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Nebel / Hochnebel
Nebel, Hochnebel und Wolken unterscheiden sich physikalisch nicht voneinander. Alle bestehen aus kleinen Wassertröpfchen, welche in der Luft schweben. Teilweise sind sie auch gefroren. Die Sichtweite beträgt weniger als ein Kilometer.
Nebel liegt auf der Erdoberfläche auf. Das heisst, eine Person am Boden kann weniger als einen Kilometer weit sehen. Die vertikale Mächtigkeit liegt zwischen wenigen Metern und einigen hundert Metern.
Von Hochnebel wird gesprochen, wenn die Nebelschicht von der Erdoberfläche abgehoben ist. Eine Person am Boden kann also weiter als einen Kilometer sehen. Die Mächtigkeit der Hochnebelschicht beträgt in der Regel 100 - 500 Meter. Im Wetterbericht wird jeweils die Obergrenze der Nebelschicht angegeben.
Ab einer Obergrenze über ca. 2'000 m wird in der Regel von hochnebelartiger Bewölkung gesprochen und auf die Angabe einer Obergrenze wird verzichtet.
Dossier Nebel
- Warum liegt im Mittelland im Herbst und Winter häufig Nebel- oder Hochnebel?
- Wie wird die Obergrenze vorhergesagt?
- Warum ist die Nebelprognose so schwierig?
Es gibt diese und viel mehr Fragen zum Nebel. MeteoSchweiz-Meteorologen haben die Antworten und mehr zum phantastichen und teils farbenfrohen Phänomen in 10 Kapitel zusammengestellt. Ursprünglich ist das Dossier im Rahmen von MeteoSchweiz-Blogartikeln im Herbst 2015 publiziert worden.
Prinzipiell müssen vier Voraussetzungen zur Ausbildung von länger andauernden Nebel- oder Hochnebellagen gegeben sein:
- schwache Sonneneinstrahlung respektive tief stehende Sonne -> erfüllt im Zeitraum von Mitte Oktober bis zur ersten Februarhälfte
- wenig Wind in den unteren Luftschichten (Ausnahme Bise) -> erfüllt bei Hochdrucklagen
- wenig Bewölkung -> ebenfalls erfüllt bei Hochdrucklagen
- die feuchte Kaltluft muss sich in einem Becken (=“Badewanne“) sammeln können -> im Schweizer Mittelland speziell gut erfüllt
Somit ist klar: zähen Nebel oder Hochnebel werden wir nur während Hochdrucklagen in den Herbst- und Wintermonaten vorfinden. Bei stabilen Hochdrucklagen entsteht jeweils in den Nächten Kaltluft. Die schwere Kaltluft fliesst einerseits in Bodennähe langsam von den Alpentälern und vom Jura in Richtung Mittelland, andererseits bildet sich diese durch Ausstrahlung in klaren Nächten im Mittelland an Ort und Stelle.
Somit entsteht eine Temperaturumkehr- oder Inversionsschicht. Aufgrund der tief stehenden Sonne (es steht wenig Energie zur Verfügung) kann der entstandene Kaltluftsee tagsüber nicht vollständig abgebaut werden - die Temperaturen sinken dann im Mittelland in der Regel von Tag zu Tag etwas ab.
Da kalte Luft weniger Feuchte aufnehmen kann als warme, kommt es mit der Zeit zur Kondensation und damit zur Nebelbildung. Hat sich eine ausgeprägte Inversion ausgebildet, so ist die Schichtung der unteren Atmosphäre extrem stabil. Die Inversion kann dann nur noch mit stärkeren Winden, wie sie beim Durchgang von Störungen (vor allem Kaltfronten) auftreten, ausgeräumt werden.
