Benutzer:Kryophil

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Überarbeitungsentwurf "Kaltluftsee"

Ein Kaltluftsee (seltener auch: Kältesee, Kälteinsel, Frostloch, Kaltluftpfütze oder Muldenfrost[1]) ist ein Phänomen, welches in ganz oder teilweise abgeschlossenen konkaven Geländeformen (Senken, Becken, Täler) auftritt. Bei windschwachen Strahlungswetterlagen kühlen sich die bodennahen Luftschichtendurch durch die nächtliche Abstrahlung aus. Die so produzierte Kaltluft aus dem zugehörigen Kaltlufteinzugsgebiet fliesst der Schwerkraft folgend als katabatischer Wind abwärts und sammelt sich in abflusslosen Senken oder vor Hindernissen. Die kälteste Luft schichtet sich dabei zuunterst ein und kühlt dort weiter aus. Mit zunehmender Höhe steigt die Lufttemperatur an (Inversion). Gegenüber der Umgebung in gleicher Höhenlage werden in Kaltluftseen im Schnitt markant tiefere Temperaturminima registriert, die Anzahl der Tage mit Nebelbildung und mit Frost ist erhöht[2].

Prozesse bei der Ausbildung und Auflösung eines Kaltluftsees

Kaltluftbildung setzt ein, wenn die Strahlungsbilanz negativ ist. Der Erdboden strahlt über Wärmestrahlung Energie gegen den Weltraum ab. So wird die Erdoberfläche und die darüberliegende bodennahe Luftschicht ausgekühlt. Dabei hat die Art der Bodenbedeckung einen massgeblichen Einfluss auf die Abstrahlung: Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist die langwellige Abstrahlung eine Funktion der Oberflächentemperatur sowie der Emissivität der Oberfläche. Auf die Oberflächentemperatur wiederum hat die Wärmekapazität sowie die Wärmeleitfähigkeit einen wesentlichen Einfluss. Ideal im Sinne einer möglichst starken Abstrahlung ist frisch gefallener, lockerer Neuschnee: Er hat eine hohe Emissivität und isoliert stark gegen Bodenwärmestrom.

Im Kaltlufteinzugsgebiet (Gesamtfläche, welche mit der dort produzierten Kaltluft zu einem Kaltluftsee beiträgt) beginnt sich bei Hangneigungen von >1% die gebildete Kaltluft paketweise abzulösen und fliesst, der Schwerkraft folgend, hangabwärts. In geschlossenen Kaltluftseen (Senken ohne oberirdischen Abfluss) sammelt sich die die Kaltluft zuunterst an und kommt unter idealen Bedingungen zur Ruhe. In offenen Kaltluftseen wird die Kaltluft an Hindernissen (z.B. Talverengungen, Waldränder, Hecken) angestaut.

Von den Seitenhängen nachgelieferte Kaltluft schichtet sich ihrer Temperatur bzw. Dichte entsprechend im Kaltluftsee ein, welcher dadurch langsam aufgefüllt wird. In offenen Kaltluftseen wird die Mächtigkeit über das Gleichgewicht zwischen Zu- und Abfluss von Kaltluft bestimmt, in geschlossenen Kaltluftseen ist die minimale Mächtigkeit durch die Überlaufhöhe bzw. den niedrigsten Sattel gegeben.

Bei idealen Strahlungsbedingungen (wolkenarm, windstill) sinkt die Temperatur im Verlauf der ersten Nachthälfte bis zum Erreichen der Taupunkttemperatur ab und Kondensationsprozesse setzen ein, welche in der Folge durch die freigesetzte Kondensationswärme den weiteren Temperaturrückgang deutlich verlangsamen oder sogar gänzlich zum Erliegen bringen[3]. Entscheidend ist dabei das aktuellem Feuchteangebot in der Luft und am Boden (Gewässer, vorangehende Anfeuchtung durch Niederschläge): Bei einem hohen absoluten Feuchtegehalt setzt die Bildung von Nebel bzw. Hochnebel ein, dessen vertikale Erstreckung durch die Inversionsobergrenze begrenzt wird. Bei geringerem absolutem Feuchtegehalt lagert die überschüssige Feuchte in Form von Tau oder Reif an der Oberfläche ab. Da der Atmosphäre dabei ein Teil des Feuchtegehaltes entzogen wird, kann die Temperatur um mehrere Grad unter die Taupunkttemperatur absinken.

