Ein Kaltluftsee ist eine Ansammlung von kalter Luft in einer Bodensenke und tritt häufig in Gebirgen auf. Kaltluftseen bilden sich vorwiegend Nachts, wenn die Erdoberfläche und damit die Luft direkt darüber abkühlt. An einem Berghang fließt diese Kaltluft nach unten und kann sich in Senken oder anderen Hindernissen aufstauen. Dort entsteht eine Temperaturinversion, wenn die kalte Luftschicht direkt unter eine warme fließt, ohne sich zu vermischen. Der Temperaturunterschied kann in Extremfällen 30 °C betragen. In einem Kaltluftsee können sich daher eng begrenzt Frost und Nebel bilden. Sie kommen oft in Karstlandschaften vorC. 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: J. Appl. Meteor. Band 43, 2004, S. 1224–1236. und treten vor allem während Hochdruckwetter im Herbst und Winter auf.
Aufgrund des lokal begrenzten Mikroklimas können sie von anderen Pflanzenarten besiedelt sein als die Umgebung. Sie sind deshalb für die Pflanzensoziologie relevant und können ein Mikrorefugium bieten. Kaltluftseen wurden seit dem ausgehenden 19. Jahrhundert zu Anschauungsobjekten der meteorologischen Inversionsbildung,M. Dorninger: Topografische und meteorologische Faktoren für extrem tiefe Temperaturminima in Kaltluftseen. In: Promet. Band 98, 2019, S. 43–58. sowie als Langzeit-Refugien wärmeempfindlicher biotischer Lebensgemeinschaften im Klimawandel geworden.T.S. Patsiou, E. Conti, S. Theodoridis, C.F. Randin: The contribution of cold-air pooling to the distribution of a rare and endemic plant of the Alps. In: Plant Ecology & Diversity. Band 10, Nr. 1, 2017, S. 29–42.S.Z. Dobrowski: A climatic basis for microrefugia: the influence of terrain on climate. In: Global Change Biology. Band 17, 2011, S. 1022–1035.D. Scherrer, C. Körner: Topographically controlled thermal-habitat differentiation buffers alpine plant diversity against climate warming. In: J Biogeogr. Band 38, 2011, S. 406–416.
Definition und Etymologie „Ein Kaltluftsee ist eine Ansammlung lokal gebildeter bodennaher Kaltluft in abgeschlossenen konkaven Geländeformen oder an Hindernissen infolge Kaltluftstaus“. Synonym werden auch die Begriffe Kältesee, Kälteinsel, Frostloch, Kaltluftpfütze oder Muldenfrost verwendet. Unterschieden werden Kaltluftseen von Kaltlöchern. Letztere Kaltluftaustritte werden unter anderen insbesondere hangabwärts an Blockhalden montaner und alpiner Standorte in wetterführenden Hohlraumsystemen (Windröhren) in Fest- und Lockergesteinen angetroffen.D. Schwindt (2013): Permafrost in ventilated talus slopes below the timberline: A multi-methodological study on the ground thermal regime and its impact on the temporal variability and spatial heterogeneity of permafrost at three sites in the Swiss Alps. PhD Thesis, Uni. WürzburgJ. L. Kozák (2015) Zwergwüchsige, subalpine Nadelwälder auf Permafrostlinsen unterhalb der Baumgrenze in den Schweizer Alpen: pflanzensoziologische Beschreibung, Abgrenzung und regionaler Vergleich der Vegetation und ihrer Vergesellschaftung. Master Theseis, TUM, Weihenstephan Grundsätzlich können jedoch prinzipiell Kaltlöcher auch in Kaltluftseen auftreten, sie sind dann aber nicht die Ursache der stabilen Kaltluftschichtung. In der Pflanzensoziologie werden alpine Pflanzenbestände in Kaltluftseen der Kalkalpen als Kalkschneeböden von denen der auf silikatischem Substrat vorkommenden Schneetälchen der Zentralalpen scharf getrennt.Thorsten Englisch: Multivariate Analysen zur Synsystematik und Standortsökologie der Schneebodenvegetation (Arabidetalia caeruleae) in den Nördlichen_Kalkalpen. In: Stapfia. 59, 1999 (researchgate.net [PDF])
