Kondensationsniveau

Der Erdboden wird im Verlauf eines sonnigen Tages, d.h. eines durchschnittlicher Sommertags, immer weiter erhitzt, bis zu einem Punkt, an dem die bodennahe Luftschicht so weit aufgeheizt ist, daß sich einzelne "Luftpakete" (Thermikblasen) lösen und nach oben steigen. Diesen Punkt bezeichnet man auch als Auslösetemperatur. Für Segel- und auch Gleitschirmflieger ist dies eine überaus wichtige Größe, deren Bestimmung die gesamte Tagesplanung beeinflussen kann.

Steigt ein mit Feuchtigkeit angereichertes Luftpaket (z.B. in Form einer Thermikblase) auf, kühlt es sich zunächst trockenadiabatisch ab. Da jedoch die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasser mit fallender Temperatur abnimmt, wird in einer bestimmten Höhe der Sättigungspunkt erreicht. Der Wasserdampfanteil, der nicht mehr von der Luft gebunden werden kann, fällt dann im weiteren Aufstieg in Form von Wassertröpfchen aus. Eine Quellwolke (Cumulus humilis, Cumulus mediocris) entsteht. Diese Höhe ist dann das Kondensationsniveau bzw. genauer das Hebungskondesationsniveau (HKN).

Meteorologisch bezeichnet das HKN also die Höhe, in der die Lufttemperatur dem Taupunkt entspricht. Die Luft ist dann vollständig mit Wasserdampf gesättigt, was einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % entspricht. Die Höhe dieses Kondensationsniveaus hängt neben dem vertikalen Temperaturverlauf (Temperaturgradient) damit entscheidend auch von dem Feuchtigkeitsgehalt des aufsteigenden Luftpakets ab, weil dann die Sättigung schneller erreicht ist.
Mit anderen Worten: Je feuchter die Luft, desto niedriger die Basis.

Tatsächlich sind die wirklichen Verhältnisse aber etwas komplizierter, da sich auf dem Weg des Luftpakets nach oben sich die Verhältnisse nicht einseitig linear, sondern insgesamt verändern. Insbesondere der Taupunkt eines Luftvolumens nimmt bei adiabatischer Hebung um ca. 0,2 K/100m ab. So verbleibt es einerseits zwar bei der Abkühlung um 9,8 K pro 1.000 m, anderseits ändert sich dabei aber auch die relative Feuchte um +5% und der Taupunkt um ca. -0,2°C pro 100 m. Daraus folgt, dass das Cumuluskondensationsniveau oder Konvektionsniveau (CKN), d.h. die Höhe, in der sich ggf. eine Wolke bildet, meist oberhalb des HKN liegt. Das CKN berücksichtigt dabei die zusätzlich notwendige Aufheizung von Luft dicht am Boden bis zur sogenannten Auslöse-Temperatur, mit anderen Worten: die Luft muss zuerst so leicht werden, dass sie durch Auftrieb bis zur Kondensation des Wasserdampfes aufsteigen kann. Dazu muss die Temperatur der aufsteigenden Luft immer wärmer als die Umgebungsluft sein. Das CKN ist durch den Schnittpunkt der Taupunktkurve mit der Umgebungstemperaturkurve gegeben. CKN und HKN fallen zusammen, wenn die Grenzschicht gut durchmischt ist.

Die Grundlagen zu den hier dargestellten Vorgängen sind im Kapitel Adiabasie erläutert.

Das Kondensationsniveau ist also die Höhe, in der Wolken entstehen, da der Wasserdampf bei weiter zunehmender Höhe und damit abnehmender Temperatur (in der Standardatmosphäre) anfängt zu kondensieren bzw. in größerer Höhe zu sublimieren (gefrieren, Eiswolken wie zum Beispiel Cirrus). Diese Höhe wird daher auch als Wolkenuntergrenze oder Wolkenbasis bezeichnet. Die Wolkenhöhe kann beispielsweise über einen Laser-Wolkenhöhenmesser (Ceilographen) oder nachts mit Hilfe des Wolkenscheinwerfers und eines Sextanten mit einer Dreiecksberechnung ermittelt werden. In den weltweit stündlich durchgeführten synoptischen Wetterbeobachtungen werden die Untergrenzen der Wolken von den erfahrenen Wetterbeobachtern meist geschätzt.

Die Wolkenuntergrenze kann sich je nach Art der Hebung des Luftpaketes unterscheiden:

Hebungskondensationsniveau

Das Hebungskondensationsniveau (HKN; engl.: lifting condensation level, LCL) bezeichnet die Höhe oder Fläche, bei der durch erzwungene Hebung, meistens durch orographische Effekte (überströmen eines Berges/Gebirges) oder durch Hebungs- und Aufgleitvorgänge an einer Front, erst Sättigung eintritt und im weiteren Verlauf Übersättigung mit Schichtwolkenbildung auftritt. Auch in Bereichen, in denen Windscherung auftritt, kann es zu solch einer Hebung kommen, mit demselben Effekt.

