Adiabasie

 

 

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Adiabasie

Der Begriff der Adiabasie beschreibt die Eigenschaft eines Systems, keine Wrme mit seiner Umgebung auszutauschen. Insofern kann nherungsweise z.B. eine Thermoskanne als adiabatisches System angesehen werden. Da die molekulare Wrmeleitung der Luft sehr gering ist, beschreibt die Adiabasie in der Meteorologie die mit der Hhe eintretende Temperaturvernderung von aufsteigenden oder absinkenden Luftmassen. Ebenso l癌t sich das vertikale Temperaturprofil der Atmosphre durch adiabatische Prozesse erklren.

Solange ein beliebiges Volumen Luft (Luftpaket) mit der Umgebungsluft keine Wrme austauscht, bleibt die innere Energie des Luftpakets konstant. Bei jeder 훞derung seiner Ausgangshhe unterliegt dieses Luftpaket aber einer Volumen- und Drucknderung. Beim Aufstieg nimmt sein Volumen zu (Expansion), weil der Druck mit zunehmender Hhe fllt. Das Umgekehrte ist beim Absteigen (Kompression) der Fall. Dieser Vorgang ist im Kaptiel "Luftdruck" beschrieben. Steigt ein Luftpaket auf, dehnt es sich aus, weil der Luftdruck mit der Hhe abnimmt. Fr diesen Ausdehnungsproze wird Energie bentigt, die aber aufgrund der Adiabasie nur aus der inneren Energie des Luftpakets selbst stammen kann. Folglich khlt sich die Luft im Luftpaket ab. Das zeigt anschaulich diese Animation. Bei absinkender Luft verhlt es sich umgekehrt. Unterhalb des Kondensationsniveaus verlaufen solche vertikalen Luftbewegungen trockenadiabatisch mit einer Temperaturnderung von rund 1 Grad pro 100 Meter, oberhalb davon, also in den Wolken, feuchtadiabatisch mit einer Temperaturnderung von rund 0,6 캜/100 m.

Eine adiabatische Zustandsnderung in diesem Sinne ist also ein thermodynamischer Vorgang, bei dem ein Luftpaket von einem Zustand in einen anderen berfhrt wird ohne thermische Energie mit seiner Umgebung auszutauschen, also weder Energie aufnimmt noch abgibt. Erscheinungen wie der Fhn in den Alpen, die Thermik und die thermischen Aufwinde lassen sich mit Hilfe der Adiabasie einfach, wenn auch nicht vollstndig erklren.

Die oben dargestellten Hhennderungen erfolgen somit adiabatisch. Demgegenber ist jeder Proze, der dem Luftpaket Wrme zufhrt oder entzieht, ein diabatischer Proze. A-diabatisch bedeutet somit "nicht-diabatisch". Als Beispiel eines diabatischen Prozesses kann der Heiluftluftballon gelten.

Man unterscheidet zwischen dem feuchtadiabatischen und dem trockenadiabatischen Temperaturverlauf.

Grundlagen zum Verstndnis der hier dargestellten Vorgnge stehen in den Kapiteln Luftfeuchte, Wasserdampf und Niederschlag.

Adiabatik

 

Luftpaket-Modell

Kleine, gegen die umgebende Atmosphre als abgeschlossen gedachte Luftvolumen verhalten sich thermodynamisch hnlich wie Kugeln in der Mechanik. Es bietet sich daher an auf das Kugelbeispiel zurckzugreifen, um die Gleichgewichtszustnde der Troposphre anschaulich zu erklren. Man betrachtet dazu ein Luftpaket in einer gegebenen Hhe, das aus seiner Ruhelage gebracht sich vertikal bewegen soll. Im Ausgangsniveau besitzt das Luftquantum dieselbe Dichte bzw. Temperatur  wie seine Umgebungsluft. Das Luftpaket befindet sich daher mit seiner Umgebung in der Ursprungslage im Gleichgewicht, da es dieselbe Dichte bzw. Temperatur wie seine Umgebungsluft besitzt. Seine Gewichtskraft wird durch seine Auftriebskraft kompensiert. Dieser Gleichgewichtszustand wird als hydrostatisches Gleichgewicht oder krzer als statische Stabilitt bezeichnet. Es erfhrt dann - wie die Kugel - in der Ausgangslage einen Impuls, der es auf- oder abwrts in Bewegung setzt.

Die Voraussetzungen dieser Luftpaket-Methode sind:

  • Adiabatische Expansion beim Aufsteigen bzw. Kompression beim Absinken des Luftpaketes,
  • keine Durchmischung des Luftpaketes mit der Umgebungsluft und
  • keine Kompensationsbewegungen im Umfeld des Luftpaketes.

