Wie entstehen Gewitter?

Alle Jahre wieder, meist Anfang Mai, manchmal schon im April, ist es soweit: Die ersten grossen Gewitter türmen sich am Himmel über der Schweiz und ziehen übers Land. In dieser mehrteiligen Blogserie beleuchten wir das Thema Gewitter aus unterschiedlichen Perspektiven.

Gewitter sind ein fester Bestandteil unseres Klimas, spielen eine wichtige Rolle in der Wasserbilanz und üben einen grossen Einfluss auf unsere Natur und insgeheim wohl auch ein wenig auf unsere Kultur aus. Von den Einen sind sie heiss-geliebt, anderen wiederum bringen sie nur Ärger und materiellen oder finanziellen Schaden. Manche jagen ihnen mit Auto und Kamera stunden- und nächtelang hinterher, andere machen einen weiten Bogen um sie herum, wie beispielsweise die Piloten.

Für die Meteorologen bringen sie oft Freude und Frust zugleich: Gewitter sind nicht nur visuell  eindrückliche Naturerscheinungen, auch auf den Bildschirmen bzw. in den meteorologischen Daten beeindrucken ihre vielfältigen Gestalten und ihre Dynamik. Gewittervorhersagen scheitern manchmal schon nach wenigen Stunden, trotz Einsatz modernster Technik. Die kleinräumigen Phänomene verlangen eigentlich nach einer hohen raum-zeitlichen Präzision der Vorhersage, aber genau hier stösst die Meteorologie an ihre Grenzen und muss sich auf stark generalisierte, für den Anwender oft unbefriedigende Aussagen beschränken.

In dieser mehrteiligen Blogserie beleuchten wir das Thema Gewitter aus unterschiedlichen Perspektiven.

Blitz-Impressionen

Definitionen

Physikalisch unterscheiden sich Gewitter von anderen Wolken durch das Auftreten von Blitz und Donner. Ist nur aus grosser Ferne das Flackern der Blitze in einer Wolke sichtbar, wird die Erscheinung Wetterleuchten genannt. Sobald die Gewitterwolke genügend nahe ist und der Donner hörbar wird, spricht man vom Standpunkt der Wetterbeobachtung aus gesehen von einem Gewitter.

Blitz...

Der Blitz als charakteristische Erscheinung eines Gewitters entsteht als Folge von komplexen Prozessen, die auf verschiedenen Raumskalen ablaufen: Turbulente Strömungen in der Wolke bewirken Kollisionen von Graupel-, Hagel-, Eis- und Wasserteilchen untereinander. Bei diesen Zusammenstössen erfolgt mikrophysikalisch eine Separation von elektrisch geladenen Teilchen nach bestimmten Mustern, welche bis heute noch nicht vollständig verstanden sind. Die unterschiedlich schweren, geladenen Teilchen werden in verschiedene Bereiche der Wolke verfrachtet, wo sich die positiven und negativen Ladungsträger bevorzugt anreichern. Die gesamte Wolke wird so zu einem Gebilde mit zwei oder mehreren Polen, welche ein elektrisches Spannungsfeld bilden. Die Luft zwischen den geladenen Teilchen wirkt zu Beginn als effizienter Isolator. Wird die Potentialdifferenz zwischen den Polen allerdings zu gross erfolgt ein regelrechter „Kurzschluss“ in Form von mehrfachen, stossartigen Bewegungen der Ladungen, mit welchen die Spannung abgebaut wird – der Blitz.

Bild 2: Vereinfachtes Schema einer Gewitterwolke, in welcher sich an verschiedenen Orten geladene Teilchen anhäufen. Anzahl und Anordnung der Ladungen variieren in der Realität stark von Fall zu Fall.
Die Separation der Ladungsträger erfolgt unter anderem durch Kollisionen zwischen Graupel- und Eisteilchen, wobei je nach Temperaturregime das eine oder andere Teilchen mit positiver bzw. negativer Ladung aus der Kollision hinausgeht. Ihrem Gewicht entsprechend werden die Teilchen anschliessend durch die Strömungen in verschiedene Bereiche der Wolke transportiert, wo sich positive oder negative Ladung bis zum Blitzschlag anreichert.
Weiter sind die verschiedenen Blitztypen (Wolke-intern, Wolke-Boden und Boden-Wolke) und ihre relativen Häufigkeiten angedeutet.
Quelle: Dale Ward, University of Arizona
http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo336/lectures/sec2/lightning.html

und Donner

Donner entsteht durch die explosionsartig rasche Erhitzung der Luft auf tausende bis zehntausende Celsiusgrade im „Blitzkanal“. Die dabei erzeugte Druckwelle äussert sich in unmittelbarer Gewitternähe als lauter Knall. Sie breitet sich ungefähr mit der Schallgeschwindigkeit von etwa 340 Meter pro Sekunde radial vom Ort des Blitzschlages aus, schwächt sich dabei ab und bildet mit zunehmender Distanz ein mehr grummelndes, rollendes oder mahlendes Geräusch – der Donner.

