Inversion

Die Grundlagen zum Thema sind im Kapitel Luftschichtung dargestellt.

Eine Inversion bezeichnet eine Wetterlage, die durch eine Umkehr (lateinisch: inversio) des vertikalen Temperaturgradienten geprägt ist. Anstelle des gewohnten negativen Temperaturverlaufs mt zunehmender Höhe wird es bei einer Inversion wärmer. Sie entsteht, wenn die oberen Luftschichten wärmer sind als die unteren. Infolge dieser Umkehrung, d.h. im Gegensatz zur üblichen Schichtung lagert am Boden die schwere Kaltluft und darüber die leichtere Warmluft. Dies liegt an der höheren Dichte der kälteren Luftschicht, was heißt, daß bei der Inversion die Luftschichtung der Schwerkraft folgt. Die Lufttemperatur steigt also mit der Höhe an, was zur Schichtungsstabilität der betroffenen Luftschichten führt und insbesondere alle konvektiven Prozesse verhindert. Eine Inversion ist so gesehen der Extremfall einer stabilen Schichtung der Luft.

Die kältere Luft wird dabei von der wärmeren durch die Inversionsschicht, einer Grenzschicht zwischen kalter Bodenluft und warmer Höhenluft, getrennt. Inversionsschichten sind nur eine relativ dünne Schicht mit einer Mächtigkeit zwischen wenigen 100 m und 1,5 km. Im Bild rechts wird die Inversionsschicht von der Obergrenze des Dunstes btw. Nebels markiert, am besten sichtbar vor den Bergen am Horizont. Sie wirkt wie ein Deckel, der aufsteigende Luftpakete daran hindert weiter aufzusteigen, so daß der turbulente Luftaustausch zwischen der unteren und oberen Luftschicht weitgehend unterbunden ist. Oft tritt zudem noch eine Selbstverstärkung von Inversionen durch die Anreicherung der Luft mit Wasserdampf und durch Nebelbildung ein. Dadurch wird einerseits die solare Einstrahlung schon oberhalb der Inversionschicht weitgehend reflektiert, andererseits kühlen sich die unteren Luftschichten durch verstärkte thermische Ausstrahlung weiter ab. Inversionswetterlagen können insbesondere bei schwacher solarer Einstrahlung über längere Zeiträume (Tage bis Wochen) bestehen bleiben und zur Anreicherung von Luftschadstoffen in der bodennahen Atmosphärenschicht führen. Infolge des fehlenden Luftaustausches kann es vor in Großstädten und Ballungsräumen zu einer Ansammlung von Schadstoffen in der kühleren, unteren Luftschicht kommen, dem Smog. Oberhalb der Inversionsschicht ist die Fernsicht dagegen ungetrübt, wobei sich meist eine großflächige Dunstbildung in Bodennähe zeigt.

Auffällig ist auch, daß es bei einer ausreichend geringen Höhe der Inversionsschicht auf den Bergen oft sehr viel wärmer ist als in den Tälern. So kann eine Höhenzunahme von einem Kilometer nicht selten eine Temperaturerhöhung von 15 °C zur Folge haben. In den Höhenlagen ist es daher bei einer Inversionswetterlage häufig sonnig und mild, während es in den Niederungen oft nebelig-trüb und kalt ist. Solche Inversionswetterlagen, verbunden mit hohem Luftdruck, treten bevorzugt im Winterhalbjahr von Herbst bis Frühjahr auf. Häufig herrscht dann in unseren mittleren Breiten in Verbindung mit einer Ostwetterlage ein Hochdruckgebiet über Skandinavien und ein Tief über dem Mittelmeer oder es liegt schlicht ein Hoch mit geringen Druckunterschieden über Mitteleuropa. Der niedrige Stand der Sonne erschwert im Herbst und im Winter den Abbau der Inversion, weil dadurch die Erwärmung der Erdoberfläche zu gering ist, um thermische Umlagerungen einen Luftmassenaustausch in Gang zu setzen. Das sog. Novemberwetter ist eine typische Inversionslage. Die unterbrochene vertikale Luftbewegung kommt erst dann wieder in Gang, wenn das Hochdruckgebiet durch zyklonales Geschehen weicht. Dann wird auch die Luftschicht unter der Inversion wieder mit frischer Luft durchsetzt und damit der Abgasstau in Ballungsgebieten abgebaut.

Die durch Inversionen hervorgerufenen Kaltluftblasen sind weltweit für Kälterekorde verantwortlich.

