Meteorologie

2.3Erscheinungsformen des atmosphärischen Wassers
2.3.1Dunst

Wenn die Kondensation oder Sublimation des Wasserdampfes nicht an festen Oberflächen, sondern in der Luft erfolgt, spricht man von Dunst oder Nebel. Ob die genannten Prozesse in der Luft oder an festen Oberflächen ablaufen, hängt von einer Reihe von meteorologischen Voraussetzungen ab, die sich nur schwer nachweisen und noch viel schwerer vorhersagen lassen.

Die im Dunst und Nebel entstehenden Wassertröpfchen bewirken eine Streuung des Lichtes (s. Seite 186) und verschlechtern somit die Sichtverhältnisse, ähnlich wie in einem mit Zigarettenrauch erfüllten Zimmer. Die sichtbehindernde Wirkung wird auch zur Unterscheidung der beiden Phänomene benützt. So spricht man von Nebel, wenn die Sichtweite kleiner als 1 km ist, und von Dunst, wenn die Sicht zwar behindert ist, aber Gegenstände in Entfernungen über 1 km noch zu erkennen sind. Diese Grenzen wurden als Orientierungshilfe für Wetterbeobachter aufgestellt. Physikalisch spricht man von Dunst, solange die Luft noch nicht feuchtegesättigt, und von Nebel, wenn Sättigung eingetreten ist.

Wie oben dargelegt wurde, setzt die Kondensation des Wasserdampfes in der Atmosphäre schon lange vor der eigentlichen Sättigung ein. Die dabei entstandenen Tröpfchen können sogar noch wachsen. Da aber die hygroskopischen Kräfte mit zunehmender Verdünnung der Lösung schnell nachlassen, beginnen die einen Verdunstungsdruck ausübenden Oberflächenkräfte rasch zu überwiegen, sodass Tröpfchenradien von 0,1 bis 1 µm beim Dunst als obere Grenze anzusehen sind.

Sichtbehinderungen können auch durch Staub, Ruß oder ähnliche Luftverunreinigungen hervorgerufen werden. Man spricht in solchen Fällen von trockenem Dunst, obwohl auch hier häufig Wasser mitbeteiligt ist. Bei starkem trockenem Dunst, wie er in Industriegebieten auftritt, kann die Sicht bis weit unter 10 km reduziert sein. Wegen der Kleinheit der Teilchen erscheint trockener Dunst oft bläulich (s. Seite 187).

2.3.2Nebel

Tritt Kondensation bei feuchtegesättigter Luft ein, so spricht man von Nebel. Im Nebel findet man Tröpfchen mit Radien bis über 30 µm. Er kann vielerlei Ursachen haben.

Abb. 31 Wettersymbole Dunst und Nebel.

Strahlungsnebel

Sehr häufig tritt Nebel als Folge des nächtlichen Temperaturrückgangs auf. Da hierbei Ausstrahlungsvorgänge eine wesentliche Rolle spielen (s. Seite 242), spricht man gerne von Strahlungsnebel. Als solcher ist er meist nicht besonders mächtig, oft besteht er auch 103 aus mehreren dünnen Schichten. Nur in besonderen Fällen kann er Höhen von 300 m und mehr erreichen (s. Seite 242). Seine Tröpfchen sind wegen des nur geringen Wassergehaltes relativ klein. Strahlungsnebel ist deshalb meist nicht nässend. Da die Temperaturen im Gelände größere örtliche Unterschiede aufweisen und oft schon einige Zehntel K hin oder her über das Zustandekommen entscheiden, muss man mit großen lokalen Schwankungen der Häufigkeit, Dichte und Mächtigkeit von Strahlungsnebeln rechnen. Diese Tatsache macht ihn so außerordentlich schwer vorhersehbar. Oft genug wird er deshalb zum Schreckgespenst des beratenden Meteorologen.

