Weltenwetter

Der amerikanischen Raumsonde Cassini, die seit dem 30. Juni 2004 den Ringplaneten Saturn umkreist und auch an zahlreichen seiner Monde vorbeigeflogen ist, sind eindrucksvolle Aufnahmen von dessen Nord- und Südpolregion gelungen. Über beiden Polen bedindet sich jeweils ein einziger, sehr ausgedehnter Tiefdruckwirbel, der irdischen Hurrikanen ähnelt.

Saturn ist mit 95 Erdmassen nach Jupiter, der es sogar auf 318 Erdmassen bringt, der zweitgrößte Planet unseres Sonnensystems. Von den anderen Planeten unseres Sonnensystems hebt sich der Saturn durch seinen schon in kleinen Fernrohren sichtbaren Ring ab, der zu großen Teilen aus Wassereis besteht. Saturn umläuft die Sonne auf einer annähernd kreisförmigen Umlaufbahn in einer Entfernung von 9 bis 10 AE (1 AE=1 Astronomische Einheit=150 Millionen Kilometer; entspricht dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne). Für eine Umrundung der Sonne (1 Saturnjahr) benötigt Saturn über 29 Erdenjahre. Ein Tag auf dem schnell rotierenden Planeten dauert nicht einmal 11 Stunden. Die Drehachse des Saturn steht, ähnlich wie bei der Erde, nicht genau senkrecht auf der Bahnebene, sondern ist etwas gekippt, so daß es dort ausgeprägte Jahreszeiten gibt. Saturn gehört wie Jupiter zu den sogenannten Gasriesen. Seine Atmosphäre besteht vorwiegend aus Wasserstoff, es folgt mit deutlichem Abstand Helium und dann in nochmals deutlich geringerer Menge Ammoniak, Methan, Wasser und verschiedenste organische Verbindungen. Obwohl er nur geringfügig kleiner ist als Jupiter wiegt er doch weniger als ein Drittel, was an seiner sehr geringen Dichte liegt, die sogar geringer als die von Wasser ist. Gäbe es einen Ozean voll Wasser, der groß genug ist, würde Saturn darauf wie ein Korken schwimmen.

Der Ringplanet Saturn im sichtbaren Licht. Quelle: Cassini, NASA

Das Wettergeschehen auf dem Saturn wird, wie bei Jupiter auch, nicht nur durch die in Abhängigkeit vom Breitengrad unterschiedliche starke Sonneneinstrahlung, sondern vor allem auch durch die innere Wärmeentwicklung des Planeten bestimmt (Kelvin-Helmholtz-Effekt, s.u.). Wie auf dem Jupiter gibt es abwechselnd west- und ostwärts orientierte Jetstreams, die sich aus walzenförmigen Konvektionszellen bilden, die den ganzen Planeten umspannen und durch die schnelle Eigenrotation des Saturn zu breitenkreisparallelen Windbändern verformt werden. Aus kleinen Unregelmäßigkeiten (Konvergenzen und Divergenzen) in der Strömung der mäandernden  Jetstreams entwickeln sich Hoch- und Tiefdruckwirbelstürme, die für einen gewissen Temperaturausgleich zwischen hohen und niedrigen Breiten sorgen.

Sturmsysteme in den mittleren Breiten der Südhalbkugel: Falschfarbenaufnahme Tagseite, hohe Wolken hell, mittlere Wolken braun, tiefe Wolken rot (links); durch den Widerschein der Saturnringe erhellte Nachtseite (rechts). In den Wolken wurden immer wieder gewaltige Blitzentladungen registriert. Quelle: Cassini, NASA 

Die Atmosphäre wird mit zunehmender Tiefe immer dichter bis sie schließlich aufgrund des extrem hohen Druckes vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Bei ganz extrem hohen Drücken wird der Wasserstoff metallisch. Unterhalb dieser Schicht aus Wasserstoffmetall liegt ein Gesteinskern (ca. 16 Erdmassen), dessen Inneres bei rund 12000° C glühend heiß und aufgeschmolzen ist. Saturn besitzt neben seinen Ringen zahlreiche Monde, deren größter, der Titan sogar über eine eigene Atmosphäre verfügt.

