Wer hat nicht schon in fast windstillen, wolkenarmen und kalten Winternächten fein geschichtete Nebel-Lamellen über dem Boden gesehen?
Häufig zu beobachten ist dieser Nebel über Schnee. Er kann aber auch in kühlen Sommernächten auftreten. Wer neugierig ist, kann die Ursache dieses oft blättrig geschichteten Nebels leicht verstehen. Die Prozesse, die erläutert werden, spielen beispielsweise auch im Gartenbau oder in anderen Boden-Luft-und-Wärme-Zusammenhängen eine Rolle.
Was ist Nebel?
Nebel ist gegeben, wenn die Luft über dem Boden von schwebenden Wasser-Tröpfchen oder Eiskristallen erfüllt ist. Nebel ist eine Wolke in Kontakt mit dem Boden. Weil Nebel unter anderem im Verkehr hinderlich ist, muss seine Dichte beschrieben werden. Das geschieht durch Angabe der „Sichtweite“.
Die Sichtweite bedarf einer genauen Bestimmung. Die meteorologische Sichtweite – es gibt auch andere – ist diejenige, bei der ein dunkles Objekt gegen einen hellen Hintergrund unter einem Sichtwinkel bis zu 5 Grad noch erkennbar ist. Hintergrund können der helle Horizont, aber auch eine Nebelwand oder verschneite Berge sein. Eine gewisse Ungenauigkeit liegt darin, dass die Augen verschiedener Personen das Sichtziel verschieden scharf erkennen. Bei Nacht muss die Sichtbarkeit einer abgestimmten Lichtquelle die Kontrastsicht ersetzen.
„Nebel“ ist sozusagen ein geschützter Begriff. Denn von Nebel darf nur gesprochen werden, wenn die Sichtweite über eine Strecke addiert geringer als 1000 Meter ist.
Was für Nebel?
Nebel kann es nur geben, wenn der Wasserdampf in der Luft gesättigt ist, die relative Luftfeuchtigkeit nahezu 100 Prozent beträgt. Dazu kann es auf verschiedene Weisen kommen. Entscheidend ist, dass die Menge an Wasser, die sich als Dampf in der Luft halten kann, mit der Temperatur abnimmt. Anschaulich ist die Taupunkttemperatur. Sie ist diejenige Temperatur, bei der von Dampf flüssiges Wasser, Tau, oder bei der Frostpunkttemperatur Reif abscheidet.
Warme Luft mit viel Wasserdampf kann sich mit kalter Luft vermischen. Dabei kann die Temperatur der Mischung so weit fallen, dass ein Teil des Dampfes sich zu Tröpfchen verdichtet, kondensiert. Oder, wie im Herbst über dem Staffelsee, Wasser verdampft in Luft, die sich abkühlt und der Dampf schließlich gesättigt wird. Das war beim Frostrauch (siehe Hoagart Nr. 4) der Fall. Nebelschlieren dieser Art sind auch nach einem kalten Gewitterguss auf noch warmen Asphalt zu sehen.
Nebel kann auch auftreten, wenn feuchte und warme Luft über kalten Boden fließt, in der von unten gekühlten Luft zur Sättigung von Dampf kommt. Es kann auch genügen, wenn nur sporadisch und fast nicht bewegte Luft über dem Boden an Wärme verliert. Je nach Art seiner Entstehung, kann Nebel klassifiziert werden. Oft sind mehrere Prozesse zugleich beteiligt.
Beim Strahlungsnebel, welcher das Thema ist, ist Strahlung vom Boden das Wesentliche. Das schließt andere Bedingungen nicht aus. Hier, dass gleichzeitig Wasserdampf von der eisfreien Ach oder dem See nachgeliefert wird und Wasser über dem Nebel als Reif am Boden abgelagert wird.
Über die Strahlung
Alle Körper, auch Flüssigkeiten und Gase, senden Strahlung aus. Ihre Dichte ist abhängig von der Art der Stoffe und nimmt stark zu mit der absoluten Temperatur (in Kelvin). Die Strahlung bei irdischen Temperaturen liegt im Infraroten, oft Wärmestrahlung genannt. Ihre Wellenlängen sind erheblich länger als die der Sonnenstrahlung. Diese entspricht einer Temperatur von fast 6000 Grad, umfasst Ultraviolett, sichtbares Licht und nahes Infrarot. Die irdische Temperatur liegt im Durchschnitt bei nur 288 °K (Grad Kelvin), gleich 15 °C.
Die irdische Eigenstrahlung geht kontinuierlich vor sich, im Unterschied zur empfangenen Sonnenstrahlung, welche nur die Tagseite der Erde erreicht. Auch nur die vom irdischen System absorbierte und zu Wärme umgesetzte Energie geht in das Wettergeschehen ein, nicht der von Wolken oder Schnee, in geringem Masse auch vom Erdboden reflektierte Anteil. Insgesamt und ausgeglichen über die Zeit sollten die von der Sonne empfangene und von der Erde abgestrahlte Energie einander gleich sein.
Wenn einleitend von wolkenarmen Winternächten die Rede ist, dann sei hier von der Sonnenstrahlung und auch der infraroten Strahlung von Wolken zum Boden abgesehen. Windstille bedeutet, dass die Luft nur sehr langsam transportiert und kaum durchmischt wird. Pulsierende Zufuhr von Wasserdampf und geringe Wirbelbewegung der Luft sind für beständigen Strahlungsnebel notwendig.
