Warum verwandelt sich der Wasserdampf in der Luft in flüssige oder feste Teilchen, die auf die Erde fallen können? Die Antwort ist, dass die Luft natürlich abgekühlt wird. Wenn sich die Luft bis zum Taupunkt abkühlt, ist sie mit Wasser gesättigt. Stellen Sie sich vor, Sie entziehen einem feuchten Schwamm Wasser. Um das Wasser freizusetzen, muss man den Schwamm zusammendrücken, d. h. seine Fähigkeit, Wasser zu speichern, verringern. In der Atmosphäre ist die Abkühlung der Luft über den Taupunkt hinaus wie das Zusammendrücken des Schwamms – sie verringert die Menge an Wasserdampf, die die Luft enthalten kann, und zwingt einige Wasserdampfmoleküle, ihren Zustand zu ändern und Wassertröpfchen oder Eiskristalle zu bilden.
Ein Mechanismus zur Abkühlung der Luft ist die nächtliche Abkühlung. In einer klaren Nacht kann die Bodenoberfläche recht kalt werden, da sie an langwelliger Strahlung verliert. Wenn die Luft feucht ist, kann sich Reif ablagern, da der Wasserdampf Eiskristalle bildet. Diese Abkühlung reicht jedoch nicht aus, um Niederschlag zu bilden. Niederschlag entsteht nur, wenn die Temperatur einer größeren Luftmasse kontinuierlich unter den Taupunkt sinkt. Dies geschieht, wenn ein Luftpaket in immer höhere Schichten der Atmosphäre gehoben wird.
Taupunkttemperatur
Wenn Sie jemals einen Fahrradreifen mit einer Handpumpe aufgepumpt haben, haben Sie vielleicht bemerkt, dass die Pumpe heiß wird. Wenn ja, dann haben Sie das adiabatische Prinzip beobachtet. Dieses wichtige Gesetz besagt, dass die Temperatur eines Gases beim Komprimieren steigt, wenn ihm keine Energie zugeführt wird. Wenn Sie kräftig pumpen und dabei die Luft komprimieren, wird die Fahrradpumpe aus Metall warm. Umgekehrt sinkt die Temperatur eines Gases, wenn es sich ausdehnt, nach dem gleichen Prinzip. Physiker verwenden den Begriff adiabatischer Prozess, um einen Erwärmungs- oder Abkühlungsprozess zu bezeichnen, der ausschließlich aufgrund von Druckänderungen stattfindet, ohne dass Wärme in ein Luftvolumen hinein- oder aus ihm herausfließt.
Wie hängt das adiabatische Prinzip mit dem Auftrieb von Luft und mit Niederschlägen zusammen? Das fehlende Glied ist einfach, dass der atmosphärische Druck mit zunehmender Höhe abnimmt. Wenn ein Luftpaket in die Höhe steigt, sinkt der atmosphärische Druck auf das Paket, und die Luft dehnt sich aus und kühlt ab, wie in Abbildung 4.9 dargestellt. Wenn ein Luftpaket absteigt, wird der atmosphärische Druck höher, und die Luft wird komprimiert und erwärmt.
Wir beschreiben dieses Verhalten in der Atmosphäre mit der trockenen adiabatischen Stornorate, wie im unteren Teil von Abbildung 4.10 dargestellt. Sie gilt für ein aufsteigendes Luftpaket, das noch nicht bis zur Sättigung abgekühlt ist. Die trockene adiabatische Stornorate hat einen Wert von etwa 10°C pro 1000 m (5,5°F pro 1000 ft) vertikalen Anstiegs. Das heißt, wenn ein Luftpaket um 1 km angehoben wird, sinkt seine Temperatur um 10 °C. Umgekehrt erwärmt sich ein Luftpaket, das absteigt, um 10°C pro 1000 m. Dies ist die trockene Rate, da während dieses Prozesses keine Kondensation stattfindet.
Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen der trockenen adiabatischen Stornorate und der Umgebungstemperatur-Stornorate. Der Temperatursturz in der Umgebung ist einfach ein Ausdruck dafür, wie die Temperatur der ruhenden Luft mit der Höhe variiert. Diese Rate variiert von Zeit zu Zeit und von Ort zu Ort, je nach dem Zustand der Atmosphäre. Sie unterscheidet sich deutlich von der trockenen adiabatischen Stornorate. Die trockene adiabatische Stornorate gilt für eine sich vertikal bewegende Luftmasse. Sie variiert nicht mit Zeit und Ort und wird durch physikalische Gesetze und nicht durch den örtlichen Zustand der Atmosphäre bestimmt.
TROCKENE ADIABATISCHE RAATE
Untersuchen wir weiter das Schicksal eines Luftpakets, das sich in der Atmosphäre aufwärts bewegt (Abbildung 4.10). Während sich das Paket nach oben bewegt, sinkt seine Temperatur mit der trockenen adiabatischen Rate von 10°C/1000 m (5,5°F/1000 ft). Beachten Sie jedoch, dass sich die Taupunkttemperatur mit der Höhe leicht verändert. Anstatt konstant zu bleiben, sinkt sie mit der Taupunkt-Lapse-Rate von 1,8°C/1000 m.
Wenn der Aufstiegsprozess weitergeht, wird die Luft schließlich auf ihre Taupunkttemperatur abgekühlt, und es kommt zur Kondensation. Dies ist in Abbildung 4.10 als aufsteigende Kondensationshöhe dargestellt. Das Niveau der aufsteigenden Kondensation wird also von der Anfangstemperatur der Luft und ihrem Anfangstaupunkt bestimmt
und kann von dem hier gezeigten Beispiel abweichen. Wenn das gesättigte Luftpaket weiter aufsteigt, kommt ein neues Prinzip zum Tragen – die Freisetzung latenter Wärme.
Das heißt, dass bei der Kondensation latente Wärme von den kondensierenden Wassermolekülen freigesetzt wird und die umgebenden Luftmoleküle erwärmt.
Mit anderen Worten, es treten zwei Effekte gleichzeitig auf. Erstens wird die angehobene Luft durch die Verringerung des atmosphärischen Drucks abgekühlt. Zum anderen wird sie durch die Freisetzung von latenter Wärme aus der Kondensation erwärmt.
Welcher Effekt ist stärker? Wie sich herausstellt, ist der kühlende Effekt stärker, so dass sich die Luft weiter abkühlt, wenn sie angehoben wird. Aufgrund der Freisetzung latenter Wärme wird die Abkühlung jedoch geringer ausfallen. Diese Abkühlungsrate für gesättigte Luft wird als feuchtadiabatische Stornorate bezeichnet und liegt zwischen 4 und 9 °C pro 1000 m (2,2-4,9 °F pro 1000 ft). Im Gegensatz zur trockenen adiabatischen Stornorate, die konstant bleibt, ist die feuchte adiabatische Stornorate variabel, da sie von der Temperatur und dem Druck der Luft und ihrem Feuchtigkeitsgehalt abhängt. Für die meisten Situationen können wir jedoch einen Wert von 5°C/1000 m (2,7°F/1000 ft) verwenden. In Abbildung 4.10 ist die feuchte adiabatische Rate als leicht gekrümmte Linie dargestellt, um zu verdeutlichen, dass sich ihr Wert mit der Höhe ändert.
Denken Sie daran, dass mit der Sättigung des Luftpakets und dem weiteren Aufstieg eine Kondensation stattfindet. Diese Kondensation erzeugt flüssige Tröpfchen und feste Eispartikel, die Wolken und schließlich Niederschlag bilden.