Im Allgemeinen löst sich ein Strahlungsnebel im Lauf des Tages wieder auf. Erreicht er jedoch durch entsprechende Umstände eine solche Mächtigkeit, dass ihn die Sonne am nächsten Tag nicht wieder beseitigen kann, so ist ihm eine mehrtägige Existenz sicher. Nebel hat nämlich eine sich selbst erhaltende Wirkung: Einmal besitzt er ein außerordentlich hohes Reflexionsvermögen für Sonnenstrahlung. Bis zu 90 % der auftreffenden Energie werden zurückgeworfen. Dadurch steht nur noch ein geringer Restbetrag für die Erwärmung und damit die Auflösung des Nebels zur Verfügung. Andererseits geben die Wassertröpfchen in der Nacht besonders viel Energie durch Ausstrahlung (s. Seite 205) ab, sodass an seiner Obergrenze die Temperatur besonders tief sinken kann.

Zur Bildung von Strahlungsnebel kann es auch kommen, wenn eine Absinkinversion entstanden ist, die sich aber noch nicht bis zum Boden durchgesetzt hat oder von unten her wieder abgebaut wird – eine Schichtung also, die dem Typ Fumigation (s. Seite 53) entspricht. An der Inversionsuntergrenze sammeln sich verstärkt Staubpartikel, Kondensationskerne und Wasserdampf an. Durch kräftige Ausstrahlung einer solchen Dunstschicht kann sich die Luft bis unter den Taupunkt abkühlen, sodass Nebel, ja sogar eine Wolkenschicht entstehen kann. Die Nebel- bzw. Wolkenschicht wächst allmählich nach unten, bis sie die Erdoberfläche erreicht. Auf diese Weise entstehen manchmal tagelang anhaltende Nebel.

Nebel treten bevorzugt dort auf, wo die nächtlichen Temperaturen besonders tief absinken. Häufiger Nebel ist also wie reichlicher Tau ein Indikator für besonders kalte und deshalb auch besonders frostgefährdete Geländelagen. Die bekannten Moornebel gehen, wie später (s. Seite 230) noch ausführlich begründet wird, nicht auf den hohen Bodenwassergehalt mit starker Verdunstung zurück, sondern auf die dort besonders tiefen Nachttemperaturen.

Advektionsnebel

Sehr dauerhafter Nebel entsteht, wenn warme, feuchte Luft herangeführt und über eine kalte Unterlage oder Luftschicht geschoben wird. Man spricht in diesem Fall von Advektionsnebel. Der Advektionsnebel ist die mächtigste und dauerhafteste Nebelform. Er entsteht bei uns bevorzugt im Winterhalbjahr, wenn Warmluft aus dem südatlantischen oder aus dem Mittelmeerraum in höhere Breiten strömt, dabei auf eine bodennahe Kaltluftschicht zu liegen kommt und sich abkühlt. Er hat im Allgemeinen eine Mächtigkeit von mehreren hundert Metern, kann aber ohne weiteres auf über 104 1000 m anwachsen. Wegen der enormen Dicke einer Advektionsnebelschicht kann er von der Sonne alleine überhaupt nicht mehr beseitigt werden. Nur ein massiver Luftmassenwechsel ist in der Lage, ihn wegzuräumen. Bleibt dieser aus, so kann der Nebel tage-, ja wochenlang anhalten.

Zeitweise hebt er sich von der Bodenoberfläche ab und bildet eine einheitliche, graue, undurchsichtige Hochnebelschicht. Im Frühling sind die Meere und großen Binnenseen meist deutlich kälter als das Festland. Strömt Luft von dort aufs Wasser, so wird sie abgekühlt und es bildet sich Nebel. Bekannte Beispiele dieser Art sind die im Spätfrühling häufigen Küstennebel an der Ostsee.

Advektionsnebel entsteht auch dort, wo warme und kalte Meeresströmungen aufeinanderstoßen. Fließt Luft von der warmen zur kalten Meeresoberfläche, so kann sie sich dort weit unter den Taupunkt abkühlen. Besonders typisch für das Auftreten von Advektionsnebeln ist Neufundland, wo der kalte Labradorstrom auf den warmen Golfstrom trifft. An 120 Tagen im Jahr wird dort Nebel beobachtet (Grand Banks). Ähnliche Verhältnisse begegnen uns vor den Aleuten im nördlichen Pazifik. Hier kommen der kalte Oyashio und der warme Kuroshio miteinander in Berührung.