Inversionswetterlagen sorgen auch für geänderte Ausbreitungsbedingungen für Funkwellen, da diese am Dichteübergang reflektiert werden. Dieser Effekt wird z.B. von Funkamateuren genutzt , um die Reichweite ihrer Signale zu erhöhen. Auch beim UKW-Rundfunk und dem üblicherweise im Flugverkehr verwendeten Sprechfunk kommt es dadurch zu Überreichweiten. Im Sprechfunk liegen dann u.U. Stationen auf der aktuell verwendeten Frequenz, die normalerweise zu weit entfernt sind und so für Störungen sorgen. Ebenso begünstigt eine Inversionswetterlage die Ausbreitung von Schall in Bodennähe, weil dieser an der Inversionsschicht zum Boden hin gebrochen wird und sich dadurch über große Distanzen ausbreiten kann. Verantwortlich dafür ist das unterschiedliche Ausbreitungsverhalten in verschieden temperierten Luftschichten bzw. genauer deren unterschiedliche Dichte. Die Schallgeschwindigkeit ist in warmer Luft größer als in kalter. Dadurch kommt es an dieser Grenzschicht zur Totalreflexion.

Arten der Inversion

Formen von Inversionen sind

• Tropopause
• Subsidenz- oder Absinkinversion,
• Strahlungsinversion bzw. nächtliche Bodeninversion,
• Aufgleit- oder Turbulenzinversion.

Tropopause

Eine sehr stabile Inversionsschicht wird durch die Tropopause gebildet. In der Troposphäre sinkt die Lufttemperatur mit der Höhe um etwa 0,5 bis 0,7 °C pro 100 m (siehe Standardatmosphäre und barometrische Höhenformel). Die Lage der Tropopause wird durch das Ende der Temperaturabnahme mit der Höhe bestimmt, wie es für die Troposphäre kennzeichnend ist. Oberhalb der Tropopause, in der Stratosphäre, bleibt die Temperatur mit der Höhe zunächst gleich (Isothermie) und nimmt dann aufgrund der Ozonschicht zu. Die Temperaturzunahme erklärt sich durch die in einer Höhe von 10 - 15 km langsam zunehmende Ozonkonzentration. Das Ozon absorbiert den sehr kurzwelligen UV-B-Teil der Sonneneinstrahlung und führt damit - entgegen der sonst vorherrschenden Temperaturabnahme mit der Höhe - zu einer Temperaturerhöhung. Da die Stratosphäre wärmer als die obere Troposphäre ist, werden an der Tropopause aufwärts gerichtete Luftbewegungen beendet. Die Tropopause trennt somit als Grenzschicht die Troposphäre mit ihren starken vertikalen Luftbewegungen, in der sich das Wetter mit Wolken und Niederschlag abspielt, von der stets stabil geschichteten, trockenen und eher durch horizontale Strömungen bestimmten Stratosphäre.

Die Entdeckung dieser Inversionsschicht rief Ende des 19. Jahrhunderts erst einmal Argwohn hervor. Auch der Meteorologe Richard Aßmann traute insoweit seinen eigenen Meßergebnissen nicht, die er mit Wetterballons erhalten hatte. Daß die Temperaturen in großen Höhen nicht mehr fielen, sondern sogar zunehmen sollten, schien ihm unglaublich. Er wollte daher die Messungen mit einer bemannten Ballonfahrt in diese Höhen vornehmen. Kaiser Wilhelm II. unterstützte den wagemutigen Fahrt mit 10.000 Mark. Die Wissenschaftler Reinhard Süring und Arthur Berson wagten das Abenteuer in dem mit Wasserstoff gefüllt Ballon „Preußen“. Der Korb war an jenem Tag im Juli 1901 voll bepackt mit Geräten, Sauerstoffflaschen, Rentierfellen und Filzpantoffeln sowie 300 Sandsäcken. In 5 km Höhe hatte sich der Ballon durch die Ausdehnung des Gases prall gefüllt. Bald darauf begannen die Pioniere mit der Sauerstoffatmung aus ihren Flaschen. Die letzte handschriftliche Aufzeichnung der Wetterdaten erfolgt schließlich in rund 10 km Höhe. Dann fiellen beide in Ohnmacht. Berson gelingt es noch, vorher Gas aus dem Ballon abzulassen. Bei etwa 6 km über dem Erdboden erwachten sie wieder aus ihrer Ohnmacht. Nach Abgleich der erhobenen Daten war klar: Mit der bemannten Ballonfahrt war bewiesen, daß die früheren Messungen von Ballonsonden richtig und verläßlich waren. Damit war zugleich auch der Beweis erbracht, daß in dieser Höhe die Temperatur wieder zunimmt, also eine Inversion vorliegt.