Gegenüber der freien Atmosphäre bildet sich eine Temperaturinversion aus, welche in Extremfällen mehr als 30 K betragen kann[4]. Zu einer solchen Temperaturumkehr kommt es ganzjährig bei wind- und wolkenarmen Hochdrucklagen, besonders ausgeprägt sind sie im Winterhalbjahr beim Vorhandensein einer Schneedecke auf dem Boden.

Bei ungestörten Abstrahlungsbedingungen werden die tiefsten Temperaturwerte kurz vor Sonnenaufgang erreicht. Nach Sonnenaufgang werden entsprechend exponierte Hänge erwärmt (hier sind die jahreszeitlichen Unterschiede durch die Horizontüberhöhung in Richtung des Sonnenaufgangs zu berücksichtigen). Durch die aufsteigende Luft an den besonnten Hängen setzt im Kaltluftsee eine Absenkung der Inversionsobergrenze ein, bis die Atmosphäre wieder vollständig durchmischt ist. Der Temperaturanstieg auf dem Grund des Kaltluftsees findet verzögert statt, da in einer ersten Phase die zugeführte Sonneneinstrahlung für die Verdunstung von Tau bzw. die Sublimation von Reif aufgewendet wird.

Davon zu unterscheiden ist die windbedingte Auflösung der Inversion (Turbulente Erosion). Massgebend sind dabei die Stabilität (bzw. Inversionsstärke im Kaltluftsee) sowie die vertikale Windscherung[5]. Diese Ereignisse sind häufig an Frontdurchgänge oder an einsetzenden Föhn gekoppelt. Der Kaltluftsee wird dabei oft in kürzester Zeit ausgeräumt und die Temperatur kann um 10 bis 20 Grad ansteigen (z.B. Ulrichen um 18.6 K in 10 Minuten am 11.12.2005)[6].

Bewölkungsaufzug in der Nacht kann durch die erhöhte atmosphärische Gegenstrahlung zu einer Abschwächung oder Auflösung der Inversion führen.

Voraussetzungen für die Ausbildung extremer Temperaturminima

geomorphologische (statische) Disposition:

  • Geringe Horizontüberhöhung: Geschlossene Senken mit einem hohen Sky-View-Faktor weisen die beste Voraussetzung für die Ausbildung extremer Temperaturminima auf. Bei einem hohen Sky View-Faktor ist an einem gegebenen Punkt ein grosser Anteil des Himmels sichtbar, vom Boden und den Hängen einer Senke kann die Wärme effizient gegen den Weltraum abgestrahlt werden.
  • Energiearme Luftmasse: Prinzipiell wird in einem Kaltluftsee durch die beschriebenen Prozesse eine Ausgangsluftmasse modifiziert und unter das für die Umgebung auf gleicher Höhenlage zu erwartende Temperaturniveau abgekühlt. Eine möglichst kalte und trockene Luftmasse wirkt sich somit günstig auf das Erreichen möglichst tiefer Minima aus. In Mitteleuropa haben solche Luftmassen arktischen oder sibirischen Ursprung.
  • zunehmende Meereshöhe: Generell nimmt die Temperatur ausserhalb von Kaltluftseen mit zunehmender Höhe ab, sodass höher gelegene konkave Geländeformen bei gleicher Luftmasse eine günstigere Disposition für sehr tiefe Minima aufweisen. Einschränkend wirkt dabei die generelle Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe[3].


synoptische (witterungsabhängige, zeitlich variable) Disposition:

  • Besonders tief fallen die Temperaturen nach frisch gefallenem Neuschnee. Lockerer Neuschnee weist durch den hohen Luftanteil sehr gute Isolationseigenschaften auf, dadurch wird der geothermische Wärmestrom wirkungsvoll unterbunden.Die tiefste Temperatur tritt dann üblicherweise in der ersten windstillen und wolkenlosen Nacht nach dem Einfliessen sehr kalter Luftmassen auf, da . Ist eine durchgehende Wolkendecke sowie Wind vorhanden, so wird sich kein Kaltluftsee ausbilden.

