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Hervorgehende Wetterextreme durch eine Superzelle

Die im folgenden beschriebenen Wetterextreme lassen sich mit Ausnahme des Tornados bei den meisten Gewitter beobachten. Bei der Superzelle fallen diese jedoch meist stärker aus. Dieser Faktor macht ihre Erforschung und Beobachtung so interessant und wichtig: Mit mehr als fünf Zentimeter großem Hagel, Sturmböen und Orkanböen sowie Tornados in den oberen Bereichen der Fujita-Skala (s. 2.1.3.2.4.) können Superzellen große Sachschäden verursachen.


Raumladungen, Blitz und Donner

Die Bildung von Raumladungen in Gewittern ist noch nicht gänzlich geklärt. Wahrscheinlich gibt es bei deren Entstehung im Vergleich zu Superzellen keine signifikanten Unterschiede. Deshalb soll nur ein kurzer Überblick gegeben werden.

Zur Ausbildung von Ladungszentren innerhalb der Gewitterwolke tragen zwei Mechanismen bei: Der Konvektions- und der Graupel-Eis-Mechanismus.
Der Hypothese des Konvektionsmechansimus geht davon aus, dass die positive Raumladung, die bei „Schönwetter“ vorliegt, durch den Aufwind innerhalb der Superzelle in den oberen Teil der Superzelle transportiert wird. Die durch kosmische Strahlung bedingte negative Ladung der Troposphäre sammelt sich um die positive Ladung des oberen Wolkenteils an den äußeren Wolkenpartikeln an und wird mit dem RFD (hinterer Bereich des Abwindbereiches) in den unteren Teil der Superzelle verlagert.
Die Ladungstrennung des Graupel-Eis-Mechanismus erfolgt durch die Kollision von Eis- und Graupelpartikeln. Wenn dabei die Temperaturen unter der „Reversal Temperature“ 1 liegen, wird Graupel bei der Kollision negativ geladen, ansonsten nimmt er eine positive Ladung auf. Der erste Fall ist in der Regel wahrscheinlicher. Die Wassertröpfchen werden mit dem Aufwind schneller vertikal bewegt als der Graupel, sodass sich die negative Ladung der Zelle im unteren Teil konzentriert.
Wenn die Spannung zwischen den Ladungszentren innerhalb der Wolke oder zwischen Wolke und Erdboden einen bestimmten Wert überschreitet, kommt es in Form eines Blitzes zur Entladung. Dabei wird zwischen zwei Arten unterschieden: Wolkenblitz ( Entladung zwischen zwei Wolken bzw. in der Wolke) und Erdblitz (Entladung zwischen Wolke und Erde).
Bei der Entladung wird die vom Blitz durchfahrene Luft in Sekundenbruchteilen auf 30.000 K 2 erhitzt. Die dadurch entstehende Druckwelle und der anschließende Zusammenbruch des Blitzkanals wird akustisch als Donner wahrgenommen.

Bisherige Studien reichen nicht aus, um für Entladungen von Superzellen Besonderheiten im Vergleich zu anderen Gewittern festzustellen, jedoch wird angenommen, dass die Zahl der Wolkenblitze im Verhältnis zu anderen Entladungen häufiger ist. Eine mögliche Begründung dafür könnte sein, dass die spezielle Trennung von Auf- und Abwind zu einer sehr stabilen Ladungstrennung führt (siehe nebenstehende Abbildung), was bei normalen Zellen nicht gegeben ist, da die negativen Teilchen aus dem oberen Bereich stets nach unten in den positiv geladenen Bereich gelangen. Dieser „Vorteil“ könnte auch zur Langlebigkeit solcher Zellen beitragen.


