Luftpaket-Modell

Kleine, gegen die umgebende Atmosphäre als abgeschlossen gedachte Luftvolumen verhalten sich thermodynamisch ähnlich wie Kugeln in der Mechanik. Es bietet sich daher an auf das Kugelbeispiel zurückzugreifen, um die Gleichgewichtszustände der Troposphäre anschaulich zu erklären. Man betrachtet dazu ein Luftpaket in einer gegebenen Höhe, 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 kürzer als statische Stabilität bezeichnet. Es erfährt dann - wie die Kugel - in der Ausgangslage einen Impuls, der es auf- oder abwärts 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.

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

Adiabatische Zustandsänderung Eine adiabatische Zustandsänderung ist ein thermodynamischer Vorgang, bei dem ein System von einem Zustand in einen anderen überführt wird, ohne thermische Energie mit seiner Umgebung auszutauschen oder, mit anderen Worten, ein Prozeß in einem abgeschlossenen bzw. von seiner Umgebung isolierten System. Im Allgemeinen kann ein thermodynamisches System seine innere Energie verändern, indem es sowohl (mechanische oder anders geartete) Arbeit als auch Wärme mit seiner Umgebung austauscht. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik gilt dabei für ein geschlossenes System, in dem äußere Energien (kinetische und potentielle) außer Betracht bleiben können, daß bei einer adiabatischen Zustandsänderung kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, weshalb die gesamte am System verrichtete Arbeit vollständig in die innere Energie übergeht oder ein Teil der inneren Energie vollständig in Arbeit umgewandelt wird, welche vom System geleistet wird. Eine ideale adiabatische Zustandsänderung setzt somit voraus, daß das System, in dem diese adiabatische Zustandsänderung stattfindet, vollkommen gegen Wärmeströme jeglicher Form isoliert ist. In der Realität ist natürlich eine absolute Wärmeisolation nicht erreichbar, aber reale Vorgänge können trotzdem annähernd adiabatisch ablaufen, wenn das Volumen des Systems so groß ist, daß Wärmeströme 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 für ein Luftpaket, welches keine Wärme mit seiner Umgebung austauscht und nicht durch äußere Energiequellen wie Sonnen- oder Wärmestrahlung erwärmt wird. Die Kompression der Luft z.B. in einer Fahrradluftpumpe (geschlossenes System) ist somit eine adiabatische Zustandsänderung. Wenn die Kompression genügend schnell erfolgt, ist eine deutliche Temperaturerhöhung spürbar. Die Arbeit, die an der Pumpe verrichtet wird, erhöht die innere Energie des Luftgemisches in der Luftpumpe, d.h. dessen Temperatur. Dabei wird zuerst keine Wärmeenergie an die Pumpe abgegeben bzw. von ihr aufgenommen. Erst nach Vollendung des Prozesses bemerkt man eine Erwärmung der Luftpumpe und damit einen Fluß der Wärmeenergie. Umgekehrt zur Kompression verursacht ein adiabatischer Druckabfall eine Abkühlung der Luft. Dies geschieht zum Beispiel innerhalb eines aufsteigenden Luftstromes bei einem thermischem Auftrieb, beim Überströmen eines Gebirges oder auch auf der Oberseite von Flugzeugtragflächen (durch die Flügelform entsteht auf der Oberseite des Tragflügels ein geringerer Druck). Beim Abkühlen verringert sich die Sättigungskonzentration für Wasserdampf. Unterschreitet diese den tatsächlichen Wassergehalt, kondensiert der darüber liegende Wasseranteil zu kleinen Wassertröpfchen (Bildung von Wolken oder Nebel). Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik bedeutet also "adiabatisch", daß sich die Bewegungsenergie aus der temperaturbedingten Molekularbewegung (innere Energie) und die Ausdehnungsarbeit die Waage halten. Steigt also ein Luftpaket adiabatisch in die Höhe, wird der umgebende Druck allmählich geringer und es dehnt sich entsprechend aus. Die für die Ausdehnungsarbeit benötigte Energie wird der molekularen Bewegung der Luftteilchen im inneren des Luftpakets entzogen, was zur Abkühlung des Luftpakets führt (Joule-Thomson-Effekt). Sinkt ein Luftpaket adiabatisch aus der Höhe ab, wird der es umgebende Druck allmählich größer und es entsprechend komprimiert. Die für die Kompressionsarbeit benötigte Energie wird der molekularen Bewegung der Luftteilchen im inneren des Luftpakets zugeführt, was zur Erwärmung des Luftpakets führt. Weiteres zum Luftdruck in unterschiedlichen Höhen und zur entsprechend veränderlichen Luftdichte stehen in den Kapiteln Luftdruck und Luftdichte.

Vertikale Luftbewegung

Die Luft der Atmosphäre ist in ständiger Bewegung. Dabei ist zu unterscheiden zwischen den horizontalen Luftbewegungen (Advektion) und den um Größenordnungen kleineren vertikalen Bewegungen der Luft mit Geschwindigkeiten von allenfalls einigen cm/s, sieht man einmal von den kräftigen thermischen Aufwinden ab. Im meteorologischen Sprachgebrauch versteht man unter vertikalen Luftbewegungen in der Atmosphäre allgemein aktive, isolierte Aufstiegsbewegungen von Luftkörpern zwischen denen kompensierende Absinkvorgänge auftreten (vertikale Zirkulationsströmung), so daß im weiträumigen Mittel nur ein vertikaler Transport von Eigenschaften (Wasserdampf, Wärme, Impuls, Beimengungen u.a.) gegeben ist. Dies wird von klein- oder mittelräumigen Erwärmungsunterschieden an der Erdoberfläche verursacht. Ausdruck solcher Vertikalbewegungen sind die Thermik und die Konvektion. Sie bewirken einen vertikalen Massenaustausch und vertikalen Energietransport. Sie sorgen damit neben der Turbulenz für die Durchmischung der gesamten Troposphäre und damit für den Ausgleich von Temperatur- und Druckunterschieden.

Thermik und Konvektion

Thermik und Konvektion unterscheiden sich in der Größenordnung ihrer horizontalen und vertikalen Erstreckung.

• Thermik ist die aufwärts gerichtete Strömung erwärmter Luft,
• Konvektion das Aufsteigen erwärmter Luft bei gleichzeitigem Absinken kälterer Luft in der Umgebung (kompensierender Absinkvorgang).

Die Thermik wird ausgelöst durch die Entwicklung und Ablösung von Warmluftblasen (Thermikblasen) über dem stärker erwärmten, 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 Abkühlung die Temperatur der Umgebungsluft erreicht hat. In zeitlichem Abstand folgt der ersten Warmluftblase die nächste. Sie hat häufig eine größere Aufstiegsgeschwindigkeit und holt dann die Schleppe der ersten Blase ein. Aus kleinsten Anfängen in den bodennahen Luftschichten, zu sehen ist oft ein „flimmern" der Luft, entwickelt sich schließlich im Zuge der fortschreitenden Erwärmung des Erdbodens ein regelrechter Thermikschlauch mit aufsteigender Warmluft, auch Aufwind genannt. Dieser Aufwind kann einen Durchmesser bis zu einigen hundert Metern annehmen und ermöglicht überhaupt erst den uns heute bekannten Segelflug.