Von nachrangiger Bedeutung

Vergleichende Betrachtungen im Grünloch sowie weiteren, benachbarten Senken haben gezeigt, dass die Tiefe und die Größe der Senke (bzw. die Fläche des Kaltlufteinzugsgebiets) gegenüber dem Sky-View-Faktor von nachrangiger Bedeutung sind. So weist die Glattalp, wo mit −52,5 °C die tiefste bisher gemessene Temperatur in der Schweiz registriert wurde, im Bereich der Messstation eine Überlaufhöhe (Differenz zwischen dem tiefsten Punkt der Senke und dem niedrigsten Sattel bzw. Überlaufpunkt) von nur gerade 14 m auf.

Verbreitung von Kaltluftseen

Geschlossene Kaltluftseen sind insbesondere in Karstlandschaften verbreitet, in denen durch Korrosion des Untergrundgesteins abflusslose Senken entstehen[7]. Zahlenmässig von untergeordneter Bedeutung ist die Ausbildung geschlossener Senken durch glaziale Prozesse oder Bergstürze.

Ökologie in Kaltluftseen

Die gegenüber der Umgebung gehäuft auftretenden Inversionen in Kaltluftseen führen mit zunehmender Nähe zum tiefsten Punkt zu einer Abnahme der mittleren Temperaturminima wie auch der Durchschnittstemperatur. Dadurch nimmt die Anzahl von Frost- und Eistagen nimmt zu. Abhängig von Exposition und Abschattung ist auch die Dauer der Schneebedeckung des Bodens deutlich erhöht. Die Vegetationsdauer ist dadurch verkürzt und die Spätfrostgefährdung signifikant grösser. Diese Voraussetzungen führen dazu, dass sich in ausgeprägten Kaltluftseen eine Vegetations- oder Stufenumkehr einstellen kann und Extrazonale Vegetation vorgefunden wird, welche sonst für weiter oben gelegene Höhenlagen oder polnähere Regionen charakteristisch ist [8][9][10][11].

Als Beispiel kann die Doline Opuvandi do im montenegrinischen Orjen-Gebirge herangezogen werden. Diese physiogeographisch zum Hochkarst gehörende Paläodoline in 1570 m Höhe bildet einen mikroklimatischen glazialen Reliktstandort in unmittelbarer Nähe zum Mittelmeer, wo Silberwurz (Dryas octopetala), Schnittlauch (Allium schoenoprasum) sowie Vertretern der Schneetälchen-Gesellschaften mit Stumpfblättriger Weide (Salix retusa), Langsporn-Veilchen (Viola calcarata subsp. zoysii) und Berg-Wegerich (Plantago atrata) auftreten.

Bei Kaltluftseen handelt es sich somit um Refugialräume, in welchen sich einerseits bis heute Arten aus der letzten Eiszeit halten können und andererseits angesichts des fortschreitenden Klimawandels Rückzugsorte für Tier- und Pflanzenarten aus höheren Lagen bilden.


Bekannte Kaltluftseen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Deutschland

Bekannte Kaltluftseen in Deutschland sind der Funtensee (tiefste bisher gemessene Temperatur in Deutschland: −45,9 °C am 24. Dezember 2001 an der Station von Meteomedia (heute MeteoGroup) bzw. −45,8 °C am 25. Januar 2000 an der Station des DWD ) und die Doline Albstadt-Degerfeld (Tiefste bisher gemessene Temperatur in Baden-Württemberg: −36,1 °C).