Mesozyklonale Tornados

Superzellen sind die hauptsächliche Entstehungsursache für Tornados (deutsch: Großtromben), schätzungsweise bilden sich aus rund 10 Prozent 3 aller Superzellen Tornados. Umgekehrt bilden sich die meisten Tornados, sogenannte mesozyklonale Tornados, aus Superzellen. Diese Art von Tornado fällt langlebiger und stärker aus als nicht-mesozyklonale Tornados.
Die Rotation der Superzelle bietet eine ausgezeichnete Grundlage für die Tornadoentstehung. Bei einer neu entstandenen Superzelle dominiert der Aufwind über den Abwind. Der Aufwind rotiert nicht eng genug um die Drehachse, als dass sich ein Tornado bilden könnte. Mit der Zeit entwickelt sich jedoch ein Gleichgewicht zwischen den beiden. Der RFD rotiert in Halbkreisform immer enger um das Drehzentrum der Superzelle. So wird der Aufwind gezwungen, in einem stetig enger werdenden Kanal empor zu steigen. Der Aufwindkanal breitet sich so zum Boden aus und hat dabei die Form eines Schlauchs. Dieser Bereich wird als „Funnel“ bezeichnet, oftmals ist er während des Absenkens noch unsichtbar. Erst die Kondensation von Wasserdampf durch den geringen Druck im Innern macht den Funnel sichtbar. Sobald er Bodenkontakt hat, ist der Tornado geboren. Am Boden wirbelt der Funnel Gestein und Geröll innerhalb einer Schneise von rund 100 Metern 4 auf.
Das bereits erwähnte, für das Fortbestehen eines Tornados notwendige Gleichgewicht kann leicht gestört werden. Wird der RFD dominant, zerstört er die Warmluftzufuhr durch den Inflow Tail, indem er den Kanal abschneidet. So wird auch der Tornado zerstört. Letztlich kann so die ganze Superzelle absterben.
Falls der RFD sich zu schnell entwickelt, hält die Verengung des Aufwindkanals nicht lange genug vor, um einen Tornado ausbilden zu können. Des weiteren muss die Superzelle die Luft nahezu senkrecht zur Rotationsachse einsaugen. Diese Voraussetzung ist bei vielen Superzellen nicht gegeben.
Die Luft des RFD muss ausreichend labilisiert sein, so gelangen Teile der helizitätsreichen Luft, also Luft, die eine große Rotation erfährt, des RFD zurück in den Mesozyklon. Wenn der RFD zu kalt ist, kann der Aufwind abgeschnitten werden.
Für die Tornadobildung ist lediglich die Windscherung in den unteren Luftschichten von null bis einen Kilometer Höhe von Bedeutung, da sich hier der eigentliche Bildungsprozess vollzieht.
Die Rotationsrichtung des Tornados orientiert sich an der Rotation der Superzelle, folglich sind sie in der Regel zyklonal rotierend (s. 2.1.2.2.1.).
Die Lebenszeit eines mesozyklonalen Tornados ist von dem Zusammenspiel der Faktoren abhängig und liegt zwischen einigen Sekunden und einer Stunde, in der Regel jedoch etwa 10 Minuten 5 . Eine Superzelle kann im Laufe ihrer Existenz mehrmals einen Tornado hervorbringen, falls sich ein Tornado zwischenzeitlich auflöst. Die Zugbahn eines Tornados ist zwar durchschnittlich nur fünf bis zehn Kilometer lang, kann aber in einzelnen Fällen auch Längen von bis zu 300 Kilometern erreichen, wie der „Tri-State“ Tornado aus dem Jahr 1925 6 .
Die drei verschiedenen Superzellentypen begünstigen unterschiedlich gut die Bildung von Tornados, allen voran die HP-Superzelle, gefolgt von der Klassischen Superzelle und der LP-Superzelle. Die HP-Superzelle ist besonders gut geeignet, da sich gerade hier der Abwind um den Aufwind herumwickelt und so zur Bildung des Funnels beiträgt. Weiterhin hängt hier die Wallcloud besonders tief, folglich kann sich ein Funnel schneller zum Boden ausbreiten.Tornados von HP-Zellen werden oft von dichten Niederschlägen verhangen. Das macht sie noch gefährlicher, da ihre Entstehung und ihr Herannahen oftmals unbemerkt bleiben.
Bei der LP-Superzelle ist der Aufwind in der Regel zu dominant, als dass sich ein Gleichgewicht zwischen Auf- und Abwind einstellen könnte. Außerdem befindet sich der Abwindbereich zu weit von dem Aufwindbereich entfernt, als dass er sich um den Aufwindbereich schlängeln könnte.
Zur Vorhersage von Tornados wurde der Energy Helicity Index (EHI) entwickelt, der in den USA zu den bevorzugten Indices für einen Tornado gehört. Er berechnet sich wie folgt:

7

Für den EHI gilt folgendes: 8

EHI Geschätzte Tornadostärke
kleiner 0,8 Tornados unwahrscheinlich
0,8 – 1 F0, F1
1 – 4 F2, F3
größer 4 F4, F5

Für die Berechnung wird die CAPE und die Storm Relative Helicity (SRH, s. 2.1.3.2.5.) herangezogen, den beiden wichtigsten Parametern für die Intensität eines Tornados.
Doch die Formel ist mit Vorsicht zu genießen: Sie gibt keine Garantie für das Eintreten eines Tornados und wurde für die USA entwickelt. In Sachsen herrschen andere Relief- und Windverhältnisse als auf den Great Plains. Eine praktische Überprüfung der Formel im zweiten Teil der Arbeit konnte aufgrund mangelnder lokaler Werte für die CAPE und SRH, die beispielsweise aus einem Sounding (s. 2.1.3.1.) hätten stammen können, nicht erfolgen.


