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Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre
Die Schichtung der Atmosphäre bestimmt alle vertikalen Luftbewegungen und ist damit von elementarer Bedeutung für alle konvektiven Vorgänge innerhalb der …
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Grundprinzip und Bedeutung
Die Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre beschreibt ihre thermodynamische Stabilität oder Labilität im Verhältnis zum vertikalen atmosphärischen Temperaturgradienten. Man unterscheidet labile, stabile und neutrale Atmosphärenschichtung. Die Schichtung bestimmt die vertikalen Luftbewegungen und ist deshalb grundlegend für Konvektion, Wolkenbildung und die Ausbreitung von Luftverschmutzung. Eine labile Schichtung ermöglicht außerdem Thermik-Aufwinde sowie Hangaufwind und damit Startüberhöhung, lange Flüge und Streckenflüge für Segelflieger, Drachenflieger und Gleitschirmflieger.
Für die Beurteilung werden zwei Temperaturänderungen verglichen: der statische Temperaturgradient der Umgebung und der dynamische Temperaturgradient eines vertikal bewegten Luftpakets. Die Lufttemperatur nimmt mit der Höhe meist ab; nimmt sie stattdessen zu, liegt eine Inversion vor. Ein ausreichend großes Luftpaket kann modellhaft ohne Wärmeaustausch und ohne Mischung mit der Umgebung betrachtet werden. Eine solche Temperaturänderung heißt adiabatische Zustandsänderung.
Ein trockenadiabatisch auf- oder absteigendes Luftpaket kühlt sich beim Aufsteigen beziehungsweise erwärmt sich beim Absinken um 9,8 Grad Celsius je Kilometer. Diese Änderung ist adiabatisch-reversibel; außerdem wird zunächst keine Kondensation berücksichtigt. Erreicht die relative Luftfeuchtigkeit beim Aufstieg am Taupunkt das Kondensationsniveau, beginnt die Kondensation. Die dabei frei werdende Kondensationsenthalpie verringert den Temperaturgradienten zum feuchtadiabatischen Gradienten. Für beide Fälle wird allgemein vom adiabatischen Gradienten gesprochen.
Nach dem Archimedischen Prinzip entsteht aus dem Dichteunterschied zwischen Luftpaket und Umgebung Auftrieb oder Abtrieb. Es gilt:
a=\frac{\mathrm{d}v_{\mathrm{z}}}{\mathrm{d}t}=g\frac{T_{\mathrm{L}}-T_{\mathrm{U}}}{T_{\mathrm{U}}}=g\frac{\rho_{\mathrm{U}}-\rho_{\mathrm{L}}}{\rho_{\mathrm{L}}}
Dabei bezeichnet U die Umgebungsluft und L das Luftpaket; a ist die vertikale Beschleunigung, g die Gravitationsbeschleunigung, \rho die Dichte und T die Temperatur. Bei gleicher Temperatur beziehungsweise Dichte ist die Beschleunigung null. Ist das Luftpaket wärmer oder weniger dicht als die Umgebung, steigt es auf.
Stabile, neutrale und labile Schichtung
Bei neutraler oder indifferenter Schichtung nimmt die Temperatur der Atmosphäre mit der Höhe genauso ab wie die Temperatur des Luftpakets. Ein auf- oder absteigendes Paket bleibt daher nach dem Ende der erzwungenen Bewegung auf seiner neuen Höhe, weil kein Dichteunterschied und keine resultierende Kraft vorhanden sind. Eine sehr gut durchmischte Atmosphäre käme diesem Zustand nahe. Wegen der fehlenden Konvektion bildet sich kaum Bewölkung; für die Ausbreitung von Stoffen und Schadstoffen ist eine neutrale Schichtung weder Hindernis noch besonderer Vorteil.
Stabile Schichtung liegt vor, wenn die Umgebung mit der Höhe weniger stark abkühlt als das aufsteigende Luftpaket. Dies ist ein unteradiabatischer Temperaturgradient. Entsprechend unterscheidet man trockenstabile und feuchtstabile Schichtung. Wird ein Luftpaket aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt, wirkt eine negative Rückkopplung: Beim Aufsteigen wird es kälter und dichter als die Umgebung und sinkt wieder ab; beim Absinken wird es wärmer und steigt wieder auf. Durch Trägheit schwingt es um die Gleichgewichtslage, wobei Luftreibung die Amplitude verringert. Schließlich pendelt es sich dort ein. Vertikale Bewegungen werden dadurch gedämpft und die Durchmischung behindert.
