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Lexikon der Geographie: Inversion

Inversion, Umkehr eines Gradienten, insbesondere bezogen auf eine Temperaturzunahme mit der Höhe (dann ist der Begriff eine Kurzform für Temperaturinversion). Die Erdoberfläche weist im Durchschnitt eine positive und die untere Atmosphäre eine negative Wärmebilanz auf. Zum Ausgleich sind fühlbare und latente Wärmeströme von den Oberflächen in die Troposphäre gerichtet. Die zeitliche Verzögerung dieses Prozesses bedingt, dass im Mittel ein Temperaturgefälle besteht. Die Lufttemperatur nimmt vom Boden an mit zunehmender Höhe ab. Der vertikale (oder geometrische) Temperaturgradient beträgt im Mittel -0,65 K/100m. Inversionen liegen dann vor, wenn der vertikale Temperaturgradient positiv wird. Dies kann aus unterschiedlichen Gründen geschehen. Bei der Strahlungsinversion kühlt sich die bodennahe Luft durch den Wärmefluss zu den ausstrahlungsbedingt kälteren Oberflächen ab. Da die invers geschichtete Luft unmittelbar dem Boden aufliegt, spricht man von einer Bodeninversion ( Abb. 1). Der Abkühlungsvorgang kann auch durch eine kalte Wassermasse erfolgen, wie dies für die schlecht durchlüfteten Fjorde typisch ist. Dann bilden die sich oft über Tage andauernden Fjordinversionen aus.
Durch Absinken von Luftmassen, welche zuvor durch Kondensation einen Teil ihrer Energie verloren haben, entstehen Absinkinversionen ( Abb. 2). Die bekannteste Absinkinversion ist die Passatinversion (Passate).
Gleitet eine Warmluftmasse auf eine Kaltluftmasse auf, spricht man von Aufgleitinversionen. In den gemäßigten Breiten ist dies im Hochwinter regelmäßig der Fall. Auf eine durch Ausstrahlung der Oberflächen abgekühlte oder kontinental geprägte stationäre Luftmasse gleitet eine atlantisch geprägte relativ warme Luftmasse auf. Im Durchmischungsbereich kommt es zu einer Kondensation und Hochnebelbildung, welche die Einstrahlung und damit die Auflösung der Inversion von unten her unterbindet. Der Ausstrahlungsverlust an der Oberseite der Hochnebel erzeugt hier extreme Vertikalgradienten der Lufttemperatur von bis zu 10 K/100m, während unterhalb dieser Schicht eine weitgehend isotherm geschichtete Luftmasse liegt. Da diese Inversionen nicht dem Boden aufliegen, spricht man im Gegensatz zu Bodeninversionen von Höheninversionen.
Eine Turbulenzinversion oder Reibungsinversion entsteht, wenn eine stabil geschichtete Luftmasse turbulent durchmischt wird. Dann stellt sich in ihr ein trockenadiabatischer Temperaturgradient ein, und an der Obergrenze besteht eine Sprungschicht mit darüber lagernder warmer Luft.
Eine Schrumpfungsinversion ergibt sich beim vertikalen Abstieg eines stabil geschichteten Luftpaketes. Beim Absinken gerät das Luftpaket unter höheren Druck, wird komprimiert und trockenadiabatisch erwärmt. Die Kompression bewirkt, dass die Luft im oberen Bereich weiter absinkt als im unteren Bereich und daher auch stärker trockenadiabatisch erwärmt wird. Das Ergebnis ist eine Inversion, die auf die Schrumpfung des Luftpaketes zurückzuführen ist. Schrumpfungsinversionen sind oft sich verstärkende Absinkinversionen.
Inversionen haben eine große lufthygienische Relevanz, denn sie verhindern die vertikale Durchmischung und wirken deshalb als Sperrschichten: Ein aufsteigendes thermisch und lufthygienisch belastetes Luftpaket gelangt bei inverser Schichtung in eine relativ wärmere Luftschicht, wodurch sein Auftrieb gebremst wird, weil es dichter und damit schwerer ist als seine Umgebung. Es findet also keine hochreichende turbulente Durchmischung statt, sondern die Abluft akkumuliert in einem abgeschlossenen Luftkörper. Mit der Andauer der Inversion vergrößert sich die Luftbelastung daher stetig. Derartige durch Inversionen geprägte Wetterlagen werden als Inversionswetterlagen oder Smogwetterlagen bezeichnet. Die Obergrenze der Inversion ist die lufthygienisch problematische Sprungschicht. Weil sich unterhalb davon Aerosole ansammeln und durch Ausstrahlung stark abkühlen, verstärkt sich der Kontrast an der Sprungschicht. Sie ist im Gebirge häufig als messerscharfe Grenze sichtbar.

JVo


Inversion 1: Inversion 1: Schematischer Temperaturverlauf: a) Bodeninversion, b) Höheninversion.

Inversion 2: Inversion 2: Schema der thermischen Schichtung: a) vor einer Absinkinversion, b) die zur Absinkinversion führende Luftbewegung, c) nach Bildung einer Absinkinversion.

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