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Einführung
in die Meteorologie I
- Teil V: Thermodynamik der
AtmosphäreClemens 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
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V Thermodynamik der Atmosphäre
1. Adiabatische Prozesse mit Kondensation
-
Trocken- und Feuchtadiabaten
2. Temperaturschichtung und Stabilität
-
Auftrieb und Vertikalbewegung
Wolkenbildung und Temperaturprofil
3. Beispiele
-
Rauchfahnenformen
Wolkenentstehung
Struktur der atmosphärischen Grenzschicht
4. Thermodynamische Diagrammpapiere
-
Auswertehilfe für Vertikalsondierungen (Radiosonden)
5. Verschiedene Phänomene
-
Wolken
Nebel
Niederschlag
3
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 Aufoder Abtrieb.
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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?
dTv dTv dp

dz
dp dz
 0 g
Aus p  0RLTv folgt

dTv
1

dp 0RL
dTv
1
g

(  0 g )  
 3,42 K/100m
dz
0RL
RL
„autoconvective lapse rate“
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Auftrieb (Beschleunigung, dw/dt) eines
Luftvolumens unterschiedlicher Dichte
Annahme:   U
,
U
Umgebung
Für die Umgebung gelte die hydrostatische Grundgleichung:

0  g 
1 pU
U z
Für das Teilchen gelte die 3. Bewegungsgleichung (ohne Coriolis und Reibung):
dw
1 p
 g 
dt
 z
Annahme wie immer: p=pU (instantaner Druckausgleich)

 T v TvU 
 U 
 U   
dw
1
 g  g U  g 1 

  g
  g
dt



T




vU


Der Auftrieb der weniger dichten Luft ist
proportional zur Dichte- oder Temperaturdifferenz.
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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:
Temperaturänderung Teilchen :
dT
TvU bei  v   v   vU
dz
 stabil
z
Tv ( z )
 Tv 0
  v ( z  z0 )
Temperaturänderung Umgebung:
TvU ( z )  TvU 0   vU ( z  z0 )
Beides einsetzen in Beschleunigung:
z0
 vU  
TvU(z0) = Tv(z0)
TvU
z
TvU bei  v  
 labil
Tv
dTv
  vU
dz
 T  TvU 
dw
 g v
 ergibt
dt
 TvU 
dw
g

 vU   v   z  z0 
dt TvU
0 Beschleunigung
0 Abbremsung
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Resultierende Stabilitätskriterien:
 vU
  




 v
  


ungesättigt :  d
 
 
 U  d
 
 
 
U  
  0
z  
 
 labil

neutral
 stabil

 s : gesättigt
labil
neutral
stabil
labil
neutral
st abil
 vU   U ,  v  
 
 
 U  s
 
 
 
 eU  
  0
z  
 
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Bezeichnungen für Stabilitätszustände
d
s
U
 U
 U
 d
 s
absolut labil
bedingt labil/stabil  feuchtlabil
absolut stabil
Isothermie  U  0 absolut stabil
Inversion
 U  0 absolut stabil
Standardatmosphäre:
TU
 0,65 K/100mfeuchtlabil, denn
z
d ( 0,98)   U  s ( 0,55)
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Zustandskurve und Stabilität
- ein Beispiel Zustandskurve T(z)
Trockenadiabaten
(dT/dz=-1K/100m)
Feuchtadiabaten
(dT/dz≈-0,6 K/100m)
T(z)
z
Stabilitätsbewertung:
absolut stabil
absolut stabil (Inversion)
feucht labil
absolut stabil (Inversion)
absolut labil
T
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Übungen zu V.2
1. 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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A. Analogie aus der Mechanik
Das Gleichgewicht der Kugel
ist relativ zur Unterlage
B. Die Trocken-Adiabate
ist die Zustandskurve
des Teilchens:
Zustandskurve
der Umgebung:
stabil
z
z
z
z0
Übersicht
T
( T/ z) der Umgebung = U
Gleichgewicht des Teilchens
trocken-stabil
Schichtung der Atmosphäre
unteradiabatisch
C. Die Sättigungs-Adiabate
ist die Zustandskurve
des Teilchens:
labil
indifferent
T
= d
trocken-indifferent
d
z
T
d
trocken-labil
adiabatisch
überadiabatisch
z
z
z0
Zustandskurve
der Umgebung:
T
( T/ z) der Umgebung = U
s
D. Zustandskurve des Teilchens ist z
die Trocken-Adiabate
oder
z0
die Sättigungs-Adiabate
Gleichgewicht des Teilchens
z
T
s
absolut
stabil
T
s
z
Zustandskurve
der Umgebung:
( T/ z) der Umgebung = U
T
= s
T
s und
bedingt
stabil/labil
d
T
d
absolut
labil
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