Eine große Nebelhäufigkeit findet man auch dort, wo kaltes Tiefenwasser an die Oberfläche gelangt, wie z. B. vor Kalifornien (Kalifornienstrom), wo es zu 40 bis 50 Nebeltagen pro Jahr kommt. Andere Beispiele sind Peru und Nordchile (Humboldtstrom) oder Südwestafrika (Benguelastrom). Von dort melden die Wetterbeobachter Jahr für Jahr mehr als 80 Tage mit Nebel. Ein Advektionsnebel ist auch der Grönlandnebel, der seine Existenz der Abkühlung der Luft an den grönländischen Eismassen verdankt. Diese Vorgänge kann man auch bei uns jedes Jahr zur Zeit der Schneeschmelze beobachten, wenn auch in wesentlich kleinerem Maßstab. Es bilden sich dann über den noch vorhandenen Schneeflecken Nebelfelder, während auf benachbarten schneefreien und damit schon wärmeren Flächen die Luft klar bleibt.

In den Randbereichen der Polargebiete kommt es an mehr als 80 Tagen des Jahres, vorzugsweise im Sommer, zur Bildung von Advektionsnebel. Infolge der Zufuhr von kaltem Schmelzwasser bleibt die Temperatur der Wasseroberfläche recht niedrig. Kommt von Süden her wärmere, feuchte Luft mit ihr in Berührung, entstehen schnell ausgedehnte Nebelfelder. Das ist der Grund dafür, dass sich die Arktis im Hochsommer trotz ununterbrochener Tageshelle meist trüb und nebelverhangen präsentiert.

Orografischer Nebel

Ein weiterer Nebeltyp ist der orografische Nebel. Er entsteht, wenn feuchte Luft über einen Hang hinaufströmt und sich dabei 105 adiabatisch abkühlt. Voraussetzung dafür, dass Nebel entsteht, ist ein tiefliegendes Kondensationsniveau, sonst bilden sich Wolken. Bei länger anhaltendem Luftzustrom kann der oft stark nässende Nebel viele Tage anhalten. Orografische Nebel findet man vielfach dort, wo die Passate (s. Seite 300) feuchtwarme Luftmassen gegen ausgedehnte Gebirgsmassen führen. So kennt man diese Erscheinung an den Ostküsten des afrikanischen und südamerikanischen Kontinents. Auf diese Weise kommt es an der somalischen Küste wie auch vor Madagaskar und Sansibar zu über 40 Nebeltagen pro Jahr. Auch am östlichsten Vorsprung Südamerikas findet man ähnliche Verhältnisse.

An der Südwestküste Afrikas zwingen die Westwinde der gemäßigten Zone die Luft regelmäßig zum Aufsteigen an den Hängen der dortigen Gebirgszone. Über 80 Nebeltage im Jahr sind die Folge davon. Gleiches gilt für die südlichen Anden (s. Seite 153). Auch an den Alpen und den deutschen Mittelgebirgen sind orografische Nebel nicht unbekannt.

Mischungsnebel

Wenn im Herbst die ersten kühlen Nächte auf den bevorstehenden Winter aufmerksam machen, ist die Zeit der „dampfenden“ Flüsse und Seen gekommen. In den Morgenstunden sieht man dann dicht über der Oberfläche der Gewässer eine riesige Zahl von winzigen Nebelschwaden oder Nebelsäulchen scheinbar regungslos schweben. Es handelt sich hierbei um sogenannten Mischungsnebel. Diese Nebelart entsteht, wenn sich warme, feuchte Luft beim Vermischen mit kalter Luft unter die Taupunktstemperatur abkühlt.

Der Bildungsvorgang ist nicht ganz leicht zu verstehen, deshalb soll er mithilfe der Abb. 32 in vereinfachter Form dargestellt und erläutert werden. In ihr ist in der Waagerechten die Temperatur und in der Senkrechten der Wasserdampfgehalt der Luft aufgetragen. Die blaue Kurve stellt die Sättigungsfeuchte dar (vgl. Seite 63).

Abb. 32 Zur Bildung von Mischungsnebel (siehe Text). Die Entstehung des Mischungsnebels wurde hier sehr stark vereinfacht dargestellt. Die korrekte thermodynamische Erklärung findet man bei Kraus (2004).

