Gleichgewichtszustand Beschreibung der Gleichgewichtslage Kugel kehrt in die Ruhelage zurück Kugel entfernt sich beschleunigt aus der Ruhelage

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1 Statische Stabilität oder thermische Schichtung der Troposphäre Die vertikale Temperatur-, Feuchte- und Druckverteilung der Atmosphäre wird im synoptisch-aerologischen-routinedienst täglich um 00 und 12 UTC durch Radiosondenaufstiege ermittelt. Die Auswertung dieser Messwerte ergibt ein umfangreiches Spektrum an meteorologischen Informationen, ohne die eine präzise Wetterprognose im synoptischen und flugmeteorologischen Vorhersagedienst nicht denkbar wäre. Von besonderer Relevanz dabei sind Vertikalbewegungen der Luft, da diese die Bildung und Veränderung von Wolken- und Niederschlagspartikeln weitgehend bestimmen. Auf- und Abwärtsbewegungen der Luft werden jedoch, je nachdem welcher troposphärische Gleichgewichtszustand - statische Stabilität oder thermische Schichtung genannt - vorliegt, initiiert, gefördert, abgeschwächt oder unterdrückt. In der Mechanik lassen sich die Arten und Auswirkungen unterschiedlicher Gleichgewichtszustände am anschaulichsten demonstrieren. Dazu betrachtet man das Verhalten eines abgeschlossenen physikalischen Systems wie z.b. einer Kugel, das sich im Gleichgewichtszustand mit seiner Umgebung befindet. Wird die Kugel nun durch einen kurzzeitig einwirkenden Kraftstoß aus seiner anfänglichen Ruhelage entfernt und anschließend sich selbst überlassen, so können die drei unterschiedlichen Gleichgewichtslagen labil, stabil und definiert und beschrieben werden. Beschreibung der Gleichgewichtszustände einer Kugel Gleichgewichtszustand Beschreibung der Gleichgewichtslage stabil Kugel kehrt in die Ruhelage zurück labil Kugel entfernt sich beschleunigt aus der Ruhelage Kugel befindet sich auch nach der Veränderung im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung

2 Atmosphärische abgeschlossene kleine Luftvolumen Luftpakete oder Luftquanten genannt - verhalten sich thermodynamisch ähnlich wie Kugeln in der Mechanik. Um die Gleichgewichtszustände der Troposphäre verständlich erklären zu können, betrachtet man deshalb ein Luftpaket in einer gegebenen Höhe, das aus seiner Ruhelage Vertikalbewegungen ausführen soll. Im Ausgangsniveau besitzt das Luftquantum dieselbe Dichte bzw. Temperatur wie seine Umgebungsluft. Es erfährt dann - wie die Kugel - in der Ausgangslage einen kurzzeitigen Kraftstoß, der es in der Troposphäre auf- oder abwärts in Bewegung setzt. Ein individuelles Luftpaket befindet sich mit seiner Umgebung in der Ursprungslage im Gleichgewicht, wenn es dieselbe Dichte bzw. Temperatur wie seine Umgebungsluft besitzt. Seine Gewichtskraft wird dann durch seine Auftriebskraft kompensiert. Dieser Gleichgewichtszustand wird als hydrostatisches Gleichgewicht oder kürzer als statische Stabilität bezeichnet und das physikalische Verfahren heißt Parcel-Methode (Paket = parcel [engl.]). Die Voraussetzungen der Parcel-Methode sind: Adiabatische Expansion (beim Aufsteigen) bzw. Kompression (beim Absinken) des Luftpaketes, keine Durchmischung des Luftpaketes mit der Umgebungsluft und keine Kompensationsbewegungen im Umfeld des Luftpaketes. Wird nun dieses Luftquantum durch einen kurzzeitigen vertikalen Kraftstoß aus seiner Gleichgewichtslage gebracht, danach sich selbst überlassen und vergleicht man jetzt während seiner Vertikalbewegung seine Temperaturänderung mit der der Umgebungsluft, so lassen sich drei Fälle unterscheiden: Das Luftpaket ist beim Aufsteigen kälter und beim Absinken wärmer als seine Umgebungsluft, oder anders ausgedrückt, seine vertikale Temperaturänderung ist größer als die der umgebenden Luft. Die thermische Schichtung ist stabil.

