Atmosphärische Konvektion

Die Erdatmosphäre und die Ozeane bilden ein gigantisches System freier Konvektion mit einem Zweiphasensystem Luft/Wasser, mit Verdampfung/Kondensation und Mischung/Entmischung (Wolken/Regen) sowie Wärmequellen (solar erwärmte Flächen auf dem Festland und den Meeren) und -senken (der Sonne abgewandte Seite der Erde oder polnahe Regionen), Zirkulation (Golfstrom) usw. Großräumiger horizontaler Wärmetransport wird auch als Advektion bezeichnet.

Unter dem Begriff der atmosphärischen Konvektion versteht man das Aufsteigen erwärmter Luftmassen bei gleichzeitigem Absinken kälterer Luft in der Umgebung. Konvektion ist insoweit also der vertikale Transport von Masse aufgrund einer instabilen Schichtung. Die Schichtung der Atmosphäre ist durch ihre vertikale Struktur gekennzeichnet, wozu Temperatur, Druck und Wasserdampfgehalt (im Ozean der Salzgehalt) beitragen. Grund für die Konvektion ist die Sonneneinstrahlung, die bodennahe Luftschichten erwärmt, welche dann aufgrund ihrer geringeren Dichte aufsteigen können. Sobald ein Luftpaket leichter ist als seine Umgebung, beginnt es aufzusteigen. In größeren Höhen sinkt der Druck, die Luft dehnt sich aus und wird dadurch kälter. Somit verändert sich die Dichte des Luftpakets durch interne Prozesse. Die Dichte der Umgebungsluft ändert sich jedoch ebenfalls entsprechend den atmosphärischen Bedingungen. Sobald die aufgestiegene Luft wieder dieselbe Dichte hat wie die Umgebung, verschwindet der Antrieb der Konvektion, auch wenn es aufgrund der Trägheit noch ein Überschießen über diesen Punkt hinaus geben kann. Dies ist spätestens an der Tropopause der Fall, weil dort die Umgebungsluft mit der Höhe sogar wieder wärmer wird.
Für die absinkenden Prozesse gilt dies entsprechend.

Überströmt die Luft eine Wasseroberfläche, kommt es, solange der Dampfdruck der Luft unter seinem Sättigungsdampfdruck liegt, also noch nicht gesättigt ist, zu einer Diffusion des Wassers in die Gasphase. Auch wenn die Luft wärmer ist als das Wasser, kühlt sich die Flüssigkeit dabei ab, da ihr die Verdunstungswärme entzogen wird. In diesem Fall spricht man von Verdunstung, weil die Gasphase nicht aus reinem Dampf der Flüssigkeit besteht. Da Wasserdampf eine geringere Dichte hat als trockene Luft, ist die feuchte Luft ebenfalls leichter. Ohne daß ein Temperaturunterschied zur umgebenden trockenen Luft erforderlich wäre, ist nun das feuchte Luftpaket gegenüber der trockenen Luft leichter und steigt folglich auf. Ist die feuchte Luft zudem wärmer, wird das den Vorgang zusätzlich verstärken. Beim Aufstieg kühlt die feuchte Luft ab. Erreicht sie dabei das Kondensationsniveau, bilden sich Konvektionswolken aus, wobei latente Wärme freigesetzt wird, welche die Abkühlung vermindert. Das sorgt in Mitteleuropa vor allem in den Sommermonaten für teils heftige Gewitter mit Schauern und starken Windböen.