Denken wir uns jetzt eine kühle Herbstnacht. Die Lufttemperatur soll in dieser Nacht bis auf 5 °C zurückgehen. Außerdem soll die Luft, wie häufig in der Nacht, feuchtegesättigt sein, also in jedem kg etwa 6 Gramm Wasserdampf enthalten. Der Diagrammpunkt 1 kennzeichnet diese Situation. Gewässer kühlen im Lauf des Herbstes nur langsam aus. Für unseren Fluss oder unseren See dürfen wir also ohne Weiteres eine Temperatur von 15 °C annehmen. Wenn sich jetzt die kalte Luft vom Ufer her über das Gewässer schiebt, wird sie sich dort, wo sie mit dem warmen Wasser in Berührung kommt, spürbar erwärmen – nehmen wir der Einfachheit halber an, bis auf die Temperatur des Wassers. Das entspricht dem Diagrammpunkt 2. Damit ist aber die Luft nur mehr 60 % 106 feuchtegesättigt (rF = 60 %). Es ist also zu erwarten, dass Wasser verdunstet und sich der dabei entstehende Wasserdampf in der Luft anreichert. Nehmen wir an, auf 9 Gramm pro kg, entsprechend dem Diagrammpunkt 3.

Die Luft, die sich an der Wasseroberfläche erwärmt hat, ist dabei gleichzeitig auch leichter geworden. Die Folge davon ist, dass sich einzelne Luftvolumina wie winzige Heißluftballone nach oben in Bewegung setzen. Dabei vermengen sie sich mit der nicht erwärmten Luft, und es stellt sich in ihnen eine Mischtemperatur ein. Wollen wir der Einfachheit halber annehmen, die Mischtemperatur entspreche genau dem Mittel aus der Luft- und der Wassertemperatur, also 10 °C (Diagrammpunkt 4). Bei dieser Temperatur kann die Luft aber nur noch etwa 7,5 Gramm Wasserdampf je kg mit sich führen. Infolgedessen müssen während der Abkühlung in jedem Luftvolumen (auf 1 kg umgerechnet) rund 1,5 Gramm Wasserdampf kondensieren, die schließlich als kleine Nebelsäulchen sichtbar werden.

Weil bei diesem Vorgang einzelne Luftblasen aufsteigen, entsteht der Eindruck, als rauche das Wasser, man spricht deshalb bezeichnenderweise von Seerauchen. Ist die über das Wasser geführte Kaltluftschicht nur dünn, so verschwindet der „Rauch“ in geringer Höhe wieder. Seerauchen kann deshalb auf Höhen von nur einen halben Meter oder noch weniger beschränkt bleiben.

Ähnliche Erscheinungen kann man beobachten, wenn die Sonne auf ein nasses Hausdach scheint, etwa nach einem Regenschauer oder nach dem raschen Auflösen eines morgendlichen Strahlungsnebels. Man hat dann den Eindruck, als „dampfe“ ein solches Dach. Auch Straßen, Autodächer, selbst den Erdboden kann man „dampfen“ sehen.

Zu großflächigen Mischungsnebeln kommt es, wo Meeresströmungen warmes Wasser bis in hohe Breiten transportieren, wo es von kalter Luft überströmt werden kann, zum Beispiel vor der schwedischen Westküste.

Auch das „Dampfen“ des heißen Kaffees in der Tasse oder der heißen Suppe im Teller gehört physikalisch gesehen zu den Mischungsnebeln.

Smog

Eine berüchtigte Nebelform ist der von industriereichen Großstädten her bekannte Smog. Er hat insbesondere in London eine traurige Berühmtheit erlangt. Smog ist ein Kunstwort, das sich aus smoke (engl. Rauch) und fog (engl. Nebel) zusammensetzt und damit bereits auf das Besondere dieser Nebelart hinweist.

