Luftmassengewitter

Blitz

Blitz

Gewitterwolke eines kräftigen Hagelgewitters am Bodensee

Blitz am Nachthimmel

Ein Gewitter ist eine mit luftelektrischen Entladungen (Blitz und Donner) verbundene komplexe meteorologische Erscheinung. Auf der Erde finden ständig etwa 2000 Gewitter statt.

Gewitter werden in der Regel von kräftigen wolkenbruchartigen Regen- oder Hagelschauern begleitet. Vor einer Gewitterfront wehen böige Winde mit bis zu Sturmstärke. Seltenere Begleiterscheinungen sind Tornados und Downbursts. Starke Gewitter können auch als Unwetter bezeichnet werden. Sommergewitter treten wesentlich häufiger auf als Wintergewitter, bei denen auch kräftige Schneeschauer auftreten können.

Durch aufsteigende feuchtwarme Luftmassen baut sich eine große Gewitterwolke (auch Cumulonimbus genannt) in der höheren kälteren Atmosphäre auf. Solche aufsteigenden Luftströmungen bilden sich, wenn in einem begrenzten Gebiet eine höhere Temperatur als in der näheren Umgebung erreicht wird (z. B. in Folge der Sonneneinstrahlung oder unterschiedlicher Wärmeabgabe des Untergrundes, wie bei Wasserflächen, Feldern und Waldgebieten oder Wärmefreisetzung durch Kondensation).

Entstehung von Gewittern

Für die Entstehung von Gewitter werden 3 Faktoren benötigt:

• Instabile Schichtung der Atmosphäre (ausreichende Temperaturabnahme mit der Höhe)
• Feuchte in der bodennahen Luftschicht
• Hebung, welche zur Auslösung des Gewitters führt

Entstehungsbedingungen

Gewitter über dem Meer, Garajau, Madeira

Ein Blitz innerhalb der Wolken

Extreme Lichtverhältnisse vor einem Gewitter

Gewitter können entstehen, wenn eine hinreichend große vertikale Temperaturabnahme vorhanden ist, d. h. wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe so stark abnimmt, dass ein Luftpaket durch Kondensation instabil wird und aufsteigt (bedingt labile Schichtung). Dafür muss die Temperatur pro 100 Höhenmeter um mehr als 0,65 °C abnehmen. Ein aufsteigendes auskondensiertes Luftpaket kühlt sich beim Aufstieg um ca. 0,65 °C/100 m (feuchtadiabatischer Aufstieg) ab. Durch die freiwerdende Kondensationswärme kühlt es dabei jedoch weniger schnell als die umgebende Luft ab. Dadurch wird es wärmer und damit aufgrund der Dichteabnahme leichter als die Umgebungsluft; ein Auftrieb wird erzeugt. Aus diesem Grund ist für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe notwendig, die über die latente Wärme den Energielieferanten für die Feuchtekonvektion darstellt und somit die Gewitterbildung überhaupt erst ermöglicht. Die latente Wärme ist die im Wasserdampf verborgene Energie, die bei der Kondensation in Form von Wärme freigesetzt wird.

Sind die Grundbedingungen (geeignete Temperaturschichtung und Feuchte in Bodennähe) für ein Gewitter erfüllt, muss nicht zwangsläufig eines entstehen. Erst die Hebung der feucht-warmen Luftschicht am Boden löst ein Gewitter aus. Dafür sind Faktoren wie Wind- und Luftdruckverhältnisse, die Topographie, sowie die Luftschichtung relevant. Da einige dieser Faktoren durch Vorhersagemodelle schwierig vorauszuberechnen sind und von Ort zu Ort stark variieren, ist die Vorhersage von Gewittern außerordentlich schwierig.

Entstehungsprozess einer Gewitterzelle

Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst trockenadiabatisch (1,0 °C/100 m) ab, bis seine Temperatur die Taupunkttemperatur erreicht. Ab dieser Temperatur beginnt der im Luftpaket enthaltene Wasserdampf zu kondensieren und es bildet sich eine Quellwolke, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu einer Gewitterwolke, einem so genannten Cumulonimbus (kurz: Cb) anwachsen kann. Bei dem Kondensationsvorgang wird im Wasserdampf "verborgene" Energie in Form von Wärme (latente Wärme) freigesetzt. Dadurch wird die Dichte des Luftpakets relativ zur Umgebung reduziert und es erhält zusätzlichen Auftrieb, da der Temperaturunterschied zur Umgebungsluft zunimmt. Liegt eine sog. bedingt labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket ungehindert bis in eine Höhe auf, wo die Temperaturdifferenz pro Höhe (Temperaturgradient) wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperatur- und Dichteunterschied im Vergleich zur Umgebungsluft wieder. Ist die Temperatur bzw. Dichte des Luftpakets schließlich gleich der Temperatur bzw. Dichte der Umgebungsluft, verschwindet die Auftriebskraft und die aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau (Equilibrium Level) genannt. Meistens befindet es sich in der Nähe der Tropopause. Diese liegt in Mitteleuropa zwischen 8 km Höhe im Winter und 12 km Höhe im Sommer. In den Tropen liegt die Tropopause auf ca. 16 km Höhe. Deswegen werden die Gewitter in den Tropen wesentlich höher als in unseren Breiten.

