Sperrschichten in der Atmosphäre - Inversion

Wenn die oberen Luftschichten wärmer als die unteren sind, spricht man von einer Inversion. Diese entsteht vornehmlich in den Herbst- und Wintermonaten. Häufig ist es dabei in den Tälern trüb und kühl, auf den Bergen dagegen sonnig und mild. Außerdem bildet sich bei einer Inversionswetterlage Smog, da Abgase und Schadstoffe nicht entweichen können.

Häufig ist in den Herbst- und Wintermonaten zu beobachten, dass sich in den Tälern kalte und zähe Nebelluft hält, während auf den Hügeln und Bergen bei deutlichen Plusgraden die Sonne lacht. Teils trennen nur wenige Höhenmeter zweistellige Frühwerte von Bodenfrost. Inversionsschichten erstrecken sich nur über eine relativ dünne Schicht, sie haben Ausmaße zwischen wenigen Hundert Metern und 1,5 Kilometern Dicke.

Inversionswetterlagen entstehen dann, wenn die Luft weiter oben wärmer als in Bodennähe ist. Inversionen sind meistens bei windschwachen Hochdruckwetterlagen zu beobachten. Sobald die Sonne untergegangen ist, verschwindet auch die Wärmequelle. Die Erdoberfläche kühlt deshalb schnell ab. Das liegt an der Infrarotstrahlung oder Wärmestrahlung, die die Erde fortwährend abgibt. Derweil kühlt die nun kältere Erdoberfläche auch die darüber liegende Luft bis zu einer bestimmten Höhe ab. Darüber ist die Lufttemperatur nicht mehr unmittelbar vom kalten Boden beeinflusst.

Inversionen können auf mehrere Arten entstehen. Dabei wird zwischen Bodeninversionen, die in den bodennahen Luftschichten innerhalb der Grenzschicht auftreten, und hochreichenden Inversionen unterschieden.

Insbesondere im Winter kühlt der Boden in klaren Nächten durch Ausstrahlung stark aus, die Luft darüber wird ebenfalls abgekühlt und dadurch schwerer. Darüber ist die Lufttemperatur nicht mehr unmittelbar vom kalten Boden beeinflusst, sie bleibt daher wärmer und damit leichter. Bei den beiden unterschiedlich warmen Luftschichten findet kein Austausch statt. An der Grenze formiert sich eine Inversion.

Meteorologen sprechen hier auch von einer Strahlungsinversion. Die obere Begrenzung dieser Bodeninversionsschicht liegt dabei in einer Höhe, in der sich die Abkühlung des Erdbodens nicht mehr auswirkt. Diese kann manchmal weniger als 100 Meter über dem Boden liegen.

Vor allem Hochdruckgebiete bringen in ihren Zentren Inversionen hervor. Dort sinkt die Luft großräumig ab, sodass sie quasi zusammengepresst wird und sich dadurch erwärmt. Die absinkende und warme Luft trifft vor allem im Winter auf kalte Luft in der Nähe des Bodens. Im Winter lagert in Bodennähe ein sogenannter Kaltluftsee. Diese Art der Grenzschicht nennt sich auch Absinkinversion. In Bodennähe kann die Luft nur wenig absinken, da sie irgendwann den Boden erreicht hat oder die Luftmasse nicht weiter komprimiert werden kann.

Absinkinversionen liegen zumeist in größeren Höhen und werden deswegen auch als Höheninversion bezeichnet. Zu erkennen sind die Grenzschichten an scharfen Kanten in den oberen Wolkenstockwerken. Die Wolken können wegen der Inversionsschicht nicht weiter aufsteigen und breiten sich deshalb zur Seite hin aus, wodurch sie immer mehr Fläche einnehmen. An den scharfen Wolkenobergrenzen ist auch die Luftfeuchtigkeit am größten, an der Oberseite der Inversionsschicht ist diese dagegen sehr niedrig.

Inversionen können auch zustande kommen, wenn warme Luft in höheren Schichten einfließt, die sich nicht bis zum Boden durchsetzen kann. Bei Wetterfronten ist dies häufig zu beobachten.

Im Winterhalbjahr bildet sich oft eine zähe bodennahe Kaltluftschicht. Bei einer Warmfront gleitet die warme Luft über die kalte. Zunächst sickert die feuchtere Warmluft nur in die oberen Luftschichten ein, während in Bodennähe noch kalte Luft lagert.  Im Durchmischungsbereich der beiden Schichten kondensiert der Wasserdampf und es bildet sich Hochnebel. Dadurch wird die untere Luftschicht nicht erwärmt und die Inversion löst sich nicht auf. Hier spricht man auch von einer Frontinversion.

Im Unterschied zur Absinkinversion ist hier die Luftfeuchtigkeit an der Oberseite der Inversionsschicht am höchsten und Wolken wie beispielsweise Stratus- oder Stratocumulus-Wolken entstehen.

Auch ohne Fronten kann sich eine Inversion bilden, wenn relativ warme Luft über kalten Untergrund strömt, zum Beispiel über polares Eis. Ebenfalls ist solch eine Inversion zu beobachten, wenn im Frühling tropische Luft über den noch kalten Atlantik streicht. Ähnlich wie bei der Strahlungsinversion kühlt nun die kalte Oberfläche die darüber liegenden Luftschichten ab.

Die Stratosphäre befindet sich über der Troposphäre. An ihrer oberen Grenze bis in 50 Kilometern Höhe nimmt die Temperatur zu. Verursacht wird diese Inversion hauptsächlich durch Ozon, das die UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht absorbiert, chemisch reagiert und dabei Strahlungsenergie in Wärme umwandelt. Die Atmosphäre erwärmt sich bis in 50 Kilometern Höhe noch mal auf Werte um den Gefrierpunkt. Hier ist auch die Ozonschicht.

Wegen dieses Temperaturanstiegs mit der Höhe finden am Übergang zwischen Stratosphäre und Troposphäre kaum Vertikalbewegungen statt. Die Stratosphäre bleibt vom Wettergeschehen in den unteren Luftschichten meist verschont. Diese Grenzschicht bezeichnen Meteorologen auch als die Tropopause.

Unter bestimmten Bedingungen kann die Tropopause jedoch durchbrochen werden, sie bekommt besonders in den mittleren Breiten über Kaltlufttropfen oder bei starken Jetstreams Falten. Dort dringt aus der Stratosphäre Luft in die Troposphäre. In den Tropen kann die aufsteigende warm-feuchte Luft mit Rußpartikeln die Tropopause durchbrechen und sich in der unteren Stratosphäre verteilen.

Manchmal hat eine Haufenwolke (Cumulus) so viel Auftrieb, dass sie die Inversion durchbricht. Ein Cumulonimbus kann sich dann zu einem Gewitter ausbauen,

Bei einer Inversion können Abgase und Schadstoffe nicht entweichen. Somit reichern sich in den unteren Luftschichten Feinstaub und Rußpartikel an. Bei längeren Inversionswetterlagen entsteht Smog.