Wie entstehen Gewitter?

Aus der stark vereinfachten Erklärung der Blitzentstehung lassen sich die Zutaten herleiten, die es zur Bildung einer Gewitterwolke braucht:

  • Feuchtigkeit als Grundlage zur Entstehung von Wolkenteilchen,
  • (potentielle) Instabilität, um hinreichend starke (vertikale) Luftbewegungen zu ermöglichen, und
  • ein Hebungsmechanismus, um die Entstehung einer Gewitterwolke einzuleiten.

Die Meteorologen nennen diesen Hebungsmechanismus auch den „Trigger“ als Analogie zur Funktionsweise einer Pistole. Tatsächlich ist auch die Troposphäre (Boden bis 11-17 km Höhe) an Gewittertagen oft „geladen“ indem sich in den bodennahen Luftschichten grosse Mengen an Wasserdampf anreichert. Die sich thermisch formierenden Quellwolken werden normalerweise durch eine Temperaturinversion am vertikalen Wachstum in die mittleren und höheren Stockwerke der Troposphäre (>4 km) gehindert. Es bedarf eines zusätzlichen Mechanismus, der Abzug oder eben der Trigger an der Pistole, um die zusätzlich nötige Energie zuzuführen, um die Sperrschicht zu überwinden und in die höheren Luftschichten hineinzuwachsen und die typischen Dimensionen und optischen Merkmale eines Gewitters auszubilden.

Bild 3: Schematische Darstellung zweier Gewitter-auslösender Prozessketten am Beispiel eines Jura-Mittelland-Alpen Querschnitts.
Links produziert ein bereits aktives Gewitter Kaltluft, welche sich bodennah seitwärts ausbreitet und stirnseitig die Warmluft anhebt. Durch diesen zusätzlichen „Schub“ schaffen es anfänglich flache Quellwolken eine vorhandene Inversion zu durchstossen und zu einer Sekundärzelle anzuwachsen.
In der rechten Bildhälfte die rein orographische Auslösung: Thermisch induzierte Hangauf- und Talwindsysteme pumpen Luft über dem Gebirgskörper in die Höhe. Die stetig aufquellende Luft erodiert mit der Zeit die Inversion, so dass im Verlauf des Nachmittags die Gewittertürme buchstäblich in den Himmel schiessen, wie die Pilze aus dem Boden.

Gewitterauslöser - Trigger

In der Schweiz fungieren mehrheitlich die Berge als Trigger. Mit ihren Hangauf- und Talwindsystemen induzieren sie über den Kuppen, Kreten und Gipfeln ein verstärktes Zusammenfliessen der Luft. Sind bereits Niederschlagsprozesse im Gange übernimmt in einer zweiten Phase oft die sich ausbreitende Kaltluft die Rolle des Triggers: Sie schiebt sich unter die davor lagernde Warmluft und hebt diese aktiv an. Ähnliche Hebungsprozesse induzieren in grossem Massstab Fronten oder Vorgänge in der oberen Troposphäre, seltener und hierzulande in kleinerem Massstab aber auch die See-Landwindsysteme der grösseren Gewässer.

Diese Zutaten und Vorgänge sind an Gewittertagen unterschiedlich stark ausgeprägt in Raum und Zeit und beeinflussen einander gegenseitig. Für die Meteorologen wie auch für numerische Wettermodelle ist es eine grosse Herausforderung, all diese Faktoren richtig zu gewichten und somit eine präzise Prognose der Gewitterentwicklung zu erstellen. Oft sind nur vage Aussagen auf regionalem Massstab und auf kurze Frist von wenigen Stunden bis Tagen möglich.

Weiterführende Links

Slow Motion Blitz-Aufnahmen

Wetterleuchten aus einer anderen Perspektive: An Bord des neuen Wettersatelliten GOES-16 der US-Amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA fliegt eine Kamera mit, welche das Aufleuchten jedes einzelnen Blitzes erfasst und so Informationen über die Blitzaktivität, und damit die Intensität eines Gewitters liefert. Der Satellit und seine Instrumente befinden sich derzeit in der Test- und Kalibrierungsphase. Die nächste Generation Europäischer Wettersatelliten wird ab 2019 mit einem analogen Instrument ausgerüstet sein.
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