Weltenwetter

Archive for Oktober 2008

Wirbelstürme auf dem Saturn

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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

Written by jenschristianheuer

Oktober 15, 2008 at 10:29 pm

Veröffentlicht in Wetterwelten

Regen in der Sahara

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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.

Written by jenschristianheuer

Oktober 13, 2008 at 9:40 pm

Veröffentlicht in Wetternotizen

Sonnenflecken und Hurrikane

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Die Anzahl der Sonnenflecken hat einen deutlich nachweisbaren Einfluss auf die Häufigkeit und Intensität von tropischen Wirbelstürmen (Hurrikanen) im Atlantik. Das ergaben umfangreiche statistische Untersuchungen von Hurrikan-Daten der letzten 100 Jahre und des Sonnenfleckenzyklus durch den Klimaforscher James Brian Elsner an der Florida State University (http://mailer.fsu.edu/~jelsner/www/).

 

 

 

Anzahl der Sonnenflecken in den letzten 400 Jahren. Das Maunder-Minimum brachte die  „Kleine Eiszeit“, die für Europa sehr gut dokumentiert ist. Quelle: Robert A. Rohde

 

Dabei zeigten sich im West- und Ostatlantik vollkommen gegensätzliche Zusammenhänge:

 

Im Westatlantik führen mehr Sonnenflecken zu weniger (und schwächeren) tropischen Wirbelstürmen, im Ostatlantik nimmt ihre Anzahl (und Stärke) hingegen zu.

 

Für diese scheinbar widersprüchlichen Befunde, bietet Elsner eine einleuchtende Erklärung an:

 

Mehr Sonnenflecken zeigen eine erhöhte Sonnenaktivität an und damit gelangt auch mehr ultraviolette Strahlung (UV) zur Erde. In Abhängigkeit von den natürlichen Schwankungen der Sonnenaktivität kann sich die Stärke der UV-Strahlung um bis zu 10% ändern. Die UV-Strahlung erwärmt wiederum die Stratosphäre, denn diese enthält reichlich Ozon, das die für das irdische Leben gefährlichen Anteile dieser Strahlung absorbiert. Auch die direkt unter der Stratosphäre liegende obere Troposphäre wird mit erwärmt. Dadurch sinkt aber der für die Entwicklung tropischer Wirbelstürme entscheidende vertikale Temperaturgradient (Temperaturgefälle).

 

Tropische Wirbelstürme entstehen normalerweise nur über offenem  und mindestens 26°C warmem  Wasser, wenn die Luft darüber kalt genug ist. Je wärmer das Meerwasser ist, je mehr Wasser also verdunstet, umso mehr Energie steht dem Wirbelsturm zur Verfügung: Die über dem Wasser erwärmte, feuchte Luft wird gehoben und kühlt dabei ab. Auslösendes Moment ist dabei eine Divergenz („Luftloch“) innerhalb der Höhenwinde. Die abkühlende Luft kann immer weniger Feuchtigkeit aufnehmen, so daß Wolkenbildung einsetzt. Dabei wird fortlaufend die für die Verdunstung des Wassers zuvor verbrauchte Energie als Kondensationswärme (latente Wärme) 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 (Temperaturgefälle) ist als Antrieb für den sich selbst verstärkenden Prozeß  der Wolkenbildung und damit letztendlich auch für die Entstehung des tropischen Wirbelsturms entscheidend! Wichtig ist, daß immer genug latente Wärme durch Wasserverdunstung nachgeliefert wird. Es bilden sich gewaltige Wolkentürme 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 immer schneller, angetrieben durch die latente Wärme. Ein tropischer Wirbelsturm funktioniert dabei wie eine gigantische Kühlmaschine, die Wärme von der Wasseroberfläche in große Höhen transportiert, wo sie als Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben wird. Die Drehbewegung wird innerhalb des tropischen Wirbelsturms zum Zentrum hin immer schneller. Die Zentrifugalkräfte werden 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. Wolken lösen sich dabei auf. Das Zentrum eines tropischen Wirbelsturms ist also immer warm und oft auch wolkenfrei! Tropische Wirbelstürme bewegen sich mit der jeweils vorherrschenden Luftströmung. Quelle: NOAA

 

Im Ostatlantik sind die Temperaturen des Oberflächenwassers im Durchschnitt niedriger als im Westatlantik, weil die Nordostpassate vor der afrikanischen Westküste kaltes Tiefenwasser emporquellen lassen. Sie reichen daher oft nicht aus, um die Entstehung eines tropischen Wirbelsturms zu ermöglichen. Die Temperatur des Oberflächenwassers ist hier also ein limitierender (begrenzender) Faktor für tropische Wirbelstürme. Eine leichte Erhöhung der Sonneneinstrahlung genügt dann oft schon, und das Oberflächenwasser erfährt den entscheidenden Temperaturanstieg für mehr Wirbelstürme.

