Freitag, 15. Januar 2010

Die Welt der Wellen

Hallo,

angeregt durch eine schöne Föhnwolke, hier mal wieder ein bischen etwas von einem Grundsatzpost, bevor ich mich wieder der konkreten Vorhersage bzw. Phänomenbeschreibung beim Wetter widme.

Wellen spielen in der Meteorologie eine Rolle, deren Wichtigkeit gar nicht hoch genug eingeschätzt werden kann, sie sind ein natürlicher Bestandteil unseres Wettersystems und damit unseres Lebens auf diesem Planeten.

Wann kommen Schwingungen und Wellen zustande ? Ganz einfach gesagt dann, wenn man ein System im Ruhezustand betrachtet, es aus diesem Ruhezustand entfernt, dabei aber ein Kraft wirksam wird, die das System in den Ruheszustand zurückbringen will, und diese Kraft umso stärker wird, je weiter man das System aus dem Ruhezustand entfernt.

Beispiel Spiralfeder mit Gewicht dran: Ziehe ich das Gewicht nach unten, so wird mein pers. Kraftaufwand, dies zu tun umso grösser, je weiter ich daran ziehe. (Auch beim Expander !) Lasse ich das Gewicht dann los, so strebt das System wieder in Richtung seiner Ausgangsposition, dabei wirkt eine Kraft so lange, bis die Feder ihren Ruhepunkt erreicht hat. Allerdings heisst Kraft auch Beschleunigung, das Gewicht beschleunigt nach oben so lange bis es  seine Ruhepunkt erreicht hat. An diesem Ruhepunkt weist es aber eine gewisse Geschwindigkeit auf und schiesst über diesen hinweg nach oben. Dabei bremst es zwar, da es sich wieder vom Ruhepunkt entfernt, es dauert aber eine Weile bis es zum Stillstand gekommen ist. Dann fällt es wieder nach unten, über den Ruhepunkt hinaus etc pp. Dh. Immer wenn man eine so genannte rückstellende Kraft hat, die proportional der Auslenkung vom Ruhepunkt ist, erhält man ein regelmässig schwingendes System (ungedämpfte Schwingung). Was hat nun eine Feder mit dem Wetter zu tun ? Sehr viel.

So genannte Schwerewellen spielen eine große Rolle beim Wetter. Was passiert dabei ? Stellen wir uns eine Wetterlage mit Inversionscharakter vor. Also strahlender Sonnenschein und milde Temperaturen von 1000m aufwärts, in den Niederungen liegt aber eine kalte Nebelsuppe, die um 15 Grad kälter sei. Wir nennen das eine stabile Schichtung, dh der Temperaturabfall mit der Höhe ist geringer als 1 Grad pro 100m. In diesem Fall sogar extrem stabil, weil die Temperatur mit der Höhe sogar steigt.


Leider muss ich noch schnell ein weiteres Prinzip einführen, um auf den Kern der Sache zu kommen. Warum nennen wir das überhaupt stabil ? Gut.. bringt mich auf den Erklärungsnotstand: Was ist die Entropie ? Die Entropie ist ein Mass für die Unordnung. Mein Schreibtisch ist also in einem Zustand großer Entropie. Systeme wie die Atmosphäre, streben, wenn man sie allein lässt, nach einem Zustand maximaler Entropie. Das ist gut, denn wäre das nicht so, könnte sich alle Luft der Atmosphäre nach Belieben nur über der Arktis sammeln, und wir würden alle ersticken. Mein Schreibtisch ist also in einem Idealzustand !

Übertragen auf die vertikale Temperaturverteilung heisst das: Eine Atmosphäre mit extrem kalter Luft in der Höhe (sagen wir -100° in 5000m) und +40° am Boden wäre in einem Zustand sehr geringer Entropie und extrem instabil, die kalte Luft würde mit ungeheurer Geschwindigkeit nach unten fallen, die Warmluft raketenartig aufsteigen ....

Es gibt einen Grenzwert für den Vertikalabfall der Temperatur, bei dem die Entropie in allen Höhen gleich ist, und der liegt bei ziemlich genau 1° Temperaturabnahme pro 100m Höhenabfall. Liegt er darunter, ist es absolut stabil, liegt er draüber, absolut labil. Diese Überlegungen, und damit schliesse ich den Bogen zur Schwingung, hägen nun mit dem Schwingverhalten in solch einer Atmosphäre zu stande.


Lenkt ein Schelm einen genügen grossen Luftballen aus der milden Luft oberhalb der beschrieben Nebeldecke nach unten in den Nebel aus, so behält er seine Entropie und wird stets wärmer und damit weniger dicht als die Umgebungsluft (kalter Nebel) sein, und das umso ausgeprägter, je weiter  der Ballen runtergedrückt wird. Gemäss dem Gesetz von Archimedes bekommt die milde Luft Auftrieb und wird sofort, wenn die auslenkende Kraft aufhört, wieder zurück nach oben streben.

Abstrakter formuliert und hierbei auf die sichtbaren Schwerewellen zu kommen: In der typischen Atmosphäre nimmt die Entropie mit der Höhe zu. Luftpakete haben dort ihren Ruhepunkt, wo die Umgebungsluft die selbe Entropie wie sie selbst hat. Zwinge ich Luftpakete aus ihrer Ruheposition weg, so gibt es rückstellende Kräfte, aus dem Auftrieb heraus, die dafür sorgen wollen, dass das Paket zum Ruhepunkt zurückfindet. Es kommt dabei aber wie bei der Feder zum Überschiessen um die Position herum, eine Schwingung ensteht. An Hochnebeldecken sind es oft scherende Winde, die kleine Auslenkungen bewirken und so die Nebeldecke sichtbar zum schwingen bringen.

Hier ein beispiel, wie so etwas an etwas höher ziehenden Wolken von unten aussieht:



Im Fall von Föhnwellen sind es Hindernisse, die Luft in stabiler Umgebung nach oben auslenken und so in Schwingung versetzen. Reicht die Hebung hin zum Wellenscheitel aus um über Abkühlung Kondensation und damit Wolkenbildung zu bewirken ensteht eine Föhnwolke. (Leewolke). Diese ziehen nicht mit dem Wind mit, sondern bleiben fast ortsfest, da sie an die Welle, die ein Berg oder Kamm auslöst gebunden sind. Da sich Berge nur selten bewegen, bleibt die Welle ortsfest und damit auch die Föhnwolke.

Hier ein beispiel dieser stehenden Wellen aus Haiwaii:




Und eine Kompilation von den Kanaren, mit Rotorwolken dazu:



Auch Wasseroberflächenwellen funktionieren ähnlich, die Oberfläche des Meeres schwingt nach Auslenkung um ihre Gleichgewichtsposition.

Die Frequenz, mit der Luft in diesem Fall schwingt, nennt man Brunt-Vaisälä Frequenz und ist umso höher, je stabiler die Luft ist. Ist die Luft neutral (1° pro 100m Abfall) so schwingt gar nichts, und die Luft bewegt sich nach Auslenkung gleichmässig in eine Richtung .... gehen wir ins labile, so schwingt auch nichts und die Geschwindigkeit der Bewegung in die eine oder andere Richtung nimmt von selbst beschleunigt zu. (Das ist ein Gewitter .....)

Zwei Sachen gibts noch, die ich in späteren Postings anbringen werde, Trägheitswellen und Wellen in der numerischen Wettervorhersage, das kommt aber dann bei der nächsten langweiligen Hochdrucklage ....

Später hier dann etwas zum aktuellen Wetter...

Lg

MS

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