Das mit Wasserdampf noch ungesättigte Luftpaket steigt durch die oben genannten Effekte bis zu dem Punkt auf, an dem Kondensation eintritt. Dabei kühlt sich das Paket bis zu diesem Punkt trockenadiabatisch ab, bis Sättigung erreicht ist. Wird das Luftpaket nun noch weiter über den Punkt der Wasserdampfsättigung hinaus angehoben, kommt es durch weitere Abkühlung zur Kondensation und somit zur Wolkenentstehung. Je nach dem wie hoch dieses HKN nun liegt, unterscheidet man zwischen Kondensation und Sublimation.

Ist an einem bestimmten Punkt Kondensation eingetreten, ist der Aufstieg des Luftpakets nicht etwa beendet. Vielmehr steigt es weiter auf, denn die Hebungsursachen bestehen ja weiterhin. Allerdings findet der Aufstieg nun nicht mehr wie anfangs vom Boden aus trockenadiabatisch statt, sondern wegen der vorausgegangenen Kondensation feuchtadiabatisch.

Konvektionskondensationsniveau

Konvektionskondensationsniveau (KKN oder CKN) bezeichnet die Höhe, in der ein aufsteigendes Luftpaket erst mit Wasserdampf gesättigt ist und bei weiterem Aufsteigen kondensiert. Im Unterschied zum Hebungskondensationsniveau erfolgt hier keine erzwungene Hebung z.B. durch Orographie, vielmehr handelt es sich um eine thermische Hebung, die Thermik. Es entsteht also eine durch thermische Einflüsse bedingte Quell- oder Haufenwolke vom Typ Cumulus. Die aufsteigende Luft kondensiert in Höhe des KKN und es wird, wie in einer Art Schlauch, immer mehr "frische" Luft von unten nachgeführt, welche die Quellwolke in ihrer vertikalen Mächtigkeit wachsen läßt. In der Segelfliegerei nennt man diesen "Thermikschlauch" auch einfach "Bart". Bei entsprechender Temperaturschichtung (Gradient größer als Feuchtadiabate) und ohne störende Einflüsse auf die Wolkenbildung, z.B. durch Windscherung im Anfangsstadium oder Austrocknen der entstehenden Wolke (Cu fractus) würde der Cumulus immer weiter nach oben bis zur Gewitterwolke (Cumulonimbus, Cb) anwachsen und sich, mit Ausprägung und Ausbreitung einer Abwindzone, in der kalte Luft nach unten fließt und somit den Aufwindbereich, den die Wolke zum Wachsen und Leben braucht, wieder selbst zerstören.

Aus der aktuellen Differenz von Lufttemperatur und Taupunkt am Boden (= Spread oder Taupunktdifferenz) läßt sich mit einer Faustformel die Höhe der Wolkenuntergrenze näherungsweise bestimmen. Zur Erinnerung: Die Taupunktsdifferenz (= Spread) ist die Differenz zwischen der herrschenden Lufttemperatur und dem Taupunkt. Ist der Spread groß, ist die Luft relativ trocken, ist er klein, ist die Luft relativ feucht; ist er Null, herrscht Sättigung (100% relative Feuchte).

Kennt man die Taupunktsdifferenz eines konvektiv aufsteigenden Luftpaketes, läßt sich das Kondensationsniveau nach einer Faustformel (Henningsche Formel) berechnen:
Höhe des Kondensationsniveaus =

Beispiel Wolkenuntergrenze in Fuß (ft):
Lufttemperatur = 20° C
Taupunkt = 14° C
Spread = 6
Formel: 6 x 400 = Wolkenuntergrenze 2.400ft

Beispiel Wolkenuntergrenze in Meter (m):
Lufttemperatur = 24° C
Taupunkt = 17° C
Spread = 7 x 125 = Wolkenuntergrenze = 875 Meter

Diese Formel kann im Alltag besonders an Sommertagen angewendet werden, denn die Untergrenzen der Quellwolken werden oft zu tief eingeschätzt. Damit hat der Pilot einen guten Anhaltspunkt für die Wolkenuntergrenzen.

Vergleicht man HKN und CKN, so lässt sich die Aussage treffen, dass das HKN meist niedriger als das KKN liegt. Ist die Atmosphäre aber zum Zeitpunkt der graphischen Ermittlung und des Ballonaufstieges bis zum HKN trockenadiabatisch geschichtet, können KKN und HKN auf einer Höhe liegen.

Beispiel

Die Temperatur beträgt 30 °C, der Taupunkt 10 °C. Das ergibt sich einen Spread von 20 K. Multipliziert man diesen Spread mit 400, ergibt das ein ungefähre Quellwolkenuntergrenze von 8.000 ft, oder, multipliziert mit 125, eine Untergrenze von 2.500 m.