E2 Atmosphärische Thermodynamik

Thema

Die atmosphärische Thermodynamik beschreibt das Verhalten von Luftpaketen beim Aufsteigen, Absinken und Vermischen mit der Umgebungsluft. Zwei Beziehungen bilden die Grundlage der atmosphärischen Thermodynamik: das ideale Gasgesetz, das Druck, Dichte und Temperatur eines Luftpakets so verknüpft, dass die dritte Größe aus zwei dieser drei Größen bestimmt werden kann; und der erste Hauptsatz der Thermodynamik, demzufolge die Wärme, die ein Luftpaket aufnimmt oder abgibt, sich auf die Änderung seiner eigenen Temperatur und die Arbeit durch Ausdehnung oder Kompression verteilt. Aus diesen beiden Beziehungen wird die potentielle Temperatur definiert: die Temperatur, die ein Luftpaket hätte, wenn es ohne Wärmeaustausch mit seiner Umgebung auf ein gemeinsames Referenzdruckniveau gebracht würde. Da sich diese potentielle Temperatur beim trockenen Auf- oder Absinken des Pakets ohne Wärmeaustausch nicht ändert, verhält sie sich wie ein invariantes Thermometer für adiabatische Strömung: Besitzen zwei Pakete die gleiche potentielle Temperatur, stammen sie aus derselben Luftart, selbst wenn sie sich nun in unterschiedlichen Höhen befinden.

Steigt ein bereits mit Feuchtigkeit gesättigtes Luftpaket auf, mildert die bei der Kondensation des Wasserdampfs freigesetzte latente Wärme die ansonsten zu erwartende adiabatische Abkühlung. Daher ist der gesättigte adiabatische Temperaturgradient (ALR) von etwa sechs Grad pro Kilometer Aufstieg geringer als der trockene ALR von etwa neun und acht Zehntel Grad pro Kilometer. Letzterer entspricht dem Temperaturgradienten eines aufsteigenden Luftpakets, dessen Feuchtigkeit nicht kondensiert. Die Freisetzung dieser latenten Wärme ist das entscheidende Merkmal, das ein gesättigtes von einem trockenen Luftpaket unterscheidet: Je mehr Wasserdampf das Paket beim Aufstieg kondensiert, desto mehr latente Wärme setzt es frei und desto langsamer wird seine Abkühlung.

Das gleiche Konzept der potentiellen Temperatur lässt sich auf den feuchten Fall mit der äquivalenten potentiellen Temperatur übertragen, die neben der Temperatur des Luftpakets auch die im Wasserdampf enthaltene Energie berücksichtigt. So wie die gewöhnliche potentielle Temperatur beim trockenen Aufstieg erhalten bleibt, bleibt auch die äquivalente potentielle Temperatur bei feuchtadiabatischen Prozessen erhalten. Daher ist sie zum fundamentalen thermodynamischen Parameter für die Charakterisierung tropischer und konvektiver Luftmassen geworden, bei denen die Luftfeuchtigkeit stets eine entscheidende Rolle spielt.

Das gesamte thermische Verhalten des Luftpakets – seine Abkühlung beim Aufstieg, die Menge der freigesetzten latenten Wärme und die Geschwindigkeit der Temperaturänderung – bestimmt, ob das Paket wärmer als die umgebende Luft wird. Dieser Temperaturunterschied erzeugt den Auftrieb, der das Paket weiter nach oben treibt. Die verfügbare Konvektionsenergie quantifiziert präzise diese potentielle Energie, die das Paket in vertikale kinetische Energie umwandeln kann, während es frei aufsteigt, angetrieben von seinem eigenen Auftrieb vom Niveau der freien Konvektion – dem Punkt, an dem dieser Auftrieb beginnt – zum Gleichgewichtsniveau, dem Punkt, an dem das Paket nicht mehr wärmer als seine Umgebung ist und der Auftrieb erschöpft ist. Wenn die verfügbare konvektive Energie etwa 1000 Joule pro Kilogramm übersteigt, begünstigt die Umgebung die Entstehung intensiver Konvektion.

Bevor das Luftpaket jedoch die Ebene der freien Konvektion erreicht und diese verfügbare konvektive Energie aufnehmen kann, muss es in der Regel eine wärmere Luftschicht durchdringen, die es abbremst, anstatt es nach oben zu befördern: Die konvektive Hemmung misst genau diese Energiebarriere, die überwunden werden muss, bevor Konvektion einsetzen kann. Die atmosphärische Thermodynamik beschreibt somit das gesamte Verhalten eines Luftpakets: wie sich seine potentielle Temperatur beim Auf- und Absinken verändert, wie viel latente Wärme es bei Sättigung freisetzt und ob diese Veränderungen ihm – sobald die konvektive Hemmung überwunden ist – letztendlich genügend Energie liefern, um intensive Konvektion auszulösen.

ID:2124