Was ist Cape eigentlich wirklich, und wieso gibt es verschiedene Unterarten?

    In der allgemeinen „Chasersprache“ wird oft von Cape in Verbindung mit Gewittern gesprochen.
    Doch was bedeutet Cape überhaupt und wie entsteht sie?
    Im Folgenden möchte ich einmal die Bedeutung von Cape im synoptischen Sinn beschreiben.

    Der erste Fehler wird dabei schnell ersichtlich.
    Es ist immer von „dem“ Cape die Rede, wobei es richtig heißen müsse „die“ Cape.
    Denn ist Cape eine englische Abkürzung für Convective available potentielle Energy.
    Mit Englischkenntnissen kann der Laie bereits aus dem ausgeschriebenen Wort ableiten, womit wir es hier zu tun haben.
    So ist hier die potentiell für Konvektion verfügbare Energie eines Luftpaketes gemeint.

    Die Atmosphäre versucht ständig einen hydrostatischen Druck zu erreichen, was sich im Allgemeinen auf die Luftpakete so auswirkt, dass diese durch die Gravitation (Schwerebeschleunigung) eher zum Absinken gezwungen sind, bzw zum Ruhen.
    Bei der Betrachtung von Cape kommt es jedoch vor Allem in der mesoskaligen Betrachtungsweise ( 10-100km) auf einen nicht-hydrostatischen Prozess an, welcher vor Allem durch Feuchtekonvektion beschrieben ist.
    Hier herrscht ein Aufsteigen der Luftpakete.
    Von Bedeutung und damit bereits ein erster Faktor der Cape ist dabei die atmosphärische Schichtung.
    Diese gibt an, ob ein Luftpaket eher dazu neigen wird aufzusteigen, oder abzusinken.
    Die Schichtungseigenschaften für stabile und für labile Atmosphären lassen sich mit Hilfe von Feucht- und Trockenadiabaten leicht ableiten.

    So verhält sich eine Luftschicht ( auch Druckniveau ) trockenadiabatisch, wenn die Umgebungsluft um 1°C pro 100m abnimmt.
    Feuchtadiabatisch verhält sie sich, wenn die Temperatur um 0,6°C pro 100m abnimmt.
    Ein wichtiger Faktor der Labilitätsenergie ( Cape ) ist also, wie steil die Temperaturabnahmen einer atmosphärischen Schichtung sind.
    Bei einem Luftpaket, um welches es hier ja geht ist das Ganze etwas komplexer.

    So wird ein nicht gesättigtes Luftpaket vom Boden zunächst gehoben, wenn es wärmer, als die Umgebungsluft ist.
    Dieser Prozess lässt sich aufgrund der geringeren Dichte des warmen Paketes leicht nachvollziehen.
    Dabei nimmt die Temperatur des Paketes zunächst bei Blauthermik um 1°C pro 100m ab.
    Erreicht besagtes Luftpaket jedoch eine Sättigung, also eine Feuchte von 100% wird es auskondensieren, was wir in Form von Wolken am Himmel sehen.



    Ab diesem Punkt der Kondensation setzt das Paket Energie in Form von latenter Wärme frei.
    Nimmt die Temperatur der Umgebungsluft möglichst rasant an ist das Paket wärmer, als die Umgebungsluft und kann aufsteigen.
    Dieser Prozess der Freisetzung von Wärmeenergie wird als isobarer Prozess bezeichnet, da der Druck stets konstant bleibt.
    Das nun aufsteigende Paket wird in Folge der Wärmeenergie nur noch um 0,6°C/100m kälter, sodass sich ableiten lässt:
    Ist die mittlere Temperaturabnahme einer betreffenden Luftschicht größer, als 0,6°C wird das Paket ohne die Zufuhr zusätzlicher Hebung weiter austeigen, bei geringeren Temperaturabnahmen Absinken ( isentroper Prozess ).

    In diesem Beispiel gehen wir davon aus, die Schichtung ist ausreichend labil für den weiteren Aufstieg.
    Das Luftpaket wird solange aufsteigen, bis die Umgebungsluft wieder wärmer ist, als das betreffende Luftpaket.
    Erreicht wird dies oft nur am oberen Ende der Troposphäre kurz vor der sehr stabilen Tropopause.
    Der Weg, welcher vom Luftpaket zurückgelegt wurde, bzw der Betrag an Arbeit, den es verrichtet hat wird über Integralbildung als Cape bezeichnet.
    Dementsprechend ist die Höhe von Cape erheblich davon abhängig, wie steil die Temperaturabnahmen sind und wie viel potentielle Wärmeenergie in einem Luftpaket steckt.
    Letzteres ist vor Allem von der Feuchte abhängig.
    Als letzten Punkt, da es sich hierbei um eine im Integral berechnete Fläche handelt ist der Betrag von Cape auch wesentlich davon abhängig, wie hoch ein Paket ansteigen kann, bis rücktreibende Kräfte wirken.

    Aus diesen wichtigen Größen wird im Zusammenhang mit einer eher annäherungsweise möglichen Modellrechnung rasch erkenntlich, dass Cape ein sehr variabler und schwer zu berechnender Parameter ist.
    Deshalb wird Cape neben der im Modell angegebenen Menge gerne in Soundings ( Sondenaufstiegen ) ermittelt, da diese den realen Zustand der Atmosphäre darstellen.