Eine Inversion, also eine Temperaturzunahme mit der Höhe, ist ein besonders starker Sonderfall stabiler Schichtung. Warme, leichte Luft liegt über kälterer, dichterer Luft; eine ausreichend mächtige Inversionsschicht blockiert den Aufstieg von Luftpaketen. Feuchtadiabatisch aufsteigende Wolken bleiben in stabiler Schichtung vergleichsweise höhenstabil und meist flach. Durch Wind breiten sie sich horizontal aus. Typische Schichtwolken sind Cirrus oder Cirrostratus in großen, Altostratus in mittleren und Stratus in geringen Höhen.
Labile oder instabile Schichtung liegt vor, wenn die Umgebung mit der Höhe stärker abkühlt als das aufsteigende Luftpaket. Es handelt sich um einen überadiabatischen Temperaturgradienten; unterschieden werden trockenlabile und feuchtlabile Schichtung. Ein aufsteigendes Paket bleibt wärmer und weniger dicht als die Umgebung und erfährt weiteren Auftrieb. Der Aufstieg beschleunigt sich durch positive Rückkopplung. Beim Absinken wird das Paket kälter und dichter und sinkt ebenfalls zunehmend schneller ab. An der Erdoberfläche wahrgenommene starke, plötzliche Böen können solche beschleunigten und anschließend horizontal umgelenkten Luftpakete sein.
Trockenlabile Schichtung entsteht beispielsweise nahe dem Boden durch starke lokale Erwärmung bei zunehmender Sonneneinstrahlung. Thermikblasen durchmischen die unteren Luftschichten; in Wüsten und Hochebenen kann die Durchmischung einige Kilometer Höhe erreichen. Dadurch schwächt sich die labile Schichtung meist selbst ab und geht letztlich in eine neutrale Schichtung über. Dynamische Ursachen sind ebenfalls möglich, etwa wenn sich Kaltluft bei einem Kaltfrontdurchzug in der Höhe schneller bewegt als am Boden. Dann können Gewitter, Schnee-, Regen- und Hagelschauer sowie starke Böen auftreten.
In den gemäßigten Breiten ist Labilität meist auf einen bestimmten Höhenbereich begrenzt und wird nach oben oder unten häufig von stabilen Schichten begrenzt. Je nach Höhe können Cirrus, Cirrocumulus, Altocumulus, Stratocumulus und Cumulus auftreten. Cumulonimbus und Nimbostratus benötigen hoch reichende Labilität und treten daher häufiger in Äquatornähe auf.
Bedingte Labilität und Einflussfaktoren
Bedingt labile Schichtung bedeutet, dass ein trockenadiabatisch aufsteigendes Luftpaket eine stabile oder neutrale Schichtung ergibt, ein feuchtadiabatisch aufsteigendes Paket dagegen eine labile. Diese Situation tritt häufig im Sommer auf. Entscheidend ist, ob Kondensation einsetzt: Bleibt der Wasserdampf gasförmig, geschieht nichts Weiteres. Beginnt die Kondensation, können die Wolken schnell zu Gewittern anwachsen.
Geringe Windgeschwindigkeiten begünstigen extreme Schichtungen, also labile und stabile Zustände. Große Windgeschwindigkeiten führen eher zu neutraler Schichtung. Bewölkung bewirkt durch geringe Globalstrahlung am Tag und starke atmosphärische Gegenstrahlung in der Nacht ebenfalls eher neutrale Verhältnisse. Wolkenloser Himmel führt bei starker Globalstrahlung am Tag eher zu labiler, nachts durch Ausstrahlung dagegen zu stabiler Schichtung.