Die Bewegungsenergie, die ein Luftpaket bei seinem Aufstieg erhält, wird auch als Labilitätsenergie bezeichnet. Je größer die Labilitätsenergie, desto höher ist die maximale Aufwindgeschwindigkeit in der Gewitterwolke. Die Intensität von Gewittern hängt eng mit der vorhandenen Labilitätsenergie zusammen. Aufgrund ihrer Trägheit können die Luftpakete ähnlich einem Springbrunnen über das Gleichgewichtsniveau hinausschießen (konvektives Überschießen), und zwar umso höher, je größer die Labilitätsenergie und damit die Geschwindigkeit des Aufwindes ist. Auf diese Weise können solche overshooting tops Höhen von über 20 km erreichen.

Niederschlagsbildung

In der Gewitterwolke herrschen starke Aufwinde, die unter Umständen verhindern, dass kleinere Regentropfen aus der Wolke nach unten fallen. Die Regentropfen und Eiskörnchen werden dann immer wieder nach oben getragen, wo sie gefrieren und sich neues Eis anlagert. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis die Eiskörner so schwer geworden sind, dass sie von den Aufwinden nicht mehr gehalten werden können. Dann fallen entweder sehr dicke, kalte Regentropfen, Graupel oder sogar Hagelkörner aus der Gewitterwolke auf die Erde. Je stärker die Aufwinde in der Gewitterwolke sind, desto größer können die Hagelkörner werden. Bei sehr großtropfigem konvektivem Niederschlag (Platzregen) handelt es sich in der warmen Jahreszeit oder in den Tropen meistens um aufgeschmolzene Hagelkörner.

Blitzbildung

Der Blitz entsteht aufgrund der hohen Vertikalwindgeschwindigkeiten, die nur innerhalb von Gewitterwolken auftreten können. Eine weitere Bedingung für die Entstehung von Blitzen sind Eiskristalle innerhalb der Gewitterwolke. Eiskristalle transportieren aufgrund ihrer Größe unterschiedliche Ladungen und führen an den Grenzflächen zwischen Auf- und Abwinden zur weiteren Ladungstrennung. Die Blitzentladung sorgt schließlich für einen Abbau der aufgebauten elektrischen Spannung.

Arten von Gewitterzellen

Ambossförmige Gewitterzelle

Eine Gewitterzelle ist die kleinste abgeschlossene Einheit, aus der ein Gewitter aufgebaut sein kann. Sie durchläuft immer drei Stadien, ein Wachstumsstadium, ein Reifestadium und ein Zerfallsstadium. Eine Gewitterzelle ist aus einer Cumulonimbuswolke aufgebaut, in der Auf- und Abwinde auftreten. Häufig schließen sich mehrere Gewitterzellen zusammen und bilden größere zusammenhängende Einheiten von Gewittern.

Einzelzellengewitter

Bei der Einzelzelle handelt es sich um eine einzelne Gewitterzelle. Es ist die kleinstmögliche abgeschlossene Form, in der ein Gewitter auftreten kann. Ihre Lebensdauer beträgt zwischen 30 Minuten und einer Stunde. Sie entsteht bei schwacher Windscherung, das heißt, wenn der Wind mit der Höhe nur unwesentlich zunimmt. Meistens verursachen Einzelzellen relativ schwache Gewitter.

Lebenszyklus einer Gewitterzelle

Die Einzelzelle durchläuft drei Stadien:

• Wachstumsstadium: In dieser Phase existiert nur ein Aufwind. Dieser wird durch die Freisetzung von Labilitätsenergie erzeugt. Zuerst bildet sich ein Cumulus congestus. Wenn die Wolke in den oberen Teilen vereist, entsteht ein Cumulonimbus, die eigentliche Gewitterwolke. Noch sind keine Abwinde vorhanden und es fällt kein Niederschlag aus der Wolke. Es können aber in seltenen Fällen schwache Tornados auftreten.

• Reifestadium: In dieser Phase existieren sowohl Aufwinde als auch Abwinde. Der Abwind bildet sich durch fallenden Niederschlag, der kalte Luft aus höheren Schichten nach unten transportiert. Aufgrund schwacher Windscherung kann sich Auf- und Abwind nicht voneinander trennen. Der Niederschlag fällt auch in den Aufwind zurück und schwächt diesen damit ab. Am Boden setzt Niederschlag in Form von Regen, Graupel oder kleinem Hagel ein. Anfangs können auch noch schwache Tornados auftreten. Meistens ist die Niederschlagsintensität zu Beginn der Reifephase am höchsten. Am Boden treten vereinzelt Böen auf. Fast alle Blitze treten während dieser Phase auf.

• Zerfalls- oder Auflösungsstadium: In dieser Phase existiert nur noch ein Abwind. Die Zelle regnet aus. Die Cumulonimbuswolke löst sich auf. Der vereiste Wolkenschirm (Cirrus oder Cirrostratus cumulonimbogenitus) kann aber noch über längere Zeit bestehen bleiben.

Impulsgewitter

Eine Sonderform der Einzelzelle ist das Impulsgewitter. Es tritt auf, wenn relativ viel Labilitätsenergie vorhanden ist, aber trotzdem sehr geringe Windscherung vorherrscht. Das Impulsgewitter ist kräftiger als eine gewöhnliche Einzelzelle und kann schwache Tornados, Downbursts (kräftige Fallböen, die am Boden Orkanwinde auslösen können) und Hagel verursachen.