 

Im Westatlantik sind die Temperaturen des Oberflächenwassers hingegen (fast) immer ausreichend hoch. Der vertikale Temperaturgradient wird somit zum allein limitierenden Faktor für tropischen Wirbelstürme.

Die Untersuchung von Elsner wirft ein völlig neues Licht auf die Debatte darüber, ob eine globale Erwärmung durch Treibhausgasen zu mehr tropischen Wirbelstürmen und Hurrikans führt oder nicht. Die Rolle der Sonne wurde bisher dabei wohl etwas unterschätzt!

Noch ein paar weitergehende spekulative Überlegungen zum Schluß: Wenn der von Elsner postulierte Mechanismus einer Erwärmung der Stratosphäre und oberen Troposphäre durch mehr UV-Strahlung tatsächlich funktioniert (wofür es auch schon konkrete Hinweise gibt), dann liegt es für mich nahe, auch einmal dem möglichen Einfluß der Sonnenaktivität auf die Nordatlantische Oszillation (NAO-Index) nachzugehen, also dem Einfluß der Sonne auf die Häufigkeit und Stärke außertropischer Sturmtiefs.

Eine erhöhte Sonneneinstrahlung würde sich wegen des steileren Einfallwinkels vor allem in niedrigen Breiten (Tropen, Subtropen) bemerkbar machen. Der Temperaturgradient (Temperaturgegensatz) zwischen Warmluft und polarer Kaltluft an der Polarfront würde in der Stratosphäre und oberen Troposphäre  zunehmen. Weil dieser Temperaturgradient wiederum den Jetstream antreibt, könnte das die Westdrift verstärken, so daß auch mehr Sturmtiefs entstehen, welche dann West- und Mitteleuropa erreichem und mildes, feuchtes uns abwechslungsreiches Wetter bringen. Die Mittelmeerregion bliebe dagegen trocken. Gleichzeitig würde der starke Jetstream die polare Kaltluft gut einschliessen und Kaltluftausbrüche in Richtung Süden verhindern. Die Winter würden dann insgesamt gesehen milder. Der Index der Nordatlantischen Oszillation wäre also positiv (NAO +).

 

Bei verringerter Sonnenaktivität würde sich das aber total ändern. Durch den dann verminderten Temperaturgradienten an der Polarfront würde der Jetstream schwächer und darum auch stärker mäandern. Immer wieder käme es dann zu massiven Kaltluftausbrüchen in Richtung Süden. Die Westdrift wäre zudem geschwächt und deshalb würden weniger Sturmtiefs West- und Mitteleuropa erreichen, um dort für mildes Wetter zu sorgen. Blockierende Hochs würden desöfteren Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umlenken, wo es dann endlich mehr Regen gäbe. Der Index der Nordatlantischen Oszillation wäre also negativ (NAO -).

 

 

 

NAO + (links): Der Polarwirbel ist aufgrund eines hohen Temperaturgradienten zwischen Warmluft und polarer Kaltluft in der Stratosphäre (bzw. wegen einer besonders kalten Stratosphäre über dem Nordpol) sehr stark und treibt den Jetstream an. In einer entsprechend starken Westdrift gelangen dann zahlreiche Sturmtiefs (welche sich aufgrund von Divergenzen, also „Luftlöchern“ in der turbulenten Höhenströmung des Jetstreams bilden) nach Nord-, West- und Mitteleuropa, um unter ihren Zugbahnen für feuchtes, mildes, aber auch wechselhaftes Wetter zu sorgen. Im Mittelmeerraum kommen aber nur wenige Sturmtiefs an; daher bleibt es trocken. Sehr oft entwickeln sich ein Islandtief, und ein Azorenhoch zwischen denen ein hoher Druckgradient (Druckgefälle) besteht. Die beiden Druckgebilde verstärken dann ihrerseits wieder den Jetstream, indem sie vermehrt Warmluft und polare Kaltluft an der Polarfront einspeisen und so den Temperaturgradienten, der ja den Jetstream antreibt noch weiter erhöhen. Kaltluftausbrüche in Richtung Süden sind eher selten, weil der starke, nur wenig mäandernde Jetstream die polare Kaltluft gut einschliesst. Starke Passatwinde lassen kaltes Tiefenwasser an der westafrikanischen Küste emporquellen. Wegen des dadurch kühleren Oberflächenwassers entstehen weniger tropische Wirbelstürme im Ostatlantik.

