Vertikale Luftbewegungen - Konvektion

Unter Konvektion versteht man in der Meteorologie den vertikalen Luftaustausch. Warme Luft ist leichter und weniger dicht als kalte Luft. Deshalb steigt erwärmte Luft auf, während kalte Luft absinkt.

Die beiden vertikalen Luftbewegungen sind in der Atmosphäre miteinander verbunden und tragen zu ihrer turbulenten Durchmischung bei. Konvektion ist eine effektive Form der Wärmeübertragung und kann große Mengen an Wärmeenergie über weite Strecken transportieren.

Das Wort Konvektion leitet sich vom lateinischen Wort convehere ab und bedeutet "zusammentragen" beziehungsweise "vermischen"

Der Luftdruck, der uns umgibt, wird auch atmosphärischer Druck genannt. Er ist das Gewicht der Luft über uns. Mit steigendem Druck nimmt die Luftdichte zu, mit steigender Temperatur ab.

Temperaturunterschiede bewirken Dichteunterschiede. Das unterschiedliche Volumen gleicher Massen führt zu unterschiedlichem Auftrieb. Die geringere Dichte warmer Luft ist auch der Grund, warum ein Heißluftballon aufsteigt.

Ähnlich verhält es sich in einem Kochtopf mit Wasser: Wenn das Wasser zum Sieden erhitzt wird, steigt die Temperatur des Wassers am Boden des Topfes und es dehnt sich aus. Dadurch wird es leichter und steigt nach oben.

Das Wasser ist aber nicht überall gleich heiß, sondern hat auch kühlere Stellen. Diese Stellen im Wasser sind schwerer und sinken nach unten. Durch diese Bewegung entsteht eine sogenannte Konvektionsströmung.

Auf diese Weise findet eine Durchmischung des Wassers statt. Der erwärmte Teil wird durch die Strömung immer wieder mit dem restlichen Wasser vermischt. Die Wärme im Topf verteilt sich und so kommt das Wasser schließlich zum Kochen, sofern die Herdplatte heiß genug bleibt.

Konvektion beim Wetter entsteht durch die Sonneneinstrahlung. Die Sonne erwärmt die bodennahen Luftschichten. Mit steigender Temperatur nimmt die Bewegung der Moleküle innerhalb der erwärmten Luftschicht zu. Dadurch dehnt sich die Luft aus und bei gegebenem Luftdruck nimmt die Dichte der Luft ab. Das erwärmte Luftpaket wird leichter als die Umgebung und erfährt wie ein Heißluftballon einen Auftrieb.

Die erwärmte Luft steigt auf und nimmt die in ihr enthaltene Wärme mit. Das bedeutet also, dass die Wärme selbst auch nach oben steigt.

Man kann sich diesen Vorgang als Warmluftblasen vorstellen. In diesen Blasen hat die Luft eine geringere Dichte als in der Umgebung und erfährt dadurch einen Auftrieb. Die Luftblase steigt auf und kühlt sich dabei ab, bis sie die Temperatur der Umgebungsluft erreicht hat.

Auf die erste Warmluftblase folgt oft in zeitlichem Abstand die nächste. Diese steigt nicht selten schneller auf und holt dann die erste Blase ein. Der Raum der aufgestiegenen Blasen wird nun von anderer Luft eingenommen. Dazu strömt von allen Seiten kühlere Luft aus der Umgebung an die Basis der aufsteigenden Blase. Kältere Luft ist dichter und daher schwerer. Die Schwerkraft wirkt hier viel stärker als bei leichter Luft. Deshalb sinkt dieses Luftpaket nach unten. Der Kreislauf ist geschlossen.

Warmluftblasen kann man nicht direkt beobachten, aber das Flimmern in der bodennahen Luftschicht deutet auf die aufsteigende Warmluft hin.

Mit fortschreitender Erwärmung des Erdbodens kann sich sogar ein sogenannter Thermikschlauch mit aufsteigender Warmluft bilden. Dieser Aufwind kann einen Durchmesser von einigen hundert Metern annehmen.

Da in den höheren Luftschichten ein geringerer Luftdruck herrscht, dehnt sich das aufsteigende Luftpaket immer weiter aus. Die Teilchen in der aufsteigenden Blase stoßen weniger zusammen und die Temperatur sinkt. Die Luft kühlt sich also ab.

In einer bestimmten Höhe kühlt sich die aufsteigende warme Luft so weit ab, dass der Taupunkt (100 % Luftfeuchtigkeit) erreicht wird. Der Wasserdampfanteil, der nicht mehr von der Luft aufgenommen werden kann, fällt in Form von Wassertröpfchen aus. Es kommt zur Kondensation und die mitgeführte Energie wird freigesetzt. Es wird genau wieder die Energiemenge als Wärme frei, die bei der Verdunstung aufgewendet werden musste.

Wolken sind gewissermaßen die "sichtbaren Zeugen" der Konvektionsvorgänge in der Atmosphäre. Form und Höhe der Wolken geben Aufschluss darüber, wie stark und in welcher Höhe die Konvektion stattfindet.