Isolierte Einzelzellen sind selten. Meistens treten mehrere Gewitterzellen nebeneinander auf, so genannte Multizellengewitter.

Multizellengewitter

Eine Multizelle besteht aus mehreren einzelnen Gewitterzellen, die relativ nahe beieinander liegen und miteinander interagieren. Die Zellen können sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Bei der Multizelle lässt der Abwind einer Gewitterzelle eine neue Zelle entstehen. Obwohl die Lebensdauer einer Zelle innerhalb des Komplexes nicht höher ist als die einer isolierten Einzelzelle, kann das ganze System insgesamt wesentlich länger als eine Stunde existieren. Die Gewitterzellen treten entweder in Gruppen (so genannten Multizellen-Clustern) auf oder ordnen sich entlang einer Multizellen-Linie an.

Multizellen-Linie

Die Gewitterzellen können sich linienförmig anordnen. Diese Gewitterlinien können mehrere 100 km lang werden. Man bezeichnet sie auch als Böenlinien (engl. squall lines), da an der Vorderseite von diesen häufig kräftige Sturmwinde auftreten. Diese Böenfront sorgt dafür, dass ständig neue Gewitterzellen entstehen, welche die alten ersetzen. Dieses geschieht, indem sich die kühlere und schwerere Luft, die unter den Gewittern entsteht, vor die Gewitterlinie schiebt. Dort wird die feucht-warme und somit energiereiche Luftmasse angehoben, wodurch eine neue Zelle entsteht. Dieser Prozess hält solange an, wie die Luft an der Vorderseite instabil geschichtet und ausreichend feucht ist.

Bei einem Derecho handelt es sich um eine lang gezogene, ungewöhnlich rasch ziehende Gewitterlinie, die verbreitet starke Sturmwinde (Downbursts) verursacht. Um der Definition eines Derechos gerecht zu werden, muss sie auf mindestens 450 km Länge wirksam sein und dabei immer wieder schwere Sturmböen über 93 km/h hervorbringen.

Multizellen-Cluster

Die Gewitterzellen können sich zu so genannten Clustern gruppieren, die als ganzes gesehen eine längere Lebensdauer aufweisen. Cluster sind runde oder ovale Punktwolken, wobei hier mit Punkt eine Einzelzelle gemeint ist.

• Mesoskaliges konvektives System (MCS)

Ein MCS ist ein Komplex aus mehreren Gewitterzellen, der sich auf einer größeren Skala organisiert als eine einzelne Gewitterzelle. Ein MCS hat eine Lebensdauer von mehreren Stunden. Der MCS kann von oben gesehen eine runde oder ovale Form annehmen. Er kann auch innerhalb von tropischen Zyklonen, Gewitterlinien und MCCs auftreten.

• Mesoskaliger konvektiver Komplex (MCC)

Ein MCC ist ein großer MCS, der normalerweise eine runde oder leicht ovale Form aufweist. Er erreicht seine größte Intensität gewöhnlich während der Nacht. Ein MCC wird definiert über die Größe, die Lebensdauer und die Exzentrizität (auch Rundheit), basierend auf dem Wolkenschirm, der auf dem Satellitenbild beobachtet werden kann.

Definition eines MCC

• Größe: Die Temperatur der Wolkenoberseite muss auf einer Fläche von mindestens 100 000 km² −32 °C oder weniger betragen. Die Temperatur der Wolkenoberseite muss auf einer Fläche von mindestens 50 000 km² −52 °C oder weniger betragen.
• Lebensdauer: Das Größenkriterium muss mindestens 6 Stunden erfüllt sein.
• Exzentrizität: Das Verhältnis zwischen kürzester und längster Achse darf nicht unter 0,7 liegen.

• Mesoskaliger konvektiver Wirbel (MCV)

Diese Form des Multizellengewitters stellt ein alterndes MCC dar. Durch die enormen Mengen an Latenter Wärme, die während des Stadiums des MCC frei werden, beginnt im Bereich des Systems großflächtig Hebung einzusetzen. Dadurch entsteht am Boden ein Unterdruck, weshalb von den Seiten her Luft nachströmt. Bei einem solch riesigen Gewittersystem beginnt allmählich die Corioliskraft zu wirken, sodass diese Winde nicht direkt in das System einfließen, sondern abgelenkt werden. Daher nimmt das Noch-MCC langsam die Gestalt eines großen Wirbels an, der auch auf nicht-hochauflösenden Satellitenbildern schon gut zu erkennen ist. Der Gewittercluster heißt ab dann MCV.

Zieht ein solcher MCV über großflächige Gewässer, welche wärmer sind als 26 °C, so verstärkt sich das System u. U. weiter und kann letztendlich zu einem Hurrikan entwickeln.

Superzellengewitter

Schematische Darstellung einer Superzelle mit Tornado

Superzelle

Bei Superzellen handelt es sich eigentlich um Einzelzellen, die aber durch ihren hohen Grad an organisierter Struktur ausgezeichnet sind. Sie können auch in einen Zell-Cluster oder eine Böenlinie eingebettet sein. Wesentliches Merkmal ist eine Rotation des Aufwindbereiches, die so genannte Mesozyklone. Dabei überwiegt die zyklonale Rotation, auf der Nordhalbkugel entgegen dem Uhrzeigersinn, auf der Südhalbkugel umgekehrt. Ursächlich ist eine vertikale Windscherung, also eine Änderung der Windgeschwindigkeit und -richtung mit der Höhe. Meistens nimmt dabei der Wind unter Rechtsdrehung mit der Höhe zu. Die Corioliskraft hat keinen direkten Einfluss hierauf, da Mesozyklonen zu kleinräumig sind. Indirekt spielt sie aber insofern eine Rolle, als das großräumige Windfeld, in das die Mesozyklone eingebettet ist, durch die Corioliskraft - neben Druckgradient, Zentrifugalkraft und Bodenreibung – mit bestimmt wird. Die erwähnte Rechtsdrehung des Windes mit der Höhe ist ein solcher Effekt.

