Fehlerquote - Lapse rate

Der höhere See Czarny Staw pod Rysami (Höhe 1.583 Meter) ist immer noch zugefroren, da der untere See Morskie Oko bereits fast geschmolzen ist (Höhe 1.395 Meter). Foto von der polnischen Seite der Tatra , Mai 2019.

Die Abfallrate ist die Rate, mit der eine atmosphärische Variable, normalerweise die Temperatur in der Erdatmosphäre , mit der Höhe abfällt . Die Stornorate leitet sich aus dem Wort Lapse ab , im Sinne eines allmählichen Abfalls. In trockener Luft beträgt die adiabatische Temperaturverlustrate 9,8 °C/km (5,4 °F pro 1.000 Fuß).

Sie entspricht die vertikale Komponente des räumlichen Gradienten der Temperatur . Obwohl dieses Konzept am häufigsten auf die Troposphäre der Erde angewendet wird , kann es auf jedes gravitativ unterstützte Gaspaket ausgedehnt werden .

Definition

Eine formale Definition aus dem Glossar der Meteorologie lautet:

Die Abnahme einer atmosphärischen Variablen mit der Höhe, wobei die Variable Temperatur ist, sofern nicht anders angegeben.

Typischerweise ist die Verfallsrate das Negative der Temperaturänderungsrate mit Höhenänderung:

wo (manchmal ) die Abfallrate in gegebenen Einheiten der Temperatur , die durch Einheiten der Höhe unterteilt ist , T die Temperatur ist , und z ist die Höhe.

Konvektion und adiabatische Expansion

Emagram- Diagramm, das die Variation von Trockenadiabaten (fette Linien) und feuchten Adiabaten (gestrichelte Linien) in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zeigt

Das Temperaturprofil der Atmosphäre ergibt sich aus einer Wechselwirkung zwischen Wärmeleitung , Wärmestrahlung und natürlicher Konvektion . Sonnenlicht trifft auf die Erdoberfläche (Land und Meer) und erwärmt sie. Sie erhitzen dann die Luft über der Oberfläche. Wenn Strahlung die einzige Möglichkeit wäre, Energie vom Boden in den Weltraum zu übertragen, würde der Treibhauseffekt der Gase in der Atmosphäre den Boden auf etwa 333 K (60 °C; 140 °F) halten.

Wenn Luft jedoch heiß ist, neigt sie dazu, sich auszudehnen, was ihre Dichte verringert. Somit neigt heiße Luft dazu, aufzusteigen und innere Energie nach oben zu tragen. Dies ist der Prozess der Konvektion . Die vertikale Konvektionsbewegung stoppt, wenn ein Luftpaket in einer bestimmten Höhe dieselbe Dichte wie die andere Luft in derselben Höhe hat.

Wenn sich ein Luftpaket ausdehnt, drückt es auf die Luft um es herum und verrichtet thermodynamische Arbeit . Eine Expansion oder Kontraktion eines Luftpakets ohne Wärmeübertragung nach innen oder außen ist ein adiabatischer Prozess . Luft hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und die beteiligten Luftkörper sind sehr groß, so dass die Wärmeübertragung durch Leitung vernachlässigbar klein ist. Außerdem ist bei einer solchen Expansion und Kontraktion die intraatmosphärische Strahlungswärmeübertragung relativ langsam und daher vernachlässigbar. Da das sich nach oben bewegende und sich ausdehnende Paket zwar Arbeit verrichtet, aber keine Wärme aufnimmt, verliert es innere Energie, so dass seine Temperatur sinkt.

Das adiabatische Verfahren für Luft hat eine charakteristische Temperatur-Druck-Kurve, daher bestimmt das Verfahren die Ablaufrate. Wenn die Luft wenig Wasser enthält, wird diese Abfallrate als trockenadiabatische Abfallrate bezeichnet: Die Temperaturabnahmerate beträgt 9,8 °C/km ( 5,4 °F pro 1.000 Fuß) (3,0 °C/1.000 Fuß). Bei einem sinkenden Luftpaket verhält es sich umgekehrt.

Wenn die Abfallrate geringer ist als die adiabatische Abfallrate, ist die Atmosphäre stabil und es tritt keine Konvektion auf.

Nur die Troposphäre (bis etwa 12 Kilometer Höhe) in der Erdatmosphäre unterliegt Konvektion : Die Stratosphäre konvektioniert im Allgemeinen nicht. Einige außergewöhnlich energetische Konvektionsprozesse, wie Vulkanausbruchssäulen und überschießende Gipfel, die mit schweren Superzellengewittern verbunden sind , können jedoch lokal und vorübergehend Konvektion durch die Tropopause und in die Stratosphäre injizieren .

Der Energietransport in der Atmosphäre ist komplexer als die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Konvektion. Wärmeleitung , Verdunstung , Kondensation , Niederschlag beeinflussen das Temperaturprofil, wie unten beschrieben.

