Latente Energie ? die verborgene Kraft in der Wetterküche!
Die latente Wärmeenergie [von lat. latere=verbergen] ist die
Wärmeenergie, die bei konstanter Temperatur und konstantem
Luftdruck für einen Aggregatzustandswechsel eines Stoffes benötigt bzw. bei einem Phasenübergang freigesetzt wird. Die Phasenübergänge zwischen den Aggregatzuständen fest und flüssig werden dabei als "Gefrieren" und "Schmelzen" bezeichnet. Zwischen den Zuständen flüssig und gasförmig spricht man von "Kondensieren" und "Verdunsten". Bei den Übergängen von fest und gasförmig ist schließlich die Rede von "Sublimieren" und "Resublimieren".
Für die Meteorologie ist diesbezüglich der Stoff "Wasser" von besonderer Bedeutung, der bei seinen Phasenwechseln große Energiemengen in der Troposphäre umsetzt. Der Begriff "Latente Wärmeenergie" steht meist für die Wärmemenge, die im Wasserdampf als potentielle Energie gespeichert ist. Luft, die Wasserdampf enthält, besitzt aus diesem Grund auch immer eine große Energiemenge, die sich aber nicht in der Temperatur auswirkt und deshalb latent (verborgen) genannt wird.
Diese Wärmemenge wird, global betrachtet, bei der Verdunstung hauptsächlich den Wasseroberflächen entzogen. Im Wasserhaushalt der Erde besteht die Verdunstungskomponente aus rund 86 Prozent Meeresanteil und rund 14 Prozent Landanteil. Während des Verdunstungsvorgangs wird der Verdunstungsoberfläche Wärme entzogen, wobei ihre messbare Temperatur absinkt. Dieser verdunstungsbedingte Abkühlungseffekt kann schließlich bei den unterschiedlichsten Wetterphänomenen beobachtet werden.
Im Winter ist beispielsweise ein rasches Absinken der Schneefallgrenze mit der Verdunstungsabkühlung in Verbindung zu bringen. Fällt Niederschlag, anfangs als Regen, in eine trockene bodennahe Schicht, verdunstet er zunächst und kühlt somit die Schicht ab. Nachfolgend sinkt die Schneefallgrenze ab. Vor allem in den Tälern der Gebirge lässt sich dieser Vorgang besonders gut nachvollziehen. Des Weiteren kann eine signifikante Verdunstungsabkühlung z.B. im Umfeld von tropischen Wirbelstürmen festgestellt werden. Diese beziehen den Großteil ihrer benötigten Energie aus dem Meeresoberflächenwasser. Bei der Verdunstung wird dem Meerwasser Wärmeenergie entzogen, was eine deutliche Erniedrigung der Temperatur der Wasseroberfläche zur Folge hat. Mit Durchzug von Hurrikan ?Katrina? im Golf von Mexiko fiel beispielsweise die Wasseroberflächentemperatur um etwa 1 Grad von 32 auf 31 Grad ab (vom
29. Zum 30. August 2005).
Bei der Kondensation (Übergang gasförmig-flüssig) oder Sublimation (Übergang gasförmig-fest) des Wasserdampfes wird die latente Wärmeenergie schließlich wieder freigesetzt. In der Troposphäre erhöht sich dabei die Lufttemperatur der Umgebung. Dieser kondensationsbedingte Erwärmungsseffekt tritt z.B. bei der Wolken- und Niederschlagsbildung auf. Besonders bei Gewitterwolken, den sogenannten "Cumulonimbi", ist die Freisetzung von latenter Energie von großer Bedeutung. Je mehr Wasserdampf kondensiert, umso mehr Wärmeenergie wird freigesetzt und desto größer sind die Aufwinde in der Wolke. Dies ist auch der Grund, weshalb sich vor allem an schwülheißen Sommertagen, an denen die Luft über einen hohen Feuchtegehalt verfügt, kräftige Gewitter entwickeln können.
Von diesen Tagen sind wir in Deutschland derzeit allerdings weit entfernt. Auch wenn sich der Oktober teilweise sommerlich zeigte und auch der November sich in den nächsten Tagen anschickt, örtlich Temperaturen bis 20 Grad zu erreichen. Ein Blick auf die Alpensüdseite kann sehr schön die Effekte der latenten Energie sichtbar machen. Wie im Thema des Tages vom 27. Oktober beschrieben, kam es in Italien durch kräftige Gewitter, die sich teilweise zu mächtigen Clustern zusammenschlossen, zu heftigen konvektiven Niederschlägen. Da das Mittelmeer noch über eine relativ hohe Oberflächenwassertemperatur verfügt, können die bodennahen Luftmassen entsprechend erwärmt und mit Feuchte angereichert werden. Die induzierte Hebung der Luft in höheren Schichten setzt, wie beschrieben, die "latente Energie" frei und verstärkt somit die vertikalen Windgeschwindigkeiten. Aber auch die am 27. Oktober betrachteten intensiven Niederschläge an den orographischen Hindernissen wie Alpen und Apenninen verfügten durch die gestauten, sehr feuchten und warmen Luftmassen vom Mittelmeer über einen gewissen Antrieb durch die "latente Energie".
