Teil 2

Das Gewitter

Wir benötigen ein Grundverständnis über Gewitter, bevor wird Tornados, Hagel und andere Phänomene, die von einem Gewitter erzeugt werden, verstehen können. Manchmal ist es nützlich, ein Gewitter als solides Objekt zu sehen, daß sich über den Himmel bewegt. In Wirklichkeit ist ein Gewitter ein Prozeß, der Feuchtigkeit und Wärme aus der Nähe der Erdoberfläche in die oberen Schichten der Atmosphäre transportiert. Die Nebenprodukte dieses Prozesses sind Wolken, Niederschlag und Wind.

Zu jedem Zeitpunkt gibt es nahezu 2000 aktive Gewitter auf der Erde. Die meisten davon sind Wohltäter, die Regen auf die Felder und in die Wasserspeicher bringen. Nur ein kleiner Anteil (weniger als 1 Prozent) von diesen Gewittern erreichen die Klasse von schweren Gewittern. Ein schweres Gewitter ist definiert als ein Gewitter, das Hagel von mindestens 2cm Durchmesser oder starke Abwinde von mindestens 80 km/h produziert. Ein noch kleinerer Anteil von diesen schweren Gewittern produziert Tornados. Folglich, auch wenn ein Gewitter theoretisch die Stufe zu einem schweren Gewitter erreichen kann, es tuen nur wenige.

In den USA haben die Peninsula von Florida und die südwestlichen Plains von Colorado die größte Gewitterhäufigkeit. Obwohl die meisten schweren Gewitter die USA in dem Gebiet von Texas bis Süd-Minnesota heimsuchen, ist es wichtig anzumerken, daß es keinen Ort in den USA gibt, der völlig sicher vor schweren Gewittern ist. Dies gilt um so mehr für Mitteleuropa.

Bedingungen für die Entwicklung von Gewittern

Alle Gewitter, egal ob schwer oder nicht, brauchen drei Bedingungen für ihre Entstehung. Die erste Bedingung ist Feuchtigkeit in den unteren und mittleren Schichten der Atmosphäre. Wenn Luft in dem Aufwind eines Gewitters aufsteigt, kondensiert die Luftfeuchtigkeit zu kleinen Wassertropfen, wodurch die Wolken und eventuell auch Niederschlag gebildet werden. Wenn die Feuchtigkeit kondensiert, wird Wärme an die Luft abgegeben. Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte, und steigt daher in der kalten Umbebung nach oben. Die zusätzliche Kondensationswärme bewirkt daher, daß die Luft kontinuierlich nach oben steigt.

Die zweite Voraussetzung ist Labilität. Wenn eine Luftmasse labil ist, wird Luft, die erst einmal nach oben gezwungen wird, kontinuierlich nach oben steigen. Eine labile Luftmasse besteht gewöhnlich aus relativ warmer und feuchter Luft nahe der Erdoberfläche und relativ kalter, trockener Luft in den mittleren und oberen Bereichen der Atmosphäre. Sobald die Luft aus der tiefen Luftschicht ersteinmal nach oben steigt, hat sie eine geringere Dichte als die umgebende Luft und steigt kontinuierlich weiter nach oben. Dieser Prozess wird noch durch die erwähnte Kondensationswäre unterstützt. Die Luft wird so lange nach oben steigen, bis sie kälter und dichter ist als die Umgebungsluft.

Die dritte Bedingung ist ein Hebungsprozeß an der Erdoberfläche. Hebung ist ein Mechanismus, der den Aufstieg der warmen, feuchten Luft in Gang setzt. Für die Hebung gibt es verschiedene Ursachen. Meist wird sie durch unterschiedliche Erhitzung verursacht. Wenn die Sonne die Erdoberfläche erhitzt, werden Teile der Oberfläche und der darüber liegenden Luftmasse stärker erhitzt als andere. Diese warmen Luftpakete sind weniger dicht als die Umgebungsluft und steigen auf. Wenn die Luft ausreichend labil und feucht ist, kann sich ein Gewitter entwickeln.