Von einer Superzelle spricht man definitionsgemäß, wenn eine hochreichende persistente Rotation des Aufwindbereichs vorliegt. Der rotierende Bereich wird Mesozyklone genannt. Hochreichend heißt, dass mindestens ein Drittel der Aufwinde rotiert, und persistent, dass die Rotation mindestens so lange andauert wie ein Konvektionszyklus. Das sind gewöhnlicherweise etwa 10 bis 20 Minuten. Per Definition muss allerdings mindestens 30 Minuten Rotation vorhanden sein, damit man von einer Superzelle sprechen kann.

Weitere Kennzeichen einer Superzelle sind neben dem Vorhandensein einer Mesozyklone eine räumliche Trennung der Auf- und Abwindbereiche. Dabei ist der Aufwind durch die vertikale Geschwindigkeitszunahme geneigt, meistens in Richtung des Windes im mittelhohen Niveau (ca. 5 km). Der im Abwindbereich ausfallende Niederschlag stört somit nicht durch seine Verdunstungskühlung die Zufuhr feuchtwarmer Luft in den Aufwindbereich.

Es werden anhand der Niederschlagsintensität drei Typen von Superzellen unterschieden:

• LP-Superzelle (engl. low precipitation supercell) - hier ist das Niederschlagsfeld meistens klein und auf den Zellkern beschränkt. Dort kann aber sehr großer Hagel auftreten, während Tornados nur selten auftreten. Dieser Typ tritt häufig in den westlichen Great Plains der USA an der Grenze feucht-warmer Luft aus dem Golf von Mexiko zu trocken-heißer Wüstenluft aus dem Südwesten der USA auf. In Mitteleuropa ist er recht selten.
• Klassische Superzelle (engl. classic supercell) - die häufigste und typische Form von Superzellen. Das Niederschlagsfeld ist ausgedehnter als im vorigen Fall und der Zellkern mit den stärksten Niederschlägen (Starkregen und Hagel) wickelt in der Regel hakenförmig um die Mesozyklone (Hakenecho oder engl. hook echo). Tornados treten bei diesem Typ wesentlich häufiger auf als bei der LP-Superzelle.
• HP-Superzelle (engl. high precipitation supercell) - die niederschlagsintensivste Form von Superzellen. Das Niederschlagsfeld ist sehr ausgedehnt und es kommt über einem recht großen Gebiet zu Starkregen oder Hagel. Der Zellkern mit den intensivsten Niederschlägen weist häufig eine nierenförmige Struktur auf. Das Niederschlagsgebiet umschließt die Mesozyklone größtenteils und verdeckt damit manchmal die Sicht auf einen allfälligen Tornado (engl. bear's cage=Bärenkäfig). Diese mit Regen umwickelten (engl. rain-wrapped) Tornados sind besonders gefährlich und für die meisten Todesfälle in den USA verantwortlich.

Daneben gibt es noch die Sonderform flacher Superzellen (low-topped supercell, mini supercell) geringerer Höhenerstreckung, aber mit persistenter Mesozyklone. Diese treten in der Regel in Kaltluftmassen auf. Wichtig ist auch, dass eine Superzelle keine elektrische Aktivität (Blitze) zeigen muss, auch wenn die meisten Superzellen nicht nur als Schauer, sondern auch als Gewitter auftreten.

Die Unterschiede einer Superzelle gegenüber einer normalen Zelle:

• Eine Superzelle ist im Allgemeinen bedeutend langlebiger, sie lebt manchmal mehrere Stunden. Ihre räumliche Ausdehnung kann beträchtlich sein, ist aber nicht notwendig größer als die einer Einzel- oder Multizelle.
• Die Zugrichtung von Superzellen zeigt meistens ein Ausscheren nach rechts (auf der Südhalbkugel nach links) gegenüber dem steuernden Wind im mittleren Niveau der Troposphäre, der die Zugrichtung normaler Gewitterzellen bestimmt.
• Es treten deutlich intensivere Wettererscheinungen und Ausprägungen der Wolke und auch spezielle Wolkenformen auf. Hierzu zählt vor allem die so genannte Wallcloud, die als Absenkung der regenfreien Wolkenbasis unter dem rotierenden Aufwind in Erscheinung tritt.
• Die intensiven Begleiterscheinungen machen Superzellen zur gefährlichsten Art von Gewitterzellen. Sie sind oft begleitet von Wolkenbrüchen, großem Hagel über 4 cm Durchmesser und schweren Fallböen (Downbursts). Bei ca. 10–20 % aller Superzellen kommt es zur Bildung mesozyklonaler Tornados.

Lange Zeit galten Superzellen mit wenigen Ausnahmen allein auf die USA beschränkt (nach letzten Erkenntnissen sind es hier mehrere tausend pro Jahr), mittlerweile hat sich aber gezeigt, dass sie bei geeigneten Bedingungen in vielen Gebieten der Erde (auch in den Tropen) auftreten können.

