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Hintergrundinformationen Gewitter
     
 

Wie entstehen Gewitter?

Voraussetzung für die Bildung eines Gewitters ist die Konvektion in einer Atmosphäre mit hoher Luftfeuchtigkeit und einer vertikal labilen Schichtung, die durch warme Luft am Boden und kalter Luft in der Höhe erreicht wird . Unter dem Begriff Konvektion (lateinisch, convehere = zusammentragen, zusammenbringen) versteht man in der Meteorologie den vertikalen Transport von Luftpaketen in die Höhe. In der Natur kennt man zwei Arten von Konvektion: die freie und die erzwungene Konvektion.

 Die freie Konvektion entsteht, wenn die Eroberfläche durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird und damit durch molekulare Wärmeleitung auch die unteren Luftschichten. Ist die Erdoberfläche dunkel beschaffen, so erwärmt sie sich schneller als ihre helle Umgebung, die das Sonnenlicht stärker reflektiert.

Es entsteht ein Temperaturunterschied, der dazu führt, dass die wärmere Luft aufsteigt, weil sie weniger dicht ist als die kältere Umgebungsluft. Beim Aufstieg wird thermische Energie in höhere Luftschichten geführt. Daher bezeichnet man die freie Konvektion oft auch als t hermische Konvektion (oder als Thermik).

Die erzwungene Konvektion resultiert aus einem äußeren Antrieb. So werden horizontal angetriebene Luftpakete beispielsweise an orographischen Hindernissen zu einem Aufsteigen gezwungen. Auch an Kaltfronten im Zusammenhang mit der Verlagerung von Tiefdruckgebieten, die die wärmere Luft in höhere Luftschichten verschieben, entsteht erzwungene Konvektion. Ebenso kommt es an Konvergenzlinien (Linien mit zusammenströmender Luft) zu erzwungener Hebung.

Ist die Konvektion nun eingeleitet, werden die erwärmten Luftpakete in so genannten Thermikblasen bei dem Aufstieg wieder abgekühlt. Dabei wird die Luft trockenadiabatisch (ohne Austausch von Feuchtigkeit und Wärme) um 1 °C pro 100 m abgekühlt. Die maximale Luftfeuchtigkeit, die Luft aufnehmen

kann, ist aber temperaturabhängig, warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte. Als Resultat daraus steigt die relative Luftfeuchtigkeit (die das das Verhältnis von tatsächlich vorhandener zur maximalen

Luftfeuchtigkeit angibt) bei der Abkühlung des Luftpaketes mit dem Aufstieg. Erreicht die relative Luftfeuchtigkeit 100 % oder mehr, kommt es zur Kondensation des Wasserdampfes. In dem Fall wird die Wolkenbildung ausgelöst. Dafür müssen in der Luft mikroskopisch kleine Kondensationskerne, die beispielsweise aus Dreck und Staub sein können, vorhanden sein. Die Höhe, in der das Luftpaket Kondensation erfährt, nennt man Kondensationsniveau. Ab dieser Höhe steigt das Wolkenpaket bei entsprechender Schichtung feuchtadiabatisch (Austausch von

Feuchtigkeit, aber kein Wärmeaustausch), Es kühlt sich nun nicht mehr so stark ab (nur noch um etwa 0,6 °C pro 100 m), denn bei diesem Vorgang wird Kondensationswärme frei, die die Abkühlung reduziert. Da die Wolkenbildung aus einzelnen Thermikblasen heraus geschieht, bilden sich einzelne, scharf abgegrenzte Haufenwolken, die auch als Cumulus bekannt sind.

Sind jetzt die Voraussetzungen für einen weiteren Aufstieg gegeben, bilden sich immer größere und höhere Cumuluswolken (Cumuli). Dazu muss dasLuftpaket weiterhin wärmer sein als seine Umgebungsluft, damit es aufgrund seiner dann geringeren Dichte leichter ist und weiter aufsteigt. Durch das Freiwerden von Kondensationswärme ab der Wolkenbasis (also der Höhe des Kondensationsniveaus) erfährt das Luftpaket eine Zufuhr latenter Wärme, es bleibt also wärmer als die Umgebungsluft und kann weiter aufsteigen. Je kälter die umliegende Luft ist, desto höher kann das Paket steigen. Je höher der Aufstieg nun geht, desto höher werden die Cumulus. Bei gleichzeitiger Kondensation werden nun immer weiter Wolkentröpfchen gebildet. Sind die Voraussetzungen gut erfüllt, geht dieser Aufstieg bis zur Tropopause hoch, die sich zwischen 5 bis 6 km an den Polen, 7 bis 8 km in den mittleren Breiten und 10 bis 12 km am Äquator befindet. Die Cumuli durchlaufen die Stadien humilis (unterstes Niveau, bis etwa 2 km Höhe), mediocris (mittleres Niveau, bis etwa 6 km Höhe), congestus (höchstes Niveau,

bis zur Tropopause) und Cumulonimbus (höchstes Niveau und mit Regen). Typischerweise sind in 5 bis 6 km Höhe in den Wolken Eiskristalle anstatt von Wolkentröpfchen vorhanden, oft erkennt man an den Wolken

dann eine faserige Struktur. Stößt die Wolke an die Obergrenze an der Tropopause, so bleibt nur noch ein horizontales Ausweichen der aufsteigenden Luft, da die Tropopause durch gleich bleibende Temperaturen eine Inversion darstellt und die Luftpakete nicht mehr weiter aufsteigen können, weil sie im Vergleich zur Umgebung nun nicht mehr wärmer sind. Es kommt zur Ausbildung eines typischen Ambosses an den Oberrändern der Wolke. Gute Voraussetzungen für ein Gewitter ist also ein starker vertikaler Temperaturgradient: am Boden warm, damit Luftpakete aufsteigen können, in der Höhe kalt, damit es immer weiter steigen kann. Solche atmosphärischen Bedingungen nennt man bedingt labil. Die immer größer werdenden Wolken bilden sich nun zu Schauer- oder Gewitterwolken, den Cumulonimbus , aus.

Hat die Konvektion eine Gewitterwolke ausgelöst, so kommt es zu Regen, oft auch Hagel und zu Blitz und Donner . Mit dem Gewitter sind zudem häufig starke Windböen verbunden, die auch in der Nähe der Zelle zu beobachten sind. In starken Gewittern können dazu Aufwinde von 120 km/h auftreten. Durch die Turbulenzen in der Wolke laden sich die Wolkentröpfchen und Eiskristalle auf. Dabei wehen die kleinen, positiv geladen Teilchen an die Wolkenoberseite und die großen, negativ geladenen Teilchen an die Wolkenunterseite (siehe dazu auch Frage 23 in diesem Kapitel). Es kommt zur elektrostatischen Aufladung der Wolke . Erreicht die Ladung eine bestimmte Grenze, so entstehen die ersten Blitze . Häufig ergeben sich Blitze von Wolke zu Wolke. Da sich aber auch die Erdoberfläche positiv auflädt, gibt es auch Blitze zwischen Wolke und Erdoberfläche. Es beginnt dann mit dem so genannten Vorblitz (auch Leitblitz), durch den der Blitzkanal geschaffen wird. Von der Erdoberfläche, meist von hohen Gegenständen, streben dem Blitzkanal Fangentladungen entgegen. Sobald die Verbindung beider Kanäle entstanden ist, zündet der Hauptblitz. Dabei fließt Strom von der Erdoberfläche zur Wolke. Es können noch weitere Blitzentladungen folgen, meist erscheint der Blitz, als würde er flackern.


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