Gewitter

Wärmegewitter entstehen, wenn die Sonne den Untergrund im Laufe des Tages stark erwärmt. Dadurch erwärmt sich auch die Luft über dem Boden und beginnt aufzusteigen, da warme Luft leichter ist als kalte.
Das Aufsteigen warmer und Absinken kalter Luft (oder auch Flüssigkeit) nennt man Konvektion. In einem Experiment mit gefärbtem Wasser haben wir das hier mal sichtbar gemacht:

  Abb. 1 ¦ Konvektion  

Bildunterschrift Ein kleines Gefäß wird mit gefärbtem (Lebensmittelfarbe) heißem Wasser gefüllt, mit Alu-Folie und einem Gummiband verschlossen und dann in das große Glasgefäß gestellt. (Da das kleine Gefäß heißes Wasser enthält, kann man es unter Umständen nicht anfassen – wir behalfen uns mit einer Grillzange.)
Das große Gefäß wird anschließend mit kaltem Wasser gefüllt und in die Alu-Folie wird ein Loch gestochen. (Das kleine Gefäß muss aus einem Material sein, dass die Temperaturunterschiede aushält.) Das heiße farbige Wasser beginnt nun wegen seiner geringeren Dichte in dem kalten klaren Wasser aufzusteigen. Nach Abkühlung an der Oberfläche sinkt es wieder ab.
Noch ein Tipp: Ist das kleine Gefäß zu leicht, kann es aufschwimmen, sobald das große mit Wasser gefüllt wird. Um das zu verhindern, haben wir einen Stein in das kleine Gefäß gelegt. Diesen haben wir vorher zusammen mit dem Wasser erhitzt, was zusätzlich den Vorteil hat, dass das Wasser nach Hineinlegen des Steins nicht so schnell abkühlt und der Versuch länger beobachtet werden kann.)

Versuchsanleitung hier:
Klima und Wetter. Michael Allaby, Christian Verlag, München, 1996.Bildunterschrift Ende

Mit zunehmender Höhe kühlt die aufsteigende Luft sich ab, was dazu führt, dass sie weniger Wasser aufnehmen kann. Mit zunehmender Abkühlung der Luft kondensiert also Wasser aus und es bilden sich Wolken. Da beim Kondensieren der Tropfen Wärme frei wird, kühlt die Luft ab dem Einsetzen der Kondensation langsamer ab. Sie bleibt also weiterhin leichter als die Umgebungsluft und steigt weiter auf. So können sich die hoch hinaufreichenden Wolkentürme bilden, die charakteristisch für Gewitter sind und bis zur Stratosphäre (also bis in über 10 km Höhe) reichen können. Spätestens hier ist jedoch Schluss mit dem Aufsteigen. In der Stratosphäre nimmt die Temperatur mit der Höhe zu – und nicht ab wie in der Troposphäre. (Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Atmosphäre, in der sich das Wettergeschehen abspielt; sie reicht bis in 10–15 km Höhe.) An der Grenze zur Stratosphäre ist die Umgebungsluft also bald wärmer und leichter als die Luft der Gewitterwolke und verhindert deren weiteres Aufsteigen. Das führt zur Ausbildung des bekannten Ambosses, weil die Luft sich an der oberen Grenze der Troposphäre staut. Hier oben ist die Temperatur so niedrig, dass etliche der Wassertropfen zu Eiskörnern gefrieren. Das erkennt man an der faserigen Struktur des Ambosses. Die „Blumenkohlstrukturen“ bestehen aus Wassertropfen. Die Eiskörner wachsen rasch und sind irgendwann zu schwer, um weiter in den Aufwinden zu schweben. Das rasche Wachstum der Eiskörner hängt mit dem unterschiedlichen Dampfdruck von Wasser und Eis zusammen. Sie beginnen zu fallen – der Niederschlag setzt ein.

  Abb. 2 ¦ Gewitterwolke  

Bildunterschrift Bei dieser Gewitterwolke über der Ostsee hat der Wind den Amboss sehr lang gezogen. Es ist uns leider nicht gelungen, die Blitze auf das Foto zu bekommen. Immer wieder leuchtete die Wolke an verschiedenen Stellen auf, wenn sich Blitze innerhalb der Wolke entluden.Bildunterschrift Ende

Solange eine Gewitterwolke wächst, treten nur Aufwinde auf. Mit Einsetzen des Niederschlags kommt es auch zu Abwinden, da der Niederschlag kalte Luft mit nach unten transportiert. Wenn die Eiskörner schmelzen, sobald sie in wärmere Schichten kommen, verbrauchen sie Wärme, die Schmelzwärme, die sie der Umgebungsluft entnehmen. Diese kühlt ab, wird dadurch schwerer und fällt nach unten – was nichts anderes als einen Fallwind bedeutet.
Einen der Schmelzwärme vergleichbaren Effekt, die Verdampfungswärme – Wasser verbraucht beim Verdampfen nämlich ebenfalls Wärme – kann man eindrucksvoll zeigen, indem man Wasser in einer Streichholzschachtel über einer offenen Flamme kocht:

  Abb. 3 ¦ Streichholzschachtel als Kochtopf  

Bildunterschrift In einer Streichholzschachtel (Ecken mit Klebefilm abdichten!) kann man ohne Weiteres über einer offenen Flamme Wasser zum Kochen bringen: Da Wasser bei Erreichen von 100 °C verdampft und beim Verdampfen dem umgebenden Wasser die dazu nötige Wärme entzieht und abtransportiert, wird flüssiges Wasser nicht heißer als 100 °C. Damit wird aber auch die Streichholzschachtel nicht heißer und erreicht somit nicht die Temperatur, die Papier zum Entzünden braucht.
Trotzdem darf man das Experiment auf keinen Fall unbeaufsichtigt lassen – wenn zu viel Wasser verdampft ist, fängt die Streichholzschachtel nämlich doch an zu brennen! Deshalb steht die ganze Anordnung hier zur Sicherheit auch auf einem unbrennbaren Untergrund.

