Stabilität und Labilität

Gute Thermik heute? Die Ballonsondierung von Payerne liefert eine Menge

von Zahlen, die mit guter Kenntnis der Grundlagen interpretiert werden können. In der folgenden Serie von Beiträgen wird das Thema Temp behandelt. Dieser Beitrag, der bereits im März 1993 erschienen ist, erklärt die Grundlagen dazu.

9 Uhr. Ist heute Flugwetter? Telefonnummer 157 126 222 (französisch: 157 326 222) oder Internet-Seite http://www.sma.ch/de/wetter/?aviatik/schweiz/segelflug.shtml: "... 26°C Radiosonde Payerne, Höhe, Temperatur, Taupunkt, Boden 15 10, 600 m 23 7, 1000 m 19 4, ..." Wozu diese doofen Zahlen im Segelflugwetterbericht? Was versteckt sich dahinter? In Abbildung 1 sind diese Zahlen aufgezeichnet, horizontal sind Temperatur und Taupunkt aufgetragen, vertikal die Höhe. Graphisch gewinnt man leicht Übersicht über diesen Zahlenhaufen, den die Ballonsondierung von Payerne am 16. Mai 1992 um Mitternacht geliefert hat. Der Temperaturverlauf zeigt die nächtliche Bodeninversion und eine Absinkinversion bei 2600 m Höhe, sonst aber wenig Struktur. Auch die Taupunktkurve weist bei der Absinkinversion einen deutlichen Sprung auf. Der Temp, wie man diese Temperatur- und Taupunktwerte bezeichnet, gibt Aufschluss über die Stabilität der Atmosphäre und damit auch, wie stark die Thermik werden wird.

Adiabatischer Temperaturgradient
An einem Thermiktag wird die Luft an von der Sonne beschienenen Flecken aufgeheizt und steigt zur Freude der Delta- und Gleitschirmpiloten in die Höhe. In einem vereinfachenden Modell kann diese Thermikblase als Ballon betrachtet werden, der weder Wärme noch Luft mit der Umgebung austauscht, nur der Druck passt sich sofort dem Umgebungsdruck an, der ja mit zunehmender Höhe abnimmt. Damit dehnt sich die Thermikblase aus und ihre Temperatur sinkt mit 0,98°C pro 100m Höhe. Diese Abnahmerate bezeichnet man als trockenadiabatischen Temperaturgradienten. Bei einsetzender Wolkenbildung wird durch Kondensation des Wasserdampfes verborgene (= latente) Wärme frei, so dass die Temperatur weniger schnell abnimmt. Der feuchtadiabatische Temperaturgradient ändert je nach Temperatur und Druck, zum Beispiel liegt er bei 20°C und 900hPa (auf ca. 1000m Höhe) bei ca. 0,46°C pro 100m Höhe und nähert sich mit abnehmender Temperatur dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten. In Tabelle 1 sind einige Werte bei verschiedenen Temperaturen und Drücken ersichtlich.

Stabilität der Atmosphäre
In der freien Atmosphäre kann ein Luftpaket zum Beispiel durch eine Turbulenz gehoben werden, wie in Abbildung 2 unter Punkt 1 dargestellt, wobei rot warme und blau kalte Luft markiert. Befindet sich die Atmosphäre im stabilen Gleichgewicht, wird das Luftpaket wieder in seine Ausgangshöhe zurückgedrängt, weil es kälter und damit schwerer als die Umgebungsluft wird (Punkt 2 und 3 oben). Die Temperatur der Umgebungsluft (Linie b oben links) nimmt also weniger schnell als der adiabatische Temperaturgradient (Linie a links) ab.

Im labilen Gleichgewicht nimmt die Temperatur der Umgebungsluft (Linie b unten) schneller als der adiabatische Temperaturgradient (Linie a links) ab. Das nach oben beförderte Luftpaket ist wärmer und damit leichter als die Umgebungsluft und wird mehr und mehr nach oben beschleunigt (Punkt 2 und 3 unten).

