Luftmassentransformation

Luftmassen bilden sich in grossen Hochdruckgebieten, wo sie charakteristische Eigenschaften wie Temperatur und Feuchte annehmen. Einmal unterwegs, sind sie wechselnden Einflüssen ausgesetzt. Verschiedene atmosphärische Prozesse transformieren diese Luftmassen in andere um. Dazu zählen auch Thermik und Gewitter.

Martin Gassner

Eine Kaltfront beendete die schwüle Hitzeperiode. Temperaturen weit über dreissig Grad hatten den Schweiss aus den Poren getrieben, und die dunstige Luft trübte die Sicht auf die Berge. Nur unterhalb der Wolkenbasis herrschte noch ein angenehmes Klima. Im Gegensatz dazu war in der Luft, die hinter der Kaltfront herangeflossen war, eine warme Jacke ganz angenehm. Kristallklar zierte das Alpenpanorama den Horizont.

Definition Luftmassen
Was war meteorologisch gesehen geschehen? Kühle, klare Polarluft hatte heisse Tropikluft verdrängt. Letztere war vor einigen Tagen aus Südwesten in unser Land geflossen. Mit Wärme und Staub hatte sie sich irgendwo über der Sahara vollgetankt. Die Polarluft stammte vom nördlichen Atlantik und war deshalb kalt und fast staubfrei. Wie bilden sich diese Luftmassen, die über grosse Distanzen doch recht homogene Eigenschaften aufweisen?
Die Temperatur der Luft nimmt von den heissen Tropen zu den kalten Polen hin nicht kontinuierlich, sondern in Stufen ab. Es gibt grössere Gebiete, die von relativ einheitlich temperierter Luft erfüllt sind. Dazwischen liegen Zonen, wo auf geringe Entfernung grosse Temperaturunterschiede auftreten. Diese gestufte Verteilung gilt auch für andere Eigenschaften der Luft, wie zum Beispiel den Feuchtegehalt oder die Sicht. Luft, in der diese Eigenschaften in einem grösseren Raum gleich bleiben, bezeichnet man als Luftmasse. In den Übergangszonen zwischen den Luftmassen treten grosse Änderungen über kurze Distanzen auf, wie zum Beispiel in der Polarfront.

Wie Luftmassen entstehen
Trotz der ständig sich bewegenden Atmosphäre bleiben immer wieder grössere Luftmengen für längere Zeit gleichmässigen Bedingungen ausgesetzt. Wesentlich sind dabei Strahlung und Untergrund. Sie prägen die Luftmasse bezüglich Temperatur, Feuchte, Stabilität, Staub oder Schadstoffe. Im hohen Norden etwa bilden sich arktisch kalte und in Äquatornähe tropisch heisse Luftmassen. Über dem Ozean formen sich feuchte und staubfreie Luftmassen, während über dem Festland eher trockene dafür staubhaltige Luftmassen entstehen. Ausserdem ist auch die vorherrschende Vertikalbewegung von Bedeutung, erwärmt doch eine Absinkbewegung (Subsidenz) die Luft adiabatisch und trocknet sie zugleich aus. Wassertröpfchen verdunsten und Wolken lösen sich auf. Umgekehrt führt Hebung zu Abkühlung und zu einem Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit verbunden mit der Bildung von Wolken und Niederschlägen (Abb. 1). Quellgebiete für die Luftmassen sind besonders die grossen quasistationären Hochdruckgebiete. Dazu gehören die Hochdruckzonen in den Subtropen mit dem Azorenhoch als prominentes Mitglied und die Hochs der Polarregion, zu welchen das bekannte Russlandhoch zählt.

Abb. 1: Erwärmung infolge Subsidenz, bzw. Abkühlung infolge Hebung.	Abb. 2: Änderung des Temperaturverlaufs durch turbulente Mischung. Eine Bodeninversion löst sich auf, dafür bildet sich oberhalb der turbulenten Schicht eine neue Inversion.
Abb. 3: Erwärmung vom Boden her führt zu einer Labilisierung, Abkühlung zu einer Stabilisierung.	Abb. 4: Wenn zusätzlich zur Erwärmung noch Kondensationswärme frei wird, können grosse Cumulus-Wolken oder gar Gewitter entstehen, die Wärme bis zur Tropopause transportieren.

