Inversion

Bei einer Inversionswetterlage spricht man von einer atmosphärischen Schichtung, bei der die Temperatur mit der Höhe zunimmt.
Inversion kommt aus dem Lateinischen und bedeutet Umkehr. Früher sah man die Temperaturabnahme mit der Höhe als Normalzustand an und hielt eine Inversion für einen Ausnahmefall. Heutzutage sieht man, dass Inversionen regelmäßig auftreten.
Inversionen zeichnen sich durch eine besonders stabile Schichtung aus, bei der die vertikale Durchmischung durch Turbulenz sehr stark eingeschränkt wird. Daher nennt man eine Inversion manchmal auch Sperrschicht, da sie kein Luftaustausch mit den darüber liegenden Luftschichten zulässt. Das ist oft ein Grund für langanhaltenden Nebel oder Dunst. Es herrscht in Inversionsschichten also meist schlechte Fernsicht, außerdem sammeln sich in Großstädten in unteren Luftschichten oft Schadstoffe an, was zu Smog führt.
Inversionsschichten erstrecken sich nicht über die ganze Atmosphäre, sondern nur über eine relativ dünne Schicht, sie haben Ausmaße zwischen wenigen 100 m und 1,5 km Dicke. Es wird unterschieden zwischen Bodeninversionen, die in den bodennahen Luftschichten innerhalb der Grenzschicht auftreten und hochreichenden Inversionen. Inversionen können auf vier verschiedene Arten entstehen.

Strahlungsinversion

Diese Inversion entsteht häufig in sternklaren Nächten oder an Wintertagen mit Hochdruckwetterlage. Sobald die Sonne untergegangen ist, verschwindet auch die Wärmequelle. Die Erdoberfläche kühlt nun sehr schnell ab. Das liegt an der langwelligen Abstrahlung, die die Erde emittiert.(siehe Strahlungsbilanz)
Die nun kalte Erdoberfläche kühlt nun im Laufe der Zeit die darüber liegenden Luftmassen ab. Dies geschieht bis in eine gewissen Höhe, der sogenannten Inversionshöhe. Darüber ist die Lufttemperatur nicht mehr unmittelbar vom kalten Boden beeinflusst. Bei der Strahlungsinversion handelt es sich somit um eine bodennahe Inversion. Die Inversionshöhe markiert zugleich auch die Grenzschichthöhe, die Höhe bis zu der die Atmosphäre durch die Bedingungen am Erdboden beeinflusst wird.
Da Luft ein thermisch träges Medium ist, reagiert sie nicht so schnell wie der Erdboden auf die Temperaturänderungen, das Temperaturminimum ist somit erst in den frühen Morgenstunden erreicht. Befinden sich Wolken am Himmel, können sie die planetare Abstrahlung reflektieren und der Erdboden kühlt weniger stark aus, sodass die nächtliche Inversion schwächer ausfällt. Jeder hat es schon mal bemerkt, das es an sternklaren Winternächten frostig ist, ist der Himmel jedoch bewölkt, sind die Temperaturen nicht so tief. Die Strahlungsinversion baut sich nun im Laufe des Vormittags wieder ab, wenn die Sonnenstrahlen den Erdboden wieder schnell erwärmen und sich die Temperatur wieder auf die aufliegenden Luftschichten überträgt. Eine geschlossene Schneedecke verhindert durch ihr gutes Reflexionsvermögen von solarer Strahlung die Erwärmung und die Inversion bleibt lange bestehen.

Absinkinversion

In einem Hochdruckgebiet sinkt Luft großräumig vertikal nach unten. Die absinkende Luft kommt unter stärkeren Luftdruck und wird komprimiert. Dadurch erhöht die Luft ihre Temperatur. Wird sonst keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht und verdunstet kein Wasser so geschieht das Absinken trockenadiabatisch, d.h. mit 1°C pro 100m. In Bodennähe kann die Luft nur wenig absinken, da sie irgendwann den Boden erreicht hat, bzw. die Luftmasse nicht weiter komprimiert werden kann. In höheren atmosphärischen Schichten können Luftmassen deutlich längere Strecken vertikal absinken, weswegen sie sich auch stärker adiabatisch erwärmen kann als die tieferen Schichten. Da Luft ein kompressibles Medium ist, nimmt der Druck in tiefen Luftschichten zunächst stark ab, in der Höhe immer schwächer ab. Die Druckniveaus rücken nach unten hin zusammen. Beispiel Grafik:

Entstehung einer Inversion durch Absinken zweier Luftteilchen in untere Druckniveaus

Befinden sich zwei Luftteilchen (A und B) in einem Abstand von 100 HektoPascal und sinken beide um jeweils 500 hPa ausgehend von ihrer Starthöhe ab, so legt das höhere Teilchen (A) eine größere Strecke in Metern zurück als das untere(B). Das obere Teilchen legt nun einige Kilometer zurück (C) und kann sich stärker trockenadiabatisch erwärmen, als das untere Teilchen (D) ,welches viel weniger Strecke zurücklegt. Der nun verringerte Abstand beider Partikel spiegelt sich nun in einer Inversion wieder. Im Gegensatz zur Strahlungsinversion kann das Absinken eine hochreichende Inversion verursachen, die eben auch in mehreren Kilometern Höhe auftreten kann.

Frontinversion

Inversionen können auch bei besonderen Wetterereignissen wie z.B. Fronten entstehen. Eine Front ist eine Luftmassengrenze zwischen zwei unterschiedlich temperierten Luftmassen. Die warme Luft ist leichter als die kalte, somit gleitet bei einer Warmfront die warme Luftmasse über kalte. Bei einer Kaltfront schieb sich die kalte Luft unter die warme und hebt diese an. In beiden Fällen erhalten wir eine Inversionswetterlage.

Inversion durch Warmluftadvektion

Diese Grenzschichtinversion tritt überwiegend in der polaren Zone auf oder im Frühling in unseren Breiten. Sie entsteht, wenn relativ warme Luft über einen kalten Untergrund strömt, beispielsweise über das polare Eis oder auch tropische Luft, die im Frühling über den kalten Atlantik strömt. Ähnlich wie bei der Strahlungsinversion kühlt nun die kalte Oberfläche die darüberliegenden Luftschichten ab. Über der Inversion verhält sich die Temperaturschichtung wie in einer freien Atmosphäre.

Stratosphärische Inversion

Ein Normalzustand dagegen ist die Inversion in der Stratosphäre. Nachdem sich die Temperatur innerhalb der Troposphäre auf ca. –55 °C abgekühlt hat, beginnt sie oberhalb der Tropopause (ca.8 km (polar)/ ca. 16 km (Äquator)) mit zunehmender Höhe wieder zu steigen. Dies resultiert u.a. aus den chemischen Reaktionen des Ozons mit der ultravioletten Strahlung. Es wird Energie in Form von Wärme frei, die die Atmosphäre bis in 50km Höhe noch mal auf ca. 0°C erwärmt.