Eine Luftmasse ist labil oder stabil je nachdem, ob sie sich in einem Gleichgewichtszustand befindet oder eben nicht. Dabei hilft zunächst ein Blick in die Physik der Mechanik und wir betrachten eine Kugel, die aus ihrer Ruheposition ausgelenkt wird. Befindet sich die Kugel auf einer konkav gekrümmten Fläche, z.B. in einer Mulde, wird die Kugel bei Auslenkung zwar hin und her rollen, am Ende aber wieder in ihre vorherige Ruheposition zurückkehren. Sie ist also stabil.
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— DIE WELT (@welt) 31. August 2016
Befindet sich die Kugel auf einer konvexen nach oben gebogenen Fläche, z.B. einem Hügel, reicht ein kleiner Anstoß, um die Kugel aus der Gleichgewichtslage zu entfernen. Die Kugel kehrt nicht mehr zurückkehrt, diesen Zustand nennt man labil.
Um dieses Prinzip auf die Atmosphäre zu übertragen, verwendet man die sogenannte "Paketmethode". Man stelle sich dabei ein Luftpaket in einer gegebenen Höhe vor, das sich in der Ruhelage, dem "hydrostatischen Gleichgewicht" befindet. Dabei weist es dieselbe Temperatur bzw. Dichte wie die Umgebungsluft auf. Dann wird dieses Luftpaket vertikal ausgelenkt.
Eine stabil geschichtete Atmosphäre liegt vor, wenn die vertikale Temperaturänderung des Luftpaketes größer ist als die der Umgebungsluft. Bei einem nach oben gerichteten Anstoß kühlt sich das Luftpaket stärker ab als die Umgebungsluft und ist somit schwerer. Aufgrund des fehlenden Auftriebs kehrt das Luftpaket wieder um und bewegt sich abwärts. Dabei erfolgt wiederum eine stärkere Erwärmung als die Umgebungsluft und die Abwärtsbewegung kehrt sich ebenfalls um, das Luftpaket steigt wieder wie ein Ballon auf. So kehrt es nach einigen Ausgleichsschwingungen in seinen ursprünglichen Gleichgewichtszustand zurück. Bei einer labilen Schichtung ist die vertikale Temperaturänderung des Luftpaketes kleiner als die der Umgebungsluft. Wird dann ein Luftpaket nach oben ausgelenkt, ist es wärmer als die Umgebungsluft und erfährt Auftrieb. Es steigt also immer weiter auf und kehrt nicht mehr in den Ausgangszustand zurück. Ähnlich bei einer Auslenkung nach unten, hier ist das Luftpaket kälter als die Umgebung und sinkt immer weiter ab. In einer labilen Schichtung reichen also schon kleine Anstöße aus, um große Auswirkungen zu erzielen.
Ob sich ein Gleichgewicht oder ein Ungleichgewicht einstellt, hängt von der Verteilung von warmer und kalter Luft in der Atmosphäre ab. Wenn sich kalte Luft, die dichter und damit schwerer ist, unter warmer Luft befindet, liegt ein Gleichgewichtszustand vor. Diese "Inversionen" können sehr ausdauernd sein und besonders im Herbst und Winter oft tagelang in den Niederungen für trübes und kühles Wetter sorgen, während es oberhalb der Inversion im Bergland strahlenden Sonnenschein gibt. Eine stabile Luftschichtung kann sich z.B. durch nächtliche Ausstrahlung des Bodens ergeben oder über einer schneebedeckten Fläche. Auch können in der Höhe wärmere Luftmassen herangeführt werden, die stabilisierend wirken.
Bei Labilität herrschen genau umgekehrte Verhältnisse. Labilisiert wird eine Luftmasse tagesgangbedingt durch starke Sonneneinstrahlung oder wenn Luftmassen über warmen Untergrund strömen. Beim Heranrücken einer Kaltfront verdrängt kalte Luft die vorgelagerte warme Luft. In der Höhe kommt diese oft schneller voran, so dass die kältere Luftschicht über der noch warmen und feuchten Luft in den unteren Atmosphärenschichten liegt. Hier stellt sich ein großer Temperaturunterschied mit der Höhe ein und somit eine große Labilität. Das kann bei ausreichender Feuchte die Ausbildung von mächtigen Quellwolken und nachfolgend von kräftigen Schauern und Gewittern zur Folge haben.
In Hochdruckgebieten wie unserem Kollegen Harald befindet sich die Atmosphäre weitgehend im Gleichgewicht und sorgt heute mit stabilen Verhältnissen für wenig Wolken und viel Sonnenschein. Lediglich an den Alpen und im angrenzenden Vorland liegen Reste der feuchtwarmen Luftmasse, die labiler geschichtet sind, was dort einzelne Schauer und Gewitter möglich macht.
Dipl.-Met. Peggy Hofheinz
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 31.08.2016
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