Vermutlich liegt die Anzahl rotierender Stürme an der Gesamtzahl der Gewitter um 5% (Untersuchungen aus den USA sowie Mitteleuropa), der Versuch einer Aufnahme aller jährlichen Superzellen in eine statistische Auswertung ist derzeit jedoch nur aus Österreich bekannt (von 2003 bis 2005 im Schnitt etwas mehr als 50 rotierende Gewitter jährlich registriert).

Nahezu alle sehr starken oder verheerenden Tornados (F3 und darüber auf der Fujita-Skala) gehen aus Superzellen bzw. den zugehörigen Mesozyklonen hervor. Schwächere Tornados (F0 bis F2) können sowohl mesozyklonalen als auch nicht-mesozyklonalen Ursprungs sein. Je nach Region überwiegt hier aber der letztgenannte Typ.

Superzellen sind in eindeutiger Weise nur anhand der Rotation (TVS, Tornado Vortex Signature) erkennbar, die auch beim Doppler-Velocity-Scan im Wetterradar sichtbar wird.

Klassifikation von Gewittern

Die Bildung von hochreichender konvektiver Bewölkung und Gewittern setzt neben einer bedingt labilen Schichtung zur Auslösung der Feuchtekonvektion einen Hebungsantrieb voraus. Hinsichtlich der Auslösemechanismen können verschiedene Gewittertypen unterschieden werden.

Luftmassengewitter

Luftmassengewitter treten in einer einheitlichen Luftmasse auf, d. h. die Temperatur verändert sich in horizontaler Richtung kaum. Die Temperatur muss aber mit der Höhe hinreichend stark abnehmen und es muss ein bodennaher Heizmechanismus vorliegen (thermische Auslösung). Man kann zwei Haupttypen von Luftmassengewitter unterscheiden: Wärmegewitter und Wintergewitter.

Wärmegewitter (auch Sommergewitter oder Konvektionsgewitter genannt) entstehen bei uns praktisch ausschließlich im Sommerhalbjahr. Die starke Sonneneinstrahlung erwärmt die Luft vor allem in Bodennähe und lässt zudem viel Wasser durch Evapotranspiration verdunsten. Dadurch erhöht sich der vertikale Temperaturgradient im Tagesverlauf. Die Temperatur steigt vor allem am Boden stark an, während sie in der Höhe nahezu konstant bleibt. Ab einer bestimmten Temperatur (Auslösetemperatur) beginnen Warmluftblasen in die Höhe zu steigen, da sie wärmer und somit leichter sind als die Luft in ihrer Umgebung. Dabei kühlen sie sich ab und erreichen schließlich das Kondensationsniveau. Ist die Atmosphäre darüber feuchtlabil geschichtet, so werden auf diese Weise thermisch Gewitter ausgelöst. Wärmegewitter treten meistens in den Nachmittags- und Abendstunden auf.

Wintergewitter entstehen im Winterhalbjahr. Ihre Entstehung ist prinzipiell dieselbe wie die der Wärmegewitter. Allerdings fehlt im Winter oft eine ausreichend starke Sonneneinstrahlung. Deswegen kann ein hoher Temperaturgradient nur durch starke Abkühlung in der Höhe zustande kommen. Das geschieht durch Zufuhr von Höhenkaltluft, die meistens polaren Ursprungs ist. Über See wird die Feuchtekonvektion spontan und tageszeitunabhängig thermisch durch den starken Temperaturgradienten zwischen der relativ warmen Meeresoberfläche und der darüber geführten relativ kalten Luft ausgelöst. Auf Satellitenbildern sind diese Luftmassen an der zellulären konvektiven Bewölkung deutlich zu erkennen. Über Land hingegen tritt dieser Mechanismus zurück und es ist unter Einfluss der – wenn auch schwachen – Einstrahlung ein Tagesgang der Konvektion zu beobachten. Wintergewitter treten am häufigsten in den Mittags- und frühen Nachmittagsstunden auf. Allerdings ist die in den unteren Schichten über dem Meer erwärmte Luft oft recht weit ins Binnenland hinein noch genügend labil, um Konvektion auszulösen. Am heftigsten sind die Wettererscheinungen dabei in den Küstenregionen (Lake effect snow). Wintergewitter sind oft mit kräftigen Graupelschauer- und Schneeschauern verbunden. Da kältere Luft jedoch weniger Wasserdampf enthält und somit weniger energiereich ist, sind diese Gewitter meistens weniger intensiv als Wärmegewitter im Sommer.

Frontgewitter

Frontgewitter entstehen durch dynamische Hebung, die durch die Fronten verursacht wird. Es müssen allerdings bereits vor dem Frontdurchzug die Grundbedingungen für Gewitter erfüllt sein. Die Front ist lediglich der Auslöser (auch Trigger genannt). Frontengewitter treten vor allem an der Vorderseite von Kaltfronten auf. Nur in seltenen Fällen können sie auch an Warmfronten auftreten. In diesem Fall wird die Atmosphäre durch den Einschub feucht-warmer Luftmassen in den unteren Bereichen der Troposphäre labilisiert und es kommt zu sogenannten Warmlufteinschubgewittern.