Downbursts und Windböen

Downbursts treten an den Abwindbereichen einer Superzelle auf und sorgen am Boden für starke Windböen. Diese werden nach ihrer horizontalen Ausdehnung am Boden, die von weniger als einem Kilometer bis hin zu zehn Kilometern reichen kann, in Microbursts (< 4 Kilometer) und Macrobursts (> 4 Kilometer) unterschieden 9 . Weiterhin wird in trockene und nasse Downbursts differenziert.
Trockene Downbursts entstehen, wenn der Niederschlag im Fall verdunstet und nicht den Boden erreicht. Dies setzt hohe Temperaturen, eine geringe Luftfeuchtigkeit am Boden und eine hohe Wolkengrenze voraus. Bedingung, die der Entstehung einer Superzelle widersprechen. Deshalb kommt dies nur in selten Fällen vor. Generell ist die Zahl der trockenen Downbursts in Europa eher gering.
Nasse Downbursts bringen viel Niederschlag in Form von Regen oder Hagel zum Boden mit.
Durch den Niederschlag wird kalte Luft mit nach unten gerissen, wobei die dadurch entstehenden Fallböen kräftig genug sind, um F3 10 auf der Fujita-Skala zu erreichen.
Diese Geschwindigkeiten im Bereich von über 250 km/h (s. 2.1.3.2.4.) werden aus den verursachten Schäden deutlich, wenn die Luft am Boden auftrifft und horizontal in einer Böenfront auseinander geht. Vor der Front kann es zu tornadoähnlichen Verwirbelungen kommen, weshalb sich teilweise die Differenzierung zwischen tornado- und downburstbedingten Schäden als schwierig erweist.
Der Downburst tritt bevorzugt an drei Bereichen einer Superzelle auf: Dem FFD, dem RFD und dem Inflow Tail. Die Hauptschäden entstehen an den beiden Abwindbereichen, dem FFD und RFD.
Der RFD, der maßgeblich an der Bildung von Tornados beteiligt ist, sorgt in vielen Fällen im Umkreis von Tornadopfaden durch Downbursts für Schäden 11 , da er während der Existenz eines Tornados besonders eng um den Aufwindbereich oberhalb des Tornados gewickelt ist.
In wenigen Fällen kann ein sehr stark ausgeprägter Inflow Tail durch seine Sogkraft schwache Schäden am Boden verursachen.
Im Auflösungsstadium oder HP-Stadium erreichen die Downbursts eine besonders hohe Intensität, da die Abwindbereiche den Mesozyklon dominieren (s. 2.1.2.2.2.).


Hagel

Superzellen sind aufgrund ihrer langen Lebsensdauer in der Lage, besonders großen Hagel hervorzubringen. Größen von 10 Zentimeter 12 sind keine Seltenheit. Im folgenden soll zunächst die allgemeine Hagelentstehung erklärt werden, die sich grundsätzlich nicht von normalen Gewittern unterscheidet. Dennoch gelten Unterschiede bezüglich der Intensität und einige weitere Besonderheiten.

Hagel ist als Niederschlagsform aus festem Eis mit einem Partikeldurchmesser von über 0,5 Zentimeter 13 definiert.
Innerhalb einer Wolke werden die Wasser-, Eis- und Staubpartikel als „Hydrometeore“ bezeichnet. Diese Teilchen werden mit dem Aufwind in der Superzelle mitgerissen und können so bis zu der Tropopause oder in Verbindung mit der Existenz eines Overshooting Top auch in Bereiche darüber gelangen.
Durch die Spannung im Innern der Superzelle können die Wassertröpfchen bis Temperaturen von etwa -40°C 14 nicht gefrieren, sie werden in diesem Zustand als „supercooled cloud droplets“ bezeichnet. Erst bei der Kollision mit Staub- oder Eispartikeln gefrieren die Wassertröpfchen augenblicklich, weil ihre Oberflächenspannung zerstört wurde. Dabei lagern sich die Tröpfchen an den Partikeln an.
So entsteht zunächst Graupel und über einen längeren Zeitraum Hagel mit einem charakteristischen schalenförmigen Aufbau, da das Korn mehrmals im starken, zugleich aber auch wechselnden Aufwind auf- und wieder absteigt. Durch ihren starken Aufwind hält die Superzelle den Hagel sehr lange im Aufwindbereich, wodurch einzelne Körner nach längerer Auf- und Abbewegung Durchmesser von mehr als 10 Zentimeter 15 erreichen.
In den obersten Bereichen einer Superzelle können Temperaturen von bis zu -80°C 16 herrschen, die deutlich unter dem Gefrierpunkt der supercooled cloud droplets liegen, sodass diese homogen zu gefrieren beginnen und als „glaciated clouds“ 17 bezeichnet werden. Diese tragen zusätzlich zu den großen Hagelmengen bei.
Der Hagel wird im Amboss durch Winde in den Abwindbereich getragen und bremst so in der Regel nicht den Aufwind aus, wie es bei normalen Gewittern der Fall sein kann.
Neben der Wallcloud fällt deshalb der stärkste Niederschlag.
In manchen Fällen gelangt der fallende Hagel zurück in den Aufwindbereich, sodass sich ein Kreislauf entwickelt, der zusätzlich zum Wachstum der Hydrometeore beiträgt.