Absinkinversion

Eine Absink- oder Subsidenzinversion entsteht, wenn in Hochdruckgebieten Luft großräumig aus hohen Luftschichten absinkt. Vereinfacht dargestellt, sinkt die Luft bei diesem Prozeß über große Strecken ab und erwärmt sich dabei trockenadiabatisch (siehe auch Adiabasie). Trockenadiabatisch bedeutet, daß sich ein Luftpaket ohne den Einfluß von Kondensations- und Verdunstungsvorgängen mit einem Temperaturgradienten von 1 °C pro 100 m erwärmt. Während des Abstiegs nimmt auch der Luftdruckzu, was zur Folge hat, daß die absinkende Luft stark komprimiert wird. In Bodennähe kann die Luft nur wenig absinken, da sie irgendwann den Boden erreicht hat bzw. die Luftmasse nicht weiter komprimiert werden kann. In höheren atmosphärischen Schichten können Luftmassen deutlich längere Strecken vertikal absinken, weswegen sie sich auch stärker adiabatisch erwärmen kann als die tieferen Schichten. Infolge der Kompression der unteren Luftpakete müssen die oberen Luftpakete nun eine längere Wegstrecke zurücklegen und erwärmen sich daher stärker, als die unteren Luftpakete. denn je größer die Höhendifferenz ist, die das Luftpaket zurücklegt, desto größer ist auch die Temperaturzunahme. Aufgrund dieser unterschiedlichen Erwärmung kommt es zu einer Zunahme der Temperatur in der Höhe, wobei sich die absinkende Luft bis zu einem Niveau erwärmt, an dem die Luft der Grenzschicht kälter als die erwärmte absinkende Luft. Darunter lagert dann ein "Kaltluftsee". An dieser Grenze befindet sich die Absinkinversion, dort lagert wärmere über kälterer Luft. Absink- oder Subsidenzinversionen liegen deswegen zumeist in größeren Höhen und werden deswegen auch als Höheninversion bezeichnet. Infolge dieser Inversion wird der weitere thermische Aufstieg von Luft aus der kälteren Luftschicht unterbunden. Zu erkennen sind Absinkinversionen an ihrer Wirkung als Wolkensperre, da die vertikale Entwicklung von Wolken an der Inversionsschicht abrupt gestoppt wird. Dort ist dann auch die Luftfeuchtigkeit am größten, während sie bedingt durch die adiabatische Erwärmung an der Oberseite der Inversionsschicht ein Minimum aufweist. Häufig findet an der Absinkinversion auch Ausbreitung von Quellbewölkung statt, wenn die Luftschicht unterhalb der Inversion labil geschichtet und/oder noch dazu feucht ist. Zu bemerken ist insofern, daß die Luft unter einer Inversion innerhalb der dort lagernden Luftschicht labil geschichtet sein wird, wie das in der thermisch aktiven Jahreszeit nahezu immer der Fall ist.

Absinkinversionen sind typisch für dynamische Hochdruckgebiete wie Subtropenhochs oder die Passatinversion.

Strahlungsinversion

Eine Strahlungsinversion betrifft in der Regel nur die unmittelbare über dem Erdboden lagernde Luftschicht und wird daher auch als Bodeninversion bezeichnet. Sie wird durch die Ausstrahlung und damit Abkühlung der Erdoberfläche hervorgerufen und tritt vor allem bei herbstlichen und winterlichen Hochdruckwetterlagen auf, da dann die Temperatur niedrig ist und die fehlende Wolkendecke die nächtliche Auskühlung begünstigt. Diese bodennahe Luftschicht ist somit kälter als die darüber liegende. Dabei liegt die obere Begrenzung der Bodeninversionsschicht in der Höhe über Grund, in der sich die Abkühlung des Erdbodens nicht mehr auswirkt. Das zeigt die Abbildung links.