Im Moment haben wir allerdings noch Glück: Ende Oktober ist die Sonne bei manchen Inversionslagen noch kräftig genug, um den Nebel- oder Hochnebel mindestens teilweise aufzulösen. Bei einer Obergrenze von etwa 900 Metern liegt die Auflösungswahrscheinlichkeit beispielsweise bei etwa 60 Prozent…
Die Nebelprognose gehört - trotz der hochentwickelten Werkzeuge und Methoden - zu den schwierigsten Kapiteln im Vorhersagedienst. Folgende Fragen soll der Meteorologe/die Meteorologin möglichst genau beantworten:
- In welchen Regionen bildet sich Nebel, wann löst er sich wieder auf?
- Löst er sich überhaupt auf?
- Handelt es sich um Nebel (Sicht < 1km) oder um Hochnebel?
- Wo ist die Nebelobergrenze?
Für die nebelgeplagten Unterländer ist die letzte Frage natürlich essentiell, deshalb versuchen wir heute dieses Thema etwas detaillierter beleuchten. In einer ersten Näherung kann man sagen, dass die Nebelobergrenze direkt von der grossräumigen Druckverteilung im Umkreis von rund 200 Kilometern und damit von den Strömungsverhältnissen in den unteren Luftschichten abhängig ist. Befindet sich das Hoch direkt über den Alpen oder ist die Druckverteilung flach, so pendelt sich die Obergrenze bei 800 bis 900 Metern ein.
Kommen hingegen südwestliche Winde auf (was allerdings oft mit dem Abbau des Hochs und einem nachfolgenden Frontdurchgang verbunden ist), sinkt die Obergrenze auf 500 bis 700 Meter ab:
Ganz anders ist die Situation bei einer Bisenströmung. Hier gilt: je stärker die Bise, umso höher steigt das Nebelgrau. Ist im Wetterbericht von einer Bisentendenz oder einer schwachen Bise die Rede, so liegt die Obergrenze meist im Bereich von 900 bis 1200 Metern. Bei mässiger Bise muss man oft schon über 1500 Meter „kraxeln“, zusätzlich dringt der Nebel dann auch immer weiter in die Voralpen und Alpentäler vor:
Diese Angaben sind lediglich als grobe Faustregeln zu verstehen. Für eine genaue Prognose der Nebelobergrenze und natürlich auch der Nebelauflösung muss der Meteorologe/die Meteorologin noch einige zusätzliche Details berücksichtigen. So beispielsweise den Luftmassenursprung, die Feuchtigkeit in den verschiedenen Luftschichten, die Veränderung von Windstärke- und Richtung sowie die Stärke der Inversion.
Trotzdem sind immer wieder Überraschungen möglich, und die Nebelobergrenze liegt höher oder tiefer als vorhergesagt. Deshalb lohnt es sich, am Morgen einer geplanten Unternehmung die aktuellen Webcambilder der verschiedenen Anbieter zu konsultieren. Sonst drohen schlimmstenfalls Orientierungsschwierigkeiten…:
Heute schauen wir uns die negativen Begleiterscheinungen von länger andauernden Inversionslagen an. Zunächst nochmals zurück zum Begriff Inversion: Das Wort stammt vom lateinischen „inversio“ und bedeutet „die Umkehrung“, ist also ein allgemeiner Begriff. In der Meteorologie wird damit meist eine Temperaturinversion beschrieben, also ein Umkehrung der normalen Temperaturverhältnisse.
Normalerweise erfolgt mit zunehmender Höhe eine Abnahme der Temperatur. Während einer Inversionslage nimmt hingegen die Temperatur in einer bestimmten Schicht der unteren Troposphäre zu:
Schlechte Luftqualität während Inversionslagen
Die oben beschriebene Inversionsschicht wirkt nun wie ein Deckel auf einem Kochtopf und verhindert den vertikalen Austausch der Luftmasse. Damit werden die Schadstoffe nicht mehr über ein grosses Luftvolumen verteilt (=verdünnt), sondern sie sammeln sich innerhalb eines meist nur wenige hundert Meter dicken Luftvolumens an.
