Wegen der Massenträgheit steigt das Luftpaket zunächst weiter, überschießt das Gleichgewichtsniveau und erfährt dort negativen Auftrieb, der es im theoretischen Modell wieder zum Niveau des neutralen Auftriebs zurückführt. Liegt dieses Niveau in der Tropopause, kann gesättigte Luft seitlich ambossförmig ausfließen. Wolkenoberflächen besitzen dabei häufig eine fraktale Struktur.

Für die ungefähre Einschätzung von Wettererscheinungen kann die Wolkenobergrenzentemperatur zusammen mit der Mächtigkeit der Quellwolken ab der Nullgradgrenze (WD) genutzt werden. Bei −10 bis −15 °C und WD 5000–7000 ft werden Cumulus mediocris oder congestus sowie leichte Regen- oder Schneeschauer erwartet. Bei −15 bis −20 °C und WD 7000–9000 ft sind Cumulus congestus sowie mäßige Regen- oder Schneeschauer möglich. Bei −20 bis −25 °C und WD 9000–12000 ft treten Cumulus congestus oder Cumulonimbus calvus sowie starke Regen- oder Schneeschauer auf. Bei −25 bis −35 °C und WD 12000–17000 ft werden Cumulonimbus calvus oder capillatus sowie starke Regenschauer und leichte Hagelgewitter genannt. Bei −35 bis −45 °C und WD 17000–22000 ft sind Cumulonimbus capillatus, starke Regenschauer und mäßige Hagel- oder Graupelgewitter möglich. Bei −45 bis −55 °C und WD 22000–27000 ft werden starke Gewitter und Hagelschauer angegeben. Unter −55 °C und WD über 27000 ft werden Unwetterkriterien erfüllt.

Cu steht für Cumulus, Cb für Cumulonimbus. Calvus bezeichnet eine glatte, einförmige Gewitterwolkenform, capillatus eine durch Vereisung faserige Obergrenze und incus eine ambossförmige Gewitterwolke. Die Angaben können bei der Interpretation von Satellitenbildern und bei der Auswertung von TEMP-Daten helfen. Der Artikel weist darauf hin, dass dieser Abschnitt grundsätzlich überarbeitet werden sollte.