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 und labile Schichtung stabile Schichtung/Stabilität: Eine bewegte Luftmasse kühlt sich zuerst trockenadiabatisch (1C je 100 m) und über dem Kondensationsniveau feuchtadiabtisch (½C 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.

Übersicht Stabilität - Labilität
Schichtung Temperatur in der Atmosphäre - Zustand Auswirkung auf die weitere Bewegung des Luftpaketes Auswirkungen auf die Wolkenbildung
stabil Temperatur in der Umgebung höher als im bewegten Luftpaket Luftpaket ist also kälter, kalte Luft ist dichter und schwerer als Warmluft, es kann also nicht weiter aufsteigen oder sinkt sogar ab Wolkenbildung durch Konvektion wird unterdrückt, bei absinkender Luft können sich die Wolken sogar auflösen
labil Temperatur in der Umgebung niedriger als im bewegten Luftpaket Luftpaket ist also wärmer, warme Luft ist weniger dicht und leichter als Kaltluft, es kann also weiter ungehindert aufsteigen Wolkenbildung durch Konvektion ist begünstigt

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.

Inversion

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!

Man unterscheidet verschiedene Inversionen:

  • Absinkinversion: Bei hohem Luftdruck sinkt die Luft ab und erwärmt sich dabei. Sie lagert sich über die kühlere Luft am Boden. Deshalb sind Hochdruckwetterlagen im Winter immer mit Nebel oder Hochnebel verbunden. Eine Absinkinversion ist auch die Passatinversion.
  • Abgleitinversion: Wenn Luft abgleitet, bildet sich eine Inversion in meist höheren Schichten. Diese Inversion gibt es beispielsweise bei Föhn, wenn die Luft vom Gebirge abgleitet. Dabei bilden sich die Altocumulus lenticularis-Wolken ("Föhnfische", Föhnwolken).
  • Bodeninversion: Wenn der Boden schnell abkühlt (durch starke Wärmeausstrahlung der Erdoberfläche), entsteht eine bodennahe Inversion. Diese kommt häufig bei klarem Himmel im Winter vor.

Absinkinversion

Abgleitinversion

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.

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Zum Weiterlesen:
Wolkenbildung, Wolkenklassifikation, Diaschau zu Wolken, Wüstenbildung durch kalte Meeresströmungen, Passatzirkulation