Ohne Kondensation der Feuchtigkeit, also bei relativ trockener Luft, ist das gut zu verstehen. Ein trocken-labiles Gleichgewicht entsteht nur knapp über dem Boden, wenn dieser die Luft darüber aufheizt. Die so entstandene Schicht wird auch als überadiabatische Schicht bezeichnet. Sonst ist die Atmosphäre immer trocken-stabil; eine labile Schichtung würde sich sofort umlagern. Zusammen mit Kondensation von Feuchtigkeit wird die Sache delikat: Besonders im Sommer bei hohem Feuchtigkeitsgehalt kann Luft sowohl trocken-stabil als auch feucht-labil geschichtet sein. Wenn diese Luft gehoben wird und plötzlich Kondensationswärme frei wird, wechselt sie vom trocken-stabilen in den feucht-labilen Zustand und kann gewaltige Umschichtungsprozesse in Form von Gewittern auslösen. Doch mehr dazu ein andermal.

Analyse des Temp
Am 16. Mai, einem heissen, vorwiegend sonnigen Frühlingstag stieg die Temperatur in Neuenburg auf etwa 26°C; die nächtliche Bodeninversion wechselte durch die starke Sonneneinstrahlung in eine überadiabatische Schicht. Am Boden sind viele Hindernisse vorhanden, ein Starkstrommast oder ein Waldrand etwa, die diese labile Schicht stören. Wenn dort etwas Luft aufsteigt, ist sie sofort wärmer als die Umgebungsluft und wird nach oben beschleunigt. Eine Thermikblase, die am Nachmittag in Neuenburg von etwa 500m Höhe her startet, würde etwa bis 2500m Höhe steigen. Der Temperaturverlauf dieser Thermikblase, der als Trockenadiabate bezeichnet wird, wird im Diagramm in Abbildung 1 mit einer Linie dargestellt, die bei 26°C und 500m beginnt und mit 1°C pro 100m Höhe nach links geneigt ist. Auf 2500m bei der Absinkinversion schneidet sie die Temperaturkurve der Umgebungsluft, die dort wärmer wird als die Thermikblase und deren Aufstieg beendet. Im ganzen Bereich war die Thermikblase nur etwa 1 bis 2°C wärmer, knapp genug, damit überhaupt Thermik entsteht. Für gute Thermik sollte der Temperaturunterschied grösser als 2°C sein. Im Mittelland war nur schwache Blauthermik, da sich die Absinkinversion infolge des steigenden Luftdruckes noch mehr senkte. Eine solche Situation bezeichnet man als stabil.

Weshalb also gelangen so vielen Delta und Gleitschirmpiloten weite Streckenflüge in den Voralpen und Alpen? Um 13h war es in Montana, wo die meisten erfolgreichen Piloten starteten, bereits 20°C und dürfte im Laufe des Nachmittags noch weiter gestiegen sein. Die Trockenadiabate, Startpunkt bei etwa 21°C und 1500m Höhe, schneidet die Temperaturkurve der Umgebungsluft sehr flach bei 3400m Höhe. Das gibt bereits eine beachtlich hohe Obergrenze der Thermik. An einigen Stellen dürfte die Temperatur noch höher gestiegen sein, was zu Cumuluswolken mit Basis über 3600m führte. Die Abschätzung der Wolkenbasis folgt in einem der nächsten "Swiss Glider". Wie aber weiss man, wie warm es in den Bergen wird? Dazu eine Faustregel: Von der vorhergesagten Maximaltemperatur, die für Zürich (etwa 400m Höhe) gilt, zählt man für 100m zusätzliche Höhe 0,5°C ab. Für Montana ergibt das 5,5°C weniger, also etwa 21°C. In den Alpen herrschte also prächtiges Streckenflugwetter.

Martin Gassner

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