NAO – (rechts): Der relativ schwache, stark mäandernde Jetstream lässt immer wieder Kaltlufteinbrüche in den Süden zu. Bei schwachen Islandtief und Azorenhoch und einer ebenfalls schwachen Westdrift erreichen nur wenige Sturmtiefs West-, Mittel- und Nordeuropa.  Dafür werden einige von ihnen aufgrund der (wegen des stark mäandernden Jetstreams) häufiger vorkommenden blockierenden Hochdrucklagen in den Mittelmeerraum umgelenkt, wo es dadurch häufiger regnet. Schwächere Passatwinde begünstigen tropische Wirbelstürme, aufgrund der dann höherer Oberflächenwassertemperaturen im Atlantik. Quelle: http://www.washington.edu/

Sollte sich ein Einfluß der Sonnenaktivität auf die Nordatlantische Oszillation nachweisen lassen, so müsste die Rolle der Sonne bei der globalen Erwärmung der letzten Jahrzehnte – die besonders auf der Nordhalbkugel stattfand – im Vergleich zu den Treibhausgasen vollkommen neu bewertet werden. Zu denken gibt auch die sich andeutende leichte globale Abkühlung in den letzten Jahren: Zunächst wurde es nur auf der Südhalbkugel kühler, während auf der Nordhalbkugel die Temperaturen weiter deutlich anstiegen. Seit einem Jahr hat jedoch der leichte Abkühlungstrend auch die Nordhalbkugel erreicht.

 

 

 

 

Die globale Abkühlung wird sich anscheinend im Jahre 2008  gegenüber dem Vorjahr deutlich beschleunigen. Die globalen Temperaturen sind aber immer noch (verglichen mit der Referenzperiode 1961-1990)  überdurchschnittlich hoch. Quelle: http://hadobs.metoffice.com/hadcrut3/

 

Im Winter 2007/2008 gab es extreme Kaltlufteinbrüche in Nordamerika, Südosteuropa und in Asien. Der Sommer 2008 kam, verglichen mit den Jahren davor, eher kühl daher, und auch die Anzahl der tropischen Wirbelstürme (Hurrikane) im Westatlantik erscheint in dieser Saison tendenziell rekordverdächtig. All das könnte schon mit der in letzter Zeit sehr geringen Sonnenaktivität zusammenhängen:

 

 

 

Die Anzahl der Sonnenflecken ist seit 2003 deutlich zurückgegangen. Quelle: NOAA

Jens Christian Heuer

 

Quelle: http://mailer.fsu.edu/~jelsner/PDF/Research/ElsnerJagger2008.pdf

Written by jenschristianheuer

Oktober 10, 2008 at 8:00 pm

Veröffentlicht in Klimadebatte, Klimaforschung

Wo bleibt der Altweibersommer?

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Am heutigen 3. Oktober 2008 genügt fast überall in Deutschland ein Blick aus dem Fenster:

Wolken, Regen, 10 Grad, an den Küsten und bis weit in das Binnenland Sturm. Bei manch‘ einem erklingt im Inneren der Stoßseufzer “Wo bleibt der Altweibersommer!?“

Der Fachmann schaut auf die mittelfristigen Vorhersagekarten der Wetterdienste, die heutzutage für eine Woche die atmosphärische Zirkulation recht zuverlässig prognostizieren. Gemeint sind die Computer-Wetterkarten für z.B.  5000 Meter Höhe, woraus die Meteorologen die Zugbahnen der Tief- und Hochdruckgebiete ableiten, bzw. deren Verweilen.

Was zeigen die heute (03.Oktober 2008)? Eine mächtige Höhenwindströmung reicht von Grönland bis nach Mitteleuropa, also eine sogenannte Nordwest-Wetterlage “versorgt“ uns mit den oben genannten unerfreulichen Wetter-Phänomenen. 