Bei der Kondensation bilden sich vornehmlich Haufenwolken (Cumulus-Wolken). Diese Wolken zeigen die vertikale Umschichtung der Atmosphäre an. Zwischen den Cumulus-Wolken sinkt die kältere Luft ab. Absinken bedeutet Wolkenauflösung.

Die Aufwärtsbewegung der Luft kann so stark sein, dass sich die Wolken bis in höhere Luftschichten zu Cumulonimbus-Wolken ausdehnen. Es können sich regelrechte Aufwindschlote bilden. In und an diesen Wolken ist der Luftaustausch zwischen erwärmter und kalter Luft am größten.

Damit verbunden sind starke Auf- und Abwinde. Die Aufwinde können so stark sein, dass sie selbst große Hagelkörner in der Schwebe halten.

In Mitteleuropa tritt Konvektion hauptsächlich tagsüber in den Sommermonaten auf, wenn die Sonne die Oberflächen erwärmt. Nachts wirkt sie schwächer und kommt nur über Flächen vor, die die Wärme länger zu speichern vermögen. Dies sind große Gewässer oder stark verdichtete Siedlungen. Bei letzteren spielt der Wärmeinseleffekt eine Rolle.

Konvektion wird auch an und hinter Kaltfronten sowie an Okklusionen ausgelöst. Dabei schiebt sich die kalte, dichtere Luft unter die wärmere Luft und hebt diese an.

Hinter Kaltfronten strömt in unseren Breiten oft trockene und sehr kalte Luft ein. Sie streicht zunächst über das deutlich wärmere Wasser des Atlantiks oder der Nordsee. Die warme Wasseroberfläche erwärmt wie eine Heizung die Luft von unten. Die zuvor schwere und träge Kaltluft beginnt aufzusteigen.

Die kalte Luft strömt nun immer weiter über das wärmere Wasser. Die Luft wird damit weiter von unten erwärmt, nimmt Feuchtigkeit auf und steigt als feuchte und erwärmte Luft schneller auf, weil sie mehr Energie enthält. Schließlich kommt es zur Kondensation und es bilden sich die ersten Haufenwolken.

Mit der Zeit und der Entfernung wachsen die Cumulus-Wolken immer höher. Die Höhe der Wolken hängt von der Lage der Inversionen ab. Die Konvektionsströmungen können die Inversion nicht überwinden. Je größer die zurückgelegte Strecke über der Wasseroberfläche ist, desto stärker kann die Konvektion sein. Irgendwann wird ein Maximum erreicht, das auch als Reifestadium der Konvektion bezeichnet wird.

Da es viele Bereiche mit aufsteigender Luftbewegung gibt, treffen die an der Inversion seitlich verdrängten Luftströme aufeinander und werden dadurch dazu gezwungen, nach unten zu strömen. Im Bereich der absinkenden Luft entstehen wolkenfreie Zonen.

Außerdem ordnet der vorherrschende Wind die Wolken in Bändern an, die parallel zur Windrichtung ausgerichtet sind. Oft entstehen symmetrische Muster oder das Satelliten- oder WetterRadar-Bild ähnelt einem Streuselkuchen.

Die Konvektion muss nicht großflächig auftreten. Sie kann auch zellenförmig entstehen, wenn feuchte und warme Luft schnell nach oben gehoben wird. Dies geschieht häufig an Kaltfronten oder an Gebirgen.

Die Abkühlung dieser Luft mit zunehmender Höhe führt dann dazu, dass sich mächtige Gewitterwolken bilden, die oft mit Hagel und Starkregen verbunden sind. Sie können sehr schnell entstehen und wachsen, oder auch schnell wieder zerfallen.

In den Ozeanen tritt Konvektion auf, wenn sich zum Beispiel das Oberflächenwasser abkühlt. Dies kann durch Wärmeverluste an die Atmosphäre geschehen. Dabei kühlt sich das oberflächennahe Wasser am stärksten ab und wird schwerer als das darunter liegende wärmere Wasser. Als Folge sinkt das abgekühlte Wasser herunter, wärmeres Wasser steigt auf.

Ein Beispiel ist der Golfstrom: Aus der Karibik wird warmes Oberflächenwasser zunächst entlang der Ostküste der USA und dann in nordöstlicher Richtung über den Atlantik transportiert. Auf seinem Weg verdunstet immer mehr Wasser, was zu einer Erhöhung der Salzkonzentration führt. Dadurch wird das Wasser schwerer und sinkt bei Island in die Tiefe.

Im Erdinneren sind die Gesteine teilweise fließfähig und transportieren Wärme über lange Zeiträume. Konvektion entsteht durch Temperaturunterschiede zwischen dem Erdinneren und der Erdoberfläche. Aus dem heißen Erdinneren steigen die unter Druck und Temperatur verformbaren Gesteine im Erdmantel auf, kühlen sich ab und sinken wieder in Richtung Erdkern ab.

So entsteht ein Kreislauf, der die festen Platten an der Oberfläche mit sich reißt, zusammenstößt, zerreißt und neu entstehen lässt. So können zum Beispiel Kontinente zusammenstoßen und Gebirge wie die Alpen entstehen. An anderen Stellen verschwinden Erdplatten wieder im Erdmantel und werden dort aufgeschmolzen.