Thema: “Konvektion”

Man konnte es in diesem Jahr, wie in allen anderen Jahren, gut beobachten:

Kaum war der kalte und triste Winter vorbei, die ersten Sonnenstrahlen erwärmten die noch von  der Schneeschmelze feuchte Erde, und schon wuchsen im Laufe des Tages die ersten majestätischen Quellwolken empor. Die Segelflieger freut das, weil wo Wolken quellen gibt es Aufwinde, und zwar nicht zu knapp.

Was war geschehen? In einem Wort: Konvektion, und darüber wollen wir heute reden.

Eigentlich ist es einfach: Luftpakete steigen auf, denen sich aus und kühlen sich dabei ab. Kondensation beginnt, Wärme wird frei, die aufsteigende Luft heizt sich innerlich an und steigt weiter auf, bis sie an einer Inversion gestoppt wird. Ultimativ wäre das die Inversion an der Tropopause, und wir hätten eine wunderschöne und für uns Flieger nicht ungefährliche Gewitterwolke, einen CB. Oder die ganze Entwicklung schläft ein, sei es, weil eine niedrige Inversion den weiteren Aufstieg verhindert, sei es, das die sich bildende Wolke den Erdboden abschattet, damit die Sonneneinstrahlung und den Nachfuhr weiterer aufsteigender Luftmassen unterbindet.

Klären wir einige Dinge im Detail:

Stellen wir uns vor, wir säßen in einem Ballon. Beim Aufstieg würden wir merken, dass es oben, wie zu erwarten, immer kälter wird. Bliebe die Temperatur mit der Höhe gleich, hätten wir eine Isothermie, nähme die Temperatur mit der Höhe zu, wäre es eine Inversion. Beide, sowohl Isothermien als auch Inversionen, wirken als Sperrschichten für aufsteigende Luft.

(c) M. Vogt

An der Tropopause haben wir immer eine solche Sperrschicht, weil in dieser Höhe, ausgelöst durch die relative „harte“ kurzwellige Sonnenstrahlung, chemische Umwandlungen stattfinden, die Energie freisetzen und dadurch die Atmosphäre aufheizen – Stichwort Ozonschicht.

Warum aber dehnen sich aufsteigende Luftmassen aus? Nun, oben ist die Luft nicht nur kälter, sie ist auch „dünner“, der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab. Die von unten aufsteigende, „dicke Luft“ macht breite Arme und nimmt mehr Platz ein. Dabei kühlt sie sich ab.

Wie das? Nun, man nehme eine Fahrradluftpumpe, halte den Ausgang mit dem Daumen zu und fange an heftig zu pumpen. Nach kurzer Zeit wird es warm am Daumen und der zugehörigen Hand: wird Luft verdichtet oder komprimiert, so erwärmt sie sich. Weshalb sie sich, im Umkehrschluss, beim Entspannen oder Ausdehnen abkühlen muss. Nach diesem Prinzip arbeiten in unseren Haushalten Kühlschränke und Wärmepumpen (die nichts anderes als ein „umgedrehter“ Kühlschrank sind).

Bei der Abkühlung nähert sich die Lufttemperatur dem Taupunkt an. Kommen dann noch Kondensationskeime hinzu, so wird aus Wasserdampf flüssiges Wasser, und Wärme wird frei.

Schauen wir uns das ein wenig genauer an. Um einen Liter (genauer: ein Kilogramm) Wasser um 1° Celsius zu erwärmen, braucht eine gewisse Menge Energie, nämlich 4,2 kJ (Kilojoule). Oder eine Kilokalorie, wie wir älteren Menschen das noch gelernt haben. Wir können uns nun anstandslos flüssiges Wasser von 99°C vorstellen. Um dieses Wasser auf 100°C zu bekommen, brauchen wir 4,2 kJ. Jetzt haben wir flüssiges Wasser von 100°C. Genauso anstandslos können wir uns dampfförmiges Wasser (also Dampf) von 100°C vorstellen.

Um nun aus unserem flüssigen Wasser mit 100°C Dampf mit 100°C zu machen, müssen wir weitere Energie zuführen. Nämlich 2501 kJ. Die fast SECHSHUNDERTFACHE Energiemenge, um bei gleicher Temperatur von flüssig zu gasförmig zu kommen.

Diese 2501 kJ bekommen bei der Kondensation wieder zurück. Wie sich das anfühlt, weiß jeder, der schon einmal bei einem zünftigen Aufguss in der Sauna war.

Unser aufsteigendes Luftpaket heizt sich also innerlich immer weiter an, es spielt sozusagen Heißluftballon ohne Ballon. Und steigt solange auf, als seine Temperatur höher ist als die Temperatur der umgebenden, ruhenden Luft.

Und es hört mit dem Aufstieg auf, sobald die umgebende Luft wärmer ist: siehe Isothermie bzw. Inversion.

Damit wird deutlich was mit labiler oder stabiler Schichtung gemeint ist: Labile Schichtung bedeutet in der ruhenden Luft starke Abkühlung mit der Höhe, somit den Fahrstuhl ins Glück für unseren Freund, die Gewitterwolke. Jetzt wird auch klar, warum Kaltluft in der Höhe quasi wie ein Staubsauger die Wolken zu sich „hochzieht“. Stabile Schichtung bedeutet in der ruhenden Luft geringe Abkühlung mit der Höhe, somit kann unser Luftpaket auf der faulen Haut liegen bleiben.

Bleibt noch zu klären, warum die Luft überhaupt aufsteigen will, was also die Hebung auslöst: Entweder die Sonne erwärmt den Erdboden, der wiederum erwärmt die darüber liegende Luft, oder der Wind treibt die Luft irgendwelche Hindernisse hinauf. Das können Berge oder andere Luftmassen sein. Das Heißluftballonspielchen beginnt, sobald Wasser kondensiert.

Konvektion und die damit verbundenen Wettererscheinungen hat es immer bei Hebungen. Begünstigt durch labile Schichtung, an Bergen, an Wetterfronten und an der Küste. Weshalb an der Küste? Nun, die schnelle, durch keine Bodenreibung abgebremste Luft über See trifft auf die langsamere Luft an Land, muss sich deshalb heben und wir haben eine schöne Wolkenreihe entlang der Küste. Oder entlang von Gebirgszügen. Oder an Wetterfronten.

Euer Wetterfrosch
Markus

PS: Uups, jetzt habe ich doch tatsächlich über Konvektion geschrieben, ohne ein einziges Mal das Wort Adiabate zu verwenden 😉


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