An beiden Polen Saturns befindet sich jeweils ein riesiger Tiefdruckwirbel (Cyclon), der in seinem Erscheinungsbild und Aufbau tropischen Wirbelstürmen (Hurrikanen) auf der Erde gleicht!

Tropische Wirbelstürme entstehen normalerweise nur über offenem warmem Wasser (mindestens 26°C), wenn die Luft darüber so kalt ist, daß ein ausreichender vertikaler Temperaturgradient (Temperaturgefälle)zustande kommt. Je wärmer das Meerwasser ist, umso mehr Wasser verdunstet und umso mehr Energie in Form von latenter Wärme steht dem Wirbelsturm zur Verfügung: Die über dem Wasser erwärmte, feuchte Luft steigt auf und kühlt dabei ab. Auslösendes Moment ist meistens eine Divergenz (”Luftloch”) innerhalb der Höhenluftströmungen. Die beim Aufsteigen abkühlende Luft kann immer weniger Feuchtigkeit aufnehmen, so daß schließlich Wolkenbildung einsetzt. Dabei wird fortlaufend die für die Verdunstung des Wassers zuvor verbrauchte Energie (latente Wärme) als Kondensationswärme wieder frei. Das wiederum verstärkt den Auftrieb der Luft, die solange weiter aufsteigt, wie sie eine noch höhere Temperatur als die Umgebungsluft hat. Ein hoher vertikaler Temperaturgradient ist für den sich selbst verstärkenden Prozeß der Wolkenbildung und damit auch für die Entstehung eines tropischen Wirbelsturms entscheidend! Wichtig ist auch, daß immer genug latente Wärme durch Wasserverdunstung nachgeliefert wird. Es türmen sich  dann gewaltige Gewitterwolken auf, die bis in die obere Troposphäre reichen, ja sogar in die Stratosphäre durchbrechen können. Die aufsteigende Luft wird durch den Einfluss der Erdrotation abgelenkt, und es entsteht ein Wirbel, der ein sich verstärkendes Tiefdruckgebiet bildet, das immer mehr feuchtwarme Luft von allen Seiten ansaugt (bodennahe Konvergenz). Die Drehbewegung wird, angetrieben durch die latente Wärme, immer schneller. Ein tropischer Wirbelsturm wirkt wie eine gigantische Kühlmaschine, die Wärme von der Wasseroberfläche in große Höhen transportiert, wo sie als Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben wird. Die Drehbewegung nimmt innerhalb des tropischen Wirbelsturms zum Zentrum hin immer mehr zu. Die Zentrifugalkräfte werden dabei oft so groß, daß sich im Zentrum ein beinahe windstilles, wolkenarmes Auge bildet, in dessen Außenrand (Eyewall), der Auftrieb der feuchtwarmen Luftmassen besonders groß ist. Vom Auge wird aus der Höhe Luft angesaugt, die sich auf ihrem Weg nach unten immer mehr erwärmt, was wiederum die Wolkenbildung hemmt. Deshalb ist das Zentrum eines tropischen Wirbelsturms immer warm und oft auch praktisch wolkenfrei!

Auch auf dem Saturn werden die Wirbelstürme durch einen hohen vertikalen Temperaturgradienten angetrieben, denn die unteren Atmosphärenschichten werden durch eine starke innere Wärmequelle aufgeheizt, für die wahrscheinlich der Kelvin-Helmholtz-Effekt verantwortlich ist: Wenn ein vorwiegend aus Gasen bestehender Planet durch die Abgabe von Wärme in den Weltraum abkühlt, so sinkt der innere Druck und unter dem Einfluss der Schwerkraft zieht sich der ganze Planet ein wenig zusammen. Diese Kompression erzeugt dann wiederum innere Wärme, wodurch die ganze Planetenatmosphäre von unten aufgeheizt wird. 

