(15) Kondensation und Wolkenbildung

1. Meteo 224 Meteorologie und Klimaphysik (15) Kondensation und Wolkenbildung

2. Meteo 225 Kondensation Wir „erwarten“, dass es bei Luft-Sättigung zu Kondensation kommt. Auch das muss nicht immer der Fall sein. Damit Kondensation einsetzen kann, müssen Kondensationskeime vor-handen sein (Die „spontane“ Bildung kleiner Wassertröpfchen ist wegen des „Krümmungseffektes“ sehr unwahrscheinlich). In der Atmosphäre gibt es zwar häufig Übersättigung, meist aber nur um einige %. Der Grund dafür ist, dass Kondensationskeime reichlich vorhanden sind, z.B. Staub, Pollen, Ruß-Teilchen, ionisierte Moleküle (Nebelkammer), Schwefelsäure-Tröpfchen … In Großstädten können es eine Million pro cm3 sein, in den Polarregionen auch unter 100. („symbolisches“ Bild – Wasser-tropfen mit Eiskernen am Flugzeugfenster: UF)

3. Meteo 226 Wolkenbildung (grob) Wenn man Luft zusammendrückt, dann erwärmt sie sich. Wenn sich Luft ausdehnt, dann wird sie kälter. Wenn nun Luft (mit ihrem enthaltenen Wasserdampf) aus irgendeinem Grund aufsteigt, dann gelangt sie in größere Höhe und damit wird der umgebende Luftdruck geringer. Die Luft dehnt sich aus, da sie von außen weniger stark zusammengepresst wird. Dadurch nimmt nun aber die Temperatur ab. Irgendwann ist der Punkt erreicht, bei dem die Luft gesättigt ist, es bilden sich Wolken und schließlich Niederschlag. Zu Wolken bzw. Nebelbildung kommt es auch, wenn die Luft direkt abgekühlt wird. Das passiert z.B. über kaltem Wasser (rechts, Bildquelle: Mike Johnston), oder wenn der Boden in der Nacht durch Abstrahlung abkühlt, und dadurch auch die darüber liegende Luft abgekühlt wird (Bildung von Bodennebel u. Talnebel).

4. Meteo 227 Inversion Bei Inversionswetter ist der „normale“ Temperaturverlauf mit der Höhe umgekehrt („invers“). Die Temperatur nimmt also (in einem bestimmten Bereich) mit zunehmender Höhe zu. Besonders häufig tritt dieses Phänomen in Tälern und Becken im Herbst und Winter auf. In klaren Nächten kühlt der Boden durch Abstrahlung stark ab, dadurch kühlt sich auch die bodennahe Luft ab. Es bildet sich ein Kaltluftsee. In der Folge kommt es zur Bildung von Talnebel, den die Sonne nicht mehr durchdringt und damit auch den Boden nicht wieder erwärmen kann. Die kalte Luft kann aus dem Tal nicht abfließen und wird u. U. erst nach Tagen von Wind „ausgeräumt“. Dann ist zwar der Nebel weg, der Wind tritt aber zumeist bei Schlechtwetter auf. In Summe also schlechte Zeiten für Talbewohner (Bild: UF).

5. Meteo 228 Inversion Das Klagenfurter Becken ist für sein Inversions-Neigung berüchtigt (Bild: UF).

6. Meteo 229 Inversion Bei geringer Mächtigkeit löst sich der Kaltluftsee am Vormittag auf (Bild: UF).

7. Meteo 230 Extreme Inversion Bildquelle: photos.eisenbach.at Bei „günstigen“ Bedingungen kann es in solchen Kaltluftseen zu extrem niedrigen Temperaturen kommen. Der absolute Kälterekord für Mitteleuropa stammt aus Österreich. In der Grünloch-Doline auf der Gstettner Alm bei Lunz am See wurden im Spätwinter des Jahres 1932 „arktische“ –52.6°C gemessen. Zum Vergleich: Die niedrigste je am Sonnblick gemessene Temperatur war -37.2°C (Neujahr 1905). Bildquelle: UniWien