Die Ursache für die Hebung kann auch mechanischer Natur sein. Feuchte Luft, die entlang eines Berges strömt, kann die Höhe erreichen, wo sie eine geringere Dichte hat als ihre Umgebungsluft, so daß sich dort ein Gewitter entwickeln kann. Dieser Prozess ist an den östlichen Berghängen der Rocky Mountains während es Sommers häufig zu beobachten. Heranrückende Kaltfronten, Warmfronten, Abwindbereiche eines anderen Gewitters, Drylines und Seebriesen können ebenfalls die Hebung von feuchter, tiefliegender Luft zu einer Höhe bewirken, wo sie leichter als ihre Umgebungsluft ist.

Der Lebenszyklus eines Gewitters
Alle Gewitter, egal ob schwer oder nicht, durchlaufen einen Lebenszyklus der in drei Stufen unterteilt werden kann. Die Phase der Bildung, auch die Cumulusphase oder Phase der türmenden Cumulus genannt, wird durch Aufwinde charakterisiert. Wenn sich der Aufwind weiterentwickelt, wird Niederschlag in den oberen Teilen des Gewitters erzeugt, so daß ein Abwind in Gang kommt. Zu dieser Zeit kommt das Gewitter in das Reifestadium. Das Reifestadium wird durch die gleichzeitige Existenz von Auf- und Abwinden innerhalb des Gewitters gekennzeichnet. Wenn der Abwind und die regengekühlte Luft den Boden erreicht, fließt die gekühlte Luft entlang des Erdbodens aus dem Gewitter heraus und formt eine Böenfront. Gewöhnlich sind die Winde im Zusammenhang mit dieser Front nicht besonders stark, aber in Extremfällen kann ein Downburst einen sehr starken Wind hervorrufen. Eventuell wird starker Niederschlag erzeugt und das Gewitter wird dann von Abwinden dominiert. Am Boden bewegt sich die Böenlinie in großer Entfernung von dem Gewitter und schneidet den Aufwind des Gewitters ab. Damit beginnt die Endphase des Gewitters.
Auch wenn dieses Gewitter verschwindet, kann seine Böenfront die Entstehung von neuen Gewitterzellen bewirken, da die Böenfront warme, feuchte Luft anhebt.

Weitere Faktoren

Die drei oben aufgelistet Komponenten sind für die Entstehung von Gewittern erforderlich. Neue Forschungen haben ergeben, daß die Art des Gewitters (Mulitzelle, Superzelle, etc.) von der Entwicklungsumgebung des Gewitters (Wind, Feuchte,Labilität) abhänig ist.

Der Anteil von vertikaler Windscherung in der Umgebung des Gewitters ist ein kritischer Faktor für die Art des Gewitters. Vertikale Windscherung ist definiert als eine Änderung der Windrichtung oder Geschwindigkeit mit der Höhe. Wenn der Betrag der vertikalen Scherung gering ist (nur geringe Änderungen der Windgeschwindigkeit oder -richtung mit der Höhe), dann treten bevorzugt mehrzellige Gewitter mit jeweils kurzlebigen Aufwinden auf. Geringe vertikale Windscherung bewirkt einen schwächeren Aufwind im Gewitter. Da der Aufwind gering ist, drängt der Abwind von der regnerischen Abwindzone die Böenfront weit weg von dem Gewitter. Dadurch wird dem Gewitter die Quelle aus warmer, feuchter und labiler Luft entzogen, wodurch das Gewitter nur sehr kurzlebig ist. Gebildeter Niederschlag wird durch die Aufwindzone des Gewitters fallen und dadurch den Aufwind schnell zum Erliegen bringen. Das Bild links zeigt ein Gewitter in einer Umgebung mit wenig Scherung.

Wenn die vertikale Windscherung steigt, entstehen bevorzugt Gewitter mir langlebiger Aufwindzone. Starke vertikale Windscherung bewirkt einen stärkeren Aufwind im Gewitter. Die Böenfront kann sich nicht so weit vom Zentrum entfernen, so daß das Gewitter den Zugang zur feuchten, warmen Luft für eine wesentlich lägngere Zeit behält. Als Ergebnis wird der Aufwind länger bestehen bleiben, wenn eine vertikale Windscherung vorliegt. Das Bild rechts zeigt ein Gewitter, das sich in einer starken Windscherung entwickelt hat.
   

