E2 Turbulente Oberflächenströmungen

Thema

Turbulente Oberflächenströmungen sind der Austausch von fühlbarer Wärme, latenter Wärme und Impuls zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre, angetrieben durch Turbulenzen in der atmosphärischen Grenzschicht. Fühlbare Wärme ist die thermische Energie, die direkt an die Luft abgegeben wird, während latente Wärme die Energie ist, die mit der Verdunstung oder Kondensation von Wasser verbunden ist. Diese beiden Strömungen bestimmen gemeinsam sowohl die Lufttemperatur als auch den Niederschlag, da die Evapotranspiration den Wasserdampf liefert, der schließlich als Niederschlag fällt und so den Wasserkreislauf schließt.

Die Penman-Monteith-Gleichung ist das physikalische Standardmodell zur Berechnung der Referenz- und der tatsächlichen Evapotranspiration. Sie kombiniert die Anforderungen der Atmosphäre – Wind, Temperatur und Luftfeuchtigkeit – mit dem Widerstand, den die Oberfläche dem Transport dieses Wasserdampfs entgegensetzt.

Innerhalb derselben Gleichung hängt der aerodynamische Widerstand vom Wind und der Oberflächenrauigkeit ab, während der Kronenwiderstand, auch Stomatawiderstand genannt, den Austritt von Wasserdampf aus dem Blattinneren in die Atmosphäre steuert. In vegetationslosen Böden wird der stomatäre Widerstand durch den Eigenwiderstand des Bodens ersetzt, der mit zunehmender Austrocknung ansteigt.

Die Monin-Obukhov-Ähnlichkeitstheorie beschreibt das Verhalten von Wind-, Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen in der bodennahen Grenzschicht in Abhängigkeit von der Obukhov-Länge. Diese Größe quantifiziert die thermische Stabilität der gesamten atmosphärischen Grenzschicht. Negative Werte dieser Länge deuten auf instabile oder konvektive Bedingungen hin, bei denen die Oberfläche wärmer ist als die darüber liegende Luft. Positive Werte hingegen weisen auf stabile Bedingungen hin, bei denen die Oberfläche kühler ist als die Luft.

Das zu erwartende Verhalten all dieser turbulenten Strömungen umfasst logarithmische Windprofile unter neutralen Bedingungen. Diese Profile werden durch spezifische Stabilitätsfunktionen modifiziert, sobald stabile oder instabile Bedingungen eintreten. So führen die fühlbaren und latenten Wärmeelemente, mit denen dieses Dokument beginnt, und die Windprofile, mit denen es endet, über die Penman-Monteith-Gleichung und die Obukhov-Länge zu der Annahme, dass turbulente Oberflächenströmungen Turbulenzen verursachen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, letztendlich sowohl die Lufttemperatur als auch den Wasserkreislauf selbst bestimmen, der sich mit jedem neuen Niederschlag schließt.

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