Der Ausdruck Kaltluftsee oder Kältesee leitet sich von der Beobachtung ab, dass kalte Luft sich ähnlich wie Wasser verhält, das jeweils dem tiefsten Punkt zustrebt.Rudolf Geiger: Das Klima der Bodennahen Luftschicht: Ein Lehrbuch der Klimatologie. 4. Auflage. Friedrich Vieweg, Braunschweig 1961.Richard Pott, Joachim Hüppe: Spezielle Geobotanik: Pflanze – Klima – Boden. XIII, Springer, 2007, 330 S Man spricht deshalb von einem Fluss kalter Luft. Daher sind konkave Geländeformen bei Nacht stets Kälteinseln.Rudolf Geiger 1961: 182
Voraussetzungen und Prozesse mini|Während der Nacht bilden sich Kaltluftseen durch Zufluss von Kaltluft, die durch Bodenkontakt und Abstrahlung abgekühlt ist. Tagsüber zerfällt die Inversion zumeist. Bei kalten Temperaturen und Schneedecke können sich Inversionen in Kaltluftseen über mehrere Tage halten. mini|hochkant=1.2|Wesentliche Voraussetzung starker Fröste ist ein hoher sky-view factor (= geringe Horizontüberhöhung). Der sky-view factor ist definiert als Anteil des sichtbaren Himmels (Ω, graue Fläche) über einem bestimmten Beobachtungspunkt. Hier in einer zweidimensionalen Darstellung anhand eines Kältesees der Süd-Dinariden mini|hochkant=1.2|In der geschlossenen Depression des Funtensees werden die tiefsten Fröste Deutschlands gemessen. Ein relativ hoher sky view factor ist dafür unerlässlich, da er die Intensität der langwelligen nächtlichen Ausstrahlung maßgeblich bestimmt. Allgemein werden mikroklimatische Bedingungen der bodennahen Luftschicht weitestgehend durch das Relief der Bodenoberfläche bestimmt. Dabei spielt der Strahlungs- und Wärmeumsatz eine maßgebliche Rolle. Die Energiebilanz an der Grenzfläche vom Boden zur Atmosphäre bestimmt hier die Eigenschaften des Mikro- oder Standortklimas beziehungsweise der laminaren Grenzschicht. Die Bodenbedeckung hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Strahlungsbedingungen. Dominant ist das Vorhandensein einer Schneedecke. Daneben modifizieren unbewachsener Erdboden beziehungsweise die Vegetation die Strahlungsbedingungen und die thermischen Eigenschaften je nach Dichte, Struktur und Zusammensetzung der Pflanzendecke sowie Porenvolumen, Wärme- und Temperaturleitfähigkeit oder Feuchtigkeit und Wasserleitfähigkeit des Bodens.Richard Pott, Joachim Hüppe 2007, S. 65–89.
Die Ausbildung eines Kaltluftsees erfolgt in orographischen Senken, die sich durch Geologie, Geomorphologie und Klima in vielerlei Größen ausbilden können,Volkmar Konnert: Standortkarte Berchtesgaden. – Nationalparkverwaltung Berchtesgaden, Berchtesgaden, Forschungsbericht 49: Hier S. 7 2004, ISBN 3-922325-52-1. jedoch gehäuft in niveauvertiefenden geschlossenen Karstformen von Karstgebieten.Thorsten Englisch: Multivariate Analysen zur Synsystematik und Standortsökologie der Schneebodenvegetation (Arabidetalia caeruleae) in den Nördlichen Kalkalpen. Stapfia. Band 59, Linz 1999, Hier S. 134.
Die folgenden meteorologischen und topographischen Voraussetzungen begünstigen die Abstrahlung und führen in Kombination zu extrem tiefen Temperaturminima: Eine kalte Ausgangsluftmasse mit niedriger Luftfeuchtigkeit Windstille Wenig oder keine Bewölkung Frisch gefallener Neuschnee Eine geringe Horizontüberhöhung Große Höhenlage
Nimmt man die Stärke der ausgebildeten Temperaturinversion und somit auch die gemessenen Tiefsttemperaturen als Maß für die Potenz eines Kaltluftsees, so ist eine möglichst geringe Horizontüberhöhung (und somit ein hoher Sky-View-Faktor) die wichtigste topographische Voraussetzung. 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 14 m auf.