In der wärmeren Jahreszeit wird um die Zeit des täglichen Maximums der Lufttemperatur, also zwischen Mittag und 15 Uhr, die bodennahe Luft von der stark erwärmten Erdoberfläche aufgeheizt (Absorption). Aufgrund des dann in Bodennähe überadiabatischen Temperaturgradienten und der folglich labilen Atmosphärenschichtung kommt es zu einer Durchmischung der bodennahen Luftschichten über konvektive Prozesse. Mit zunehmender Tageszeit geht die Sonneneinstrahlung und damit die Erwärmung der Erdoberfläche zurück. Da die Strahlungsbilanz schließlich negativ wird, beginnt die Erdoberfläche und mit ihr die bodennahe Luftschicht auszukühlen. In der Folge entsteht schließlich in den Abendstunden eine zunächst nur schwache Inversion, wodurch der vertikale Luftaustausch praktisch unterbunden wird. Die im Tagesgang erzeugten wärmeren Luftschichten in größeren Höhen können dadurch die immer stärker werdende Auskühlung des Erdbodens nicht mehr verhindern. Aufgrund des abends meist schwächer werdenden Winds unterbleibt auch die turbulente Durchmischung, was zur Abkühlung beiträgt. Eine zunächst nur flache Inversion bildet sich als sog. Bodeninversion. Bei ausreichender Luftfeuchte kann sich darunter eine flache Nebelschicht bilden. Bis in die frühen Morgenstunden kann daraus eine Inversion mit mehreren hundert Metern Mächtigkeit werden. Folgt ein sonniger Tag, wird sie mit zunehmender Sonneneinstrahlung durch thermische Umlagerungen abgebaut und ist spätestens in den Mittagsstunden wieder vollständig verschwunden. Die beim Abbau der Inversion zwangsläufig auftretende labile Schichtung am Boden und einer Inversion darüber hält umso länger an, je mächtiger die nächtliche Inversionsschicht ist. Dieser auch als abgehobene Bodeninversionen bezeichnete Zustand besteht jedoch meist nur kurz. Eine geschlossene Schneedecke verhindert jedoch durch ihr gutes Reflexionsvermögen von solarer Strahlung die Erwärmung und die Inversion bleibt lange bestehen.

Je schwächer der Wind und je ungehinderter die Ausstrahlung, desto stärker wird die sich bildende Strahlungsinversion sein. Besonders bei geringer Bewölkung bildet sich praktisch in jeder Nacht eine solche Inversion heraus. Dabei kann die Temperatur ohne weiteres unter den Gefrierpunkt absinken. Nur ein starker Wind kann das durch die Durchmischung der höheren warmen mit der bodennahen kalten Luftmasse verhindern oder zumindest abschwächen und ist damit vor allem für Landwirte ein wichtiges Merkmal für drohende Frostgefahr in unbewölkten Herbst- und insbesondere Frühlingsnächten.

Entsteht zusätzlich Strahlungsnebel, kann es aufgrund der erhöhten Albedo auch zu einer länger anhaltenden Strahlungsinversion kommen, die sich dann oft über mehrere Tage hinzieht. Dies erklärt auch den etwas selteneren Fall der Strahlungsinversion an der Oberseite von Dunstschichten. Da die Albedo hier sehr hoch ist und die Wassertröpfchen stark ausstrahlen, kann die Lufttemperatur so weit sinken, daß sich dort ebenfalls eine Inversion ergibt. Diese strahlungsbedingte Höheninversion sind dabei eng an die Stabilität der Dunst bzw. Nebelschicht geknüpft und verschwinden folglich mit dieser. Im Regelfall sinken derartige Inversionen jedoch alsbald auf Bodenhöhe ab, da die Erdoberfläche nicht mehr durch die Sonneneinstrahlung erwärmt wird und dementsprechend auskühlt.

Isothermie

Eine Sonderform der Inversion ist die Isothermie. Eine Isothermie liegt vor, wenn die Lufttemperatur in einer Schicht der Atmosphäre trotz zunehmender Höhe gleich bleibt. Sonderform deswegen, weil die Temperatur bei der Isothermie lediglich stagniert, während sie bei der Inversion  sie sogar noch zunimmt. Besonders in der unteren Stratosphäre sowie in der Troposphäre ist sie charakteristisch und deutet auf eine stabile Schichtung.

Die geringe Varianz der Temperatur äquatornaher Orte wird ebenfalls als Isothermie bezeichnet, wobei insbesondere von den großen täglichen Schwankungen abgesehen wird. In gleicher Weise wird ein geringer Temperaturgradienten zwischen räumlich getrennten Orten - räumliche - Isothermie genannt.

Dementsprechend heißt eine Linie oder Fläche in einem zwei- bzw. dreidimensionalen Temperaturfeld, auf der die Temperatur konstant ist, Isotherme.