Nheres zum Luftpaket-Modell und zum Gleichgewichtszustand steht im Kapitel Gleichgewicht.

Adiabatische Zustandsnderung

Eine adiabatische Zustandsnderung ist ein thermodynamischer Vorgang, bei dem ein System von einem Zustand in einen anderen berfhrt wird, ohne thermische Energie mit seiner Umgebung auszutauschen oder, mit anderen Worten, ein Proze in einem abgeschlossenen bzw. von seiner Umgebung isolierten System. Im Allgemeinen kann ein thermodynamisches System seine innere Energie verndern, indem es sowohl (mechanische oder anders geartete) Arbeit als auch Wrme mit seiner Umgebung austauscht. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik gilt dabei fr ein geschlossenes System, in dem uere Energien (kinetische und potentielle) auer Betracht bleiben knnen, da bei einer adiabatischen Zustandsnderung kein Wrmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, weshalb die gesamte am System verrichtete Arbeit vollstndig in die innere Energie bergeht oder ein Teil der inneren Energie vollstndig in Arbeit umgewandelt wird, welche vom System geleistet wird.

Eine ideale adiabatische Zustandsnderung setzt somit voraus, da das System, in dem diese adiabatische Zustandsnderung stattfindet, vollkommen gegen Wrmestrme jeglicher Form isoliert ist. In der Realitt ist natrlich eine absolute Wrmeisolation nicht erreichbar, aber reale Vorgnge knnen trotzdem annhernd adiabatisch ablaufen, wenn das Volumen des Systems so gro ist, da Wrmestrme an seinem Rand praktisch keine Rolle spielen. Das ist z. B. bei den hier interessierenden thermisch aufsteigenden Luftpaketen der Fall. Das gilt umso mehr, als Luft selbst ein sehr guter Isolator ist. In der Meteorologie gilt das also fr ein Luftpaket, welches keine Wrme mit seiner Umgebung austauscht und nicht durch uere Energiequellen wie Sonnen- oder Wrmestrahlung erwrmt wird.

  • Die Kompression der Luft z.B. in einer Fahrradluftpumpe (geschlossenes System) ist somit eine adiabatische Zustandsnderung. Wenn die Kompression gengend schnell erfolgt, ist eine deutliche Temperaturerhhung sprbar. Die Arbeit, die an der Pumpe verrichtet wird, erhht die innere Energie des Luftgemisches in der Luftpumpe, d.h. dessen Temperatur. Dabei wird zuerst keine Wrmeenergie an die Pumpe abgegeben bzw. von ihr aufgenommen. Erst nach Vollendung des Prozesses bemerkt man eine Erwrmung der Luftpumpe und damit einen Flu der Wrmeenergie.
  • Umgekehrt zur Kompression verursacht ein adiabatischer Druckabfall eine Abkhlung der Luft. Dies geschieht zum Beispiel innerhalb eines aufsteigenden Luftstromes bei einem thermischem Auftrieb, beim berstrmen eines Gebirges oder auch auf der Oberseite von Flugzeugtragflchen (durch die Flgelform entsteht auf der Oberseite des Tragflgels ein geringerer Druck). Beim Abkhlen verringert sich die Sttigungskonzentration fr Wasserdampf. Unterschreitet diese den tatschlichen Wassergehalt, kondensiert der darber liegende Wasseranteil zu kleinen Wassertrpfchen (Bildung von Wolken oder Nebel).
Kondensation ber der Flche einer A340

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik bedeutet also "adiabatisch", da sich die Bewegungsenergie aus der temperaturbedingten Molekularbewegung (innere Energie) und die Ausdehnungsarbeit die Waage halten.

  • Steigt also ein Luftpaket adiabatisch in die Hhe, wird der umgebende Druck allmhlich geringer und es dehnt sich entsprechend aus. Die fr die Ausdehnungsarbeit bentigte Energie wird der molekularen Bewegung der Luftteilchen im inneren des Luftpakets entzogen, was zur Abkhlung des Luftpakets fhrt (Joule-Thomson-Effekt).
  • Sinkt ein Luftpaket adiabatisch aus der Hhe ab, wird der es umgebende Druck allmhlich gr秤er und es entsprechend komprimiert. Die fr die Kompressionsarbeit bentigte Energie wird der molekularen Bewegung der Luftteilchen im inneren des Luftpakets zugefhrt, was zur Erwrmung des Luftpakets fhrt.

Weiteres zum Luftdruck in unterschiedlichen Hhen und zur entsprechend vernderlichen Luftdichte stehen in den Kapiteln Luftdruck und Luftdichte.

