Es scheint als würde uns das Wetter Wochen von ödem, grauem Nieselregen bescheren. Aber es kann ebenfalls eine wirklich sensationelle – und oft tödliche – Show bieten. Doch wie lassen sich diese brisanten Ereignisse erklären?

Die Erdatmosphäre wird durch die Sonnenwärme angetrieben. Wetter ist die Antwort der Atmosphäre auf die ungleichen Muster der Wärmeenergie. Sichtbares und ultraviolettes Licht erwärmt die Erde tagsüber, stärker noch in den niedrigen Breitengraden, aber die Erde stößt einen fast genau identischen Gesamtbetrag an Infrarotstrahlung in alle Richtungen aus.

Im Schnitt erhält die Erde 340 Watt/m² durch die Sonne. Ungefähr ein Drittel dieser Energie wird durch Wolken und das Eis auf der Erdoberfläche direkt zurück ins Weltall reflektiert. Die restliche Energie – entsprechend einem die Erdoberfläche bedeckenden Netz aus im Abstand von zwei Metern platzierten, kleinen Heizkörpern, die durchgehend betrieben werden – wird von der Erdoberfläche und Atmosphäre absorbiert.

Aber die Sonnenenergie ist gebündelt auf der Tagesseite, vor allem in Äquatornähe. Im Durchschnitt absorbieren die Atmosphäre und die Erdoberfläche in den Tropen mehr als 300 Watt/m², in den Polarregionen hingegen weniger als 100 Watt/m². Am Äquator steht die Erdoberfläche im direkten Sonnenlicht, nahe den Polen, wo die gleiche Energiemenge auf eine breitere Oberfläche fällt, jedoch in einem weiten Winkel.

Die Temperatur der Erde selbst zeigt keine extremen Veränderungen, sie schwankt um weniger als 50 Grad Celsius zwischen Äquator und hohen Breitengraden, viel weniger als auf einem Körper wie dem Mond. Grund hierfür ist die Atmosphäre (und in einem leicht schwächeren Ausmaß die Ozeane), die Hitze von wärmeren in kältere Regionen transportiert. Atmosphärische Hitze erreicht Spitzenwerte von ungefähr 5 PW (5 petaWatt oder auch 5 x 1015 Watt). Zum Vergleich: Das größte Atomkraftwerk hat eine Kapazität von 8 GW (8 x 109 Watt) und die gesamte Energiemenge, die in egal welcher Form von den Menschen heutzutage konsumiert wird, beträgt geschätzt 18 TW (1,8 x 1013 Watt), mehr als 250-mal geringer.

Diese immense Energiemenge ist es, die die Wärmekraftmaschine der Erdatmosphäre und der Ozeane antreibt – und die daraus resultierenden Bewegungen der warmen Luft in kältere Regionen. Auf dieser Reise wird die Energie in viele andere Formen transformiert und die Erdrotation hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Form, die das Wetter annimmt, speziell in mittleren Breitengraden. Hier verändert sich das grundlegende Mittel des Wärmetransports von den längssymmetrisch umwälzenden Hadley Cells zur wellenartigen Bewegung, der Oberflächenmanifestation aus der die uns vertrauten Hoch- und Tiefdruckwettersysteme entstehen.

Strahlströme sind sehr enge Bänder (ein paar Kilometer tief und vielleicht 100 km breit) sich schnell bewegender Luft, die die Erde umkreisen und die Abgrenzung von wärmeren und kälteren Luftmassen in ungefähr 10 km Höhe bilden. Im Kern eines Strahlstroms können die Winde 200 km/h erreichen und im Jahre 1967 wurden unglaubliche 656 km/h auf den Äußeren Hebriden erfasst. Der Verlauf dieser gebündelten Winde ist entscheidend für die Planung von Flugzeugstrecken und die intelligente Nutzung dieses Wissens ist der Grund, warum es schneller ist von West nach Ost zu fliegen, als wieder zurück.

Der Strahlstrom, der unser Wetter am stärksten beeinflusst, ist der nördliche Polarfrontjetstream, der sich in einer sich verändernden Route windet und den Weg der Wettersysteme um die Welt begleitet, was zu einer Serie an Stürmen und Überflutungen führen kann. Windet sich der Strahlstrom nach Süden, wird kalte Polarluft nach unten geleitet, windet er sich nach Norden, kann warmes und ruhiges Wetter resultieren.

Tropische Wirbelstürme, besser bekannt als Hurricanes in den amerikanischen Ländern und als Taifune im Fernen Osten, sind extrem zerstörerische Wetterereignisse, die in niedrigeren Breitengraden als Tiefdruck-Wettersysteme beginnen. Tropische Wirbelstürme formen sich über sehr warmen Meeren, typischerweise im Spätsommer und im Herbst in jeder Hemisphäre. Wenn sie sich verstärken, werden sie durch latente Energie-Freigabe von Wasserdampf angetrieben, der kondensiert, um sich dann zu hohen Wetterwolken zu aufzubauen.

Im Umkreis des Sturmzentrums wurden Windgeschwindigkeiten von über 200 km/h gemessen, doch die Verwüstungen werden hauptsächlich durch den intensiven Regen und Überflutungen als Folge des akuten Anstiegs der Meeresspiegel hervorgerufen. Der durchschnittliche jährliche Niederschlag Großbritanniens fällt in weniger als zwei Stunden aus den Wolken, die das Auge des Sturms umgeben.