Die Funtensee-Uvala (1601 m ü.NN) liegt im Nationalpark Berchtesgaden. Die Uvala hat hier knapp 0,75 km² Fläche und ist aus der Korrosion verkarstungsfähiger Karbonate schon im Jungtertiär angelegt worden. Die Uvala ist wie alle vergleichbaren alpinen Senken polygenetischen Ursprung, da sie durch Glazialerosion und in geringerem Ausmaße fluviale beziehungsweise fluvioglaziale Erosion weiter ausgeformt wurde. Das alpine Kaltlufteinzugsgebiet reicht bis zum Großen Hundstod (2594 m) im Steinernen Meer.

Österreich

In Österreich wurde im Grünloch im Zeitraum zwischen dem 19. Februar und dem 4. März 1932 mit −52,6 °C die tiefste bekannte Temperatur in Mitteleuropa gemessen. Am Scheichenspitzkar im Dachsteingebirge wurde am 2. Januar 2008 −48,4 °C gemessen.

Schweiz

In der Schweiz wurde die tiefste bisher gemessene Temperatur von −52,5 °C am 7. Februar 1991 auf der Glattalp registriert. Aus der Combe des Amburnex im Waadtländer Jura ist eine Minimaltemperatur von −46 °C bekannt. In La Brévine wurde am 12. Januar 1987 mit −41,8 °C die tiefste in einer Ortschaft in der Schweiz registrierte Temperatur gemessen.

Weitere Stationen aus dem Messnetz von MeteoSchweiz, die in offenen Kaltluftseen in Hochtälern liegen und an denen sehr tiefe Temperaturen auftreten können, sind Samedan, Ulrichen und Andermatt.

Italien

Am 10. Februar 2013 wurde in der Doline Busa Nord di Fradusta auf 2607 m. ü. M. eine Temperatur von −49,6 °C gemessen.

Slowenien

In der auf 1592 m. ü. M. gelegenen Senke Mrzla Komna wurde am 9. Januar 2009 eine Temperatur von −49,1 °C gemessen.

USA

Am 1. Februar 1985 wurde in Peter Sinks eine Temperatur von −56,3 °C (−69,3 °F) gemessen.

Montenegro

Verlässliche meteorologische Messungen aus Kaltluftseen in Montenegro sind über die Wetterstation in Grahovo verfügbar. Nach Angaben im Godišnjak SHMZ (1951–1990) verzeichnete es ein absolutes Minimum von −28,8 °C. Die 230 m höher gelegene und ca. 5 km entfernte Wetterstation Crkvice hatte in der gleichen Periode dagegen ein absolutes Temperaturminimum von nur 22,3 °C erreicht, auch hier liegt eine Muldenlage vor. In der phsyiogeographisch zum Hochkarst gehörenden Region werden in einer Paleodoline zudem Glazialrelikte beobachtet. Das Opuvani do unterhalb der Velika Jastrebica in 1570 m Höhe im Orjen-Gebirge bildet mit Silberwurz (Dryas octopetala) und Schnittlauch (Allium schoenoprasum) sowie Vertretern der Schneetälchen-Gesellschaften mit Stumpfblättriger Weide (Salix retusa), Langsporn-Veilchen (Viola calcarata subsp. zoysii) und Berg-Wegerich (Plantago atrata) einen mikroklimatischen glazialen Reliktstandort in unmittelbarer Nähe zum Mittelmeer.

Abgrenzung

Von Kaltluftseen zu unterscheiden sind Kaltlöcher. Punz (2005) definiert diese als "Lokalitäten mit sommerlichem Kaltluftaustritt aus einem engräumigen Hohlraumsystem in Fest- oder Lockergestein"[12]. Grundsätzlich können Kaltlöcher auch in Kaltluftseen auftreten, bis auf wenige Ausnahmen (z.B. Eppaner Eislöcher) sind sie jedoch nicht die dominante Ursache für die Ausbildung eines Kaltluftsees.