Heikel sind vor allem Hochdrucklagen, bei denen die Inversion deutlich unter die 1000-Meter-Marke sinkt. Hält diese Wetterlage mehrere Wochen an, so kann die Belastung mit Schadstoffen (vor allem Feinstaub, PM10) ein extremes Mass annehmen. Interessant ist auch, dass vor allem bei Wetterlagen mit starken Inversionen und eher wenig Nebel oder Hochnebel die PM10-Konzententration auf hohe Werte steigen kann. Die Sonnenstrahlung löst dabei photochemische Prozesse aus, welche die Schadstoffbelastung zusätzlich erhöhen.
Anders als bei der sommerlichen Ozonproblematik beschränkt sich die Schadstoffbelastung auf die tiefen Lagen. Über der Inversion ist die Luft nicht nur trocken und mild, sondern auch sehr sauber.
Daten zur Luftqualität sind bei den kantonalen Umweltämtern verfügbar. MeteoSchweiz erstellt im Winterhalbjahr für einige Kantone Inversionsprognosen. Für die Zentral- und Ostschweiz sind diese Prognosen vom 1. November bis 31. März online auf www.ostluft.ch verfügbar.
Auch wenn die Nebelschicht der aktuellen Inversionswetterlage durchwegs positive Temperaturen aufweist, soll heute auf drei Phänomene eingegangen werden, die während hochwinterlichen Inversionslagen auftreten.
In den Monaten Wintermonaten herrschen in der Inversionsschicht meist negative Temperaturen, der Nebel ist also unterkühlt. Wenn die unterkühlten Wassertröpfchen im Nebel auf feste Gegenstände treffen (vor allem durch Windeinwirkung), gefrieren sie und bilden Raueis. Das Raueis (auch „Anraum“ genannt), wächst gegen den Wind, kann bizarre Strukturen bilden und ist relativ fest.
Häufig wird Raueis mit Raureif verwechselt. Raureif besteht jedoch aus zerbrechlichen Eisnadeln oder Eisschuppen und entsteht meist im Bereich der Nebelobergrenze oder am Nebelrand durch Abstrahlung bei deutlich negativen Temperaturen. Anders als bei der Bildung von Raueis entsteht Raureif durch Resublimation, das heisst der gasförmige Wasserdampf geht direkt in den festen Zustand über und lagert sich an Gegenständen ab:
In den Ballungsgebieten fällt die im Nebel vorhandene Feuchtigkeit manchmal in Form von Schnee (sogenannter Industrieschnee) vom Himmel. Dieses Phänomen kann während länger andauernden Inversionslagen in der Nähe von Industriebetrieben, welche grosse Mengen vom Wasserdampf emittieren, beobachtet werden (Kehrichtverbrennungsanlagen, Zellulose-, Papier- und Stahlfabriken).
Bei den Kernkraftwerken mit Kühltürmen (Gösgen und Leibstadt) hingegen, ist die ausgestossene Dampffahne in der Regel so warm, dass diese die Inversion durchstösst und in der trocken Luft verdunstet. Somit tritt hier kein Industrieschnee auf.
Damit Industrieschnee entsteht, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
- die Inversion sollte nicht höher als etwa 900m liegen (in vielen Fällen wurden 700 bis 900 Meter beobachtet)
- die Temperatur an der Untergrenze der Inversionsschicht muss bei mindestens -5 bis -12 Grad liegen
Mit diesen Zutaten lassen sich auf lokaler Ebene durchaus einige wenige Zentimeter Schnee produzieren, während über dem Nebelmeer auf den umliegenden Hügeln die Sonne von einem wolkenlosen Himmel scheint.
Nebel besteht aus kleinsten, in der Luft schwebenden Wassertröpfchen. Da sie das Licht gleichmässig streuen, erscheint Nebel weiss bis grau. Nebel ist vor allem ein Phänomen der kühlen Jahreszeit und dann bevorzugt eines der Tieflagen der Alpennordseite.
