Sommergewitter und ihre Entstehung – Unwetteralarm klärt auf #1

Willkommen zur unserer Serie Unwetteralarm klärt auf mit dem ersten Teil über Sommergewitter. Nach und nach werden wir weitere Teile der Serie veröffentlichen, in denen wir spezielle Unterthemen von Wetter und Unwetter aufgreifen und für euch hoffentlich leicht verständlich erklären.

In diesem Teil geht es um Sommergewitter. Warum Sommergewitter und nicht einfach nur Gewitter? Auch wenn in Sommer- und Wintergewittern im Endeffekt die gleichen physikalischen Vorgänge stattfinden, so haben sie doch eine andere Ursache, die entscheidend für die Eigenschaften dieses Gewitters sind. Deshalb nehmen wir uns für diesen Teil Sommergewitter vor, da sie in den meisten Fällen die stärkeren Begleiterscheinungen bringen.

Was sind Gewitter überhaupt?

Das Erste was uns in den Sinn kommt, wenn wir an Gewitter denken ist Blitz, Donner, Platzregen und sehr oft Weltuntergangsstimmung. Gewitter sind aber viel mehr als das.

Jeder kennt diese schön anzusehenden Quellwolken vor einem herrlich blauen Himmel und plötzlich wird es stockduster und die Hölle bricht herein. Eine Gewitterwolke ist nichts anderes als eine mächtige Quellwolke, die im Sommer bei besonders starken Fällen bis in ca. 12km Höhe ragen kann. Da verwundert es auch nicht, dass das Sonnenlicht fast keine Chance hat durch eine z.B 10km dichte Wolke zu dringen.

Entgegen mancher Vorstellungen sind Gewitter aber flächenmäßig gar nicht so groß, wie man denkt. Eine einzige Gewitterzelle (Was zum Teufel sind denn jetzt schon wieder Gewitterzellen?) kann zum Beispiel nur 2-3km im Durchmesser breit sein. Deswegen sprechen wir bei Gewittern von sehr lokalen Ereignissen: Während in einem Stadtteil Weltuntergang ist, kann es in einem anderen Stadtteil sonnig sein.

 

Hier entsteht aus einer anfangs harmlosen Quellwolke ein Gewitter.

 

Typische Begleiterscheinungen eines Gewitters sind Blitz und Donner, zum Teil lokaler heftiger Platzregen, Hagel und starke Windböen. Je stärker ein Gewitter ist, desto heftiger können vor allem Blitzfrequenz, Hagel und Windböen werden. Seltenere Begleiterscheinungen eines Gewitters sind Downbursts (Extreme Windböen zum Teil über den Orkanbereich, die wie ein Sack aus dem Gewitter herausfallen und sich am Boden in alle Richtungen ausbreiten) oder auch Tornados.

Und jetzt zu den Gewitterzellen. Das Wort Zelle an sich sollte jedem ein Begriff sein. Gewitterzellen sind für sich abgeschlossene Gewitter, die sich sowohl räumlich als auch von ihren Eigenschaften her von anderen Gewittern unterscheiden. Sie haben eine eigene Dynamik und bestehen aus einem/mehreren Aufwindbereich(en) und einem/mehreren Abwindbereich(en). Was genau diese Bereiche machen und warum sie das tun kommt jetzt im nächsten Abschnitt.

Gewitterentstehung – Vorraussetzungen für ein kräftiges Sommergewitter

Um die Gewitterentstehung verständlicher erklären zu können, benutze ich einen kleinen Vergleich aus dem Haushalt. Stellen Sie sich einen Kochtopf voller Wasser vor, der auf einem noch nicht angeschaltetem Kochfeld steht. Der Boden des Kochtopfes soll die Fläche Deutschlands darstellen und das Wasser unsere Atmosphäre.

