Inversion

 

 

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Inversion

Inversionslage an der Schwbischen Alb

Die Grundlagen zum Thema sind im Kapitel Luftschichtung dargestellt.

Eine Inversion bezeichnet eine Wetterlage, die durch eine Umkehr (lateinisch: inversio) des vertikalen Temperaturgradienten geprgt ist. Anstelle des gewohnten negativen Temperaturverlaufs mt zunehmender Hhe wird es bei einer Inversion wrmer. Sie entsteht, wenn die oberen Luftschichten wrmer sind als die unteren. Infolge dieser Umkehrung, d.h. im Gegensatz zur blichen Schichtung lagert am Boden die schwere Kaltluft und darber die leichtere Warmluft. Dies liegt an der hheren Dichte der klteren Luftschicht, was heit, da bei der Inversion die Luftschichtung der Schwerkraft folgt. Die Lufttemperatur steigt also mit der Hhe an, was zur Schichtungsstabilitt der betroffenen Luftschichten fhrt und insbesondere alle konvektiven Prozesse verhindert. Eine Inversion ist so gesehen der Extremfall einer stabilen Schichtung der Luft.

Die kltere Luft wird dabei von der wrmeren durch die Inversionsschicht, einer Grenzschicht zwischen kalter Bodenluft und warmer Hhenluft, getrennt. Inversionsschichten sind nur eine relativ dnne Schicht mit einer Mchtigkeit 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 da der turbulente Luftaustausch zwischen der unteren und oberen Luftschicht weitgehend unterbunden ist. Oft tritt zudem noch eine Selbstverstrkung 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 khlen sich die unteren Luftschichten durch verstrkte thermische Ausstrahlung weiter ab. Inversionswetterlagen knnen insbesondere bei schwacher solarer Einstrahlung ber lngere Zeitrume (Tage bis Wochen) bestehen bleiben und zur Anreicherung von Luftschadstoffen in der bodennahen Atmosphrenschicht fhren. Infolge des fehlenden Luftaustausches kann es vor in Grostdten und Ballungsrumen zu einer Ansammlung von Schadstoffen in der khleren, unteren Luftschicht kommen, dem Smog. Oberhalb der Inversionsschicht ist die Fernsicht dagegen ungetrbt, wobei sich meist eine groflchige Dunstbildung in Bodennhe zeigt.

Auffllig ist auch, da es bei einer ausreichend geringen Hhe der Inversionsschicht auf den Bergen oft sehr viel wrmer ist als in den Tlern. So kann eine Hhenzunahme von einem Kilometer nicht selten eine Temperaturerhhung von 15 캜 zur Folge haben. In den Hhenlagen ist es daher bei einer Inversionswetterlage hufig sonnig und mild, whrend es in den Niederungen oft nebelig-trb und kalt ist. Solche Inversionswetterlagen, verbunden mit hohem Luftdruck, treten bevorzugt im Winterhalbjahr von Herbst bis Frhjahr auf. Hufig herrscht dann in unseren mittleren Breiten in Verbindung mit einer Ostwetterlage ein Hochdruckgebiet ber Skandinavien und ein Tief ber dem Mittelmeer oder es liegt schlicht ein Hoch mit geringen Druckunterschieden ber Mitteleuropa. Der niedrige Stand der Sonne erschwert im Herbst und im Winter den Abbau der Inversion, weil dadurch die Erwrmung der Erdoberflche 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 fr Klterekorde verantwortlich.

Inversionswetterlagen sorgen auch fr genderte Ausbreitungsbedingungen fr Funkwellen, da diese am Dichtebergang reflektiert werden. Dieser Effekt wird z.B. von Funkamateuren genutzt , um die Reichweite ihrer Signale zu erhhen. Auch beim UKW-Rundfunk und dem blicherweise im Flugverkehr verwendeten Sprechfunk kommt es dadurch zu berreichweiten. Im Sprechfunk liegen dann u.U. Stationen auf der aktuell verwendeten Frequenz, die normalerweise zu weit entfernt sind und so fr Strungen sorgen. Ebenso begnstigt eine Inversionswetterlage die Ausbreitung von Schall in Bodennhe, weil dieser an der Inversionsschicht zum Boden hin gebrochen wird und sich dadurch ber groe Distanzen ausbreiten kann. Verantwortlich dafr ist das unterschiedliche Ausbreitungsverhalten in verschieden temperierten Luftschichten bzw. genauer deren unterschiedliche Dichte. Die Schallgeschwindigkeit ist in warmer Luft gr秤er als in kalter. Dadurch kommt es an dieser Grenzschicht zur Totalreflexion.