                                                               Polarwirbel auf Saturn: Nordpoll (links), Südpol (rechts); Infrarotaufnahme. Bei den wessen Flecken handelt es sich um Quellwolken, darunter auch viele Gewitterzellen. Quelle: NASA

Bemerkenswert ist die hexagonale Struktur am Nordpol, die im Gegensatz zu den umgebenden Wolken bewegungslos verharrt! Die Struktur wurde bereits von den Voyager-Sonden fotografiert, ist also seit mindestens 28 Jahren (!) stabil. Erklärungen dafür gibt es bisher keine.
Vielleicht handelt es sich ja um eine einzelne Benard-Zelle. Diese Konvektionszellen bilden sich durch Selbstorganisation in Flüssigkeiten oder Gasen, wenn diese von unten erhitzt werden und dabei ein kritischer Temperaturgradient zwischen Ober- und Unterseite überschritten wird. Genau das ist durch die innere Wärmequelle des saturn gegeben.

 
Benard-Zellen erscheinen oft bienenwabenartig (hexagonale Struktur). 

Faszinierend ist auch eine Detailaufnahme des Südpolarwirbels: 

Auge und Eyewall des Südpolarwirbels im Infraroten. Im Auge befinden sich zahlreiche, deutlich kleinere Tiefdruckwirbel. Quelle: Cassini, NASA

Innerhalb des Auges scheint sich ein weiterer konvektiver Ring mit kleineren Tiefdruckwirbeln und Gewitterzellen zu befinden. Sie erscheinen im Infrarotbild hell, da die Wolken weit hinaufreichen und ihre Oberseiten deshalb sehr kalt sind. Ansonsten sinken die Luftmassen im Auge aber großflächig ab, so daß sich die Wolken auflösen und den Blick in tiefere Schichten freigeben. Die dunkleren, blassen Wolken befinden sich in relativ geringen Höhen über der sichtbaren, tiefen, relativ warmen und deshalb noch dunkleren „Oberfläche“ und sind nur wenig kühler als diese. Es handelt sich wahrscheinlich um Schichtwolken (Stratus). die sich im Auge unterhalb einer Absinkinversion bilden. Die Wolken des Saturn bestehen in tieferen Atmosphärenschichten aus Wasser und Wassereis; darüber kommen hauptsächlich Ammoniak(eis)wolken vor.

Worum es sich bei der im Bereich des Auges sichtbaren Oberfläche genau handelt lässt sich noch nicht sagen. Sie ähnelt ein wenig einer Wasseroberfläche. Das erscheint aber, bei den auf Saturn nach bisheriger Kenntnis herrschenden Verhältnissen, eigentlich unvorstellbar! Andererseits, Überraschungen gibt es immer wieder, und vielleicht existiert ja doch ein Ammoniak-Wassser-Ozean als Flüssigkeitsreservoir für die Wolkenbildung. Diese findet für Ammoniak und Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen stattf, denn Ammoniak kondensiert erst bei niedrigeren Temperaturen und damit auch in größeren Höhen als Wasser. Es fände also eine Fraktionierung der Bestandteile des Ozeans statt; niedrige Wasser(eis)wolken und hohe Ammoniak(eis)wolken. Das entspricht immerhin genau den tatsächlichen Befunden.

 Jens Christian Heuer

Quelle: Cassini Homepage, NASA http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm

Innerhalb von 2 Wochen hat es in der Sahara sehr stark geregnet. In beiden Fällen gab es in Algerien ausgedehnte Überschwemmungen, da der trockene Boden das viele Wasser nicht aufnehmen konnte. Dabei waren leider auch viele Tote zu beklagen.

Ursache war in beiden Fällen ein dynamisches Tiefdruckgebiet, das sich bis nach Nordafrika verirrte. Das ist garnicht einmal so ungewöhnlich, wie es zunächst erscheinen mag. Dazu ein paar Erläuterungen:

Wetterlage am 9.Oktober 2008 15:00 Uhr UTC  Ein blockierendes Hoch über Mitteleuropa hat ein dynamisches Tief bis weit in den Süden abgelenkt. Über dem relativ wamen Mittelmeerwasser hat es viel latente Wärme aufgenommen und ist inzwischen über Marokko angekommen.

