Atmosphärische Schichtungstypen

Stabilität, Labilität, Inversion

Wolken entstehen durch Konvektion - dem vertikalen Aufstieg von Luft - oder durch Advektion - dem horizontalen Aufgleiten von wärmerer Luft auf kältere Luft. Trotzdem gibt es nicht nur zwei Wolkentypen - Konvektions- und Advektionswolken - sondern 10 Wolkengattungen. Damit eine bestimmte Wolkengattung entsteht, muss neben Konvektion oder Advektion noch eine bestimmte atmosphärische Schichtung vorhanden sein.

Eine Schichtung in der Atmosphäre ist die vertikale Anordnung verschiedener Luftmassen, die durch eine bestimmte Ausprägung der meteorologischen Elemente (Temperatur, Wind, Luftdruck, u.s.w.) gekennzeichnet sind. Man unterscheidet zwischen stabiler und labiler Schichtung.

stabile Schichtung/Stabilität: Eine bewegte Luftmasse kühlt sich zuerst trockenadiabatisch (1°C je 100 m) und über dem Kondensationsniveau feuchtadiabtisch (½°C je 100 m) ab. Wenn sich aber die Luft der Umgebung mit der Höhe geringer abkühlt, dann gibt es einen Punkt, an dem die Temperatur des transportierten Luftpaketes (Adiabate) niedriger ist als in der Umgebung (Zustandskurve). Das Luftpaket ist nun also kälter als seine Umgebung. Kalte Luft hat eine höhere Dichte als warme Luft, sie ist daher schwerer. Aufgrund ihres größeren Gewichtes kann kalte Luft in warmer Luft nicht weiter aufsteigen bzw. wird ihr Aufstieg erst einmal gebremst. Eine besondere stabile Schichtung ist die Inversion. labile Schichtung/Labilität: Die Umgebung kühlt sich schneller als das Luftpaket ab. Die Umgebungstemperatur ist also niedriger als die Temperatur des Luftpakets. Diese relativ warme Luft des Luftpakets wird, aufgrund ihrer geringeren Dichte gegenüber der kälteren Luft, angehoben. Das Luftpaket wird bei seinem Aufstieg also nicht gehindert.

Die stabile und labile Schichtung sind also abhängig von der Temperatur der Atmosphäre - ihrem Zustand. Die Abkühlung einer Luftmasse (Luftpaket), die aufsteigt, ist immer gleich: erst trockenadiabatisch, dann feuchtadiabatisch. Die Abkühlung des bewegten Luftpaketes ist also unabhängig von der Umgebungstemperatur!

Die Gedankengänge bei den Vorgängen in einer stabilen bzw. labilen Schichtung verdeutlicht noch einmal die folgende Tabelle.

Wolkengattungen und ihre Schichtungstypen

Zur Erklärung der verschiedenen Wolkengattungen mit Hilfe von Schichtungstypen muss neben der Stabilität und Labilität noch eine dritte Größe hinzugefügt werden: die Horizontalströmung (Wind). Man muss diese Größe berücksichtigen, da Stratuswolken ja durch Advektion - dem horizontalen Aufgleiten von warmer Luft auf kalte Luft - entstehen.

In diesem Abschnitt wird nun beschrieben, welche atmosphärische Schichtung zur Ausbildung welcher Wolkengattung vorhanden sein muss.

Allgemein kann gesagt werden:

• Quellwolken (Cumulus) entstehen in einer labilen Schichtung ohne starker Horizontalströmung (Konvektion).
• Schichtwolken (Stratus) entstehen in einer stabilen Schichtung mit starker Horizontalströmung (Advektion).
• Die Wolkenbildung wird unterdrückt in einer stabilen Schichtung ohne Horizontalströmung.
• Wolken, die auf ein Wolkenstockwerk begrenzt sind (z.B. Altocumulus - mittelhohe Wolken), verlangen eine stabile Unterschicht und teilweise auch eine stabile Oberschicht, weil sie ja nur in einem Wolkenstockwerk vorkommen, in den anderen Stockwerken muss also die Wolkenbildung unterdrückt sein.

Wenn man diese "Regeln" beachtet, ergeben sich für die einzelnen Wolkengattungen folgende Schichtungstypen:

Häufig erkennt man aber mehrere Wolken verschiedener Gattungen am Himmel (z.B. Stratocumulus, Altocumuls, Cumulus). Dann muss die Atmosphäre also komplizierter geschichtet sein als es in den obigen Abbildungen dargestellt ist. Um die Gesamtschichtung zu ermitteln, muss man so die wolkenspezifischen Schichtungen kombinieren. Es kann daher vorkommen, dass die Atmosphäre eine labile Unterschicht und eine labile Oberschicht hat aber dass die Schicht dazwischen stabil ist.

Inversionen

Die Inversion ist eine besondere stabile Schichtung. Dabei nimmt in der Atmosphäre mit der Höhe die Temperatur zu, obwohl sie normalerweise abnimmt.

Die Luft in höheren Schichten ist also wärmer als in niedrigeren Schichten. Warmluft liegt über Kaltluft. Da die kalte Luft schwerer ist als die warme Luft, findet zwischen diesen unterschiedlich temperierten Luftmassen kein Temperaturaustausch statt. Die warme Luft kann nicht absinken, weil unten die schwere Kaltluft liegt und die Kaltluft kann nicht aufsteigen, da sie zu schwer ist. Eine Temperaturinversion wirkt also als Sperrschicht, die den vertikalen Luftmassenaustausch verhindert. In der unten abgeschlossenen Kaltluft sammelt sich häufig Staub und Dreck an. Inversionen sind also (meistens) an grauem Dunst (oder Nebel) erkennbar, der sich unter blauem Himmel befindet. Die Quellwolken auf dem obigen Bild, die sich in der Grundschicht befinden, stammen aus den Kühltürmen eines Braunkohlekraftwerks; sie sind also für Inversionen untypisch!

Schichtungstypen sagen also etwas über den vertikalen Aufbau der Atmosphäre aus. In einer labilen Schichtung kann Luft aufsteigen und es können sich Konvektionswolken bilden. In einer stabilen Schichtung wird die Wolkenbildung unterdrückt sofern keine starke Horizontalströmung vorhanden ist. Ansonsten bilden sich Advektionswolken. Eine besondere stabile Schichtung ist die Temperaturinversion, dabei nimmt mit der Höhe die Temperatur zu. Durch solche Inversionen bilden sich Nebel- und Dunstschichten.

© Matthias Forkel,