Grundsätzlich erfolgt die Abkühlung in einem Kaltluftsee im Gebirge sehr abrupt; in den ersten Stunden nach Sonnenuntergang fällt das Thermometer schlagartig. Im Flachland dauert die Abkühlung dagegen länger. Dabei sind Kaltluftseen bei Strahlungswetterlagen einem regelhaften täglichen Wechsel ausgesetzt: Während sich der Kaltluftsee in der Nacht füllt, löst er sich am Tage durch thermische Zirkulation wieder auf. Bei idealen Strahlungsbedingungen (wolkenarm, windstill) sinkt die Temperatur im Verlauf der ersten Nachthälfte bis zum Taupunkt ab und das überschüssige Wasser wird in Form von Tau oder Reif an der Oberfläche abgelagert. Bei erhöhtem Feuchtigkeitsangebot (Gewässer, vorangehende Anfeuchtung der Atmosphäre durch Niederschläge) kann sich auch Nebel oder Hochnebel ausbilden, dessen vertikale Erstreckung durch die Inversionsobergrenze limitiert wird.
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. Zudem strahlt er Wärme im langwelligen Spektrum ab und beschleunigt die Auskühlung. Die tiefste Temperatur tritt dann üblicherweise in der ersten windstillen und wolkenlosen Nacht nach dem Einfließen sehr kalter Luftmassen auf. Ist eine durchgehende Wolkendecke sowie Wind vorhanden, wird sich kein Kaltluftsee ausbilden.
Daneben konnte gezeigt werden, dass in alpinen Landschaften mit großem Dolinenreichtum Dolinen als Kaltluftsammelstellen auch begünstige Sammelbecken für rezenten Flugstaubeintrag sind.Lorraine Duffy 2011: Mikroreliefbedingte Raummuster von Böden, äolischen Substraten und Flugstäuben im Hochgebirgskarst der Nördlichen Kalkalpen (Reiteralpe, Berchtesgadener Alpen). Dissertation am Department für Geographie, LMU – München edoc.ub.uni-muenchen.de (PDF; 20 MB)
Typen mini|In der Doline Vega de Liordes in den Picos de Europa wurde am 7. Januar 2021 mit −35,8 °C die absolut tiefste gemessene Temperatur der Iberischen Halbinsel registriert Von meteorologischer Seite werden zwei Formen unterschieden:Neil P. Lareau, Erik Crosman, C. David Whiteman, John D. Horel, Sebastian W. Hoch, William O. J. Brown, and Thomas W. Horst: The Persistent Cold-Air Pool Study. In: Bulletin of the American Meteorological Society. Band 94, Nr. 1, 2013, S. 51–63. Kaltluftseen von kurzer Dauer – nächtliche Bildung und Zerstörung der Inversionsschicht am Tag Persistente Kaltluftseen – über mehrere Tage hinweg
Die kurzförmigen Erscheinungen von Kaltluftseen werden durch die Ausstrahlung dominiert und sind meist durch eine bodennahe Temperaturinversion bestimmt. Bei ihnen akkumuliert sich tief liegende Kaltluft über die Nacht, während sie tagsüber durch Hebung der konvektiven Grenzschicht aufgelöst wird.
Persistierende Kaltluftseen bilden sich unter komplexen atmosphärischen Bedingungen. Sie entstehen durch ineinandergreifende atmosphärische Prozesse. In größeren Ausmaßen modulieren differentielle Temperaturadvektionen und Senkung ihre Stärke und Dauer, während mesoskalige Luftbewegungen und radiative-, turbulente- und Wolkenbildungs-Prozesse ihre Entstehung beeinflussen.
Erscheinungsformen Kaltluftseen lassen sich im Gelände aufgrund bestimmter Erscheinungen unmittelbar beobachten. Reif, Raureif oder Schneedecken lassen die mikroklimatischen Veränderungen vom Boden die Hänge hinauf gut verfolgen.Rudolf Geiger 1961, S. 197. In schneearmen Wintern oder im Spätherbst ist Raureifbedeckung bei Kahlfrost in Mulden ein untrügliches Merkmal. Raureif kann an Stellen, die keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, auch mehrere Tage über andauern.