Dynamische Tiefdruckgebiete entstehen an der Polarfront, wo (sub)tropische Warmluft und polare Kaltluft aufeinander treffen und wegen der Erdrotation entgegengesetzt aneinander vorbeiströmen. Der hohe Temperaturgradient (Temperaturgefälle) zwischen beiden Luftmassen erzeugt ein mit der Höhe immer weiter zunehmenden Druckgradienten (Druckgefälle), da warme Luft sich mehr in der Vertikalen ausdehnt als kalte Luft. Daraus resultiert ein polwärts gerichteter starker Höhenwind (Jetstream), der wiederum durch die Erdrotation zu einem Westwind abgelenkt wird, der sich bis zum Boden hin durchsetzt (Westwindzone). In den Bereichen mit den größten Temperatur- und Druckgradienten zwischen Warm- und Kaltluft sind auch die Windgeschwindigkeiten im Jetstream am höchsten. Wird eine kritische Strömungsgeschwindigkeit erreicht, fängt der Jetstream an zu mäandern. Auslöser sind kleine Abweichungen der Temperaur- und Druckgradienten innerhalb der Streckenabschnitte des Jetstreams. Es bilden sich Rossby-Wellen mit Höhenrücken bzw. Hochkeilen (Wellenberge mit Warmluft) und Höhentrögen (Wellentäler mit Kaltluft). Die Luftströmung innerhalb des Jetstreams wird zunehmend turbulent. Aus Konvergenzen (Luftverdichtungen) entwickeln sich einerseits abwärtsgerichtete Hochdruckwirbel (Hochs), in denen sich die absinkende Luft erwärmt, so daß Wolken sich auflösen (Schönwetter). Andererseits entstehen aber aus Divergenzen (Luftlöchern) aufwärtsgerichtete Tiefdruckwirbel (Tiefs), in denen die Luft gehoben wird und sich dabei abkühlt. Bei ausreichender Luftfeuchtigkeit setzt dann bald Wolkenbildung ein (Schlechtwetter). Warm- und Kaltluft werden ausgehend von einer durch die Höhendivergenz ausgelösten Wellenstörung der Polarfront verwirbelt und somit ein Temperaturausgleich zwischen beiden Luftmassen herbeigeführt. Dabei bilden sich im Tiefdruckwirbel eine Warm- und eine Kaltfront.

Wetterlage am 11.Oktober 2008 15:00 Uhr UTC  Das Tief bildet langsam eine von Norden nach Süden verlaufende Kaltfront aus, wo sich durch kleine Wellenstörungen mächtige Gewitterzellen entwickeln. Das Tiefdruckzentrum hat sich über die Iberische Halbinsel verlagert.

Der Jetstream steuert die Zugbahnen der Hochs und Tiefs und so  maßgeblich auch das Wettergeschehen in den mittleren Breiten, aber manchmal eben auch in den Subtropen, wie wir gleich sehen werden…

Der Jetstream kommt in zwei Schwingungsmuster vor, die einander abwechseln:

Zunächst entwickelt der Jetstream bei einem starkem Temperaturgradienten hohe Windgeschwindigkeiten und mäandert nur wenig. Die Luftbewegungen verlaufen hauptsächlich breitenkreisprallel (zonale Zirkulation), so daß kaum ein Temperaturausgleich zwischen Warm- und Kaltluft möglich ist. Daher wachsen Temperaturgradient und Windgeschwindigkeiten immer mehr. Wird eine kritische Strömungsgeschwindigkeit überschritten, so beginnt der Jetstream stärker zu mäandern. Die Luftbewegungen verlaufen jetzt eher längenkreisparallel (meridionale Zirkulation), so daß ein effektiver Temperaturausgleich zwischen den beiden Luftmassen möglich ist. Dadurch sinken Temperaturgradient und Windgeschwindigkeiten immer weiter, bis die Höhenströmung schließlich mehr oder weniger zusammenbricht. Dabei können sich warme Hochdruckwirbel (aus einem Hochkeil) und kalte Tiefdruckwirbel (aus einem Höhentrog) abspalten, denn polwärts erneuert sich der Jetstream wieder als zonale Höhenströmung mit hohen Windgeschwindigkeiten.