Wenn eine Kaltfront aufzieht, schiebt sich die kalte Luft wie ein Keil unter die feuchtwarme Luft, so dass diese in die Höhe gehoben wird. Auf einer bestimmten Höhe kondensiert der Wasserdampf und es bilden sich Quellwolken, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu Gewitterwolken anwachsen können. Solche Frontgewitter können das ganze Jahr über auftreten, sind allerdings im Sommer häufiger als im Winter und fallen in der Regel auch heftiger aus.

Präfrontale Konvergenz

Eine Besonderheit, die vor allem in der warmen Jahreszeit auftritt, sind linienhaft angeordnete Gewitter entlang von Konvergenzen, die vielfach einer Kaltfront vorgelagert sind und in diesem Fall als präfrontale Konvergenzen bezeichnet werden. Im Bereich der Konvergenz, wo Windströmungen aus unterschiedlichen Richtungen zusammenfliessen, kommt es noch nicht zu einem Luftmassenwechsel. Die Konvergenz macht sich am Boden bemerkbar durch einen Windsprung, der durch das konvergente Windfeld bedingt ist. Auslöser bzw. Hebungsmechanismus ist hier die zusammenströmende Luft, die entlang der Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen wird. Im Winter sind solche Konvergenzen meistens wenig wetteraktiv, während im Sommer die Haupt-Gewittertätigkeit oft an der Konvergenz und nicht an der nachfolgenden Kaltfront zu finden ist. Innerhalb von Kaltluftmassen hinter einer Kaltfront kommt es entlang von Troglinien zu Hebungsvorgängen, die Feuchtekonvektion und auch Gewitter auslösen können. Dieser Mechanismus ist zu allen Jahreszeiten zu beobachten, schwerpunktmäßig dabei im Winter, da dann die Dynamik von Tiefdruckgebieten am ausgeprägtesten ist.

Orographische Gewitter

Orographische Gewitter entstehen durch Hebung an Gebirgen. Überströmt eine Luftmasse ein Gebirge, wird sie zwangsläufig gehoben. Dabei kühlt sie sich ab und kann auskondensieren. Es kann sich bei geeigneten Bedingungen eine Gewitterwolke bilden. Orographische Gewitter können in Staulagen enorme Regenmengen verursachen, da sie sich unter Umständen immer wieder an derselben Stelle bilden.

Gewitterwolke über Enschede, Niederlande

Elektrische Phänomene

Die elektrostatische Aufladung der Atmosphäre in der Nähe von Gewittern kann zu zwei verschiedenen Phänomenen führen:

• Blitz,
• Elmsfeuer.

Das häufig beobachtete schnellere Verderben von Lebensmitteln bei Gewittern ist nicht auf elektrische Phänomene zurückzuführen. Vielmehr bieten Wärme und Feuchtigkeit vor und während eines Gewitters Mikroorganismen ideale Bedingungen sich zu vermehren und führen dadurch zum schnelleren Verderben der Lebensmittel.

Gefahren

In manchen Fällen bergen starke Gewitter Gefahren, wie z. B. Sturmschäden durch Fallböen (Downbursts) oder Tornados, Überschwemmungen durch starken Regen und Schäden durch Hagel. Selten kommt es zu Schäden durch Blitze, etwa zu Kurzschlüssen, Bränden oder gar Verletzungen. Seit der Erfindung des Blitzableiters sind viele Gebäude vor Blitzen geschützt. Jedoch kommt es immer noch zu Blitzeinschlägen in Bauernhöfe (vor allem auf dem Land), die dann Großbrände zur Folge haben. Der Aufenthalt in Wäldern während eines Gewitters ist mitunter lebensgefährlich. Schlägt der Blitz in einen Baum ein, kann dieser durch das in ihm enthaltene Wasser und die schlagartige Hitze des Blitzes explodieren, da das Wasser verdampft und den Baum sprengen kann.

Die Gefahr eines Blitzschlages besteht auch in einiger Entfernung zu der eigentlichen Gewitterzelle noch, mitunter wird von Blitzschlägen aus blauem Himmel berichtet, Wolken-Boden-Blitze legen zum Teil sehr große Entfernungen zurück.

Verhaltensregeln beim Aufenthalt im Freien während eines Gewitters

Um nicht vom Blitz verletzt zu werden, gilt es, folgendes zu beachten:

• Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen suchen. Fahrzeuge mit geschlossener Metallkarosserie und viele Gebäude mit einem hochwertigen Blitzschutzsystem wirken wie ein Faradayscher Käfig und bieten so maximale Sicherheit.

