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Zutaten für Gewitter
Feuchte, warme Luft
In den Texten zuvor habe ich oft von warmer und feuchter Luft gesprochen, da dies die Hauptzutat von Gewittern ist. Da man natürlich nicht einfach von Luft sprechen kann, da diese sich immer von einander unterscheidet, spreche ich von Luftpaketen. Ein Luftpaket hat eine bestimmte Eigenschaft, die es von anderen Luftpaketen unterscheidet.
Nun denn, zurück zur feuchten, warmen Luft. Um zu begreifen, wieso ein Luftpaket relativ gesehen warm sein muss zur Umgebungsluft, braucht es nicht viel Physik Verständnis, jeder weiß, das warme Luft aufsteigt. Nun zur Feuchte. Wolken bestehen aus auskondensiertem Wasserdampf. Wenn das Wasser vom gasförmigen zum flüssigen Aggregatzustand übergeht, wird wärme frei gesetzt. Diese wärme heizt das aufsteigende Luftpaket zusätzlich auf und sorgt dafür, dass es sich bei seinem Aufstieg nicht so schnell abkühlt. Genauer gesagt, kühlt sich Luft, die unter Wolkenbildung (Kondensation) aufsteigt, um etwa 0,5K/100m Aufstieg ab. Hingegen dazu kühlt sich ein Luftpaket, welches ohne Kondensation aufsteigt um 1K/100m ab. Hier sieht man den großen Vorteil der feuchten Luft. Sie hat eine viel größere Chance, immer wärmer als ihre Umgebungsluft zu sein und so bis zur Tropopause aufzustiegen.
Aber was heißt denn nun eigentlich "feuchte" Luft? Wie sie sicherlich schon alle einmal gehört haben, wird die Luftfeuchtigkeit in Prozent angegeben. Hierbei ist aber zu beachten, dass ein Luftpaket mit 10°C und 80% Luftfeuchte weniger Wasser enthält als Gewicht, als ein Luftpaket mit dem selben Volumen mit 30°C und 80% Luftfeuchtigkeit.
Diese Kurve zeigt die Sättigungslinie von 1m³ Luft bei 100% Luftfeuchtigkeit und wie viel Gramm Wasser dieses Luftpaket dann enthält. Wie sie sehen steigt die Kurve annähernd exponentiell an, weshalb wärmere Luft wesentlich mehr Wasserdampf aufnehmen kann.
Als nächstes ist die Frage zu klären, wieso sich ein Luftpaket beim Aufstieg überhaupt abkühlt. Wenn der Druck mit der Höhe abnimmt, dehnt sich das Luftpaket weiter aus. Dabei kühlt es sich ab. Wie sie der Tabelle entnehmen können, kann ein Luftpaket welches kälter ist, weniger Wasserdampf halten. Nun steigt seine relative Luftfeuchtigkeit an bis sie 100% erreicht. Das Wasser, welches das Luftpaket nicht mehr halten kann kondensiert aus. Bei diesem Prozess wird jedoch, wie bereits angesprochen, Wärme frei gesetzt. Diese wärme sorgt dafür, dass das Luftpaket wärmer als seine Umgebung bleibt. Das Wasser, welches das Luftpaket verliert, bildet den Wolkenturm. Es fällt dann in Form von Regen, Hagel oder Schnee zu Boden zurück.
Wir halten also fest, desto früher sich Wolken bilden können, also desto früher das Luftpaket beim Aufstieg 100% Sättigung erreicht, desto besser stehen seine Chancen weiter aufzusteigen. Jedes Luftpaket hat eine spezifische Temperatur, auf die es sich abkühlen muss, damit Kondensation statt finden kann. Diese Temperatur nennt man Taupunkt. Je schneller sich ein Luftpaket auf den Taupunkt abkühlt, desto eher kann es sich mit den günstigeren 0,5K/100m abkühlen. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der aktuellen Temperatur und dem Taupunkt ist, desto feuchter ist das Luftpaket. Diese Diefferenz nennt man Spread. Wir spüren diesen hohen Wassergehalt dann, wenn der Taupunkt bei etwa 16°C liegt. Dann empfinden wir die Luft um uns herum als schwül. Vor allem im Sommer gibt es an solchen Tagen häufig Gewitter, das sagt uns dann auch unser Instinkt.
Hier sehen sie den spezifischen Taupunkt zu jeder Temperatur mit dazugehöriger Sättigung. Sie können also anhand des Taupunktes und der Temperatur ganz einfach die Luftfeuchtigkeit in Prozent und Gramm des jweiligen Luftpaketes ermitteln.