Mathematik der adiabatischen Ausfallrate

Diese Berechnungen verwenden ein sehr einfaches Modell einer Atmosphäre, entweder trocken oder feucht, innerhalb einer noch senkrechten Säule im Gleichgewicht.

Trockenadiabatische Ausfallrate

Die Thermodynamik definiert einen adiabatischen Prozess als:

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann geschrieben werden als

Da und können wir auch zeigen, dass:

wo ist die spezifische Wärme bei konstantem Druck und ist das spezifische Volumen .

Angenommen, eine Atmosphäre im hydrostatischen Gleichgewicht :

wobei g die Standardschwerkraft und die Dichte ist. Kombiniert man diese beiden Gleichungen, um den Druck zu eliminieren, erhält man das Ergebnis für die trockene adiabatische Latenzrate (DALR),

Feuchte adiabatische Ausfallrate

Das Vorhandensein von Wasser in der Atmosphäre (normalerweise der Troposphäre) erschwert den Konvektionsprozess. Wasserdampf enthält latente Verdampfungswärme . Wenn ein Luftpaket aufsteigt und abkühlt, wird es schließlich gesättigt ; das heißt, der Dampfdruck von Wasser im Gleichgewicht mit flüssigem Wasser hat sich (mit abnehmender Temperatur) bis zu dem Punkt verringert, an dem er gleich dem tatsächlichen Dampfdruck von Wasser ist. Bei weiterer Temperaturabnahme kondensiert der die Gleichgewichtsmenge übersteigende Wasserdampf, bildet eine Wolke und gibt Wärme ab (latente Kondensationswärme). Vor der Sättigung folgt die aufsteigende Luft der trockenen adiabatischen Abfallrate. Nach der Sättigung folgt die aufsteigende Luft der feuchten adiabatischen Abfallrate. Die Freisetzung latenter Wärme ist eine wichtige Energiequelle bei der Entstehung von Gewittern.

Während die trockene adiabatische Überschreitungsrate konstant 9,8 °C/km beträgt ( 5,4 °F pro 1.000 Fuß, 3 °C/1.000 Fuß ), variiert die feuchte adiabatische Überschreitungsrate stark mit der Temperatur. Ein typischer Wert liegt bei etwa 5 °C/km ( 9 °F/km , 2,7 °F/1000 Fuß , 1,5 °C/1000 Fuß ). Die Formel für die feuchte adiabatische Stornorate lautet:

wo:

, nassadiabatische Überschreitungsrate, K/m
, Erde Erdbeschleunigung = 9,8076 m / s 2
, Verdampfungswärme von Wasser =2 501 000  J/kg
, spezifische Gaskonstante trockener Luft = 287 J/kg·K
, spezifische Gaskonstante von Wasserdampf = 461,5 J/kg·K
, das dimensionslose Verhältnis der spezifischen Gaskonstante von trockener Luft zur spezifischen Gaskonstante von Wasserdampf = 0,622
, der Wasserdampfdruck der gesättigten Luft
, das Mischungsverhältnis der Masse des Wasserdampfes zur Masse der trockenen Luft
, der Druck der gesättigten Luft
, Temperatur der gesättigten Luft, K
, die spezifische Wärme trockener Luft bei konstantem Druck = 1003,5  J/kg·K

Umweltfehlerquote

Die Umweltfehlerrate (ELR) ist die Geschwindigkeit der Temperaturabnahme mit der Höhe in der stationären Atmosphäre zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort. Im Durchschnitt definiert die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) eine internationale Standardatmosphäre (ISA) mit einer Temperaturabfallrate von 6,49 °C/ km (3,56 °F oder 1,98 °C/1.000 ft) von Meereshöhe bis 11 km (36.090 .). ft oder 6,8 Meilen) . Von 11 km bis zu 20 km (65.620 ft oder 12,4 mi) beträgt die konstante Temperatur -56,5 ° C (-69,7 ° F) , was die niedrigste angenommene Temperatur in der ISA ist. Die Standardatmosphäre enthält keine Feuchtigkeit. Anders als bei der idealisierten ISA sinkt die Temperatur der tatsächlichen Atmosphäre nicht immer gleichförmig mit der Höhe. Beispielsweise kann es eine Inversionsschicht geben , in der die Temperatur mit der Höhe ansteigt.

Auswirkung auf das Wetter

Die latente Verdampfungswärme fügt Wolken und Stürmen Energie hinzu.

Die unterschiedlichen Umweltfehlerraten in der gesamten Erdatmosphäre sind von entscheidender Bedeutung für die Meteorologie , insbesondere in der Troposphäre . Sie werden verwendet, um zu bestimmen, ob das Paket der aufsteigenden Luft hoch genug aufsteigt, damit sein Wasser zu Wolken kondensiert , und ob die Luft nach der Bildung von Wolken weiter aufsteigt und größere Schauerwolken bildet, und ob diese Wolken gleichmäßig werden größer und bilden Cumulonimbuswolken (Gewitterwolken).