Abb.1 Höhenkarte vom 03.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 HöheIn 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 sehr schön die Höhenwinde der Westwindzone. Dort wo die Isohysen eng beieinander liegen, die Windgeschwindigkeiten also am größten sind, markiert der Jetstream die Grenze zwischen (sub)tropischer Warmluft und polarer Kaltluft. Der mäandernde, turbulente Jetstream mit seinen Hochkeilen (Wellenbergen) und Höhentrögen (Wellentälern) bringt Hoch- und Tiefdruckwirbel (Hochs und Tiefs) hervor und steuert ihre Bewegungen und damit auch maßgeblich das Wettergeschehen.  H= Hoch, T=Tief, W=Warmluft, K=Kaltluft Quellen: Abbildung: Berliner Wetterkarte e.V. / Text: Jens Christian Heuer  

Die o.a. Wochen-Vorhersage macht wenig Hoffnung: Aus der Nordwestlage wird infolge des hochreichenden Kaltluft-Transportes eine riesige, den ganzen Nordatlantik überdeckende Trog-Wetterlage. Dadurch gelangt zwar auf dieser Trog-Vorderseite im Laufe der 41. Kalender-Woche etwas mildere Luft mit einer West- bis Südwestströmung zu uns, aber das dadurch aufgebaute Hoch liegt dann weit weg in Osteuropa, für uns stehen weitere Regenfronten ins Haus   –  wir müssen uns mit kurzen Zwischenhochs und wenig Sonne begnügen. Eine für uns typische Altweiber-Sommer-Wetterlage sieht anders aus.  

Der typische Altweiber-Sommer Eine solche Wetterlage sei aus Archiv-Unterlagen anhand des Jahres 1982 beschrieben (siehe Abbildungen 2-4). Ein extrem trocken-warmer Juli ging über einen ausgeprägten Spätsom­mer nahezu nahtlos Ende September in einen “klassischen“ Altweibersom­mer über.

                        

Abb.2 Positionen von Tiefs und Hochs während des Altweibersommers 1982 (24.9. bis 4. 10.) mit Angaben über den Luftdruck der Kernisobare (mbar) und Datum. Nach [1]. 

Die Abbildung 2 zeigt eine wohlgeordnete Zweitei­lung für die Positionen aller Hochs und Tiefs Ende September bis Anfang Oktober 1982. Damit zusammenhängend ist der außergewöhn­liche Wärmeüberschuß der Abbildung 2. In extremen Fällen kann es dadurch noch zu dieser Jahreszeit zu Rekord-Temperaturen kommen, wie 1947, als bei Ein­strömen subtropischer Warmluft in Mitteleuropa bis zu 35° C gemessen wurden! 

nlangj. Durchschnitt — Tagesmittel 1982

Abb.2 Temperaturverlauf Hamburg St. Pauli, September 1982. Nach [1]. 

Andererseits ist die “Singularität“ (s.w.u.) des Altweibersom­mers eine wesentliche Ursache dafür, daß die langjähri­gen Monatsmittel des Niederschlages ab September in Mitteleuropa einen markanten Sprung zu tieferen Wer­ten aufweisen. Die Abbildung 3 zeigt nun, daß in Jah­ren, wenn Spätsommer und Altweibersommer kumulie­ren, erstaunliche negative Abweichungen selbst von dem genannt niedrigen Mittelwert noch möglich sind:

In weiten Teilen Deutschlands fielen im September 1982 nur etwa 20% des Monatssolls! 

Abb.4 Niederschlagsverteilung in Europa im September 1982 in Prozent des Normalwertes: Verursacht durch einen ausgeprägten „Altweiber­sommer“ war die Niederschlagssumme in Mitteleuropa gebietsweise fast Null. Nach [2].

 

Es sei hier angemerkt, das dieses alles (ob 1947 oder 1982)  damals auch schon “wetter-normal“ war  –  die “anthropogene Hitze-Klima-Katastrophe“ war noch nicht erfunden!

 Was jedoch hat eigentlich der „Altweibersommer“ mit “alten Weibern“ zu tun? Zunächst: es gibt im Herbst winzige Jung­spinnen, die weniger als ein Hundertstel Gramm wie­gen. Bei ruhigem warmem Wetter im Herbst recken sie das Hinterteil gen Himmel und schießen feinste Fäden nach oben, mit deren konvektivem Abdriften sie dann selbst von hinnen segeln.  

Diese Gespinste verglich man irgendwann einmal mit den Lebensfäden der “Nornen“ – eben “alter Weiber“. Die Nornen sind angelsächsisch die Mettena (Messende), woraus sich im Volksmund „Metten-Sommer“ und weiter „Mädchen-Sommer“ ab­leiten. Und schließlich: Kein Gegenstück einer Europäischen Wetterlage auf einem anderen Kontinent ist wohl so bekannt wie der nordamerikanische “Indianer-Sommer“ als son­niger Herbst. 