 

 

Arten der Inversion

Formen von Inversionen sind

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

 

Tropopause

Eine sehr stabile Inversionsschicht wird durch die Tropopause gebildet. In der Troposphre sinkt die Lufttemperatur mit der Hhe um etwa 0,5 bis 0,7 캜 pro 100 m (siehe Standardatmosphre und barometrische Hhenformel). Die Lage der Tropopause wird durch das Ende der Temperaturabnahme mit der Hhe bestimmt, wie es fr die Troposphre kennzeichnend ist. Oberhalb der Tropopause, in der Stratosphre, bleibt die Temperatur mit der Hhe zunchst gleich (Isothermie) und nimmt dann aufgrund der Ozonschicht zu. Die Temperaturzunahme erklrt sich durch die in einer Hhe von 10 - 15 km langsam zunehmende Ozonkonzentration. Das Ozon absorbiert den sehr kurzwelligen UV-B-Teil der Sonneneinstrahlung und fhrt damit - entgegen der sonst vorherrschenden Temperaturabnahme mit der Hhe - zu einer Temperaturerhhung. Da die Stratosphre wrmer als die obere Troposphre ist, werden an der Tropopause aufwrts gerichtete Luftbewegungen beendet. Die Tropopause trennt somit als Grenzschicht die Troposphre 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 Strmungen bestimmten Stratosphre.

Die Entdeckung dieser Inversionsschicht rief Ende des 19. Jahrhunderts erst einmal Argwohn hervor. Auch der Meteorologe Richard Amann traute insoweit seinen eigenen Meergebnissen nicht, die er mit Wetterballons erhalten hatte. Da die Temperaturen in groen Hhen nicht mehr fielen, sondern sogar zunehmen sollten, schien ihm unglaublich. Er wollte daher die Messungen mit einer bemannten Ballonfahrt in diese Hhen vornehmen. Kaiser Wilhelm II. untersttzte den wagemutigen Fahrt mit 10.000 Mark. Die Wissenschaftler Reinhard Sring und Arthur Berson wagten das Abenteuer in dem mit Wasserstoff gefllt Ballon 껺reuen. Der Korb war an jenem Tag im Juli 1901 voll bepackt mit Gerten, Sauerstoffflaschen, Rentierfellen und Filzpantoffeln sowie 300 Sandscken. In 5 km Hhe hatte sich der Ballon durch die Ausdehnung des Gases prall gefllt. Bald darauf begannen die Pioniere mit der Sauerstoffatmung aus ihren Flaschen. Die letzte handschriftliche Aufzeichnung der Wetterdaten erfolgt schlielich in rund 10 km Hhe. Dann fiellen beide in Ohnmacht. Berson gelingt es noch, vorher Gas aus dem Ballon abzulassen. Bei etwa 6 km ber dem Erdboden erwachten sie wieder aus ihrer Ohnmacht. Nach Abgleich der erhobenen Daten war klar: Mit der bemannten Ballonfahrt war bewiesen, da die frheren Messungen von Ballonsonden richtig und verl癌lich waren. Damit war zugleich auch der Beweis erbracht, da in dieser Hhe die Temperatur wieder zunimmt, also eine Inversion vorliegt.

 