In enger Beziehung zu dem Konzept der vertikalen Windscherung steht die Drehung des Windes mit der Höhe in der unteren Schicht der Atmosphäre (bis etwa 1.6 km Höhe). Drehung meint hier eine Drehung des Windes im Uhrzeigersinn mit steigender Höhe. Bei der Gewitterbeobachtung kann man eine grobe Überpfüfung der Winddrehung vornehmen. Wenn es zwei Wolkenschichten in der unteren Atmosphäre gibt, schauen Sie genau auf die Richtung, in der sich die Wolken innerhalb der Schicht bewegen. Wenn sich die Zugrichtung der Wolken mit der Höhe im Uhrzeigersinn ändert, dann ist eine Winddrehung vorhanden.

Computersimulationen und Beobachtungsstudien zeigen, daß die Winddrehung in den unteren Luftschichten eine entscheidende Rolle für die Entstehung von Rotation im Gewitter hat. Wenn die Windgeschwindigkeit ausreichend stark ist ( gewöhnlich 50 km/h oder schneller) und eine Winddrehung vorhanden ist, entstehen horizontale "Rollen" in den tieferen Schichten der Atmosphäre. Diese horizontalen "Rollen" können dann durch den Aufwind der Gewitterzelle in vertikale Rotation aufgerichtet werden. Der Aufwind kann die vertikale Rotation auch in die Länge ziehen und dadurch die Geschwindigkeit der Rotation erhöhen. Wenn ersteinmal die vertikale Rotation in Gang gesetzt wurde, kann sich ein Mesozyklon entwickeln, der einen Tornado oder andere extreme Wettererscheinungen erzeugen kann.

Änderungen in der Luftfeuchtigkeit und Labilität können ebenfalls einen Einfluß auf Gewitter haben. Wenn der Anteil der Feuchtigkeit in der Atmsophäre gering ist (wie es häufig in den High Plains der Fall ist), tendiert das Gewitter dazu, eine Basis zu haben, die relativ hoch liegt. Aus diesen Gewittern fällt nur wenig Niederschlag, aber sie haben typischerweise einen starken Abwind. Wenn die Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre hoch ist, dann haben die Gewitter eine niedrige Wolkenbasis. Viel Niederschlag erreicht den Erdboden, begleitet von schwachen Abwinden. Eine Faustregel ist: Je höher die Wolkenbasis eines Gewitters, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit für einen trockenen Microburst. Je tiefer die Wolkenbasis, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit für starke Regenflälle, die Überschwemmungen verursachen können.

Der Betrag der Labilität spielt eine wichtige Rolle bei der Stärke von Auf- und Abwind eines Gewitters. Wenn die Labilität gering ist, dann werden die Auf- und Abwinde nicht so stark sein, um schwere Gewitter zu erzeugen. Wenn die Umgebung des Gewitters eine hohe Labilität hat, dann werden die Auf- und Abwinde stärker, und die Wahrscheinlichkeit für extreme Wettererscheinungen wird größer.

Eine weitere wichtige Rolle in der Entwicklungsumgebung eines Gewitters, wenn auch nicht so kritisch wie die zuvor genannten, ist das Vorhandensein einer Inversion in der mittleren Luftschicht. Eine Inversion in mittlerer Höhe ist eine dünne Schicht warmer Luft zwischen der feuchten Luft am Boden und der oberen trockenen Luftschicht. Wenn diese Inversion schwach oder gar nicht vorhanden ist, dann entwickeln sich die Gewitter gewöhnlich schon am Vormittag, bevor die Sonne das Land so stark erwärmen kann, daß die Luft drüber sehr stark labilisiert wird. In diesem Fall bilden sich einige Gewitter, die wenig organisiert und generell schwach sind. Wenn die Inversion in der mittleren Luftschicht sehr stark ist, dann werden sich gar keine Gewitter bilden. Die sehr warme Luftschicht in der Mitte wirkt wie ein Deckel, der das Aufsteigen über diese Grenze hinaus verhindert.

Eine Inversion, die eine moderate Stärke hat, bevorzugt die Entwicklung von starken Gewittern. Sie verhindert schwache Gewitter am Vormittag, so daß die Labilität nicht verbraucht wird. Wenn sich dann am Nachmittag oder spätem Nachmittag Gewitter bilden, können nur die stärksten Aufwinde den Deckel durchstoßen. Diese wenigen Gewitter können jetzt die ganze Labilität verbrauchen, ohne zu stark mit benachbarten Gewittern in Konkurrenz zu stehen, so daß sich daraus schwere Gewitter entwicklen können.