Ein typisches Beispiel aus dieser Region ist der Messstandort Zürich / Kloten. Hier zeigen sich die Herbstmonate als Spitzenreiter in Sachen Nebel. Im Oktober ist gar an jedem dritten Tag mit Nebel zu rechnen. In hochgelegenen Gebieten sowie auf der Alpensüdseite sind Tage mit Nebel weit seltener, in den Sommermonaten sogar äusserst selten:
Die Regionen auf der Alpennordseite in denen am häufigsten Nebel auftritt, kann man etwa wie folgt umschreiben:
- Mittelland der Aare entlang etwa von Biel ostwärts mit einem „Hotspot“ im Aargauer Wasserschloss
- Reusstal unterhalb von Luzern
- Wigger-, Suhre- und Wynatal, Region um dem Hallwiler und Baldeggersee, Freiamt
- Limmat- und Glattal
- Region um den Bodensee und entlang der Thur
Dies sind auch jene Regionen, die bei sehr tiefer Nebelobergrenze (beispielsweise 500 bis knapp 600 Meter) noch im Nebel stecken.
Die Nebelhäufigkeit hat in den letzten rund 30 Jahre abgenommen, dies gilt nicht nur für das Schweizer Mittelland sondern auch für die meisten anderen Regionen in Europa.
Der „Nebelstandort“ Zürich / Kloten hat in der Periode 1996–2015 während der Herbstmonate September bis November durchschnittlich 24 Tage mit Nebel verzeichnet. In den zwei Jahrzehnten 1971–1990 waren es noch durchschnittlich 30 Tage. Eine Linderung in der Nebelbelastung ist hier durchaus zu erkennen:
Dasselbe gilt im Übrigen auch für Tage mit schlechter Sicht: Hier zeigt eine Untersuchung an verschiedenen europäischen Flughäfen, dass Tage an denen die Sichtweite zwischen 0 und 8 km lag, in den vergangenen 30 Jahren ebenfalls weniger geworden sind.
Diese Abnahme ist auf die generelle Verbesserung der Luftqualität und insbesondere auf die Abnahme der Emissionen von Schwefeldioxid zurückzuführen.
„Wer die Natur liebt, der braucht das Beobachten ihrer Erscheinungen wie die Luft zum Atmen: Es ist ihm ein tiefes, angeborenes Bedürfnis. Sonnenschein und Regen, Wärme und Kälte sind ihm willkommene Gelegenheiten, hinzusehen - es macht Spass, ob es nun in der Stadt oder im Wald, am Strand oder auf dem Meer. Immer wieder ist er beeindruckt von neuen, interessanten Geschehnissen.“
Marcel Minnaert, 1937
Diesen Sätzen aus dem Vorwort zum Standardwerk „Licht und Farbe in der Natur“ vom holländischen Botaniker und Physiker Marcel Minnaert (1893-1970) ist eigentlich nicht viel hinzuzufügen. Ausser vielleicht ein paar Fotos mit Erklärungen und der Aufmunterung mit offenen Augen durch die Natur zu streifen, um die beschriebenen Phänomene selbst zu entdecken.
Die bekannteste Lichterscheinung am Himmel ist sicherlich der Regenbogen. Sie werden sich fragen, was dieser im Dossier über Nebel zu suchen hat. Eigentlich nichts - wenn er nicht einen nahen Verwandten mit dem Namen Nebelbogen oder weisser Regenbogen hätte…
Regenbögen entstehen durch Brechung und Reflektion des Lichtes an Regentropfen, deren Grösse bei normalem Regen zwischen 0.25 und etwa 3 mm liegt.