Dipl.-Met. Lars Kirchhübel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 31.10.2018
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst
Wieviel Energie steckt eigentlich in einer Wolke?
Viele Menschen haben den Eindruck, Wolken seien schwerelos und schweben leise über der Erde. Gerade beim Blick aus dem Flugzeug wirken sie federleicht. Und selbst große Gewitterwolken geben uns trotz ihres bedrohlichen Aussehens nicht gerade den Eindruck, als seien sie tausende Tonnen schwer.
Wagen wir uns deshalb an ein kleines Gedankenexperiment und fragen uns, wie viel eine flauschige "Schönwetterwolke" wohl wiegen könnte.
Schönwetterwolken werden in Fachkreisen auch als Kumuluswolken (Cumulus humilis oder Cumulus mediocris) bezeichnet. Bei den Kumuli (Plural von Kumulus) handelt es sich um reine Wasserwolken, die im tiefsten der drei Wolkenstockwerke in einer Höhe zwischen 600 m und etwa 2 km zu finden sind. Eiswolken sind im Gegensatz dazu in deutlich größeren Höhen anzutreffen. Die Temperatur schwankt im Innern der Wolke etwa zwischen -10 und +10 Grad, die Wolkentröpfchen können also auch "unterkühlt" (d. h. im flüssigen Aggregatszustand mit einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt) vorliegen.
Gehen wir also davon aus, dass diese Wolke etwa 500 Meter breit, 500 Meter lang und 500 Meter hoch ist und nehmen nun der Einfachheit halber an, dass Luft bei einer Temperatur von 0 Grad Celsius etwa 5 Gramm Wasser pro Kubikmeter aufnehmen kann. Dann bringt alleine das Wasser unserer Quellwolke ein unglaubliches Gewicht von 625 Tonnen (entspricht 625 m³ Wasser) auf die Waage ? das Gewicht der Luft nicht eingerechnet. Unsere kleine, flauschige Schönwetterwolke wiegt also genauso viel, wie 125 ausgewachsene, afrikanische Elefanten. Und mit den Wassermassen könnte man etwa 4200 Badewannen oder ein quadratisches Schwimmbecken mit einer Tiefe von 2 Metern und einer Seitenlänge von etwa 18 Metern füllen.
Bei einem gewittrigen Schauer im Sommer können auch schon mal 15 bis
25 Liter pro Quadratmeter in kurzer Zeit aus einer Gewitterwolke fallen. Allerdings zieht die Wolke noch mehrere Kilometer weiter und regnet dabei immer weiter ab. Entsprechend bringt es die für unseren Sommer durchschnittliche Gewitterwolke gut und gerne auf über eine Million Tonnen. In den Tropen können sie sogar noch um ein vielfaches schwerer sein. Auch wenn Wolken federleicht aussehen, sollte spätestens jetzt klar sein, dass es sich dabei wohl eher um ?meteorologische Schwergewichte? handelt.
Noch beeindruckender ist übrigens die Energie, die in Form von Wasserdampf in den Wolken steckt. Um dies zu berechnen, kann man annehmen, dass es etwa 2500 Kilojoule an Energie benötigt, um 1 Kilogramm flüssiges Wasser mit einer Temperatur von 0 Grad Celsius in Wasserdampf umzuwandeln. Rechnet man dies auf den Wassergehalt unserer Wolke hoch, schlagen sagenhafte 1.562.500.000 Kilojoule (entspricht etwa 1,56 Terajoule ) zu Buche. Konvertiert man diesen Wert in die allgemein geläufigere Einheit Wattstunde, so stecken gute
434.028 Kilowattstunden (kurz kWh) an Energie in einer solchen Wolke.
Auf Anhieb wird man sich jedoch auch unter der Energiemenge in Kilowattstunden nur wenig vorstellen können. Anhand einiger Beispiele wird jedoch schnell klar, dass es sich hierbei um eine gewaltige Menge handeln muss, die in der harmlos aussehenden Schönwetterwolke steckt. Denn die 434.028 kWh entsprechen der bei einer Explosion von etwa 375 Tonnen Trinitrotoluol (kurz: TNT - wohl einer der bekanntesten Sprengstoffe) frei werdenden Energie und ist damit fast zehnmal so hoch, wie die Sprengkraft der stärksten konventionellen Bombe mit dem Namen ?Vater aller Bomben? (kurz: FOAB), die von Russland erstmals im Jahr 2007 gezündet wurde.
