Planetarische Grenzschicht
Die unteren Ebenen der Troposphäre werden meist stark von der Erdoberfläche beeinflusst. Diese Unterschicht, die als planetarische Grenzschicht bekannt ist, ist der Bereich der Atmosphäre, in dem die Oberfläche Temperatur, Feuchtigkeit und Windgeschwindigkeit durch die turbulente Übertragung von Masse beeinflusst. Infolge der Oberflächenreibung sind Winde in der planetaren Grenzschicht normalerweise schwächer als oben und neigen dazu, in Bereiche mit niedrigem Druck zu blasen., Aus diesem Grund wurde die planetarische Grenzschicht auch als Ekman-Schicht bezeichnet, für den schwedischen Ozeanograph Vagn Walfrid Ekman, einen Pionier bei der Untersuchung des Verhaltens windgetriebener Meeresströmungen.
Unter klarem, sonnigem Himmel über Land ist die planetarische Grenzschicht aufgrund der Erwärmung des Bodens durch die Sonne und der daraus resultierenden konvektiven Turbulenz tendenziell relativ tief. Im Sommer kann die Planetengrenzschicht Höhen von 1 bis 1,5 km erreichen (0.,6 bis 1 Meile) über der Landoberfläche—zum Beispiel im feuchten Osten der Vereinigten Staaten-und bis zu 5 km (3 Meilen) in der südwestlichen Wüste. Unter diesen Bedingungen, wenn ungesättigte Luft ansteigt und sich ausdehnt, nimmt die Temperatur mit der trockenen adiabatischen Rückfallrate (9,8 °C pro Kilometer oder ungefähr 23 °F pro Meile) während des größten Teils der Grenzschicht ab. In der Nähe der erwärmten Erdoberfläche nimmt die Lufttemperatur superadiabatisch ab (bei einer Rückfallrate, die größer ist als die trockene adiabatische Rückfallrate)., Im Gegensatz dazu hören Turbulenzen in klaren, ruhigen Nächten tendenziell auf, und die Strahlungskühlung (Nettowärmeverlust) von der Oberfläche führt zu einer Lufttemperatur, die mit der Höhe über der Oberfläche zunimmt.
Wenn die Rate der Temperaturabnahme mit der Höhe die adiabatische Rückfallrate für einen Bereich der Atmosphäre überschreitet, wird Turbulenz erzeugt. Dies ist auf den konvektiven Umsturz der Luft zurückzuführen, wenn die wärmere Luft auf niedrigerer Ebene aufsteigt und sich mit der kühleren Luft in der Höhe vermischt., In dieser Situation bleibt ein aufsteigendes Luftpaket wärmer als die umgebende Umgebungsluft, obwohl das Paket sowohl kühlend als auch expandierend ist, da die Umgebungsrafferrate größer ist als die adiabatische Rückfallrate. Der Beweis für diesen Umsturz wird in Form von Blasen oder Wirbeln wärmerer Luft erzeugt. Die größeren Blasen haben oft genügend Auftriebsenergie, um die Oberseite der Grenzschicht zu durchdringen. Die anschließende schnelle Luftverdrängung bringt Luft aus der Höhe in die Grenzschicht, wodurch die Schicht vertieft wird., Unter diesen Bedingungen der atmosphärischen Instabilität kühlt die Luft in der Höhe entsprechend der Umgebungsabfallrate schneller ab, als die aufsteigende Luft mit der adiabatischen Rückfallrate abkühlt. Die Luft über der Grenzschicht ersetzt die aufsteigende Luft und erfährt beim Abstieg eine kompressive Erwärmung. Dadurch erwärmt diese mitgerissene Luft die Grenzschicht.
Die Fähigkeit der konvektiven Blasen, die Oberseite der Grenzschicht zu durchbrechen, hängt von der Umgebungsrafferrate in der Höhe ab., Die Aufwärtsbewegung der Penetrationsblasen nimmt schnell ab, wenn das Paket schnell kühler wird als die Umgebung, die es umgibt. In dieser Situation wird das Luftpaket mit zusätzlichem Aufstieg weniger lebhaft. Die Höhe, die die Grenzschicht an einem sonnigen Tag erreicht, wird daher stark von der Intensität der Oberflächenerwärmung und der Umgebungsabfallrate knapp oberhalb der Grenzschicht beeinflusst., Je schneller eine aufsteigende turbulente Blase relativ zur Umgebungsluft über die Grenzschicht abkühlt, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass nachfolgende turbulente Blasen weit über die Grenzschicht eindringen. Die Oberseite der Tagesgrenzschicht wird als Mischschicht-Inversion bezeichnet.
In klaren, ruhigen Nächten führt die Strahlungskühlung zu einer Temperaturerhöhung mit der Höhe. In dieser als nächtliche Inversion bekannten Situation werden Turbulenzen durch die starke thermische Schichtung unterdrückt. Thermisch stabile Bedingungen treten auf, wenn wärmere Luft kühlere, dichtere Luft überlagert., Über flachem Gelände kann ein fast laminarer Windstrom (ein Muster, bei dem Winde aus einer oberen Schicht leicht an Winden aus einer unteren Schicht vorbeirutschen) entstehen. Die Tiefe der strahlungsgekühlten Luftschicht hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft, den Boden-und Vegetationsmerkmalen und der Geländekonfiguration. In einer Wüstenumgebung, zum Beispiel, Die nächtliche Inversion neigt dazu, in größeren Höhen als in einer feuchteren Umgebung zu finden., Die Inversion in feuchteren Umgebungen tritt in geringerer Höhe auf, da mehr langwellige Strahlung, die von der Oberfläche emittiert wird, von zahlreichen verfügbaren Wassermolekülen absorbiert und wieder an die Oberfläche abgegeben wird. Dadurch wird verhindert, dass die unteren Ebenen der Troposphäre schnell abkühlen. Wenn die Luft feucht ist und ausreichend oberflächennah gekühlt wird, kondensiert Wasserdampf zu dem sogenannten „Strahlungsnebel“.”