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Labilität und Stabilität in der Atmosphäre sind die Folge unterschiedlicher, vertikaler Schichtungen der Lufttemperatur. Die Lufthülle der Erde wird nicht unmittelbar von der Sonnenstrahlung erwärmt, sondern indirekt über den Umweg der Erdoberfläche, d.h. die elektromagnetische Strahlung der Sonne erwärmt den Boden, der wiederum die so aufgenommene Energie an die angrenzenden Luftschichten abgibt und diese damit erwärmt. Die höheren Luftschichten wiederum strahlen ihre Wärmeenergie in den Weltraum ab. Im Mittel besteht also in der Atmosphäre ein Wärmegefälle von den bodennahen zu den höheren Schichten. Die Lufttemperatur nimmt in der Regel mit der Höhe ab. Diese Temperaturabnahme wird als geometrischer Temperaturgradient bezeichnet.
Der adiabatische Temperaturgradient ergibt sich aus der Betrachtung eines isolierten Luftpaketes. Steigt ein Luftpaket auf, so gelangt es in Bereiche niedrigeren Druckes, dehnt sich aus und kühlt ab. Sinkt das Luftpaket ab, so wird es durch den zunehmenden Luftdruck komprimiert und erwärmt sich. Je nach stofflicher Zusammensetzung des Luftpaketes erfolgt die Temperaturänderung verschieden stark.
Temperaturveränderungen haben immer auch eine Änderung der Dichte zur Folge. So ist die Dichte eines warmen Luftpaketes geringer als die eines kalten, was bedeutet daß warme Luft stets aufsteigt und kalte Luft stets absinkt.
In Abb.2 ist eine massive Inversion dargestellt. Auf der x-Achse ist die Temperatur in Grad Celsius, auf der y-Achse die Höhe in Meter abgetragen. Die durchgezogene Linie stellt den geometrischen Temperaturgradienten dar. Es wird ersichtlich, daß die Temperatur der Luft mit der Höhe zunimmt. Die gestrichelte Linie stellt den adiabatischen Temperaturgradienten dar. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Temperatur eines aufsteigenden Luftpaketes mit der Höhe abnimmt. Angenommen die Temperatur eines
Abb.2 Beispiel einer stabilen Schichtung mit Inversionsunter- grenze in 500m.
Luftpaketes beträgt am Erdboden 9°C, die der Umgebungsluft 1°C, so hat dies zur Folge, daß das Luftpaket auf Grund seiner geringeren Dichte aufsteigt. Mit dem Aufstieg nimmt seine Temperatur ab. In einer Höhe von 500 Meter hat das Luftpaket ein Niveau erreicht, in der es die gleiche Temperatur besitzt wie die der Umgebungsluft. Das Luftpaket erfährt hier keinen Auftrieb mehr. Jeder weitere Versuch aufzusteigen wird durch die höher liegenden, leichteren Luftschichten unterbunden, sie stellen eine Sperrschicht dar, die vertikale Luftbewegung stark einschränkt.
Es wird deutlich, daß vertikale Luftbewegungen entscheidend von der Temperaturschichtung abhängen. Im Falle von Luftverunreinigungen stellt ein geringer vertikaler Luftmassentransport eine höhere Schadstoffkonzentration in den unteren Luftschichten dar. Die Ausbreitung von Luftverunreinigungen hängt also in großem Maße von der Schichtung der Atmosphäre ab, die im folgenden an 5 exemplarischen Temperaturschichtungen näher behandelt werden.
Den Abbildungen 2-6 sind folgende Überlegungen zugrunde gelegt. Ein Fabrikschornstein emittiert kontinuierlich Rauch. Der Rauch besitzt beim Austritt eine gewisse Austrittsgeschwindigkeit und -Temperatur, die ihn zunächst in vertikale Richtung über die eigentliche Schornsteinhöhe hinaus, verfrachtet. Erst in einer gewissen Distanz von der Schornsteinöffnung biegt er dann in die Horizontale ein. Man nennt diesen Punkt die effektive Schornsteinhöhe, dessen Wert ebenfalls von der Temperaturschichtung abhängt. Der Wind weht aus westlicher Richtung, also von links nach rechts der Abbildung. Die Rauchkonzentration wird durch die Helligkeit der Rauchfahne dargestellt. Die durchgezogene Linie stellt den geometrischen Temperaturgradienten, bzw. den augenblicklichen Gradienten, dar. Die gestrichelte Linie stellt den adiabatischen Temperaturgradienten dar.
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