Absinkinversion

Eine Absink- oder Subsidenzinversion entsteht, wenn in Hochdruckgebieten Luft grorumig aus hohen Luftschichten absinkt. Vereinfacht dargestellt, sinkt die Luft bei diesem Proze ber groe Strecken ab und erwrmt sich dabei trockenadiabatisch (siehe auch Adiabasie). Trockenadiabatisch bedeutet, da sich ein Luftpaket ohne den Einflu von Kondensations- und Verdunstungsvorgngen mit einem Temperaturgradienten von 1 캜 pro 100 m erwrmt. Whrend des Abstiegs nimmt auch der Luftdruckzu, was zur Folge hat, da die absinkende Luft stark komprimiert wird. In Bodennhe kann die Luft nur wenig absinken, da sie irgendwann den Boden erreicht hat bzw. die Luftmasse nicht weiter komprimiert werden kann. In hheren atmosphrischen Schichten knnen Luftmassen deutlich lngere Strecken vertikal absinken, weswegen sie sich auch strker adiabatisch erwrmen kann als die tieferen Schichten. Infolge der Kompression der unteren Luftpakete mssen die oberen Luftpakete nun eine lngere Wegstrecke zurcklegen und erwrmen sich daher strker, als die unteren Luftpakete. denn je gr秤er die Hhendifferenz ist, die das Luftpaket zurcklegt, desto gr秤er ist auch die Temperaturzunahme. Aufgrund dieser unterschiedlichen Erwrmung kommt es zu einer Zunahme der Temperatur in der Hhe, wobei sich die absinkende Luft bis zu einem Niveau erwrmt, an dem die Luft der Grenzschicht klter als die erwrmte absinkende Luft. Darunter lagert dann ein "Kaltluftsee". An dieser Grenze befindet sich die Absinkinversion, dort lagert wrmere ber klterer Luft. Absink- oder Subsidenzinversionen liegen deswegen zumeist in gr秤eren Hhen und werden deswegen auch als Hheninversion bezeichnet. Infolge dieser Inversion wird der weitere thermische Aufstieg von Luft aus der klteren 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 gr秤ten, whrend sie bedingt durch die adiabatische Erwrmung an der Oberseite der Inversionsschicht ein Minimum aufweist. Hufig findet an der Absinkinversion auch Ausbreitung von Quellbewlkung statt, wenn die Luftschicht unterhalb der Inversion labil geschichtet und/oder noch dazu feucht ist. Zu bemerken ist insofern, da 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.

Inversionslage

Zu einer solchen Temperaturumkehr kommt es nur bei ausgeprgten Hochdruckwetterlagen vor allem im Sptherbst und Winter. Da das Absinken von der Hhe ausgeht, erwrmt sich auch die Luft von oben nach unten, weshalb die Absinkinversion ihren Namen trgt. Insbesondere bei herbstlichen Hochdrucklagen kann Warmluftzufuhr in der Hhe dazu fhren, da die ohnehin schon warme Hhenluft sich beim Absinken noch weiter erwrmt und sich so die herbstliche Inversionslage verstrkt. Doch auch wenn der Absinkproze nicht zur Bildung einer Inversion ausreichen sollte, schwcht er zumindest den aktuellen Temperaturgradienten ab und trgt damit zu einer Stabilisierung der Atmosphre bei. Dabei kommt es hufig auch zu mehreren, bereinander liegenden Absinkinversionen, die zu eine recht komplexen Schichtungsstruktur der Atmosphre fhren. Der gegenteiligen Fall der Hebung einer Luftschicht fhrt folglich zum Abbau einer vorhandenen Inversion, zumindest aber erhht sich der Temperaturgradient und die Inversion wird abgeschwcht.

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

 

Strahlungsinversion

Darstellung der Erdausstrahlung

Eine Strahlungsinversion betrifft in der Regel nur die unmittelbare ber dem Erdboden lagernde Luftschicht und wird daher auch als Bodeninversion bezeichnet. Sie wird durch die Ausstrahlung und damit Abkhlung der Erdoberflche hervorgerufen und tritt vor allem bei herbstlichen und winterlichen Hochdruckwetterlagen auf, da dann die Temperatur niedrig ist und die fehlende Wolkendecke die nchtliche Auskhlung begnstigt. Diese bodennahe Luftschicht ist somit klter als die darber liegende. Dabei liegt die obere Begrenzung der Bodeninversionsschicht in der Hhe ber Grund, in der sich die Abkhlung des Erdbodens nicht mehr auswirkt. Das zeigt die Abbildung links.

In der wrmeren Jahreszeit wird um die Zeit des tglichen Maximums der Lufttemperatur, also zwischen Mittag und 15 Uhr, die bodennahe Luft von der stark erwrmten Erdoberflche aufgeheizt (Absorption). Aufgrund des dann in Bodennhe beradiabatischen Temperaturgradienten und der folglich labilen Atmosphrenschichtung kommt es zu einer Durchmischung der bodennahen Luftschichten ber konvektive Prozesse. Mit zunehmender Tageszeit geht die Sonneneinstrahlung und damit die Erwrmung der Erdoberflche zurck. Da die Strahlungsbilanz schlielich negativ wird, beginnt die Erdoberflche und mit ihr die bodennahe Luftschicht auszukhlen. In der Folge entsteht schlielich in den Abendstunden eine zunchst nur schwache Inversion, wodurch der vertikale Luftaustausch praktisch unterbunden wird. Die im Tagesgang erzeugten wrmeren Luftschichten in gr秤eren Hhen knnen dadurch die immer strker werdende Auskhlung des Erdbodens nicht mehr verhindern. Aufgrund des abends meist schwcher werdenden Winds unterbleibt auch die turbulente Durchmischung, was zur Abkhlung beitrgt. Eine zunchst nur flache Inversion bildet sich als sog. Bodeninversion. Bei ausreichender Luftfeuchte kann sich darunter eine flache Nebelschicht bilden. Bis in die frhen Morgenstunden kann daraus eine Inversion mit mehreren hundert Metern Mchtigkeit werden. Folgt ein sonniger Tag, wird sie mit zunehmender Sonneneinstrahlung durch thermische Umlagerungen abgebaut und ist sptestens in den Mittagsstunden wieder vollstndig verschwunden. Die beim Abbau der Inversion zwangslufig auftretende labile Schichtung am Boden und einer Inversion darber hlt umso lnger an, je mchtiger die nchtliche Inversionsschicht ist. Dieser auch als abgehobene Bodeninversionen bezeichnete Zustand besteht jedoch meist nur kurz. Eine geschlossene Schneedecke verhindert jedoch durch ihr gutes Reflexionsvermgen von solarer Strahlung die Erwrmung und die Inversion bleibt lange bestehen.