Schichtung und Ausbreitung von Abgasen
Die Ausbreitung von Abgasen kann wie die Bewegung eines Luftpakets betrachtet werden. Für das Modell wird eine Fabrik mit Schornstein und westlichem Wind angenommen, der die Abgase von links nach rechts führt. Weil die Abgase meist wärmer sind, steigen sie zunächst auf und gehen anschließend in die horizontale Ausbreitung über. Die dabei erreichte Endhöhe heißt effektive Schornsteinhöhe. Eine rote Linie kennzeichnet in den Darstellungen den Temperaturverlauf der Atmosphäre, eine schwarze Linie den adiabatischen Gradienten des Luftpakets.
Bei Looping herrscht eine leicht bis mittelstarke labile Schichtung. Turbulenzen und Konvektion führen zu einer schleifenförmigen Ausbreitung; die Abgase können den Boden bereits nahe am Schornstein erreichen. Dort ist die Belastung groß, nimmt aber schnell ab und ist in mittleren Entfernungen gering. Typisch ist diese Lage für sonnige Sommernachmittage.
Bei Coning liegt eine neutrale bis leicht stabile Schichtung vor. Die Abgase breiten sich kegelförmig aus; der Kegel wird breiter und seine vertikale Ausdehnung nimmt relativ gleichmäßig zu. Die Verdünnung ist eher gering, die Rauchfahne berührt den Boden jedoch nicht direkt. Die Situation tritt beispielsweise bei bewölktem Wetter auf.
Bei Fanning verstärkt sich eine stabile Schichtung zu einer Bodeninversion, die über die effektive Schornsteinhöhe reicht. Nach dem anfänglichen Aufstieg findet praktisch keine weitere vertikale Ausbreitung und damit kaum Verdünnung statt. Hohe Konzentrationen bleiben auch in großer Entfernung erhalten. Bodennah ist die Belastung gering, kann bei Geländeerhöhungen in Ausbreitungsrichtung aber hoch werden. Fanning tritt vor allem nachts und bei Tiefdruck auf und ist häufig eine Vorstufe der Fumigation.
Bei Lofting liegt die Obergrenze einer bodennahen, meist nächtlichen Strahlungsinversion auf oder unter der effektiven Schornsteinhöhe. Die Inversion wirkt als Sperrschicht nach unten: Die oberhalb der Inversion emittierten Schadstoffe können höchstens bis zu ihrer Obergrenze absinken und sammeln sich dort eher an. Nach oben bleibt die Ausbreitung unbehindert. Die Rauchfahne verdünnt sich, erreicht aber nicht die Erdoberfläche. Diese für die Luftverschmutzung wünschenswerte Lage tritt vor allem am frühen Abend bei wolkenlosem Himmel auf und dauert meist nur kurz.
Fumigation ist aus Sicht der Luftverschmutzung die schädlichste Lage. Am Boden herrscht labile Schichtung, darüber liegt oberhalb der effektiven Schornsteinhöhe eine Inversion. Die Abgase werden unten gut durchmischt, nach oben aber blockiert. Dadurch können sie sich in Bodennähe stark anreichern. Eine Tal- oder Kessellage verkleinert die Durchmischungszone und erschwert die Auflösung der Inversion durch Wind. Ballungsräume verbinden häufig solche Geländeformen mit hohem Schadstoffausstoß und Wärmequellen.
Diese fünf Typen sind idealisierte Einzelfälle. Über größere horizontale Entfernungen kann sich die Schichtung verändern, besonders durch orografische Erhebungen und unterschiedliche thermische Eigenschaften der Erdoberfläche. Mehrere aufeinanderfolgende Lagen können daher Kombinationen bilden, die die Schadstoffausbreitung fördern oder behindern.
Stabilitätsklassen und Messgrößen
Neben den Grundbezeichnungen labil, neutral und stabil gibt es verschiedene Einteilungssysteme. Die Pasquill-Klassen nach Frank Pasquill ordnen die Stabilität von sehr labil bis stabil mit den Buchstaben A bis F ein. Die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) verwendet Ausbreitungsklassen nach Klug und Manier mit den Bezeichnungen I (sehr stabil) bis V (sehr labil). Weitere Stabilitätsklassen wurden von Vogt sowie von Nester und Thomas definiert. Ein Maß für die Stabilität ist die von Alexander Michailowitsch Obuchow eingeführte Obukhov-Länge.