• Wenn kein Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen gefunden werden kann:
  • Um nicht direkt vom Blitz getroffen zu werden:
    • Auf offenem Gelände Hügel und Höhenzüge meiden.
    • Aufenthalt in Gewässern und Schwimmbecken vermeiden.
    • Füße zusammenstellen, in die Hocke gehen, Arme am Körper halten und den Kopf einziehen.
  • Um nicht von Sekundäreffekten betroffen zu sein:
    • Die unmittelbare Nähe von Bäumen, Masten und Türmen meiden. Blitze schlagen besonders häufig in hohe Objekte ein, gerade wenn sie frei stehen. Wenn die Grundfläche des Objekts klein ist, ist die Potenzialdifferenz des Bodens in seiner unmittelbaren Nähe besonders groß und die mögliche Schrittspannung deshalb besonders hoch. Wenn die Leitfähigkeit des Objekts eingeschränkt ist, wie zum Beispiel bei Bäumen, besteht die Gefahr umhergeschleuderter abgesprengter Teile und des Austritts des Blitzes in Bodennähe.
    • Höhleneingänge und enge Mulden (Ackerfurchen, Wasserrinnen oder Straßengräben) meiden. Besser auf ebenes Terrain stellen oder tiefer in die Höhle gehen (aber Vorsicht: Im Höhleninneren besteht die Gefahr von plötzlichem und starkem Wasseranstieg, aufgrund des starken Niederschlags). Der Blitz verteilt sich nach einem Einschlag zunächst nahe der Bodenoberfläche, der er an Höhleneingängen und engen Mulden unter Umständen nicht folgen kann. Dann springt ein Sekundärblitz über, von dem Schutzsuchende getroffen werden können.
    • Nicht hinlegen, sondern den Kontaktbereich zum Boden minimieren. Mit zusammengestellten Füßen in der Hocke verharren und sich nicht mit den Händen abstützen. Gummisohlen und isolierende Materialien als Standfläche sind vorteilhaft. Gegen einen direkten Blitzschlag können sie aber auch dann nicht schützend wirken, wenn sie mehrere Zentimeter dick sind.

Die Sicherheit hängt vom vorausschauenden Verhalten ab: Ein Gewitter kommt niemals „aus heiterem Himmel“, wer regelmäßig einen Blick in den Himmel wirft, kann ein sich näherndes Gewitter schon früh an den dunkel und bedrohlich wirkenden Wolken erkennen. Scheuen Sie sich nicht, bei Gefahr auch Ihre Mitmenschen zu warnen! Nachdem das Gewitter bemerkt wurde, sollte abhängig von seiner Entfernung und Geschwindigkeit der sicherste erreichbare Zufluchtsort angestrebt werden. Anhand der Zeitdifferenz zwischen Blitz (Lichtgeschwindigkeit) und Donner (Schallgeschwindigkeit, ca. 340 Meter/Sekunde) lässt sich die Entfernung des Blitzes berechnen. Durch Wiederholung der Berechnung lässt sich die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Gewitters abschätzen: Jede Sekunde, die der Abstand zwischen Blitz und Donner kürzer wird, ist es 340 m näher gekommen. Unter 3 Sekunden zwischen Blitz und Donner, also unter ca. 1 km Entfernung, ist jederzeit die Möglichkeit eines Einschlags in der Nähe gegeben. Die Zeitspanne von 3 Sekunden kann annähernd abgeschätzt werden, indem man langsam „einundzwanzig, zweiundzwanzig“ zählt.

Lebensgefährlich, da wahrscheinlich falsch überliefert, ist ein altes deutsches Sprichwort:

Vor den Eichen sollst du weichen.

Und die Weiden sollst du meiden.

Zu den Fichten flieh mitnichten,

Linden sollst du finden,

Doch die Buchen musst du suchen!

Früher wurden niedrige Gewächse (Büsche) im Deutschen als „Bucken“ bezeichnet. Man soll sich also eher ins Gebüsch schlagen, als sich neben einen Baum zu stellen. Ein Blitz, der in einen Baum einschlägt, kann auf neben dem Baum stehende Personen überspringen.

Verhalten in Gebäuden während eines Gewitters

Innerhalb eines Gebäudes können gewisse Gefahren durch von außen hereinkommende Leitungen bestehen (u. a. Strom- oder Wasserleitungen). Durch ordnungsgemäße Erdung in Form eines Hauptpotentialausgleiches lassen sich diese aber vermeiden. Lediglich in Gebäuden ohne diesen vorschriftsmäßigen Blitzschutz sollte bei Gewitter deshalb möglichst nicht geduscht, gebadet oder mit elektrischen Geräten hantiert werden, da dann durchaus Lebensgefahr bestehen kann. Eine weitere Gefahr können hier Telefone darstellen, besonders bei oberirdischer Zuführung der Telefonleitung ans Haus. Es sollte dann möglichst nicht mit schnurgebundenen Festnetztelefonen telefoniert werden. Schlägt der Blitz in die Leitung ein, stellt man mit dem Telefonhörer in der Hand eine gute Verbindung zur Erde dar. Schnurlostelefone stellen konstruktionsbedingt keine Gefahr dar. Allerdings sollte man in diesem Fall Telefongespräche nur mit Teilnehmern führen, von denen man weiß, dass sie ebenfalls schnurlose Telefone oder Handy benutzen oder sich außerhalb des Gewittergebiets befinden.

Zum Schutz der elektrischen Gerätschaften im Haushalt bieten sich Steckdosenleisten mit Überspannungsschutz an, hierdurch wird das jeweilige Gerät vor der durch einen Blitzeinschlag entstehenden Spannungsspitze geschützt. Allerdings muss beachtet werden, dass dieser Überspannungsschutz alleine nicht ausreichend ist. Für den sicheren Schutz vor Blitzschlag müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

• Das Haus muss über einen Blitzableiter verfügen.
• An der Hauseinspeisung muss eine Blitzspannungsableitung vorhanden sein.
• Im Verteilerkasten muss ebenfalls eine Überspannungsableitung installiert sein

Generell gilt die Regel, dass man bei Gewitter Aufzüge nicht benutzt, weil diese wegen Stromausfalls steckenbleiben können, wenn es im Haus zu einem Kurzschluss kommt.