Labilität
Ohne Labilität kann es keine Gewitter geben. Labilität beschreibt den Zustand der Schichtung der Atmosphäre. Ist diese labil, so hat ein Luftpaket am Boden die Möglichkeit aufzusteigen. Als labil bezeichnen wir als den Zustand der Atmosphäre, ein Luftpaket bis zur Tropopause aufsteigen zu lassen. Dies funktioniert nur, wenn die Temperatur mit der Höhe mehr als 0,5K/100m abnimmt, ansonsten würde das Luftpaket nicht weiter aufsteigen können. Diesen Zustand nennt man feuchtlabil, da nur Luftpakete aufsteigen können in denen Kondensation statt findet, da nur diese sich mit 0,5K/100m abkühlen. Ein seltener Zustand der Atmosphäre, der nur in der Grundschicht zu finden ist, ist die tockenlabile Schichtung. Sie lässt es zu, dass sogar Luftpakete ohne Kondensation aufsteigen können. Also nimmt die Atmosphäre mit über 1K/100m ab. Dieser Zustand wird nur Tagsüber ereicht, wenn die Sonne die Grundschicht vom Boden aus erwärmen kann. So werden solch starke Temperaturgradienten erreicht. Dadurch kann ein Luftpaket vom Boden aus aufsteigen, bis es sich so weit abgekühlt hat das seine Luftfeuchtigkeit auskondensiert und es mit den günstigeren 0,5K/100m. Auf diesem Wege sorgt die Sonne dafür, dass sich die Luftschichtung labilisiert, in dem sie die Grundschicht soweit erhitzt, dass die Luftpakete am Boden nun warm genug für den Aufstieg sind. Für diesen labilen Zustand kann die bereits angesprochene Höhenkaltluft sorgen, welche durch einen enormen Temperaturgradient in der Höhe sorgt, dass die Luftpakete am Boden aufsteigen können. Auch einfließen von warmer Luft am Boden sorgt dafür, dass die Luftpakete am Boden warm genug sind für den Aufstieg. Werte, die die Lbilität angeben sind unter anderem das sogenannte ΔT der 850hPa und 500hPa Druckflächen. Es beschreibt die Temperaturdifferenz dieser beiden Höhen. Als Anhaltswert, der mindestens erreicht werden muss, damit es labil genug ist für die Bildung von Gewittern, ist in etwa 25K ΔT. Alles was darunter liegt ist zu stabil und es wird nicht zu einer Gewitterbildung kommen. Je höher also die Temperaturdifferenz dieser beiden Flächen, desto labiler ist es und desto eher gibt es Gewitter oder gar starke Unwetter. Ermitteln kann man diesen Wert aus der 850hPa Temperaturkarte und der 500hPa Temperaturkarte.
Energie
Es gibt zwei Arten von Energien, die für Gewitter verantwortlich sind. Da haben wir zum einen die Feuchteenergie, das sogenannte Theta E und die potentielle Enegrie, welche aus der Labilität der Luftschichtung resultiert, das sogenannte CAPE.
Die Feuchteenergie ist schnell beschrieben. Sie setzt sich zusammen aus der aktuellen Temperatur des Luftpaketes, dessen Luftfeuchtigkeit und dessen Außendruck zusammen.
Man kann diesen Wert ganz einfach der 850hPa Äquivalentpotentiellen Temperatur-Karte entnehmen. Sie gibt die Feuchteenergie der Luft in der Höhe an, in der 850hPa Druck vorliegen. Auf dieser Karte lassen sich verschiedene Luftmassen erkennen, so fallen sofort Fronten auf durch ihre unterschiedlichen Theta E Werte.
Auf dieser Karte kann man eine Kaltfront erkennen, welche Deutschland von West nach Ost überquert. Man erkennt diese deutlich an den unterschiedlichen Theta E Werten. Relativ gesehen geringerer Theta E steht für eine weniger Energiereiche Luftmasse, denn ihre Feuchtigkeit und Temperatur ist geringer. Frei gesetzt wird die Energie des Theta E's durch Wolkenbildung. Je höher der Theta E, desto mehr Feuchtigkeit kann frei gesetzt werden und desto heftiger werden die Gewitter.
Nun kommen wir zur potentiellen Energie, dem CAPE. Convective Avaliable Potential Energie, oder auf Deutsch: Konvektiv verfügbare potentielle Energie. Als Konvektion bezeichnet man die Aufwinde, welche sich in Form von Schauern und Gewittern zeigen. Es ist also die potentielle Energie, die einem Gewitter zur Verfügung stehen würde, falls sich ein Gewitter bildet. Potentielle Energie dürfte ein Jeder aus dem Physikunterricht kennen. Wenn man zum Beispiel ein Gewicht hoch hebt, dann wird dessen Energie frei gesetzt, sobald mal es fallen lässt. Genau so ist es bei den Gewittern. Am Boden lagern Luftpakete die aufstiegen könnten, wenn nicht etwa eine störende Inversion im Weg wäre. Wird diese Inversion jedoch durchbrochen, beispielsweise durch die gezwungene Hebung an einer Kaltfront, so kann diese Energie frei gesetzt werden. Diese potentielle Energie beruht auf die Schichtung der Atmosphäre. Ist es sehr labil, also nimmt die Temperatur in der Höhe rapide ab, so ist das CAPE sehr hoch. Ist das Luftpaket gerade so wärmer als seine Umgebungsluft, dann hat es nicht so viel CAPE zur Verfügung. Direkt proportional zu der potentiellen Energie ist die Geschwindigkeit, in der die Luft in den Aufwinden auftsiegt. Je mehr CAPE, desto höher ist diese Geschwindigkeit. Die Formel um aus dem CAPE die Aufwindgeschwindigkeit zu errechnen ist simpel, sie lautet:
Je höher die Temperaturdifferenz zwischen dem aufsteigenden Luftpaket und dessen Umgebungsluft ist, desto schneller kann es werden. Dies kann in etwa mit einem Heißluftballon vergleichen. Je mehr der Ballonführer einheizt, desto schneller steigt der Ballon auf, da das bestreben der Luft stärker wird, ja wärmer sie relativ zu ihrer Umgebung ist. Anschlaulich darstellen lässt sich das CAPE am besten mit einem Wetterballon Aufstieg. Dieses so genannte Sounding ist schwer zu verstehen und braucht einiges an Zeit sich dort herin zu arbeiten, aber ich versuche es an dieser Stelle dennoch so nachvollziehbar wie möglich zu machen.