Luftdruck und -dichte

Vertikale Luftbewegung

Die Luft der Atmosphre ist in stndiger Bewegung. Dabei ist zu unterscheiden zwischen den horizontalen Luftbewegungen (Advektion) und den um Gr秤enordnungen kleineren vertikalen Bewegungen der Luft mit Geschwindigkeiten von allenfalls einigen cm/s, sieht man einmal von den krftigen thermischen Aufwinden ab. Im meteorologischen Sprachgebrauch versteht man unter vertikalen Luftbewegungen in der Atmosphre allgemein aktive, isolierte Aufstiegsbewegungen von Luftkrpern zwischen denen kompensierende Absinkvorgnge auftreten (vertikale Zirkulationsstrmung), so da im weitrumigen Mittel nur ein vertikaler Transport von Eigenschaften (Wasserdampf, Wrme, Impuls, Beimengungen u.a.) gegeben ist. Dies wird von klein- oder mittelrumigen Erwrmungsunterschieden an der Erdoberflche verursacht. Ausdruck solcher Vertikalbewegungen sind die Thermik und die Konvektion. Sie bewirken einen vertikalen Massenaustausch und vertikalen Energietransport. Sie sorgen damit neben der Turbulenz fr die Durchmischung der gesamten Troposphre und damit fr den Ausgleich von Temperatur- und Druckunterschieden.

Thermik und Konvektion

Thermik und Konvektion unterscheiden sich in der Gr秤enordnung ihrer horizontalen und vertikalen Erstreckung.

  • Thermik ist die aufwrts gerichtete Strmung erwrmter Luft,
  • Konvektion das Aufsteigen erwrmter Luft bei gleichzeitigem Absinken klterer Luft in der Umgebung (kompensierender Absinkvorgang).

Die Thermik wird ausgelst durch die Entwicklung und Ablsung von Warmluftblasen (Thermikblasen) ber dem strker erwrmten, inhomogenen Untergrund. In ihnen hat die Luft eine geringere Dichte als in der Umgebung, ist also leichter, bekommt dadurch Auftrieb und steigt auf. Die Luftblase steigt so lange, bis sie infolge adiabatischer Abkhlung die Temperatur der Umgebungsluft erreicht hat. In zeitlichem Abstand folgt der ersten Warmluftblase die nchste. Sie hat hufig eine gr秤ere Aufstiegsgeschwindigkeit und holt dann die Schleppe der ersten Blase ein. Aus kleinsten Anfngen in den bodennahen Luftschichten, zu sehen ist oft ein 꼎limmern" der Luft, entwickelt sich schlielich im Zuge der fortschreitenden Erwrmung des Erdbodens ein regelrechter Thermikschlauch mit aufsteigender Warmluft, auch Aufwind genannt. Dieser Aufwind kann einen Durchmesser bis zu einigen hundert Metern annehmen und ermglicht berhaupt erst den uns heute bekannten Segelflug.

Thermikzyklus

 

Den Raum der aufgestiegenen Thermikblase mu nun andere Luft einnehmen. Dazu strmt von allen Seiten khlere Luft aus der Umgebung zur Basis der aufgestiegenen Blase, wobei wiederum als Ersatz hierfr kltere Luft aus hheren Luftschichten der Umgebung herabsinkt. Ist dieser thermische Kreislauf geschlossen und gut ausgeprgt, wird von Konvektion gesprochen.

Vollzieht sich die Thermik ohne Wolkenbildung, handelt es sich um sog. trockene Thermik oder Blauthermik. Ist die Luft hinreichend feucht, entwickeln sich im oberen Teil der Thermikschluche Haufenwolken (Thermikwolken, Cumuli), wie man sie an sommerlichen Schnwettertagen besonders nachmittags hufig beobachten kann. Abends lsen sich diese Wolken wieder auf, da mit Abkhlung des Erdbodens die Thermik erlischt. Ist die untere Troposphre dagegen ausgeprgt feuchtlabil geschichtet, kommt es zu intensiver Konvektion. Es bilden sich blumenkohlartig aufquellende Konvektionswolken bis hin zur Gewitterwolke (Cumulonimbus) von etlichen Kilometern Mchtigkeit.

So eng die Thermik manchmal auch ist, so breitflchig ist oft die andere Seite der Thermik, d.h. die absinkende kltere Luft aus hheren Luftschichten (kompensierender Absinkvorgang) zur Vervollstndigung der Konvektion. Jedem Segelflieger ist derlei hinreichend als "Saufen" bekannt.  

Weitere Einzelheiten hierzu stehen im Kapitel Thermik.

Schnwetterwolken (Cumuli humilis)

 

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