8. Meteo 231 Extreme Inversion Kaltluftseen können auch in der Antarktis richtig kalt werden. Auf Aufnahmen des Landsat-8 Satelliten wurden mehrmals Bodentemperaturen von –93°C nachgewiesen. Diese Werte kann man aber nicht direkt mit dem Rekord der „2 m-Temperatur“ an Der Vostok-Station vergleichen. Bildquelle: NASA

9. Meteo 232 Dunst und Nebel Damit heben wir auch schon die wichtigsten Faktoren für Nebelbildung kennen gelernt – Mischen von (zuvor) ungesättigten Luftmassen, sowie: Abkühlung der Luft unter den Taupunkt Strahlungsnebel – Abkühlung des Bodens durch Abstrahlung Advektionsnebel – Überströmen einer kühlen/kalten Fläche Orographischer Nebel, Hangnebel – durch adiabatische Abkühlung Zufuhr von Wasserdampf Dampfnebel, Seerauch – Verdunstung vom Meer, Seen, Flüssen (die wärmer als die Luft sind) Frontnebel – Verdunstung von Regentropfen (wärmer als die Luft) Zwischen Nebel und Wolken gibt es keinen prinzipiellen Unterschied – es handelt sich um Wassertröpfchen (bzw. Eiskristalle), die in der Luft schweben. Passiert das in Bodennähe (oder ist man mitten drin) so spricht man vom Nebel. Ein Hangnebel ist eigentlich nichts anderes als eine Wolke, die am Hang „aufsitzt“. (Nur) in Bodennähe sind auch spezielle Entstehungsprozesse beteiligt (s.o.).

10. Meteo 233 Seerauch Seerauch – Im April ist das Meer vor Spitzbergen zwar kalt – aber die Luft ist noch kälter (Bild: UF).

11. Meteo 234 Hochnebel Im – meteorologische strengen Sinn – spricht man nur dann von Nebel, wenn die Sichtweite kleiner als 1 km ist. Dafür sind typischerweise Tröpfchen mit mindestens 5 µm Radius nötig. Bei dem – besonders unangenehmen – „Nässenden Nebel“ können es auch 50 µm. Auch bei kleineren Tröpfchen tritt schon eine Sicht-Beeinträchtigung auf. Solange die Sichtweite größer als 1 km ist, spricht man hier allerdings von Dunst. Damit ist auch der berüchtigte Grazer und Klagenfurter Nebel (meistens) eigentlich kein Nebel, sondern – Hochnebel. Die Sichtweite am Boden beträgt zwar mehr als 1 km – die Sonne sieht man deshalb aber noch lange nicht. Die Wolkenschicht findet man typischerweise an der Obergrenze des Kaltluftsees – insbesondere bei winterlichen Hochdruck-Wetterlagen – Absinkinversion. Hochnebel kann aber auch durch Abhebung von Bodennebel passieren (Umwandlung einer Bodeninversion in eine freie Inversion).

12. Meteo 235 Hochnebel Hochnebel im Grazer Becken mit einer Obergrenze von ~1000 m (Bild: UF).

13. Meteo 236 Wolkenbildung Überschreitet die Luftfeuchte ihren Sättigungspunkt, kondensiert der Wasserdampf an Staub- oder Aerosolteilchen zu Tropfen (Bild: W&K). Sinkt die Temperatur weit unter Null, gefrieren diese Tropfen zu Eiskristallen. Auch möglich ist Sublimation – der Wasser-dampf lagert sich dann direkt auf den Eiskristallen an. Je nach Lufttemperatur gibt es daher Wasserwolken, Misch-wolken und Eiswolken.

14. Meteo 237 Wolkenbildung Thermische Konvektion (alle Bilder: W&K). Orographische Wolkenbildung Warmfront Kaltfront