Generell gelten für die Intensität des Niederschlags einer Superzelle in Abhängigkeit von der Stärke des Aufwindes zwei Schwellenwerte: Ist der Aufwind geringer als 18 m/s 18 , so fallen die Hydrometeore immer wieder in den Aufwindbereich zurück und können dort sehr stark anwachsen. Starke Niederschläge sind die Folge, folglich handelt es sich um eine HP-Superzelle.
Aufwinde von mehr als 30 m/s führen hingegen dazu, dass die Hydrometeore regelrecht aus dem Aufwindbereich hinausgeschleudert werden, bevor sie anwachsen können 19. Dies ist vornehmlich bei LP-Superzellen zu beobachten.
Jedoch ist zu beachten, dass besonders große Hagelkörner mit Durchmessern von mehr als zehn Zentimeter Aufwindgeschwindigkeiten von 50 bis 60 m/s 20 benötigen, um die Schwerkraft zu überwinden. Folglich ist eine langsame Zunahme der Aufwindgeschwindigkeit während des Zyklus der Superzelle nötig, um derartige Größen zu erreichen.



Direkte Quellen:
1
Dorau, F.: Blitzaktivität im Vergleich mit Radarbeobachtungen. Diplomarbeit. Universität Wien 2006, S. 10

2
Dorau, F.: Blitzaktivität im Vergleich mit Radarbeobachtungen. Diplomarbeit. Universität Wien 2006, S. 17

3 URL:
http://www.skywarn.at/index.php/superzellen.html [Abrufdatum: 10.07.2010]

4 URL:
http://www.dwd.de/bvbw/generator/DWDWWW/Content/Oeffentlichkeit/KU/KUPK/ Wir__ueber__uns/Broschueren/pdf/Tornado,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/Tornado.pdf [Abrufdatum: 07.06.2010]

5
Vgl. Wienecke-Janz (2005), S. 17

6 URL:
http://www.nssl.noaa.gov/users/brooks/public_html/damage/tdam1.html [Abrufdatum: 17.10.2010]

7 URL:
http://www.skywarn.ch/edu_sounding.aspx [Abrufdatum: 11.10.2010]

8
ebd.

9
Vgl.: OS 1/M (1995) S. 25

10
Dahl, J.: „Superzellen – Dynamik und Vorhersage“. Diplomarbeit. Freie Universität Berlin 2006, S. 72

11
Vgl. Dahl, J.: „Superzellen – Dynamik und Vorhersage“. Diplomarbeit. Freie Universität Berlin 2006, S. 73

12
Wienecke-Janz (2005), S. 57

13
Varnhorn (2000), S. 276

14
Dorau, F.: Blitzaktivität im Vergleich mit Radarbeobachtungen. Diplomarbeit. Universität Wien 2006, S. 4

15
Wienecke-Janz (2005), S. 57

16 URL:
http://www.sturmwetter.de/texte/gewitterinfos.htm [Abrufdatum: 17.10.2010]

17
Houze (1994), S. 82

18 URL:
http://www.zamg.ac.at/eumetrain/EUMeTrain2005/Supercell/Content/images/ic57_Convective %20Storm%20Structure%20and%20Evolution_pschlatter-Version0308.2.pdf [Abrufdatum: 16.10.2010]

19
ebd.

20
Dahl, J.: „Superzellen – Dynamik und Vorhersage“. Diplomarbeit. Freie Universität Wien 2006, S. 72

Weitere Quellen:
Die gesamte Quellenangabe befindet sich am Ende der Untersuchung unter folgendem Link.

Letzte Aktualisierung: 25.06.2011 18:17:00
© Jan-Philipp Wulfkühler, Josef Kaiser
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