Der Bhola-Wirbelsturm im Jahre 1970 war eine der schlimmsten Naturkatastrophen aller Zeiten, eine halbe Million Menschen in Bangladesch und West-Bengal wurde, größtenteils durch immense Überflutungen, getötet. Trotzdem war dieser Sturm, bewertet mit der relativ moderaten Kategorie 3, bei weitem nicht der kraftvollste tropische Wirbelsturm. Die stärksten, Kategorie 5, Stürme beinhalten z.B. Hurricane Katrina im Jahr 2005 mit Windgeschwindigkeiten von über 280 km/h.

Tornados sind kleinere, brutale Wirbelwinde, die sich unter einer Gewitterwolke, einem Gebiet von intensiver vertikaler Konvektion, bilden können. Ein Wolkenschlauch formt sich im Zentrum des Wirbels, obwohl die starken Winde noch viel weiter um das Zentrum herum zirkulieren. Die extremsten Winde erreichen fast 500 km/h und resultieren in extremer Zerstörung entlang ihres Weges.

Der Tri-State-Tornado im März 1925 legte den längsten verzeichneten Weg von über 350 km zurück und tötete 695 Menschen im Mississippi River Valley in den USA. Er war Teil eines Ausbruchs mit einer Gesamtsumme von 747 Todesopfern, doch sogar dies wurde im April 1989 vom Daulatpur-Saturia-Tornado in Bangladesch überschritten, als mehr als 1.300 Menschen starben und 80.000 Menschen obdachlos wurden.

Staubstürme treten in vielen Teilen der Welt auf und transportieren Sand und feine Mineralteilchen von einem Kontinent auf den anderen. In Nordafrika sind diese Stürme bekannt als “Habubs” und beginnen oft mit starken Winden, die mit Unwettern assoziiert werden. Ähnliche Stürme treten in trockeneren Regionen Amerikas und Asiens auf. Habubs können eine Höhe von mehr als 1 km erreichen, bedecken Tausende von Quadratkilometern und dauern Stunden an, während der aufgewirbelte Staub das Sonnenlicht absorbiert, die Luft erhitzt und die Winde am Rand des Sturms intensiviert.

Auf der Erde setzen sich Wassertröpfchen auf den feinen Staubteilchen ab, die diese schließlich binden und damit das Wachstum des Sturms aufhalten, auf dem Mars jedoch, welcher sehr viel trockener ist, können manche Staubstürme den gesamten Planeten bedecken.

Windhosen sind kleine konvektive Wirbel, die durch den Staub, den sie von der Erdoberfläche aufwirbeln, sichtbar gemacht werden. Sie werden ebenfalls durch Wärmeenergie angetrieben, an Orten an denen eine kühlere Atmosphäre in Kontakt zur warmen Oberfläche steht. Dies kommt am häufigsten in wüstenähnlichen Regionen vor, doch sie können auch in gemäßigten Klimazonen entstehen und es gibt Aufzeichnungen von “Schnee-Windhosen” an hell erleuchteten Bergseiten. Auf der Erde können sie 1 km hoch werden und etwa 10 Meter im Durchmesser betragen; auf dem Mars wurden sie bereits mit viel extremeren Maßen entdeckt, die sich bis zu 20km Höhe und 200 Metern im Durchmesser ausdehnen und auf vielen Bilden von umkreisenden Raumschiffen auftauchen.

Blitze sind ein häufiges Phänomen in der Erdatmosphäre und treten in Regionen mit starken vertikalen Konvektionen auf. Über 2.000 Gewitter sind zu jedem Zeitpunkt aktiv. Die Luft im engen Zentrum eines Blitztunnels kann kurzfristig 30.000°C erreichen, was fünf Mal der Temperatur der Sonnenoberfläche entspricht. Das Donnergeräusch kommt durch die rapide Expansion der erhitzten Luft und Bäume, die getroffen werden, werden buchstäblich die Luft gejagt, da das Wasser in ihnen umgehend kocht.

Hagel wird grundsätzlich in Verbindung mit Unwettern gebracht und ist ebenfalls ein Phänomen warmen, konvektiven Wetters. Die Menschen sehen Hagel oft als Winterereignis an, doch der späte Frühling und Sommer sind die einzigen Zeiten, in denen echter Hagel in Großbritannien auftritt. Wenn es starke Aufwinde gibt, können Hagelkörner sehr groß – bis zu 20 cm im Durchmesser – werden und ein Gewicht von fast 1 kg erreichen. Hagelstürme können wirklich tödlich enden und leider gibt es Aufzeichnungen von vielen Hundert Toden. Der wahrscheinlich tödlichste verzeichnete Hagelsturm tötete im April 1888 mehr als 230 Menschen und 1.600 Nutztiere in Uttar Pradesh, im nördlichen Teil Indiens. Zudem gibt es schriftliche Aufzeichnungen von Todesfällen in Warwickshire in England weit zurück bis Mai 1411.

Dieser Artikel erschien zuerst auf “The Conversation” unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.

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Image (adapted) “Storm Clouds Gathering” by Zooey (CC BY-SA 2.0)

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Schlagwörter: Klima, Naturkatastrophe, wetter, Wetterphänomene