Turbulente Mischung
Kommt Bewegung auf, weil sich zum Beispiel ein Hochdruckgebiet abgebaut hat, gelangt die ursprüngliche Luftmasse in Gebiete mit anderen Umgebungsbedingungen und beginnt sich zu verändern. Erfassen die kräftigen Winde eines Sturmtiefs eine winterliche Kaltluftmasse, die eine ausgeprägte Bodeninversion charakterisiert, durchmischt die Turbulenz die untersten Luftschichten, wirbelt die kälteste Luft vom Boden hinauf und wärmere Luft aus höheren Schichten hinunter. An der Obergrenze dieser turbulenten Schicht bildet sich eine neue Inversion (Abb. 2).

Erwärmung vom Untergrund
Streicht kalte Luft über einen warmen Untergrund, wird die Luft von unten her aufgeheizt. Die Luft wird zunehmend labilisiert und mit der einsetzenden thermischen Durchmischung rasch hochreichend erwärmt (Abb. 3). Schwachwindige Nord- bis Nordostlagen sind deshalb günstig für Streckenflüge. Der umgekehrte Prozess, wenn warme Luft über einen kalten Untergrund streicht, läuft nicht so schnell ab, da die Abkühlung von unten her die Luft stabilisiert und damit den vertikalen Wärmeaustausch hemmt. Ausgeprägt zeigen sich diese Abläufe über dem Meer. Infolge der grossen Wärmeleitfähigkeit und -kapazität des Wassers reagiert die Temperatur kaum auf ändernde Lufttemperaturen. Die Ozeane stellen daher je nach Lufttemperatur riesige Wärmequellen bzw. -senken dar. Die Feuchtigkeit spielt hier eine wichtige Rolle. Von der Meeresoberfläche gelangt Wasserdampf in die Atmosphäre. Wird gleichzeitig die Luft abgekühlt, reichert sich die bodennahe, stabile Schicht rasch mit Feuchtigkeit an. Die Sichtbedingungen verschlechtern sich und es kann sogar Nebel entstehen. Bei gleichzeitiger Erwärmung und der damit verbundenen Labilisierung führt die aufgenommene Feuchtigkeit zu hochreichender Cumulus-Bewölkung oder gar zu Gewittern (Abb. 4).

Labilisierung im Sommer
Über dem Festland bildet die Strahlung den Hauptfaktor für die Erwärmung. Bei wolkenarmem Wetter im Frühling und im Sommer heizt sich die Luft von Tag zu Tag zunehmend auf. Damit ist eine fortschreitende Labilisierung und eine Abnahme der relativen Feuchte verbunden. Bei einer flachen Druckverteilung, d.h. wenn der grossräumige Einfluss gering ist, sinkt mit der Labilisierung auch der Luftdruck. Die Flugbedingungen werden zwar besser, das Risiko für Wärmegewitter steigt jedoch an. Für Delta- und Gleitschirmflieger drohen von Gewittern vor allem zwei Gefahren. Unterhalb der Cumulonimben herrschen derart starke Aufwinde, die Hängegleiter in die Wolke saugen und in grosse Höhen katapultieren können. Schon einige Piloten sind so erfroren. Die aus Gewittern ausfliessende Kaltluft verursacht am Boden kräftige Turbulenzen, auch noch weit von der Wolke entfernt. In diesen Turbulenzen hat es Deltapiloten beim Landeanflug überschlagen.
Damit ein Hoch im Sommer über längere Zeit bestehen bleibt, müssen strömungsdynamische Faktoren das Hoch stützen. Die Labilisierung infolge der Erwärmung führt sonst zur Abschwächung des Hochs, das dann den Attacken der Störungsfronten nicht mehr Stand halten kann. Die heisse Tropikluft muss dann kalter Polarluft weichen.

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