Wenn ungesättigte Luft aufsteigt, sinkt ihre Temperatur mit der trockenadiabatischen Geschwindigkeit. Der Taupunkt sinkt ebenfalls (infolge des sinkenden Luftdrucks), jedoch viel langsamer, typischerweise um -2 °C pro 1.000 m. Steigt die ungesättigte Luft weit genug auf, erreicht ihre Temperatur schließlich ihren Taupunkt und es beginnt sich Kondenswasser zu bilden. Diese Höhe wird als Hubkondensationsgrad (LCL) bei vorhandenem mechanischem Hub und als konvektiver Kondensationslevel (CCL) bei fehlendem mechanischem Hub bezeichnet. In diesem Fall muss das Paket von unten auf seine Konvektionstemperatur erwärmt werden . Die Wolkenbasis befindet sich irgendwo innerhalb des durch diese Parameter begrenzten Layers.

Die Differenz zwischen der adiabatischen Trockenzeit und der Taupunktabnahme beträgt ca. 8 °C pro 1.000 m. Bei unterschiedlichen Temperatur- und Taupunktwerten am Boden kann man den LCL leicht ermitteln, indem man die Differenz mit 125 m/°C multipliziert.

Wenn die Umgebungs-Abfallrate geringer ist als die feuchte adiabatische Abgangsrate, ist die Luft absolut stabil – aufsteigende Luft kühlt schneller ab als die Umgebungsluft und verliert an Auftrieb . Dies geschieht oft am frühen Morgen, wenn sich die Luft in Bodennähe über Nacht abgekühlt hat. Wolkenbildung in stabiler Luft ist unwahrscheinlich.

Wenn die Umwelt-Abfallrate zwischen der feuchten und der trockenen adiabatischen Abgangsrate liegt, ist die Luft bedingt instabil – ein ungesättigtes Luftpaket hat nicht genügend Auftrieb, um zum LCL oder CCL aufzusteigen, und es ist stabil bis hin zu schwachen vertikalen Verschiebungen in beide Richtungen . Wenn das Paket gesättigt ist, ist es instabil und steigt auf die LCL oder CCL an und wird entweder aufgrund einer Inversionsschicht der konvektiven Hemmung gestoppt , oder wenn das Heben fortgesetzt wird, kann eine tiefe, feuchte Konvektion (DMC) erfolgen, wenn ein Paket auf . ansteigt das Niveau der freien Konvektion (LFC), wonach es in die freie Konvektionsschicht (FCL) eintritt und normalerweise auf das Gleichgewichtsniveau (EL) ansteigt .

Wenn die Umgebungs-Abfallrate größer ist als die trocken-adiabatische Abgangsrate, hat sie eine superadiabatische Abgangsrate, die Luft ist absolut instabil – ein Luftpaket gewinnt an Auftrieb, wenn es sowohl unter als auch über das anhebende Kondensationsniveau oder das konvektive Kondensationsniveau steigt. Dies geschieht oft nachmittags hauptsächlich über Landmassen. Unter diesen Bedingungen ist die Wahrscheinlichkeit von Kumuluswolken , Schauern oder sogar Gewittern erhöht.

Meteorologen verwenden Radiosonden , um die Umweltfehlerrate zu messen und sie mit der vorhergesagten adiabatischen Fehlerrate zu vergleichen, um die Wahrscheinlichkeit eines Luftanstiegs vorherzusagen. Diagramme der Umweltfehlerrate sind als thermodynamische Diagramme bekannt , von denen Beispiele Skew-T-log-P-Diagramme und Tephigramme umfassen . (Siehe auch Thermik ).

Der Unterschied zwischen der feuchten adiabatischen Rate und der trockenen Rate ist die Ursache des Föhn- Windphänomens ( in Teilen Nordamerikas auch als " Chinook-Winde " bekannt). Das Phänomen existiert, weil warme feuchte Luft durch orographisches Anheben und über die Spitze einer Bergkette oder eines großen Berges aufsteigt . Die Temperatur sinkt mit der trocken-adiabatischen Ablaufrate, bis sie den Taupunkt erreicht, wo der Wasserdampf in der Luft zu kondensieren beginnt. Oberhalb dieser Höhe nimmt die adiabatische Abfallrate auf die feuchte adiabatische Abfallrate ab, wenn die Luft weiter ansteigt. Auf Kondensation folgt häufig auch Niederschlag an der Spitze und den Luvseiten des Berges. Wenn die Luft auf der Leeseite absinkt, wird sie durch adiabatische Kompression mit der trockenen adiabatischen Abklingrate erwärmt . Somit ist der Föhn in einer bestimmten Höhe wärmer als die entsprechende Höhe auf der Luvseite des Gebirges. Da die Luft außerdem viel von ihrem ursprünglichen Wasserdampfgehalt verloren hat, erzeugt die absteigende Luft eine trockene Region auf der Leeseite des Berges.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Externe Links