Doch zurück zum Nebelbogen. Dieser kann beobachtet werden, wenn man sich am Nebel- oder Wolkenrand befindet. Der Beobachter steht mit dem Rücken zur Sonne und schaut auf die Nebelwand neben oder unter sich. Häufig kann in diesen Fällen ein weisser Bogen beobachtet werden. Der Nebelbogen ist deutlich breiter als ein Regenbogen und schimmert aussen gelblich und am Innenrand bläulich, dazwischen ist er weiss. Nach einer etwas dunkleren Zone folgen auf der Innenseite in der Regel weitere ein oder zwei Bögen, hier handelt es sich um die Interferenzbögen. Die Entstehung ist ganz ähnlich wie bei Regenbögen:
Anhand der Farbe des Regen- bzw. Nebelbogens lässt sich direkt die Tröpfchengrösse bestimmen. Im Bild oben liegt diese bei rund 25 μm (0.025 mm) oder weniger. Sinkt die Tröpfchengrösse unter 5 μm (0.005 mm), so ist der Nebelbogen nicht mehr erkennbar. Das Phänomen Nebelbogen lässt sich allerdings nicht allein durch Brechung und Reflektion des Lichtes erklären, vielmehr muss die Wellennatur des Lichtes berücksichtigt werden. Unter den Stichworten „Beugung und Interferenz“ sind die physikalischen Grundlagen dazu in der Literatur oder im Internet auffindbar.
Die heute vorgestellte Lichterscheinung haben vermutlich schon einige von Ihnen gesehen, und zwar aus dem Flugzeug, aus einem Heissluftballon oder aus anderen Fluggeräten: Die Glorie. Sie besteht aus farbigen, meist kreisrunden Ringen um den Schatten, den das Flugzeug auf die Wolken- oder Nebelschicht wirft.
Glorien können aber auch vom Boden beobachtet werden. Insbesondere auf Hügeln oder Berggipfeln stehen die Chancen bei geeigneter Wetterlage dafür recht gut, und die Erscheinung kommt relativ häufig vor:
Der Beobachter muss nur mit dem Rücken zur Sonne stehen, gleichzeitig müssen die Sonnenstrahlen auf eine Nebel- oder Wolkenschicht vor oder unter dem Beobachter fallen.
Die theoretische Erklärung zur Entstehung von Glorien ist relativ komplex, lange wurde das Phänomen nicht vollständig verstanden. Grundsätzlich wird das einfallende Licht an den kleinen Nebeltröpfchen in alle Richtungen gestreut, ein Teil geht in Richtung Beobachter zurück und wird durch die Wellennatur des Lichtes gebeugt (physikalisch: Mie-Streuung, Beugung und Interferenz).
Nicht nur die farbigen Ringe sind eindrücklich. Insbesondere wenn sich der Beobachter nahe an der Nebelschicht befindet, erschrickt er manchmal über die Grösse und die Bewegungen des eigenen Schattens. Dieser wird nämlich von den Sonnenstrahlen auf die Nebelwand projiziert, kann ungewöhnlich gross werden und wird als Brockengespenst bezeichnet:
Der Name geht im Übrigen zurück auf den Brocken im Harz, den mit 1141 Metern höchsten Berg im Norden Deutschlands. Aufgrund der freistehenden Lage und der hohen Nebelhäufigkeit (über 300 Tage im Jahr), finden hier besonders häufig gespenstische Begegnungen statt…
Für das heute beschriebene Phänomen gibt es verschiedenen Namen: Schattenstrahlen, Strahlenbüschel, Nebelstrahlen, Wolkenstrahlen oder wissenschaftlich korrekt: crepuscular rays. Alle beschreiben denselben Effekt, den wahrscheinlich die meisten Leser dieses Beitrags schon einmal beobachtet haben.
Befinden wir uns in dichtem Nebel, wo die Sichtweite durchaus einmal unter 100 Meter sinken kann, so existiert weder Schatten noch direkte Sonnenstrahlung. Das Gelände ist diffus beleuchtet, Kontraste verschwinden und die Landschaft hat etwas Mystisches:
Sobald wir uns der Nebelobergrenze nähern, ändert sich die Situation schlagartig. Es wird sehr rasch heller, die Sonne wird zunächst als Scheibe sichtbar, schon rasch blendet sie uns aber. Dann ist der Zeitpunkt gekommen, um in der Nähe von Bäumen in Richtung Sonne zu schauen. Im Gegenlicht scheint die Sonne teilweise durch den Baum, teilweise wird sie durch Äste und Blätter abgeschattet.
