Hebung von Luftpaketen infolge von Konvektion

Bei sonnigem Wetter nimmt die Erdoberfläche je nach Exposition, Untergrund, Bewuchs und Versiegelungsgrad innerhalb recht kleiner Areale höchst unterschiedliche Temperaturen an. Bei einschlägigen Untersuchungen hat man an einem Hochsommertag mit strahlendem Sonnenschein folgende Mittagstemperaturen gemessen:

Asphaltstraße – 48°C
Reifes Getreide – 38°C
Unbewachsener Boden – 36°C
Grasland – 33°C
Getreidefeld – 32°C
Wald – 28°C
See – 22°C

Die auf der Erdoberfläche aufliegende Luft nimmt stets die Temperatur des Untergrundes an dadurch kommen wärmere und kühlere Luftvolumina teilweise sehr nahe nebeneinander zu liegen. Wärmere Luft ist aber bekanntlich leichter als kühlere: Die 48°C warme Luft über der Asphaltstraße beispielsweise ist um etwa 8 % leichter als die nur 28°C warme über dem Wald. Die Folge ist, dass die wärmere Luft in Form von einzelnen Luftpaketen –wie Heißluftballone – aufzusteigen beginnt. In der Meteorologie nennt man diesen Vorgang Konvektion. Während des Aufsteigens kühlen sich die Luftpakete – wie wir wissen – allmählich ab, bis die Taupunkttemperatur erreicht wird. In diesem Augenblick setzt Kondensation ein, und eine Wolke entsteht.
Die Höhe, ab der es zur Kondensation kommt, wird als Kondensationsniveau bezeichnet. Da man sich das Kondensationsniveau als eine waagerechte ebene Fläche vorstellen darf, besitzen die an ihm entstehenden Wolken eine messerscharfe Untergrenze. Sie gehören zur Gattung Cumulus.
Das Kondensationsniveau lässt sich mit wenig Aufwand berechnen. In der oberen Tabelle sind einige Werte wiedergegeben. Man kann daraus ein einfaches Gesetz ableiten: Je trockener und je wärmer desto höher. Bei -10°C (in 2 m Höhe gemessen) und einer relativen Feuchte von 30% (ebenfalls in 2 m) setzt die Kondensation in 1700 m Höhe ein, in gleich trockener aber 30°C warmer Luft dagegen erst in 2300 m. In sehr feuchter Luft, beispielsweise bei 90 % relativer Feuchte, kondensiert der Wasserdampf bereits in Höhen um 200 m. 100 % relative Feuchte findet man nur innerhalb einer Wolke bzw. wenn eine Wolke als Neben auf dem Boden aufliegt.
Die aufsteigenden Luftpakete haben üblicherweise Durchmesser von 200 bis 500 m , können aber auch 1 km erreichen. Sie steigen mit Geschwindigkeiten von 3 bis 5 m/s.

Jedem aufsteigenden Luftpaket folgt schon nach kurzer Zeit – oft dauert es nur einige Minuten – ein nächstes. Meist hat das nachfolgende Luftpaket eine höhere Steiggeschwindigkeit als sein Vorgänger, so dass es dessen Schleppe einholt. Auf diese Weise bildet sich bald ein regelrechter Aufwindschlauch aus, der als Thermik bezeichnet wird.
In besonderen Fällen kann man Konvektion sogar sehen. Das bekannte Flimmern der Luft über heißen Straßen ist nichts anderes als das sichtbar gewordene heftige Emporsprudeln überhitzter Luftpakete. Wegen ihrer hohen Temperatur verändern diese ihre optischen Eigenschaften und verhalten sich wie kleine Linsen. Die Lichtstrahlen, die in sie eindringen, werden wegen der unregelmäßigen Bewegungen in jedem Augenblick in eine andere Richtung gelenkt, so dass nach außen hin der Eindruck heftigen Flimmerns entsteht. Gleichzeitig kommt es zu Luftspiegelungen, die eine silbrig glänzende Wasserschicht auf der Straße vortäuschen.