Einzelnachweise

  1. ↑ Rudolf Geiger: Das Klima der bodennahen Luftschicht. 2013, S. 415, doi:10.1007/978-3-658-03519-8 (doi.org [abgerufen am 7. September 2018]).
  2. ↑ Ahlheim, Karl-Heinz., Meyers Lexikonredaktion.: Wetter und Klima. Dudenverlag, Mannheim 1988, ISBN 3-411-02224-8 (worldcat.org [abgerufen am 18. September 2018]).
  3. ↑ a b Manfred Dorninger: Topografische und meteorologische Faktoren für extrem tiefe Temperaturminima in Kaltluftseen. In: Deutscher Wetterdienst (Hrsg.): Hochgebirgsmeteorologie und Glaziologie (= promet - Meteorologische Fortbildung). Heft 98, ISSN 2194-5950 (dwd.de [PDF]).
  4. ↑ Bernhard Pospichal: Struktur und Auflösung von Temperaturinversionen in Dolinen am Beispiel Grünloch. Hrsg.: Universität Wien, Institut für Meteorologie und Geophysik. Wien Oktober 2014 (univie.ac.at [PDF]).
  5. ↑ Manfred Dorninger, C. David Whiteman, Benedikt Bica, Stefan Eisenbach, Bernhard Pospichal: Meteorological Events Affecting Cold-Air Pools in a Small Basin. In: Journal of Applied Meteorology and Climatology. Band 50, Nr. 11, 1. November 2011, ISSN 1558-8424, S. 2223–2234, doi:10.1175/2011JAMC2681.1 (ametsoc.org [abgerufen am 18. November 2020]).
  6. ↑ Simon Scherrer: Die grössten wetterbedingten Temperatursprünge im automatischen Messnetz der MeteoSchweiz. Hrsg.: Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie, MeteoSchweiz. Fachbericht MeteoSchweiz Nr. 248, 2014, ISSN 2296-0058 (admin.ch [PDF]).
  7. ↑ C. D. Whiteman; T. Haiden; B. Pospichal; S. Eisenbach; R. Steinacker: Minimum Temperatures, Diurnal Temperature Ranges, and Temperature Inversions in Limestone Sinkholes of Different Sizes and Shapes. In: American Meteorological Society (Hrsg.): Journal of Applied Meteorology and Climatology. Band 43, Nr. 8, August 2004, doi:10.1175/1520-0450(2004)043<1224:MTDTRA>2.0.CO;2 (ametsoc.org [abgerufen am 27. Oktober 2020]).
  8. ↑ Werner Vogel, Stefan Zaenker: Die Karstgebiete der Bayerischen Alpen - Übersicht, Gefährdung und erforderliche Schutzmaßnahmen. In: Jahrbuch des Vereins zum Schutz der Bergwelt. München 2008, S. 49–72 (vzsb.de [PDF]).
  9. ↑ Prof. Dr. Erich Mursch-Radlgruber: Unterlagen zur Vorlesung Stadt- und Geländeklimatologie. Hrsg.: Universität für Bodenkultur Wien. 2004.
  10. ↑ Ivo Trinajstić: Höhengürtel der Vegetation und die Vegetationsprofile im Velebit Gebirge. In: Ostalpin-Dinarische Gesellschaft für Vegetationskunde (Hrsg.): Mitteilungen der Ostalpin-Dinarischen pflanzensoziologischen Arbeitsgemeinschaft. Band 11, Juli 1970, S. 219–224 (zobodat.at [PDF]).
  11. ↑ Braun-Blanquet, J.,: Pflanzensoziologie : Grundzüge der Vegetationskunde. Dritte, Neubearbeitete und Wesentlich vermehrte Auflage. Vienna, ISBN 978-3-7091-8110-2.
  12. ↑ Wolfgang Punz, Helmuth Sieghardt, Rudolf Maier, Manfred Engenhart, Erhard Christian: Kaltlöcher im Ostalpenraum. In: Zoologisch-Botanische Gesellschaft in Österreich (Hrsg.): Verhandlungen der Zoologisch-Botanischen Gesellschaft in Österreich. Band 142. Wien 2005, S. 27–45 (zobodat.at [PDF]).
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