Vertikale Luftbewegungen PDF

3 3 Vertikale Luftbewegungen Adiabatische Zustandsänderungen: adiabatisch: physikalischer oder chemischer Vorgang, bei dem zwischen System und Umgebung kein Wärmeaustausch stattfindet. Vertikale Aufwärtsbewegung: ⇨ Exp...

3 3 Vertikale Luftbewegungen Adiabatische Zustandsänderungen: adiabatisch: physikalischer oder chemischer Vorgang, bei dem zwischen System und Umgebung kein Wärmeaustausch stattfindet. Vertikale Aufwärtsbewegung: ⇨ Expansion und Abkühlung der gehobenen Luft Grad der Abkühlung in Abhängigkeit davon ob: Aggregatszustandsänderungen des Wassers (insbes. Kondensation + Freisetzung latenter Wärme) stattfinden 1) ohne Aggregatszustandsänderungen: trockenadiabatisch 1) mit Aggregatszustandsänderungen: feuchtadiabatisch  4 4 Aggregatzustände von H2O Verdunstungsenergie EV in Abhängigkeit von der Temperatur T: T [°C] -10 0 10 20 30 40 100 EV [J/g] 2524 2498 2478 2452 2427 2394 2256  5 5 Vertikale Luftbewegungen Adiabatische Zustandsänderungen: Trockenadiabatischer vertikaler Temperaturgradient: gilt für e < E ; vertikaler Temperaturgradient:  1°C/100m Nach oben kühlts ein Grad ab, nach unten erwärmts sich ein Grad Feuchtadiabatischer vertikaler Temperaturgradient: gilt für e = E ; vertikaler Temperaturgradient: temperaturabhängig am häufigsten: 0.5 bis 0.7°C/100m  6 6 Thermodynamisches Diagramm (nach Stüve 1927)  8 8 Luftdruck Thermodynamisches Diagramm (nach Stüve 1927) Höhe Immer an Schnittpunkten von grün und blau setzt Sättigung, Kondensation ein Temperatur Feuchtadiabaten (maximale) spezifische Feuchte Trockenadiabaten  9 9 Trocken- und feuchtadiabatische Zustandsänderung hPa km 700 -3 bedingt durch Kondensationsenergie Kondensationsprozesse finden nicht kontinuierlich statt, sondern in Intervallen Feucht- adiabate -2 800 Kon densations- niveau Tr o ck -1 900 en ad Kondens.- ia ba punkt t e 1000 (Weischet 2002) 0° 4° 8° 10° 20°  10 10 Vertikale Luftbewegungen Adiabatische Zustandsänderungen: Trockenadiabatischer und feuchtadiabatischer Temperaturgradient Aus temperaturabhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks ergibt sich: Bei hohen Lufttemperaturen (warme Klimate, untere Troposphärenschichten): ⇨ feuchtadiabatischer Temperaturgradient wesentlich kleiner als der trockenadiabatische. Bei niedrigen Lufttemperaturen (kalte Klimate, höhere Troposphärenschichten): ⇨ feuchtadiabatischer Temperaturgradient gleicht sich dem trockenadiabatischen immer mehr an. Da ist Reduktion der Abkühlung immer weniger stark ausgeprägt  11 11 Vertikale Luftbewegungen Adiabatische Zustandsänderungen: Das Föhnprinzip Hochdruckgebiet Tiefdruckgebiet m + 0.5°C/100m feuchtadiab. 4200 Luftmasse steigt wieder ab feuchtadiabatisch - 0.5°C/100m 3600 Der Luftmasse wird Feuchtigkeit entzogen Kond.niveau Ab hier gesamte Feuchtigkeit verdunstet 3000 trockenadiabatisch 2400 Nieder- + 1°C/100m schlag 1800 Kond.niveau - 1°C/100m tr.-adiabat. 