Die Riesenzahl der mit Industrie-, Hausbrand- und Autoabgasen ausgestoßenen Partikel ermöglicht eine sehr frühzeitige und vollständige Kondensation des Wasserdampfes, sodass sich ein außerordentlich dichter und schmutzender Nebel bilden kann, in dem die Sichtweite oft nur wenige Meter beträgt. Die in den Abgasen darüber hinaus enthaltenen Oxidationspunkte wie 107 Schwefeldioxid, Stickoxide und andere lösen sich in den Smog-Tröpfchen und verleihen ihm dadurch auch noch Säureeigenschaften. Da der Smog überall hindringt, kann er sein Zerstörungswerk praktisch überall ausüben, angefangen bei Bauwerken und Industrieanlagen über Kleidung und andere Gebrauchsgegenstände bis hin zur gesamten Vegetation. Wegen seiner ätzenden Wirkung kann er bei Menschen Bronchitis und Lungenentzündung sowie Schleimhautreizungen jeder Art hervorrufen.

Am 5. Dezember 1952 erwachten die Londoner im schlimmsten Smog ihrer Geschichte. Über dem Themse-Tal lag eine mächtige Inversion, erfüllt von dichtem Nebel, der sich mit dem Rauch aus Tausenden von Kaminen vermengte. Das Tageslicht blieb fast ganz aus. Die Stadt versank für fünf Tage in dicker und dicker werdendem gelblich schwarzem Smog. An manchen Stellen lag die Sichtweite unter 30 cm. Der Straßenverkehr kam fast völlig zum Erliegen und die Menschen fielen einer unheimlichen Platzangst anheim. Die Luft war erfüllt von unvorstellbaren Mengen schwarzer Ruß- und Teerpartikel. Der Schwefeldioxidgehalt wuchs auf das Zehnfache des Normalen an. Der Nebel überzog alles, womit er in Berührung kam, mit einem Film aus schmierigem Schmutz. Die Katastrophe hat an die 4000 Menschenleben gefordert. Der Großteil der Todesfälle war auf die Säure des Smogs zurückzuführen, die die Lungen angriff und die Menschen regelrecht ersticken ließ (nach versch. Quellen).

In seinem ausführlichen Bericht (vgl. Randspalte) über den Londoner Smog vom Dezember 1952 teilt Brooks (zit. in Blüthgen und Weischet 1980) mit, dass es alleine in London rund 4000 Menschenleben gekostet habe. Infolge eines geänderten Umweltverhaltens sind solche Smog-Katastrophen wie in den 50er-Jahren heute nicht mehr zu befürchten.

Die bis Mitte des 20. Jahrhunderts sehr hohe Nebelhäufigkeit in Städten ist inzwischen wegen des zunehmenden Wärmeinsel-Effektes und reinerer Luft stark zurückgegangen (s. Seite 352).

Eisnebel

Schließlich sei noch als Besonderheit der Eisnebel erwähnt. Er ist eine überwiegend polare Erscheinung, kann aber auch bei uns gelegentlich beobachtet werden. Wie der Name sagt, besteht er ausschließlich oder überwiegend aus feinen Eiskristallen, die zu ihrer Entstehung (s. Seite 88) Eiskeime benötigen. Da diese nur bei tiefen Temperaturen aktiviert werden, entsteht Eisnebel nur bei strenger Kälte, meist erst unterhalb –20 bis –30 °C. So wird er beispielsweise häufig um die Stadt Fairbanks in Alaska bei mittwinterlichen Kältegraden um –40 °C beobachtet. Erkennen kann man Eisnebel an den ausschließlich in dieser Nebelform auftretenden Haloerscheinungen (s. Seite 219).

Tab. 6 fasst die nebelbildenden Vorgänge noch einmal übersichtlich zusammen.

Nebel und Verkehr

Nebel kann für den Luft-, Wasser- und Straßenverkehr zu einer ernsten Gefahr werden, ihn oft sogar völlig zum Erliegen bringen. Schwere Schiffs- und Flugzeugkatastrophen haben sich durch Zusammenstöße im Nebel ereignet. Heute besitzen alle größeren Schiffe Radaranlagen, sodass der Küsten- und Wasserstraßenverkehr bei Nebel nicht mehr zum Erliegen kommen muss, wie es früher oft der Fall war. Aber selbst diese modernen Hilfsmittel können keine letzte Sicherheit vor Kollisionen bieten.