Die Klage gegen den DWD  Der Begriff „Altweibersommer“ ist tief verankert in überlieferter Volkskultur, in Bauernregeln, in der Literatur;  niemand sollte sich dadurch beleidigt fühle –  sollte man meinen. Jedoch  –  das sahen einige unbescholtene ältere Damen aus Darmstadt im Jahre 1988 anders: Sie verklagten den Deutschen Wetterdienst (DWD) beim zuständigen Landgericht auf Unterlassung dieses Begriffes in Wetterberichten: “Das Anliegen der Klägerin ist es, die Diskriminierung der Frauen durch die Sprache zu beseitigen.“ Die Klage wurde eingereicht, verhandelt und wie folgt entschieden (LG Darmstadt, 2.2.89, Az. 3O535/88): “…der Begriff Altweibersommer ist seit Jahrhunderten im deutschen Sprachgebrauch fest verankert … und stellt in der meteorologischen Wissenschaft einen Terminus für eine oft Ende September bis Anfang Oktober währende trockene und heitere Wetterlage dar … der Begriff ist positiv besetzt …

… der objektive Tatbestand des § 185 StGB setzt grundsätzlich einen Angriff auf die Ehre voraus … da durch das Verhalten des Deutschen Wetterdienstes unzweifelhaft kein direkter Angriff auf die Persönlichkeitsrechte der Klägerin gegeben ist … ist die Klage in jedem Fall unbegründet … die Klage wird abgewiesen“. Damit wurde gezeigt: Rechtsstaatlichkeit kann auch mit Humor einhergehen.

 

Altweibersommer –  ein „Wetter-Regelfall“  Das, was die Bauern-Regeln stets versuchten, das strebten auch die Meteoro­logen seit annähernd zwei Jahrhunderten an: Atmosphärischen Gesetzmäßigkeiten auf die Spur zu kommen und prognostische Anwendungsmöglich­keiten für anscheinend kalendergebundenen Wetter­phasen zu finden. So hat A. Schmauss [3] in einer gründ­lichen Untersuchung festgestellt, daß lange Meßreihen meteorologischer Elemente von etwa 100 Jahren über jeden einzelnen Tag gemittelt und über das Jahr aufgetragen, keinen dem mittleren Sonnenstand entsprechenden glatten Jahresgang zeigen (Abb.5).  

Im Gegen­teil, es ergeben sich z.B. auf einer Temperatur-Kurve nach beiden Seiten von einer ideal glatten Kurve abweichende Zacken und Ausbuchtungen (Abb. 5). Mit anderen Worten: Die in unseren Breiten von Jahr zu Jahr in den einzelnen Monaten stark streu­ende Witterung mittelt sich langjährig nicht völlig „glatt“, sondern es verbleiben zu bestimmten Kalender­phasen anscheinend regelmäßige Wetterstörungen in Form markanter Punkte, die man auf einer mathemati­schen Kurve “singuläre Stellen“ nennt. Daher definierte Schmauss die “Singularitäten der Witterung“.

 

Abb. 4 (aus [4]) 

Besonders volkstümlich sind z.B. neben dem Altweibersommer auch die “Eisheiligen“ (11.-14. Mai), die “Schafskälte“ (10. Juni), der “Siebenschläfer-Sommer“ (27. Juni, bzw. dann Juni-Juli-Witterung) …

„Zuverlässigkeit“ bei 75% Sofort erkannte man natürlich, daß bei der Ableitung kalendergebundener Witterungsphasen aus Mittelwerts- Zacken Vorsicht geboten ist, denn z.B. ein einziger extremer Polarlufteinbruch innerhalb von zehn Jahren beispiels­weise um den 15. Juni („Schafskälte“) kann eine solche Zacke auf der Temperaturkurve des Zehnjahresmittels verursachen, auch wenn mit den anderen neun Jahren die überwältigende Mehrzahl des Daten-Kollektivs völ­lig “normal“ war. Eine Singularität würde dann nur vor­getäuscht. Es müssen also Häufigkeits-Auszählungen her. Doch erstaunlicher Weise brachten sie das gleiche Ergebnis, nämlich kalendergebundene Wetter-Phasen. Was lag also meteorologisch näher, als nunmehr die zu­gehörigen Wetterlagen zu suchen und zu klassifizieren, die für die scheinbar bevorzugten Wetterzacken des me­teorologischen Kalenders verantwortlich sein müssen? Auch das war erfolgreich.