Je schwcher der Wind und je ungehinderter die Ausstrahlung, desto strker wird die sich bildende Strahlungsinversion sein. Besonders bei geringer Bewlkung 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 hheren warmen mit der bodennahen kalten Luftmasse verhindern oder zumindest abschwchen und ist damit vor allem fr Landwirte ein wichtiges Merkmal fr drohende Frostgefahr in unbewlkten Herbst- und insbesondere Frhlingsnchten.

Entsteht zustzlich Strahlungsnebel, kann es aufgrund der erhhten Albedo auch zu einer lnger anhaltenden Strahlungsinversion kommen, die sich dann oft ber mehrere Tage hinzieht. Dies erklrt auch den etwas selteneren Fall der Strahlungsinversion an der Oberseite von Dunstschichten. Da die Albedo hier sehr hoch ist und die Wassertrpfchen stark ausstrahlen, kann die Lufttemperatur so weit sinken, da sich dort ebenfalls eine Inversion ergibt. Diese strahlungsbedingte Hheninversion sind dabei eng an die Stabilitt der Dunst bzw. Nebelschicht geknpft und verschwinden folglich mit dieser. Im Regelfall sinken derartige Inversionen jedoch alsbald auf Bodenhhe ab, da die Erdoberflche nicht mehr durch die Sonneneinstrahlung erwrmt wird und dementsprechend auskhlt.

 

Aufgleitinversion

Warmfront (Schema)

Eine Aufgleit- oder Turbulenzinversion wird durch Advektion, also die horizontale Heranfhrung von Luftmassen hervorgerufen.

Wind fhrt hierbei zur turbulenten Durchmischung der anfangs noch unteradiabatisch geschichteten Atmosphre. Diese Labilitt mit starken vertikalen Luftbewegungen fhrt zu einer zunehmenden Annherung des Temperaturgradienten an eine adiabatische Schichtung innerhalb der Durchmischungszone. Der Temperaturgradient oberhalb dieser Zone hat sich jedoch nicht verndert und ist weiterhin unteradiabatisch, was relativ zur Durchmischungszone eine Inversion bedingt. Dieser Effekt tritt meist dann auf, wenn bei Annherung einer Warmfront zunchst nur den oberen Luftschichten Warmluft zugefhrt wird, whrend in Bodennhe bzw. vor der Warmfront noch kalte Luft lagert. Dies ist vor allem bei der Annherung von Hochdruckgebieten ber dem Meer der Fall.

Im Unterschied zur Absinkinversion ist hier die Luftfeuchtigkeit an der Oberseite der Inversionsschicht am hchsten, da die herangefhrte warme Luftmasse regelm癌ig mehr Feuchtigkeit enthlt als die vorher dort lagernde Kaltluft und die Konvektionserscheinungen einen stndigen Feuchtetransport nach oben bedingen. Unterhalb der Inversion kommt es daher auch hufig zur Bildung von Stratus oder Stratocumuluswolken bei starker und Cumuluswolken bei schwacher Turbulenz.

Auch bei Fhn kommt es oft zu Aufgleitinversionen, verbunden mit den hierfr typischen Fhnwolken.

 

Isothermie

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

Die geringe Varianz der Temperatur quatornaher Orte wird ebenfalls als Isothermie bezeichnet, wobei insbesondere von den groen tglichen Schwankungen abgesehen wird. In gleicher Weise wird ein geringer Temperaturgradienten zwischen rumlich getrennten Orten - rumliche - Isothermie genannt.

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

 

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