Im Luftverkehr kann der Nebel die Landung erschweren oder ganz unmöglich machen. Bis heute gibt es kein wirksames Mittel, dichten Nebel mit vertretbarem Aufwand zu beseitigen und so drohende Verkehrsstörungen zu verhindern. Bekannt ist die – 108 besonders durch die gestiegenen Energiepreise sehr teuer gewordene – Pistenheizung oder das Ausfällen des Nebels, das aber nur bei Temperaturen unter 0 °C zu dem gewünschten Erfolg führt. Man sprüht dabei Propan in die Nebelschicht oder streut aus einer über der Nebeldecke fliegenden Maschine Kohlensäureschnee aus. In beiden Fällen verdunstet die benützte Substanz und kühlt den Nebel dabei so weit ab, dass Eiskristalle entstehen. Diese wachsen (s. Seite 127) auf Kosten der verbliebenen unterkühlten Tröpfchen an und werden zu Schneekristallen, die schließlich aufgrund ihres Gewichtes ausfallen.

Gelegentlich versucht man auch, durch Überfliegen der Landebahn mit einem Hubschrauber die für den Nebel verantwortliche Inversion durch Verwirbelung zu zerstören. Dadurch steigt in der bodennächsten Schicht die Temperatur über den Taupunkt an. Diese Maßnahme ist aber meist nur von kurzzeitigem Erfolg begleitet.

In den USA werden umfangreiche Versuche durchgeführt, durch Anwendung von Detergenzien Nebeltröpfchen zum Ausfallen zu bringen. Dabei war besonders zu beachten, dass die verwendeten Chemikalien keine schädigenden Nebenwirkungen auf Lebewesen oder Gegenstände (Korrosion) haben durften. Die Ergebnisse waren ermutigend.

Die beste Problemlösung ist hier vorsorgliche Planung, d. h. Flugplätze in Gebieten mit möglichst geringer Nebelwahrscheinlichkeit anzulegen. Oft werden jedoch Flughäfen in Senken und Becken gebaut, in denen sich kalte, nebelreiche Luft sammeln kann, oder man legt sie in landwirtschaftlich wenig wertvolle trockengelegte Moorgegenden, in denen aber aufgrund der sehr ungünstigen Bodeneigenschaften (s. Seite 230) besonders tiefe Temperaturen mit extremer Nebelhäufigkeit zu erwarten sind. Es ist ein gefährlicher Trugschluss zu glauben, dass die Absenkung von Grundwasser zu einer Verringerung der Nebelhäufigkeit führt. Wie auf Seite 227ff. ausführlich auseinandergesetzt wird, ist genau das Gegenteil der Fall. Die häufigsten Störungen des Flugbetriebs 109 treten jedoch bei anhaltendem Advektionsnebel auf, der von der Geländeform und der Bodenart nicht beeinflusst wird.

Auch der Straßenverkehr wird durch Nebel stark beeinträchtigt und erheblich gefährdet. Besonders nachts, wenn ein für den Autofahrer ganz plötzlich – oft innerhalb weniger Meter – auftauchender dichter Nebel die Sicht raubt, kann es zu schweren Massenkarambolagen kommen. Da eine Nebelbekämpfung auf Straßen und Autobahnen völlig indiskutabel ist, kann man dieser Gefahrenquelle nur vorbeugend durch geschickte Trassenwahl und Warneinrichtungen, vor allem aber durch eine umsichtige Fahrweise begegnen.

Ob Nebel entsteht oder nicht, hängt stark vom Gelände und vom Boden ab. So kann sich leicht auf engstem Raum extrem dichter Nebel bilden, scharf abgegrenzt von einem Bereich mit völlig freier Sicht. Und genau das lässt ihn zu einer großen Gefahr für den Straßenverkehr werden, weil er dem Autofahrer oft sehr plötzlich und völlig unerwartet wie aus dem Nichts heraus begegnet.

Die große lokale Schwankung, die dem Nebel, insbesondere dem Strahlungsnebel eigen ist, macht es schwer, klimatologische Aussagen über sein Auftreten zu machen. Häufig findet man nur Angaben über die Zahl der Nebeltage. Als Nebeltag gilt ein Tag, an dem irgendeinmal Nebel aufgetreten ist, gleichgültig, wie lange er angehalten hat und wie dicht er war. Bei Blüthgen und Weischet (1980) findet man eine Karte des Nebelvorkommens auf der Welt. Schirmer (1981) hat für das Bundesland Hessen eine Nebelkarte entworfen.