 Eingebettet in kühlere Umgebungsluft sind die Hochdruckwirbel dynamisch stabil und daher sehr langlebig, denn der Luftdruck ist in allen Höhenlagen im Wirbel höher als außerhalb. Als blockierende Hochs zwingen sie die dynamischen Tiefdruckwirbel der Westwindzone zu großen Umwegen bis weit in den Norden oder Süden.

Wetterlage am 12.Oktober 2008 15:00 Uhr UTC  Die Kaltfront ist voll ausgebildet. Der Kaltluftwirbel des Tiefdruckzentrums über der Iberischen Halbinsel hat sich anscheinend vom übrigen dynamischen Prozess des Tiefs getrennt.

Auch die abgespaltenen kalten Tiefdruckwirbel sind in ihrer wärmeren Umgebung dynamisch stabil, denn in allen Höhenlagen ist der Luftdruck im Wirbel niedriger als außerhalb. Gelangen sie über eine warme Wasseroberfläche, so können sie viel Energie in Form von latenter Wärme aufnehmen, die bei der für Tiefdruckgebiete charakteristischen Wolkenbildung als Kondensationswärme wieder frei wird. Dadurch  gewinnen sie enorm an Kraft.

Höhenkarte 500 HPa vom 12. Oktober 2008: Die schwarzen durchgezogenen Linien sind Isohypsen, die anzeigen in welcher Höhe der Luftdruck auf 500 hPa zurückgegangen ist (Höhenangaben in Dekametern!). Da sich warme Luft in der Verikalen mehr ausdehnt als kalte Luft, sinkt in einer warmen Luftsäule der Luftdruck mit zunehmender Höhe dementsprechend langsamer. Je wärmer also die Luft, umso größer die Höhe in der der Luftdruck auf 500 hPa zurückgegangen ist. Man erhält in einer zusammenfassenden Kartendarstellung dann eine 500 hPa-Fläche in Form einer “Landschaft” mit “Bergen” und “Tälern”. Diese Fläche befindet sich in einer Höhe zwischen 5000 und 6000 Metern. Die unterbrochenen schwarzen Linien sind Isothermen, die Orte gleicher Temperatur auf dem 500 hPa- Niveau miteinander verbinden. Die Temperaturwerte sind jeweils eingetragen. Geringe Abstände zwischen den Isohypsen bzw. Isothermen zeigen ein großes Luftdruck bzw. Temperaturgefälle (Gradienten)an und umgekehrt. Die Isohypsen zeigen so sehr schön die Höhenwinde der Westwindzone und die Lage des Jetstreams. H= Hoch, T=Tief, W=Warmluft, K=Kaltluft Sehr gut sind die abgespaltenen Hoch- und Tiefdruckwirbel und weiter im Norden der erneuerte Jetstream zu erkennen.

Sind die Wassertemperaturen ausreichend hoch, so kann sogar eine Art tropischer Wirbelsturm zustande kommen.

Wetterlage am 30.September 2008 06:00 Uhr UTC  Schon Ende September sorgte ein verirrtes Tief über Nordafrika für Unwetter in der Sahara.

Kalte Tiefdruckwirbel, die  jeweils durch ein blockierendes Hoch über Mitteleuropa weit nach Süden umgelenkt wurde, waren auch für die beiden letzten Starkregenereignisse über der Sahara verantwortlich.

Jens Christian Heuer

Quellen: EUMETSAT http://www.eumetsat.int/Home/index.htm, Berliner Wetterkarte e.V.