Beim betrachten stechen sofort zwei Kurven heraus. Die rechte dieser beiden Kurven ist die Temperaturkurve. Sie gibt die Temperatur in der jeweiligen Höhe wieder. Dann habe ich eine weitere, dünnere, schwarze Kurve einmal gelb heraus gehoben. Diese Kurve beschreibt den "Weg", den ein Luftpaket nehmen würde, wenn es vom Boden aus Aufsteigt. Für die Eigenschaft des Luftpaketes sind die Werte relevant, die am Boden gemessen werden, wo der Ballon startet. Liegt diese schwarze Kurve rechts der Temperatukurve heißt das, dass unser Luftpaket vom Boden an dieser Stelle bei seinem Aufstieg wärmer sein wird als seine Umgebungsluft. Es kann also weiter aufsteigen. Wäre diese Kurve, wie es oben gegen Ende der Troposphäre passiert, links der Zustandstemperaturkurve der Luftschichutung, dann ist das Luftpaket kälter und würde nicht weiter aufsteigen. Das CAPE wird nur ermittelt, in dem man das Integral über die Fläche nimmt, die die Kurve des Luftpaketes und die Temperaturkurve bilden, solange das Luftpaket wärmer, also rechts, der Temperaturkurve ist. Dieser Wert wird rechts in der Tabelle angebeben, ich habe ihn gelb markiert. Je weiter rechts sich die Kurve des Luftpaketes neben der der Temperatur der Umgebungsluft befindet, desto größer ist die Temperaturdifferenz und desto größer ist auch das CAPE, denn die eingeschlossene Fläche ist umso größer. Die Einheit des CAPEs ist J/Kg.
Der maximale Abstand der Kurve des Luftpaketes zur Temperaturkurve wird auch angegeben. Je größer dieser ist, desto labiler ist es. Der Abstand wird als Lifted Index bezeichnet. Je kleiner der Lifted Index Wert ist, also desto weiter unter 0, desto labiler ist es. Hohes CAPE geht mit einem niedrigen Lifted Index einher.
Konvektive Hemmung, CIN
Als Konvektive Hemmung bezeichnet man die Energie, die ein Luftpaket aufbringen muss, um eine Inversion zu durchbrechen um danach seine potentielle Energie entfalten zu können. Diese Energie kann es durch Sonneneinstrahlung erhalten, oder durch gezwungene Hebung. Wenn eine Kaltfront die Luft anhebt, kann sie dem Luftpaket den nötigen Energie-boost geben, damit dieses die Inversion überwinden kann. Auch eine Konvergenz oder die Hebung an einem angeströmten Gebirge kann dafür sorgen, dass diese Energie erreicht wird. Ermittelt wird dieser Wert auch wieder aus dem Sounding. Man ermittelt den Wert aus der Fläche, die die Temperaturkurve und die kurve des Luftpaketes links von der Temperaturkurve einschließen, bevor die Kurve des Luftpaketes das erste Mal rechts von der Temperaturkurve ist.
Lifted Index, LI
Der Lifted Index gibt , welchen Abstand die Zustandskurve des Luftpaketes von der Temperaturkurve maximal hat. Es gilt: LI< 0 = labil, LI > 0 = stabil. Ist die Schichtung labil und der Lifted Index negativ, ist die Zustandskurve des Luftpaketes in manchen Höhenbereichen rechts der Temperaturkurve. Befindet sich die Zustandskurve links der Temperaturkurve, dann ist die Schichtung stabil und der Lifted Index positiv. Entnommen werden kann der Lifted Index den Wetterballoon Aufstiegen, so wie den Wetterkarten, in denen er oft im Zusammenhang mit dem CAPE dargestellt wird. Ein niederiger Lifted Index begünstigt immer viel CAPE, da die Zustandskurve so einen großen Abstand von der Temperaturkurve hat und damit die Fläche über die das CAPE als Integral ausgerechnet wird um so größer ist.
Auf dieser Karte in der das CAPE und der LI als Composit dargestellt werden, sieht man die Bereiche, in denen CAPE vorliegt und die gestrichelten Konturen, in welchem Bereich der LI welchen Wert hat. Man sieht, dass hohes CAPE mit einem niedirgen LI einher geht.
©2012 Bastian Werner
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