Zwar strahlen in der Atmosphäre Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Ozon und auch schwebender Staub ihrer Temperatur und anderen Eigenschaften entsprechend dem Boden Energie zu. Aber die Eigenstrahlung des Bodens in die Himmelshalbkugel hinein ist in der Regel ungleich grösser.
Über den Wärmefluss
Während Energie durch Strahlung sich im Vakuum oder interplanetarischen Raum ausbreitet, bedarf Wärme eines Stoffes. Das wird verständlich, wenn Wärme als Bewegungsenergie der Moleküle verstanden wird.
Die Wärme, welche der Erde durch die Ausstrahlung entzogen wird, stammt aus mindestens zwei Quellen: Der molekularen Wärmeleitung aus dem Untergrund an die ausstrahlende Bodenoberfläche und aus dem Kontakt mit der darüber angrenzenden Luft. In dieser wirken, neben ganz unbedeutender molekularer Wärmeleitung, weit effektiver kleine Wirbel in der nur sehr gering bewegten Luft. Hinzu kommt Wärme, die im Wasserdampf verborgen ist und „fühlbar“ wird, wenn dieser Dampf auf der kalten Bodenoberfläche zu Tau oder Reif verdichtet wird.
Auf diesen Prozessen beruht die abendliche Abkühlung der Luft vom Boden her, auch wenn kein Nebel auftritt. Ein Aufzug von Wolken in der Nacht würde dem Boden infrarote Strahlung zusenden. Die absorbierte Energie (Wärme) würde die Abkühlung der Bodenluft bremsen oder sogar vom Boden her diese erwärmen – wie auch die Erfahrung bestätigt.
Von den Poren
Die Bodenoberfläche ist keine mathematisch glatte Fläche eines kompakten festen Körpers. Vielmehr ist der Erdboden meist körnig mit Hohlräumen, die von Luft oder Wasser gefüllt sind. Schnee, wenn er nicht zusammengepresst oder gar zu Eis verdichtet ist, hat einen besonders hohen Porenanteil.
Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Deshalb leiten trockene und sehr porenreiche Oberböden, insbesondere auch trockener lockerer Schnee, Wärme schlecht. Die Wärmestrahlung des Erdbodens oder des Schnees kommt aus den Poren der oberen Randzone. Je poröser das Material, umso geringer die Wärmeleitung. Um so schneller sinkt dann auch die Temperatur der strahlenden Oberflächenzone, wie das bei lockerem Schnee besonders ausgeprägt der Fall ist.
Die von oben in die Poren reichende Luft der Atmosphäre gibt Wärme an die ausstrahlenden Porenwände ab. Die Luft darüber wird durch die Ausstrahlung von unten her abgekühlt. Die Dichte (Schwere) der Luft nimmt mit sinkender Temperatur zu. Daher ist die den Bodenporen nächste auch die kälteste Luft. Sie liegt stabil unter der wärmeren und leichteren Luft darüber.
Von Nebelbildung zu Auflösung
Geringe horizontale Unterschiede der Lufttemperatur, damit auch deren Dichte, und schwaches Gefälle des Terrains, ergeben schon kleine Druckunterschiede und leichte Bewegung der Luft. Warme Quellen von Wasserdampf, über der Ach und dem offenen See, bedeuten hier aufsteigende Luft, die ersetzt wird durch kalte Bodenluft vom Land. Durch Reibung der bewegten Bodenluft kommt es zu kleinen Wirbeln, welche kalte und etwas wärmere Luft vertikal austauschen. Auf diese Weise wird Wärme von oben her den strahlenden Flächen der Poren zugeführt.
Mit der Zirkulation von Luft wird auch Wasserdampf von deren warmen Quellen aufsteigend und über dem Boden absinkend diesem zugeführt. Bei Sättigung des Dampfes in sinkender Temperatur tritt Nebel auf.
Die hier erwähnten Bewegungen treten stoßweise auf, jeweils wenn Widerstände überwunden werden. Schon von daher erklärt sich die Bildung einer schichtweisen Struktur von Temperatur und Nebel. Die Schichtung von Nebel verursacht wärmeausgleichende Strahlung zwischen den einzelnen Schichten.
Oft sind die Tröpfchen unterkühlt, das heißt sind flüssig auch noch bei Temperaturen beispielsweise 10 Grad unter dem Gefrierpunkt. Der Sättigungsdampfdruck fällt in Richtung der tiefsten Temperatur, ist über Eis (Schnee) erniedrigt im Vergleich zu flüssigem Wasser. Das bedeutet, durch Verdampfen von Nebeltröpfchen und Verdichtung zu Tau oder Reif, oder auch Deposition und Gefrieren am Boden, erfolgt mit dem Wasser ein Wärmetransport zu den strahlenden Flächen.
Überwiegt die Absetzung von Tau oder kristallinem Eis am Boden die Neuzufuhr von Wasserdampf von oberhalb, so trocknet der Strahlungsnebel vom Boden her aus.
Reinhard Mook
Foto "Uffing, Morgennebel IV" - Ausstrahlung von Wärme seitens Schneedecke kühlt Luft von unten bis zur Nebelbildung ab. Schwache Luftbewegung hebt Schwaden in die Höhe © Rudolf Pohmann
(veröffentlicht in Hoagart 06 | Januar 2023, siehe unten, Seite 58)
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Januar 2023
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