Versuchsanleitung hier:
Der Kinderbrockhaus Experimente – Den Naturwissenschaften auf der Spur. Joachim Hecker, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2005.Bildunterschrift Ende

Tornado

Besonders heftige Fallwinde („Downbursts“) können entstehen, wenn der Niederschlag durch eine trockene Schicht fällt, in der es zu starker Verdunstung kommt. Da die Verdunstung Wärme verbraucht, kühlt die Luft weiter ab und wird schwerer, die Abwärtsgeschwindigkeit wird dadurch erhöht.
Diese Fallwinde sind die heftigen Windböen, die man vor einem herannahenden Gewitter erlebt. Über der austretenden Kaltluft liegt die nach oben strömende Warmluft des Aufwindes. Beides zusammen bewirkt eine Rotationsbewegung der Luft, einen Wirbel also, dessen Rotationsachse sich bei fortschreitender Gewitterwolke in die Vertikale dreht. Reicht der Wirbel bis auf die Erdoberfläche, spricht man von einem Tornado. Dessen Gefährlichkeit kennt man aus Berichten über die Zerstörungen, die Tornados anrichten können. In ihnen herrschen nicht nur extrem hohe Windgeschwindigkeiten von bis zu 300 km/h, sondern auch ein sehr niedriger Luftdruck (bis hinab zu nur 2/3 des normalen Luftdruckes). Streicht ein Tornado über ein Gebäude, kann der Druckunterschied zwischen innen und außen eine Explosion des Hauses bewirken. Die Ausdehnung eines Tornados kann von wenigen Metern bis über 1 km betragen.

  Abb. 4a ¦ Gewitterwolke  

Bildunterschrift Auf- und Abwinde in einer Gewitterwolke. Die aneinander vorbeiströmenden Winde lassen einen Wirbel entstehen.Bildunterschrift Ende

  Abb. 4b ¦ Wirbelsturm  

Bildunterschrift Dieser Mini-Wirbelsturm ist kein Tornado, da er nicht bis an den Erdboden reicht.Bildunterschrift Ende

Frontgewitter entstehen im Gegensatz zu Wärmegewittern, wenn die Kaltfront eines Tiefdruckgebietes durchzieht. Die kalte Luft schiebt sich dabei unter die vorweg ziehende Warmluft und lässt diese aufsteigen. Auch dabei kommt es also zu hoch aufreichenden Konvektionen mit entsprechender Wolken- und Niederschlagsbildung. (Siehe hierzu unter: Atmosphärische Zirkulation.)

Hurrikan

Ein Hurrikan (in Indien auch Zyklon, in Ostasien Taifun genannt) ist etwas ganz anderes als ein Tornado. Hurrikans sind tropische Wirbelstürme – Hurrikan werden diese Wirbelstürme genannt, sobald sie die Stärke eines Orkans erreichen. Solche Wirbelstürme entstehen nur über ausgedehnten Wasserflächen, die tief genug und bis in einige zehn Meter hinab um die 27 °C warm sein müssen.
Das warme Ozeanwasser verdunstet, die Luft darüber ist deshalb warm und feucht und steigt nach oben. In der Höhe kommt es zu Wolkenbildung, da die Luft abkühlt und das in ihr enthaltene Wasser kondensiert. Die frei werdende Kondensationswärme sorgt dafür, dass der Aufstieg der warmem Luft durch die zusätzliche Erwärmung noch unterstützt wird. Der Aufstieg bewirkt einen Unterdruck am Boden, durch den Luft aus der Umgebung angesaugt wird. Oben fließt die aufgestiegene Luft auseinander und sinkt in großer Entfernung wieder ab. Zu einem Wirbel kommt es nun, da die Corioliskraft die radial zum Zentrum hin und von diesem weg gerichteten Winde auf Kreisbahnen ablenkt. Da dadurch ein rascher Druckausgleich verhindert wird, ist ein solcher Wirbelsturm sehr stabil und kann tagelang anhalten. Auch die Ausdehnung ist gewaltig – sie erreicht über 1000 km. Im Zentrum, dem Auge, herrscht nahezu Windstille, es misst in der Regel einige zehn Kilometer. Hier sinkt der Luftdruck stark ab, auf bis zu unter 900 hPa.
In der Wolkenwand, die das Auge direkt umgibt, herrschen die größten Windgeschwindigkeiten, bis zu 380 km/h. Davon zu unterscheiden ist die deutlich geringere Wandergeschwindigkeit des Hurrikans, von nur maximal etwa 30 km/h.
Neben der Windgeschwindigkeit bedeuten auch die großen Wassermengen in der Luft, die heftigste Niederschläge zur Folge haben, eine Gefahr. Darüber hinaus schiebt ein Hurrikan eine Flutwelle vor sich her. Auch Tornados können sich an der Grenze zum Auge bilden.
Über Land ist die Reibung zu groß, außerdem fehlt der Nachschub an warmer, feuchter Luft, deshalb schwächen sich tropische Wirbelstürme dort schnell ab. Da der Ozean relativ warm sein muss, damit Hurrikans entstehen können, treten sie vorzugsweise im Spätsommer, und zwar in den Streifen zwischen dem 5. und dem 25. Breitengrad nördlich und südlich des Äquators auf. Direkt am Äquator können sie sich nicht bilden, da hier die Corioliskraft nicht wirkt.