Betrieb von Fahrzeugen während eines Gewitter

Alle Fahrzeuge mit geschlossener Metallkarosserie (Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Schiffe) eignen sich besonders gut um unversehrt den Einschlag eines Blitzes im Innenraum zu überstehen. Man muss aber auch hier berücksichtigen, dass die Folgen des Blitzes das Fahrzeug zerstören können und man gegebenenfalls dieses verlassen und wo anders Schutz suchen muss. Die Folgen können sein:

• Brand des Fahrzeugs (durch Kunststoffteile an der Außenseite wie z.B. Autoreifen, Kühlergrill, Stoßstangen)
• Deformation großer Flächen (Dach, Motorhaube)
• Defekt der Bordelektronik und aller im Auto befindlichen elektronischen Geräte (Luftionisation)
• Defekt von wichtigen Geräten zur Steuerung des Fahrzeuges (Bremsen, Lenkung)

Falls die Gefahr eines Blitzeinschlages steigt, sollte man daher die Fahrgeschwindigkeit reduzieren um gegebenenfalls sofort anhalten zu können, da

• die Bordelektronik versagen und
• die Blendung eingeschränkte Fahrtüchtigkeit verursachen

kann. Da Gewitter oftmals auch von Hagel und schweren Wolkenbrüchen begleitet werden, empfiehlt sich eine reduzierte Fahrgeschwindigkeit ohnehin. In keinem Fall sollte man aber sein Fahrzeug auf Autobahnen einfach so anhalten, und wenn man es tun muss, dann nur in wirklichen Ausnahmefällen mit eingeschalteter Warnblinkanlage am Pannenstreifen. Offene Fenster von Fahrzeugen haben keine negativen Einwirkungen auf das Schutzvermögen des Fahrzeuges an sich. Jedoch kann bei offenen Fenstern Regen eindringen und das Fahrzeug innen befeuchteten. Ebenso wie das Hinausgreifen und Berühren der Karosserie mit der Hand (durch Unachtsamkeit), kann das zu einer leitfähigen Verbindung zwischen Karosserie und Personen im Inneren führen. Dies sind, entgegen der landläufigen Meinung: "... der Blitz dringt durch das offen Fenster in das Fahrzeug ein ...", die wahren Gründe, warum man bei einem Gewitter Fenster und Türen eines Fahrzeuges geschlossen halten sollte.

Schiffe aus Metall (Ganzmetallkonstruktionen) bieten den besten Schutz, lediglich ein Aufenthalt an Deck während eines Gewitters sollte vermieden werden. Hier gilt wie bei Landfahrzeugen, Fenster und Türen geschlossen zu halten und den Kontakt mit metallischen Gegenständen zu meiden. Boote hingegen, die aus Kunststoff oder Holz gefertigt sind, bieten wenig bis gar keinen Schutz, es sei den, es befindet sich ein eingearbeitetes und durchgehendes Drahtgitter in Kajüte und Rumpf, oder das Boot besitzt einen eigenen Blitzableiter. Bei einem normalen Gewitter ist die Chance, dass ein Segelboot von einem Blitz getroffen wird etwa 1:1000. Für Segelboote, die über Stagen aus Metall an Oberwante, Vor- und Achtersteg verfügen, gibt es einen sehr preiswerten und schnell zu installierenden Blitzschutz bestehend aus 4 Kabeln mit Klemmen. Die Klemmen werden an den Stagen befestigt und das Ende des Kabels wird über Bord zu Wasser gelassen. Dadurch wird die Ableitung des Blitzes über den Mast in das Wasser, sowie ein gefahrloser Aufenthalt an Bord sichergestellt.

Flugzeuge und Hubschrauber (Metallkonstruktionen) bieten eine guten Schutz, wenn sie rundum abgeschlossen sind und geprüfte Blitzschutzeinrichtungen besitzen. Auf Grund des Einsatzes moderner Verbundwerkstoffe bei Luftfahrzeugen kommt es aber immer wieder zu Komplikationen, da diese nicht, oder nur schwach leitend sind. Techniker sind deshalb stehts bemüht, weitere Blitzschutzsysteme für Luftfahrzeuge zu entwickeln. Blitzeinschläge haben, bis auf wenige Ausnahmefälle in der Vergangenheit^[1], keine nachhaltigen Auswirkungen auf die Betriebstauglichkeit heutiger Verkehrsluftfahrzeuge. Bei Klein- und Sportluftfahrzeugen hingegen sollte man generell Wolken mit Gefährdungspotential meiden. Diese Luftfahrzeuge besitzen einerseits nicht zwingend erforderlich einen Blitzschutz und andererseits sind sie auch nicht für den Flug in der Nähe von Gewittern und in den dort auftretenden starken Winden konstruiert. Mit Klein- und Sportluftfahrzeugen sollte man somit Gewitter stehts umfliegen.

Einzelnachweis

1. ↑ Mayday - Hubschrauber in Not. N-TV. Abgerufen am 27. Jänner 2009.

Siehe auch

• Blitz
• Donner
• Keraunischer Pegel

Weblinks

• SWR: Warum gibt es Gewitter?
• Die Prognose schwerer Gewitter - Ein Leitfaden
• Weshalb donnert es bei einem Gewitter? und wie entstehen Gewitterblitze bei Welt der Physik
• Privates europäisches Projekt zur Ortung von Gewittern
• Einfache physikalische Deutung zur Entstehung von Blitzen (pdf)

Gesprochene Wikipedia

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