E6 Atmosphärische Wellen Intern und Schwerkraft

Thema

Atmosphärische Schwerewellen sind Störungen, die entstehen, weil in geschichteter Luft die Auftriebskraft als rückstellende Kraft wirkt: Jedes Luftpaket, das vertikal aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt wird, erfährt diese Rückstellkraft. Dieses Wechselspiel zwischen Auslenkung und Rückstellkraft erzeugt die Welle. Atmosphärische Schwerewellen existieren sowohl in der Troposphäre als auch in der Stratosphäre und entstehen auf drei verschiedene Arten: durch Konvektion, durch die Topographie des Geländes oder durch geostrophische Anpassung der Strömung. Die Frequenz, mit der diese atmosphärischen Schwerewellen schwingen, ist nicht beliebig: Sie liegt zwischen der Coriolis-Frequenz (untere Frequenzgrenze) und der Brunt-Vaisälä-Frequenz (obere Frequenzgrenze).

Eine der drei Entstehungsarten atmosphärischer Schwerewellen – die durch das Relief des Geländes – sind Gebirgswellen. Diese entstehen, wenn horizontale Luftströmungen auf die Topographie treffen und dadurch gestört werden. Wenn die auf die Topographie treffende Strömung stabil und von mäßiger Intensität ist, teilt sich diese Störung in zwei Wellentypen auf: Einige Schwerewellen werden nahe der Oberfläche eingefangen und bilden sogenannte Lee-Wellen, während andere sich vertikal nach oben ausbreiten und sich vom Ursprungsgebirge entfernen.

Die vertikal ausbreitenden Wellen weisen keine konstante Amplitude auf: Da die Luftdichte mit zunehmender Höhe abnimmt, muss die Wellenamplitude zunehmen, um die gleiche Energie zu erhalten, bis sie so groß wird, dass die von der Welle verformten isentropen Flächen schließlich in sich zusammenfallen. An diesem Punkt bricht die Welle und gibt dabei den gesamten von ihr transportierten Impuls in diesem Atmosphärenbereich ab. Diese Impulsablagerung bewirkt die Abbremsung von Bergwellen – ein Bremseffekt, der in numerischen Modellen parametrisiert werden muss und der die Windstrahlen, die dasselbe Gebiet durchqueren, verlangsamt.

Dieser Impulseintrag, multipliziert mit der Vielzahl atmosphärischer Schwerewellen, die an verschiedenen Orten und in unterschiedlichen Höhen brechen, macht atmosphärische Schwerewellen zum Hauptmechanismus für den Impulstransport von der Troposphäre in die Stratosphäre und Mesosphäre. Dieser Impulstransport ist entscheidend für die Impulsbilanz der mittleren Zirkulation der mittleren Atmosphäre: Ohne die Impulsdeposition atmosphärischer Schwerewellen entlang ihrer Brechungsstellen würde diese mittlere Zirkulation einen wesentlichen Teil dessen verlieren, was sie im Gleichgewicht hält.

Gerade weil atmosphärische Schwerewellen so wichtig für diese Impulsbilanz sind, stellt ihre ungenaue Darstellung in einem globalen Modell ein gravierendes Problem dar: Ihre horizontale Ausdehnung zwischen zehn und hundert Kilometern liegt unterhalb der typischen Auflösung globaler Vorhersagemodelle, sodass kein globales Modell sie direkt auflöst und sie alle parametrisiert werden müssen, analog zur Parametrisierung der Bremswirkung brechender Gebirgswellen. Somit bleiben atmosphärische Schwerewellen – die aus dem Auftrieb entstehen, der sie wiederherstellt, erzeugt durch Konvektion, Orographie oder geostrophische Anpassung und in der Lage sind, ihren Impuls weit entfernt von ihrem Ursprung zu brechen und abzugeben – trotz ihrer geringen Größe ein unverzichtbarer Bestandteil der Impulsbilanz der gesamten mittleren Atmosphäre.

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