An den von der Sonne beschienen Bereichen werden die Lichtbündel an den kleinen Nebeltröpfchen gestreut. Dadurch entsteht ein scheinwerferähnlicher Effekt, und man meint, die Sonnenstrahlen sehen zu können:
Steht der Beobachter zusätzlich im Schatten eines Baumstammes wo keine Sonnenstrahlen auf den Nebel treffen, so sind oberhalb der Baumkrone oft schöne Schattenwürfe zu sehen:
Nachdem wir uns in den letzten drei Tagen mit optischen Phänomenen beschäftigt haben, die an Nebeltröpfchen entstehen (Nebelbogen, Glorie, Brockengespenst, Nebelstrahlen), wenden wir uns heute - eigentlich völlig unpassend für die aktuellen Temperaturen - den Eiskristallen zu.
An sehr kalten Wintertagen mit einer Lufttemperatur unter -10 Grad, kann der in der Atmosphäre enthaltene Wasserdampf direkt vom gasförmigen in den festen Zustand übergehen. Diesen Vorgang nennt man Resublimation, und dabei bilden sich Eiskristalle in verschiedensten Formen. Je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit entstehen Eisnadeln, Dendriten (Schneesterne mit 6-eckiger Struktur) oder hexagonale Plättchen bzw. Säulen.
Dieser Prozess läuft üblicherweise in der oberen Troposphäre ab, wo während des ganzen Jahres Eiskristallwolken (Schleierwolken - Cirrus, Cirrostratus) vorkommen. Durch Brechung und Spiegelung des Sonnenlichts an den Eiskristallen können farbenprächtige oder auch weisse Bögen, Kreise oder Fragmente davon am Himmel entstehen.
Diese Erscheinung wird als Halo bezeichnet und tritt - in Abhängigkeit von den beteiligten Kristallstrukturen - in verschiedensten Formen und relativ häufig auf:
Wie eingangs erwähnt, können Eiskristalle und somit auch Halos an kalten Wintertagen am Nebelrand oder bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit auch in Bodennähe entstehen. Weil diese sogenannten Eisnebelhalos sehr nahe am Beobachter entstehen, werden sie als sehr eindrücklich wahrgenommen:
Die Namen und Beschreibungen zu den verschiedenen Halo-Arten sind auf der Webseite vom Arbeitskreis Meteore zu finden. Hier sind auch umfangreiche Informationen zu anderen optischen Erscheinungen in der Atmosphäre vorhanden.
Heute verlassen wir den Nebelrand, gehen etwas höher hinauf und blicken aus grösserer Entfernung auf das Nebelmeer hinab. Ein Nebelmeer ist alles andere als statisch, es ist ständig in Bewegung, wie Zeitrafferaufnahmen beweisen. Deswegen ist auch die Nebelobergrenze über einen Tag gesehen kaum je eine konstante Grösse. Dafür gibt es verschiedene Gründe:
- durch die Erwärmung steigt die Nebelobergrenze jeweils tagsüber tendenziell etwas an, nachts sinkt sie ab. Dieser Effekt ist in den Herbstmonaten ausgeprägter als im Winter.
- an den Übergangszonen vom Nebel in die nebelfreien Regionen entstehen Temperatur- und damit Druckunterschiede. Deshalb wird der Nebel tagsüber beispielsweise häufig in die anfangs nebelfreien Voralpentäler gesogen.
- ähnlich wie im „richtigen“ Meer, durchlaufen Wellen das Nebelmeer
- Änderungen in der Druckverteilung, sich ändernde Windverhältnisse an der Nebelobergrenze oder grössräumige Hebungseffekte haben einen starken Einfluss auf die Bewegungen des Nebelmeeres
Folgende Fotos illustrieren einige dieser Vorgänge: