Einführung in die Meteorologie I - Teil V: Thermodynamik der Atmosphäre- Clemens Simmer

Gliederung der Vorlesung 0 Allgemeines I Einführung II Zusammensetzung und Aufbau der Atmosphäre III Strahlung IV Die atmosphärischen Zustandsvariablen V Thermodynamik der Atmosphäre ----------------------------------------------------- VI Dynamik der Atmosphäre VII Atmosphärische Grenzschicht VIII Synoptische Meteorologie

V Thermodynamik der Atmosphäre Adiabatische Prozesse mit Kondensation Trocken- und Feuchtadiabaten Temperaturschichtung und Stabilität Auftrieb und Vertikalbewegung Wolkenbildung und Temperaturprofil Beispiele Rauchfahnenformen Wolkenentstehung Struktur der atmosphärischen Grenzschicht Thermodynamische Diagrammpapiere Auswertehilfe für Vertikalsondierungen (Radiosonden) Verschiedene Phänomene Wolken Nebel Niederschlag

V.2 Temperaturschichtung und Stabilität Spontane Umlagerungen von Luft treten ein, wenn dichtere (schwerere) Luft über weniger dichterer (leichterer) Luft liegt. Unter Annahme eines instantanen Druckausgleichs ist bei gleich zusammengesetzter Luft eine unterschiedliche Dichte mit unterschiedlichen Temperaturen verbunden (wärmere Luft ist leichter, siehe Gasgleichung). Der resultierende Auftrieb (Beschleunigung) der weniger dichten (wärmeren) Luft ist proportional zur Dichte- bzw. Temperaturdifferenz. Abhängig von den Schichtungsverhältnissen (Temperaturprofil) kommt es bei Auslenkungen von Luftpaketen zu Temperaturdifferenzen und damit zu Auf- oder Abtrieb.

Spontane vertikale Umlagerungen Wenn schwere Luft über leichter Luft liegt tritt spontane Umlagerung ein. Die homogene Atmosphäre (=in allen Höhen gleiche Dichte) ist damit ein Grenzfall für den Übergang zu spontanen Umlagerungen. Welches Temperaturprofil herrscht in der homogenen Atmosphäre? „autoconvective lapse rate“

Auftrieb (Beschleunigung, dw/dt) eines Luftvolumens unterschiedlicher Dichte Für die Umgebung gelte die hydrostatische Grundgleichung: Annahme wie immer: p=pU (instantaner Druckausgleich) Der Auftrieb der weniger dichten Luft ist proportional zur Dichte- oder Temperaturdifferenz.

Auftrieb eines Luftvolumens bei T=TU nach adiabatischer vertikaler Auslenkung aus Gleichgewichtslage Ein Luftvolumen werde aus seiner Position (Ausgangslage z0) adiabatisch vertikal ausgelenkt (z. B. durch Turbulenz). Ist die Temperaturschichtung selbst nicht adiabatisch, so stellt sich eine Temperaturdifferenz (Dichtedifferenz) zwischen Teilchen und Umgebung ein. Abhängig von der Temperaturschichtung wird es dann in die gleiche Richtung beschleunigt, oder abgebremst und in die Ausgangsposition zurückgelenkt: z Tv z0 TvU(z0) = Tv(z0)

Resultierende Stabilitätskriterien:

Bezeichnungen für Stabilitätszustände

Zustandskurve und Stabilität - ein Beispiel - Zustandskurve T(z) Trockenadiabaten (dT/dz=-1K/100m) Feuchtadiabaten (dT/dz≈-0,6 K/100m) T(z) T z Stabilitätsbewertung: absolut stabil absolut stabil (Inversion) feucht labil absolut labil

Übungen zu V.2 Es herrsche eine Temperaturdifferenz von 1 K zwischen einem Teilchen und seiner Umgebung, die eine Temperatur von 290 K hat. Durch den Auftrieb beginnt das Teilchen zu steigen. Diese geschieht so schnell, dass das Aufsteigen adiabatisch behandelt werden kann. Die Umgebungsluft sei so geschichtet, dass die Temperatur mit der Höhe um den gleichen Betrag abnimmt wie die Teilchentemperatur (adiabatische (neutrale) Schichtung) abnimmt (es herrscht also eine konstante Temperaturdifferenz von 1 K). Wie schnell steigt das Teilchen bei Vernachlässigung von Reibung und Vermischung (Entrainment) nach einer Minute; wie hoch ist es über seinem Ausgangsniveau nach 10 Minuten?

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