Daher spricht man heute statt der wenig glücklichen mathematischen Begriffsableitung der Singularität häu­fig von “Witterungs-Regelfällen“. So gesehen sind die Singularitäten Häufungsstellen typischer Wetterlagen im Kalenderjahr. Bei entsprechender Feinarbeit könnte man dabei natürlich unter Zuhilfenahme von Kurven wie der Abbildung 4 das ganze Jahr lückenlos in Singu­laritäten einteilen. Das ist jedoch sinnlos. Daher haben Flohn und Hess [5] in einer ausführlichen Bearbeitung des Zeitraumes 1881 bis 1947 für Mitteleuropa statisti­sche Kriterien definiert. Danach spricht man von einer Singularität, wenn das Witterungsereignis mindestens in 67% aller Jahre eintritt, sich gegenüber dem mittleren Eintrittsdatum um nicht mehr als 6 Tage verfrüht oder verspätet und eine Andauer von 3 bis 12 Tage hat. Unter Einbeziehung des Grenzfalles der Eisheiligen ver­bleiben dann 15 solcher über das Jahr ungleichmäßig verteilter Großwetter-Regelfälle. Davon haben fünf eine Eintrittswahrscheinlichkeit unter 70% und nur vier eine solche von über 80%. 

Zum Verständnis der ganzen Angelegenheit muß man sich vergegenwärtigen, daß für unsere gemäßigte Klima­zone der meist rasche Witterungswechsel charakteri­stisch ist. Er ist das Ergebnis eines ständigen Kampfes subtropischer Warmluft mit polarer Kaltluft. Diese Kampfzone verschiebt sich in Nord-Süd-Richtung um Tausende von Kilometer, ist bis in hohe Luftschichten ausgeprägt und wird in der meteorologischen Defini­tion Frontalzone genannt. Der dort herrschende, meist sehr stark ausgeprägte Temperaturgegensatz ist auch die eigentliche Ursache für die immer neu entstehenden Schwingungen der atmosphärischen Strömung, die wir in Bodennähe als Hochs, Tiefs und Wetterfronten wahrnehmen.

Zu allen Jahreszeiten ist daher erfahrungsgemäß eine Vielfalt von Wetterlagen möglich, wobei die Singulari­täten anscheinend eine zeitweilige Ordnung in das sonst so regellose Wettergeschehen unserer Breiten bringen. Es liegt also die Vermutung nahe, daß sich gewisse Kon­stellationen im komplizierten Rückkopplungsmecha­nismus zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre wie­derholen.

Es sei jedoch wegen in jüngster Zeit wieder außerhalb der wissenschaftlichen Meteorologie auftre­tender “Wetter-Propheten“ deutlich klargestellt, daß weder die Singularitäten noch die Wetterabläufe überhaupt irgend etwas mit astronomischen oder gar astrologischen Sternen-Konstellatio­nen zu tun haben.

 

Anmerkung:  Etliche Textpassagen und alle Abbildungen wurden entnommen aus: Diplom-Meteorologe Klaus- Eckart Puls, Singularitäten der Witterung,  Naturwissenschaftliche Rundschau  (37) Heft 2, 1984

Klaus-Eckart Puls, Dipom-Meteorologe

LITERATUR

[1] A. Kressling: Der Altweibersommer 1982 in Hamburg. Wetterkarte Dtsch. Wetterd., Nr. 193 (6. 10. 1982).

[2] H. Dronia: Der trockene September 1982 in Europa. Wetterkarte des Dtsch. Wetterd., Ham­burg, Nr. 202 (19. 10. 1982)

[3] A. Schmauss: Singularitäten im jährlichen Witterungsverlauf von München. Deutsch. Met. Jahrbuch, München 1928

[4] R. Suring: Leitfaden der Meteorologie. Tauchnitz-Verlag. Leipzig 1927

[5] H. Flohn, P. Hess, Met. Rdsch. 2, 258 (1949)  

 

Gastbeiträge geben nur die persönlichen Ansichten der Autoren wieder und stehen nicht unbedingt für die Positionen des Herausgebers des Weltenwetter Weblogs!

Written by jenschristianheuer

Oktober 3, 2008 at 3:33 pm

Veröffentlicht in Wetternotizen