Ein Gewitter ist eine mit elektrischen Entladungen (Blitz) und Donner verbundene Wettererscheinung. Es wird meist von kräftigen Regen- oder Schneeschauern begleitet. Manchmal treten sie in Verbindung mit Hagelschauern, böigen Winden und in seltenen Fällen auch mit Tornados auf. Starke Gewitter werden auch als „Unwetter“ bezeichnet.
Durch aufsteigende feuchtwarme Luftmassen baut sich eine große Gewitterwolke (auch Cumulonimbus genannt) auf. Die turbulente Luftströmung trennt kondensierende Wassertröpfchen in unterschiedliche elektrische Potentiale auf. Diese Potentiale zeichnen sich durch Spannungsgefälle aus, welche sich durch Blitze plötzlich ausgleichen. Blitze werden akustisch durch Donner begleitet.
Entstehung von Gewittern
Entstehungsbedingungen
Gewitter können entstehen, wenn hochreichend ein großer vertikaler Temperaturgradient vorhanden ist, d. h. wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe stark abnimmt. Weiter braucht es für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe. Sind diese beiden Grundbedingungen erfüllt, muss nicht zwangsläufig ein Gewitter entstehen. Erst die Hebung der feucht-warmen Luftschicht am Boden löst ein Gewitter aus. Dafür sind weitere 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 kondensiert der Wasserdampf und es bildet sich eine Quellwolke, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu einer Gewitterwolke, einem so genannten Cumulonimbus (kurz: Cb) anwachsen kann. In der Gewitterwolke herrschen starke Aufwinde, die u. U. 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.
Klassifikation von Gewittern
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 stark abnehmen. Man kann 2 Haupttypen von Luftmassengewitter unterscheiden, Wärmegewitter und Wintergewitter.
Wärmegewitter (auch Sommergewitter genannt) entstehen bei uns ausschließlich im Sommerhalbjahr. Die starke Sonneneinstrahlung lässt viel Wasser verdunsten durch Evapotranspiration und erwärmt die Luft v. a. in Bodennähe. Dadurch erhöht sich der Temperaturgradient im Tagesverlauf. 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. Wenn das Luftpaket eine bestimmte Höhe erreicht, sinkt die Temperatur auf das Niveau der Taupunkttemperatur. Ab dieser Temperatur beginnt der im Luftpaket enthaltene Wasserdampf zu kondensieren. Bei diesem Vorgang wird latente Wärme freigesetzt. Dadurch erhält das Luftpaket zusätzlichen Auftrieb, da der Temperaturunterschied zur Umgebungsluft zunimmt. Das Luftpaket steigt nun ungehindert bis in eine Höhe auf, wo der Temperaturgradient wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperaturunterschied im Vergleich zur Umgebungsluft. Ist die Temperatur des Luftpakets schließlich gleich der Temperatur der Umgebungsluft, steigt die Luft nicht weiter auf. Dieses Niveau wird Equilibrium Level genannt. Meist 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.
Wintergewitter entstehen im Winterhalbjahr. Ihre Entstehung ist prinzipiell dieselbe, wie die der Wärmegewitter. Allerdings fehlt im Winter die starke Sonneneinstrahlung. Deswegen kann ein hoher Temperaturgradient nur durch starke Abkühlung in der Höhe zustande kommen. Das geschieht durch Zufuhr von Höhenkaltluft. Diese ist häufig polaren Ursprungs. Wintergewitter verursachen oft kräftige Graupelschauer- und Schneeschauer. Da kältere Luft jedoch weniger Wasserdampf enthält und somit weniger energiereich ist, sind diese Gewitter meist weniger intensiv als Wärmegewitter im Sommer.
Frontgewitter
Frontgewitter entstehen durch Hebung, welche 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.
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 wesentlich häufiger als im Winter.
Orographische Gewitter
Orographische Gewitter entstehen durch Hebung an Gebirgen. Überströmt eine Luftmasse ein Gebirge, wird sie zwangsläufig gehoben. Dabei kühlt sie sich ab und kondensiert u. U. aus. Es kann sich bei geeigneten Bedingungen eine Gewitterwolke bilden. Orographische Gewitter können in Staulagen enorme Regenmengen verursachen, da sie sich u. U. immer wieder an derselben Stelle bilden.
Blitze
Durch die Aufwinde in der Wolke und die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser entstehen Räume mit unterschiedlichen Ladungen. Der obere Teil der Gewitterwolke ist normalerweise positiv und der untere negativ geladen. Wenn der Spannungsunterschied zwischen den verschiedenen Teilen des Cumulonimbus sehr groß ist, kommt es zu einem Blitz.
Ein Blitz ist ein Spannungsausgleich innerhalb der Wolke oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke. In seltenen Fällen kann es auch zu einem positiv geladenen Blitz zwischen dem oberen Teil und dem Erdboden kommen. Für Blitze zwischen Wolke und Erde muss der Spannungsunterschied mehr als 100 Millionen Volt betragen. In trockener Luft überspringen Blitze pro 1'000'000 Volt eine Strecke von 1 m. Um den Blitzkanal wird die Luft schlagartig auf bis zu 30'000 °C erhitzt. Dies führt zu einer explosionsartigen Ausdehnung der Luft, wodurch der Donner hervorgerufen wird. Da der Schall im Gegensatz zum Licht nur eine Geschwindigkeit von 330 m/s aufweist, kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung des Blitzes berechnen (drei Sekunden entsprechen etwa einem Kilometer).
Es gibt unterschiedliche Arten von Blitzen.
Gefahren
In manchen Fällen bergen starke Gewitter Gefahren, wie z. B. Sturmschäden, 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 die meisten Gebäude vor Blitzen geschützt.
Verhalten bei Gewitter
Bei einem Gewitter sollte man Gewässer und Schwimmbecken verlassen, weil Wasser elektrisch leitet und ein Blitzschlag in der Nähe gefährliche Kriechströme verursachen kann. Man sollte sich nicht in der Nähe von Bäumen, Masten o. ä. aufhalten, denn Blitze suchen sich meist den kürzesten Weg zwischen Gewitterwolke und Erde und werden von spitzen Gegenständen angezogen. Aus demselben Grund sollte man auch Hügel und Höhenzüge meiden!. Am sichersten ist man im Inneren eines Fahrzeugs (Faradayscher Käfig) oder in einem Gebäude. Falls man sich im Freien aufhält und keinen Schutz mehr vor dem Gewitter findet, sollte man sich in einer Mulde zusammenkauern. Wenn der Blitz in der Nähe einschlägt und man sich in aufrechter Position befindet, sollte man auf einem Fuß stehen (siehe Schrittspannung).