    Es ist dabei völlig sinnvoll Cape aus verschiednen Schichten zu ermitteln, da ein Luftpaket aus verschiedenen Schichten bei stets unterschiedlicher potentieller Temperatur ( Temperatur + Feuchte ) entsprechend auch immer eine andere Hebungskurve einnehmen wird.

    An diesem Punkt kommen wir nun auch zu den verschiedenen Unterklassen der Cape:
    Die wichtigsten habe ich hier aufgelistet:

    • MLCape ( Mixed layer Cape ) gibt die potentielle Energie als Mittelwert aus allen Schichten an. Hierbei wird ein Mittelwert aus allen Luftpaketen, welche gehoben werden können genommen und somit die mittlere Potentielle Temperatur angegeben.
    • SBCape ( Surface based Cape ) Hierbei wird nur der Aufstieg von bodennahen Luftpaketen aus der Grundschicht heraus ( Surface based ) einbezogen.
    Dieser kann sich vor Allem nachts von einem aus der Grenzschicht gehobenen Paket massiv unterscheiden! Diese Unterart kommt oft bei rein thermisch induzierter Auslöse, z.B. aufsteigende Warmluft an heißen Tagen und Bildung von Quellwolken ohne Fronten etc. zum Einsatz. Außerdem sollte es bei rein inversionsfreien Schichtungen verwendet werden, da ohne Zugabe von Hebungs rasch ein rücktreibender Prozess einsetzt.
    • MUCape ( Most unstable Cape ) Hierbei wird die Cape des labilst möglichen Paketes angegeben. Man ermittelt also die verrichtbare Arbeit des potentiell energiereichsten Paketes der gesamten Atmosphäre. Diese Unterart kommt gerne bei frontogenetischer Hebung und Nachts, wo die Grundschicht stark ausgekühlt ist zum Einsatz.

    Im Beispiel des Soundings fangen wir mit der leichtesten Unterart an.
    SBCape im Sounding



    Bei einer von tageszeitlich bedingter diabatischer Erwärmung geprägten Grundschicht an einem warmen Tag entsteht bei ausreichend labiler Schichtung sehr leicht SBCape.
    Die überdiabatische Schichtung der Grundschicht ( Temperatur nimmt mehr als 1°C / 100m ab ), welche von der Strahlung selbst verursacht wird bietet einen leichten Antrieb für aufsteigende Pakete.
    Das SBCape ist hier grün dargestellt.
    Wie man erkennt ist der genaue Wert ( Entfernung der Hebungskurve von der Schichtungskurve ) in jeder Schicht anders ( Deshalb Integral ).
    Die gesamte Fläche approximiert ergibt den Betrag an SBCape – In diesem Fall etwa 750J/kg.

    SBCape im Sounding selber einzeichnen – nur wie ?

    Die SBCape unterscheidet sich bei tageszeitlicher Erwärmung meist nur gering vom vorgefertigten MLCape, kann jedoch bei besonders starker Strahlung im Extremfall markant abweichen!
    Hier eine kleine Anleitung zum Einzeichnen:

    Schritt 1:


    Man folgt ausgehend vom Bodentaupunkt der Linie gleichen Mischunsverhältnis parallel nach oben. (lila)
    Schritt 2:
    Ausgehend von der Bodentemperatur folgt man der Trockenadiabate ( grün )



    Der Schnittpunkt beider Linien wird als LCL ( Wolkenuntergrenze ) bezeichnet. Von diesem Punkt beginnt mit dem Auskondensieren des Paketes die Freisetzung latenter Wärme ( Paket kühlt sich nur um 0,6K / 100m ab ).
    Ab diesem Punkt ist der Aufstieg feuchtadiabatisch.
    Entsprechend folgt man den blauen Feuchtadiabaten für die Bestimmung der Hebungskurve.

    Die Hebungskurve, also diejenige Kurve, welche die Temperatur des Luftpaketes beschreibt wird rechts der Zustandskurve der Temperatur der Umgebungsluft liegen.
    Solange sie dies tut steigt das Paket weiter auf.
    Der Punkt, ab dem die Paketkurve die Temperaturkurve nach rechts verlässt wird LFC ( Level of free convection ) genannt, da es den Punkt beschreibt, ab dem keine dynamische Hebung mehr notwendig ist, um das Paket zum Aufsteigen zu zwingen.
    Erst am Punkt, wo Zustands- und Hebungskurve wieder zueinander finden endet der Aufstieg.
    Dieser Punkt wird EL ( Equilibrium Level ) genannt.
    Hier findet sich letztendlich auch das absolute Wolkentop.
    Häufig liegt dieser Bereich, wie eingangs erwähnt erst knapp unterhalb der Tropopause, welche je nach vertikaler Schichtdicke varriert.
    So liegt sie im Sommer meist zwischen 10 und 13km, im Winter teilweise bei 7-8km.
    Das ist auch der Grund, warum Sommerkonvektion oftmals hochreichender, jedoch nicht zwingend stärker ist!

    Die Differenz aus potentieller Temperatur des Paketes und die der Umgebungstemperatur bezeichnet Cape.
    Der Lifted Index gibt an, um wieviel Grad die Umgebungsluft im Mittel kälter ist, als das Paket.
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    Es ist nicht wichtig dem Leben mehr Jahre zu geben, sondern den Jahren mehr Leben zu geben.