Nimmt man an, dass ein Elektroauto der Mittelklasse einen Verbrauch von 20 kWh auf 100 Kilometern Strecke aufweist, so kommt man mit der Energie einer Kumuluswolke stolze 2,2 Millionen Kilometer weit. Das entspricht ganzen 55 Erdumrundungen entlang des Äquators. Alternativ könnte man mit der Energie auch einen handelsüblichen Haartrockner mit 2000 Watt über 25 Jahre hinweg dauerhaft betreiben.
MSc.-Met. Sebastian Schappert
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 23.10.2018
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst
Viel Sonne, aber keine Sicht
Landläufig wird Hochdruckeinfluss mit "schönem" Wetter, also in erster Linie viel Sonnenschein verbunden. Das ist insbesondere im Sommer auch der Fall. Im Winter sowie in den Übergangsjahreszeiten, besonders aber im Herbst kann das so nicht verallgemeinert werden.
Im Bereich von Hochdruckgebieten herrschen meist schwache Luftdruckgegensätze und damit nur schwache Luftbewegungen. Außerdem kühlt die untere Atmosphäre in langen Herbst -und Winternächten unter wolkenlosen Verhältnissen stark aus. Es entsteht dann auch aufgrund der schwachen Winde und der damit fehlenden Durchmischung der unteren Luftschichten eine Inversion: Im Normalfall nimmt die Temperatur mit zunehmender Höhe ab. Bei einer Inversion ist es am Boden kühler als in Inversionshöhe, die Temperatur nimmt vom Boden her also zunächst mit der Höhe zu. Erst oberhalb der Inversion nimmt dann die Temperatur mit der Höhe ab. Solch eine Inversionsschicht kann recht flach sein oder aber einige hundert Höhenmeter umfassen. Sie stellt eine Art Sperrschicht dar, die die Durchmischung der unteren Luftschichten mit den über der Inversion liegenden unterbindet. Somit können sich unterhalb der Inversion neben Feuchte auch Staubpartikel und andere feste oder flüssige Schwebepartikel (Aerosole) "ansammeln". Dadurch kommt es zu einer Eintrübung der unteren Atmosphäre, da die Vielzahl an Aerosolen auch je nach Feuchtegehalt der Luft in Verbindung mit Wassertröpfchen viel mehr Sonnenlicht streuen als unter trockenen bzw. "sauberen" Verhältnissen und damit ein sichtbarer Schleier zu Stande kommt. Schlechte Sichtverhältnisse sind die Folge. Bei Sichtweiten zwischen 1 und 8 km spricht man dann von Dunst.
Aber: Dunst ist nicht gleich Dunst! Es wird zwischen trockenem und feuchtem Dunst unterschieden. Beiden gemein ist, wie erwähnt, eine Sichtweite im Bereich von 1 bis 8 km, unterschieden wird jedoch anhand der am Boden herrschenden Luftfeuchte. Liegt die relative Luftfeuchte unter 80 %, wird von trockenem Dunst gesprochen, sonst handelt es sich um feuchten Dunst. Während Nebel, also Sichtweiten unter 1 km, insbesondere auch im Straßenverkehr relevant sind (siehe Thema des Tages vom 01.10.2018), kann sich Dunst vor allem in der "Fliegerei" unter Sichtflugbedingungen (VFR - Visual Flight Rules) störend bemerkbar machen. Beim Fliegen unter Sichtflugbedingungen ist es essenziell, sich anhand der Umgebung in Form von Ortschaften, Straßenführungen oder Landmarken zu orientieren und danach zu navigieren, auch wenn die GPS-gestützte Navigation mehr und mehr genutzt wird. Dunst kann die Orientierung stark reduzieren oder nahezu unmöglich machen, da die Schrägsicht, also die Sicht vom
(Klein-) Flugzeug zum Erdboden, meist sogar noch schlechter ist als die Horizontalsicht, also die Sicht, die am Boden herrscht. Hoher Luftdruck am Boden ist also nicht unbedingt gleichzusetzen mit gutem Flugwetter. Gerade im Herbst können nicht selten Nebel und eben auch Dunst einen Flugtag zunichte machen.
Dipl.-Met. Sabine Krüger
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 22.10.2018
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