Gewitter
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 hinreichend großer vertikaler Temperaturgradient vorhanden ist, d. h. wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe so stark abnimmt, daß eine bedingt labile Atmosphärenschichtung vorliegt. Weiter braucht es für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe, welche über die latente Wärme den Energielieferant für die Feuchtekonvektion darstellt. Da die Atmosphäre nie hochreichend trockenadiabatisch labil geschichtet ist, bedarf es der Freisetzung latenter Wärme, welche einen feuchtadiabatischen Aufstieg der Luftpakete ermöglicht. 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 kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst trockenadiabatisch ab, bis seine Temperatur den 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 diesem Vorgang wird latente Wärme freigesetzt. Dadurch erhält das Luftpaket zusätzlichen Auftrieb, da der Temperaturunterschied zur Umgebungsluft zunimmt. Liegt eine bedingt labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket 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, verschwindet die Auftriebskraft und die aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau (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. Auf Grund ihrer Trägheit können die Luftpakete ähnlich einem Springbrunnen über das Gleichgewichtsniveau hinausschießen (konvektives Überschießen), und zwar um so höher, je größer die Labilitätsenergie und damit die Geschwindigkeit des Aufwindes ist. Auf diese Weise können solche overshooting tops Höhen über 20 km erreichen.
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. Bei sehr großtropfigem konvektivem Niederschlag (Platzregen) handelt es sich in der warmen Jahreszeit oder in den Tropen meist um aufgeschmolzene Hagelkörner.
siehe auch: Gewitterzelle
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) vorliegen. Man kann 2 Haupttypen von Luftmassengewitter unterscheiden, Wärmegewitter und Wintergewitter.
Wärmegewitter (auch Sommergewitter genannt) entstehen bei uns praktisch ausschließlich im Sommerhalbjahr. Die starke Sonneneinstrahlung erwärmt die Luft v. a. in Bodennähe und lässt zudem viel Wasser durch Evapotranspiration verdunsten. 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 und erreichen schließlich das Kondensationsniveau. Ist die Atmosphäre darüber feuchtlabil gschichtet, so werden auf diese Weise thermisch Gewitter ausgelöst.
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, welche meist 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. 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 heftigesten sind die Wettererscheinungen dabei in den Küstenregionen (lake effect). Wintergewitter sind oft mit kräftigen Graupelschauer- und Schneeschauern verbunden. 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 dynamische 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. 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 auf heftiger aus.
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 kommt es noch nicht zu einem Luftmassenwechsel, wohl aber zu einem Windsprung, welcher durch das konvergenze Windfeld bedingt ist. Auslöser bzw. Hebungsmechanismus ist hier die zusammenströmende Luft, welche entlang der Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen wird. Im Winter sind solche Konvergenzen meist 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 zur Hebungsvorgängen, welche Feuchtekonvektion und auch Gewitter auslösen können. Dieser Mechanismus ist zu allen Jahreszeiten zu beobachten, schwerpunkmäßig 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 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
Hauptartikel: Blitz
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 einige Millionen Volt betragen. In feuchter Luft kommt es erst zu einer elektrischen Entladung bei einer Spannung von ca. 1'000'000 Volt pro Meter. Allerdings werden solche Spannungen in einer Gewitterwolke nicht erreicht. Einer Blitzentladung geht eine Serie von Vorentladungen voraus, die gegen die Erdoberfläche gerichtet sind. Gleichzeitig geht vom Boden eine Fangentladung aus. Dadurch wird ein Blitzkanal geschaffen, d. h. ein elektrisch leitender Kanal wird durch Stossionisation gebildet. Dieser Kanal baut sich stufenweise auf, bis er zwischen Erdoberfläche und Wolke hergestellt ist. Dann erfolgt die Hauptentladung durch diesen Kanal. Im Durchschnitt benötigen die Vorentladungen zusammengenommen etwa 0.01 s, die Hauptentladung dauert nur 0.0004 s. Nach einer Erholungspause zwischen 0.03 s und 0.05 s erfolgt ein neue Entladung. Im Durchschnitt bilden 4-5 derartige Entladungen einen Blitz. Es wurden jedoch schon bis zu 42 beobachtet. Dadurch kommt das Flackern eines Blitzes zu Stande, das man von blossem Auge erkennen kann.
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).
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; wenn man sich bewegen muss, besser laufen als gehen (siehe Schrittspannung).