3 Das Luftpaket ist beim Aufsteigen wärmer und beim Absinken kälter als seine Umgebungsluft oder seine vertikale Temperaturänderung ist kleiner als die der Umgebungsluft. Die thermische Schichtung ist labil. Das Luftpaket hat beim Aufsteigen und beim Absinken die gleiche Temperatur wie die umgebende Luft oder seine vertikale Temperaturänderung ist genau so groß wie die der Umgebungsluft. Die thermische Schichtung ist. Beschreibung der Gleichgewichtszustände eines Luftpaketes in der Troposphäre Gleichgewichtszustand Beschreibung der Gleichgewichtslage Erfährt ein Luftpaket einen kurzzeitigen aufwärts gerichteten Anstoß und ist seine vertikale Temperaturänderung größer als die der umgebenden Luft, so kühlt es sich stärker ab als diese. Wie ein in die Höhe geworfener Stein wird es deshalb bis zum Stillstand abgebremst und beginnt sich anschließend beschleunigt abwärts zu bewegen. Dabei erwärmt es sich stärker als seine Umgebungsluft, stabil schießt über die Ausgangslage hinaus, ist nun wärmer als sein Umfeld, so dass die Abwärtsbewegung vermindert wird und es nach seinem Stillstand wieder beschleunigt aufsteigt. So schwingt das Luftpaket um die Gleichgewichtslage unter ständigem Verlust an kinetischer Energie infolge Reibung und kommt allmählich dort wieder zur Ruhe. Ein nach oben angestoßenes Luftpaket ist wärmer als die Umgebungsluft, besitzt damit Auftrieb und steigt auf. Bei einem Anstoß nach unten dagegen ist es kälter als die Umgebungsluft, so dass es aufgrund seiner Abtriebskraft seine abwärtsgerichtete Bewegung fortsetzt. labil In beiden Fällen wirken Kräfte ein, die das Luftpaket anfangs beschleunigt aus der Gleichgewichtslage entfernen, in die es nicht mehr zurückkehrt. Hat das Luftpaket bei Ab- und Aufwärtsbewegungen die gleiche Temperatur wie die umgebende Luft, wird es durch Ab- bzw. Auftriebskräfte weder verzögert noch beschleunigt. Es bewegt sich des- halb mit seiner Anstoßgeschwindigkeit solange weiter, bis es durch Reibung mit der Umgebungsluft zur Ruhe kommt. Bei labiler Schichtung z.b. kann ein Luftpaket von ganz alleine Aufsteigen, so dass sich durch seine vertikale Abkühlung bei ausreichendem Wasserdampfgehalt Quellwolken bilden. Bei stabiler Schichtung dagegen muss die Luft zwangsweise gehoben werden (z.b. auf der Luvseite eines Berges) und es entstehen Schichtwolken. Je nachdem, ob es sich bei diesen Vorgängen um ein trockenes oder feuchtes Luftpaket (relative Luftfeuchte U = 0 % oder 1-99 %) bzw. um ein gesättigtes Luftquantum (U = 100 %, Wolkenluft) handelt, unterscheidet man die Gleichgewichtszustände trocken- oder feuchtstabil (trockenes/feuchtes oder gesättigtes Luftpaket) trocken- oder feuchtlabil und trocken- oder feucht.

4 Ein trockenes oder feuchtes Luftpaket ändert bei Vertikalbewegungen seine Temperatur trockenadiabatisch (γ d ) und ein gesättigtes Luftquantum feuchtadiabatisch (γ w ). Die Temperaturänderung γ der sich in Ruhe befindlichen umgebenden Luft ergibt sich dagegen aus dem vertikalen Temperaturprofil (t/p-zustandskurve) der in ein thermodynamisches Diagrammpapier eingetragenen Radiosondenmesswerte (TEMP). Bestimmen lässt sich die statische Stabilität eines Luftpaketes durch den Vergleich der Neigung der t/p-zustandskurve mit der der benachbarten Trocken- oder Feuchtadiabate im gleichen Druckniveau. Verläuft die t/p-zustandskurve steiler als die benachbarte Trocken- oder Feuchtadiabate, dann ist die Schichtung stabil. Eine labile Schichtung liegt vor, wenn die t/p-zustandskurve ein flacheres Aussehen als die benachbarte Trocken- oder Feuchtadiabate zeigt. Die Schichtung erweist sich als, wenn die t/p- Zustandskurve die gleiche Steigung hat wie die benachbarte Trocken- oder Feuchtadiabate. Feuchte Luft Gasgemisch aus trockener Luft und ungesättigtem Wasserdampf ( 0 % < U < 100 %) Wolkenluft oder gesättigte Luft Gasgemisch aus trockener Luft und gesättigtem Wasserdampf ( U = 100 %)

5 Die nachfolgende Tabelle fasst die unterschiedlichen Gleichgewichtszustände, die troposphärische Luftpakete aufweisen können, noch einmal zusammen. Gleichgewichtszustand und vertikaler Temperaturgradient Art des Gleichgewichtszustandes vertikaler Temperaturgradient [K (10-2 m -1 )] feuchtes Luftpaket gesättigtes Luftpaket stabil trockenstabil γ d > γ feuchtstabil γ w > γ labil trockenlabil γ d < γ feuchtlabil γ w < γ trocken γ d = γ feucht γ w = γ Verhalten des Luftpaketes nach dem kurzzeitigen Anstoß aus der Ruhelage Rückkehr in die Gleichgewichtslage Entfernung aus der Gleichgewichtslage ständig im Gleichgewicht mit der Umgebungsluft Ein gleichzeitig vorliegender trockenstabiler und feuchtlabiler Zustand (γ d > γ > γ w ) wird als bedingte Labilität oder bedingte Stabilität bezeichnet. Die thermische Schichtung wird in diesem Fall erst labil, wenn nach erzwungener Hebung Kondensation eingesetzt hat. Die bisherigen Betrachtungen der statischen Stabilität bezogen sich immer auf die Parcel-Methode. Wird dagegen eine gesamte Luftschicht gehoben bzw. vertikal gestreckt, so führt dieser Vorgang zu einer Veränderung der Temperatur- und Taupunktskurve eines TEMP. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass ein im thermodynamischen Diagrammpapier nach der Parcel-Methode ausgewerteter Radiosondenaufstieg, der als stabil erkannt wurde, nach dem vollzogenen Hebungsvorgang plötzlich labil in Erscheinung tritt. Diese Art der Instabilität wird als potentielle Labilität bzw. in der amerikanischen Literatur auch als konvektive Labilität bezeichnet.