1200 z.B. 23°C, 18% z.B. 20°C, 52% 600 Po – Ebene Alpen Alpenvorland  12 12 Vertikale Luftbewegungen Adiabatische Zustandsänderungen: Das Föhnprinzip  13 13 Vertikale Luftbewegungen Adiabatische Zustandsänderungen und thermische Vertikalschichtung in der Atmosphäre (geometrischer vertikaler Temperaturgradient): Höhe Adiabate labile Schichtung stabile Schichtung Inversion Temperatur Stabilität und Labilität der vertikalen thermischen Schichtung  14 14 Vertikale Luftbewegungen Stabilität und Labilität der vertikalen thermischen Schichtung:  15 15 Beispiel eines vertikalen Temperaturprofils mit unterschiedlichen Schichtungen  16 16 Vertikale Luftbewegungen Ursachen für vertikale Luftbewegungen: - orographisch erzwungene Anhebung Hebung von Luftmassen an orographischem Hindernis Anströmung (Tucker 2005)  17 17 Vertikale Luftbewegungen Ursachen für vertikale Luftbewegungen: - orographisch erzwungene Anhebung - Verwirbelung einer (horizontalen) Strömung (“dynamische Turbulenz“) etwa durch Konfluenz oder Diffluenz horizontale oder vertikale Scherung - katabatischer Kaltluftabfluss - Advektion unterschiedlich temperierter Luftmassen - Aufgleitbewegung - erzwungener Aufstieg  18 18 Vertikale Luftbewegungen Ursachen für vertikale Luftbewegungen: - Advektion unterschiedlich temperierter Luftmassen Aufgleitbewegung: ← warme Luft wird gegen kalte Luft geführt Hat höhere Dichte -> Warmluft gleitet auf Kaltluft (McKnight & Hess 2009) Warmfront  19 19 Vertikale Luftbewegungen Ursachen für vertikale Luftbewegungen: - Advektion unterschiedlich temperierter Luftmassen Einbruchsprozess: ← kalte Luft wird gegen warme Luft geführt Kaltluft bricht in Warmluft ein, schiebt sich unter Warmluft -> plötzlicher Aufstieg (McKnight & Hess 2009) Kaltfront  20 20 Vertikale Luftbewegungen Ursachen für vertikale Luftbewegungen: - orographisch erzwungene Anhebung - Verwirbelung einer (horizontalen) Strömung (“dynamische Turbulenz“) etwa durch Konfluenz oder Diffluenz horizontale oder vertikale Scherung - katabatischer Kaltluftabfluss - Advektion unterschiedlich temperierter Luftmassen - Aufgleitbewegung - erzwungener Aufstieg - labile Schichtung ,die vertikale Bewegung ermöglicht - Konvergenzen und Divergenzen → Massengewinn bzw. Massenverlust im horizontalen Strömungsfeld  24 24 HOCH TIEF Rotation antizyklonal zyklonal divergentes konvergentes bodennahe Strömung Ausströmen Einströmen Vertikalbewegung absinkend aufsteigend Bewölkung gering stark aber: Nebelbildung Hitzetiefs bei dyn. Höhenkonvergenz Höhendivergenz Druckgebilden  27 27 Vertikale Luftbewegungen Witterungsphänomene bei ausgeprägter Stabilität / Labilität der Schichtung: Gewitter – Typen (ausgeprägte Labilität): Luftmassengewitter (“Wärmegewitter“) Frontalgewitter orographische Gewitter Inversions – Typen (ausgeprägte Stabilität): Ausstrahlungsinversion Aufgleitinversion dynamische Absinkinversion  30 30 Vertikale Luftbewegungen Witterungsphänomene bei ausgeprägter Stabilität / Labilität der Schichtung: dynamische Absinkinversion: Absinkende Luftmassen erwärmen sich -> kommt über bodennah kühlere Luft zuliegen vertikales Temp.-Profil Inversion Oft Kombination von Absinkungsinversion und Ausstrahlugsinversion EOF Adiabate  32 32 Inversionslage:Temperatur  34 34 Inversionslage: Temperatur (picture alliance/AP Images) Winterliche Inversionslage in Salt Lake City Vertikale Luftbewegungen Thermische Schichtung der Atmosphäre Labile Schichtung: Temperatur des Luftpakets kühlt sich langsamer ab als Umgebungsluft → Luftpaket kann immer weiter aufsteigen Spätestens bis zu Tropopause → Austauschprozesse Stabile Schichtung: Temperatur des Luftpakets kühlt sich schneller ab als Umgebungsluft → wird immer wieder nach unten gedrückt → Austauschprozesse stark behindert Inversion: besonders starke stabile Schichtung → Temperatur der Umgebungsluft nimmt mit Höhe zu → keine Austauschprozesse möglich Lufthygiene 16