Wir starten in einen schönen Sommertag mit blauem Himmel. Allmählich beginnt die Sonne damit den Boden aufzuheizen. Das ist der Punkt, wo wir unser Kochfeld anschalten. Die Luft in Bodennähe wird wärmer und wärmer, aber die Luft in größerer Höhe bleibt bei einer gleichen Temperatur. Genau wie unser Wasser. Direkt am Boden wird es stärker erhitzt, als an der Wasseroberfläche. Nachdem ein wenig Zeit vergangen ist, können wir beobachten wie sich kleine Luftbläschen am Boden bilden. Genau das passiert auch in unserer Atmosphäre. Es bilden sich sogenannte Warmluftblasen, die in sich eine höhere Temperatur haben als die Luft in ihrer Umgebung. Wenn dieser Temperaturunterschied immer größer wird, fangen die Blasen an, sich vom Boden zu lösen und aufzusteigen – warme(s) Luft/Wasser ist leichter als kalte(s) Luft/Wasser und steigt auf. Sowohl im Kochtopf, als auch in unserer bodennahen Luft. Diesen Vorgang nennt man Konvektion und sie ist der physikalische Vorgang, der die Gewitterbildung überhaupt erst möglich macht.

Feuchtigkeit ist ein wichtiger Bestandteil eines Gewitters, wer hätte das gedacht? Die Warmluftblasen, die nun aufsteigen, sind dennoch für uns unsichtbar, da der in ihnen enthaltene Wasserdampf noch gasförmig ist. Erst wenn sie in eine Höhe kommen, wo es so kalt ist, dass für die Wassermoleküle nicht mehr genug Platz in der Luft ist, entstehen kleine Wassertröpfchen. Diesen Vorgang nennt man wiederum Kondensation.  Eine kleine Quellwolke ist geboren.

 

Konvektionsschema – Beispiel Warmluftblasen

 

Nun gesellen sich immer mehr Warmluftblasen zur Quellwolke und die typischen Ausbeulungen entstehen. Jede Beule – eine Warmluftblase. Das Ganze geht nun so lange weiter, bis die Warmluftblasen (welche sich wegen dem mit der Höhe sinkenden Druck abkühlen)  in eine Höhe gekommen sind, wo sie kälter sind als ihre Umgebung – der Auftrieb kommt zum Erliegen. Je nachdem in welches Temperaturumfeld die Warmluftblasen vorgedrungen sind, entscheidet sich, ob es bei einer Quellwolke bleibt, daraus ein Schauer entsteht oder ein kräftiges Gewitter.

Dieser komplette Vorgang kennzeichnet den Aufwindbereich eines Gewitters aus.

Übrigens: Was die Gewittervorhersage so schwer macht, ist die Tatsache, dass niemand weiß, wo und wann die erste Warmluftblase sich vom Boden lösen wird. Das kann niemand vorher genau wissen. Im Kochtopf wissen wir auch nicht welche von den vielen Blasen denn nun als erstes hochgehen wird. Wir wissen nur, dass die Bedingungen dazu vorhanden sind.

Da immer mehr Feuchtigkeit in der Wolke kondensiert, werden die Wassertröpfchen und Eiskristalle (im oberen Teil der Wolke) immer größer und schwerer. Sie bleiben aber solange in der Wolke und werden immer wieder von unten nach oben transportiert, bis sie schließlich so schwer sind, dass der Aufwind sie nicht mehr hinauftragen kann und sie nun zu Boden stürzen. Das ist auch der Grund warum die Regentropfen bei Gewittern so groß sind. Wenn der Wind am Boden und in der Höhe nur sehr schwach bläst, fallen die gesamten angewachsenen Regentropfen oder Hagelkerne in den Aufwindbereich, womit dieser nach einiger Zeit zum Erliegen kommt und das Gewitter sozusagen zerfällt. Das Gewitter besteht nun nur noch aus einem Abwindbereich und kann keine weitere Feuchtigkeit nach oben transportieren.

Dieser ganze Zyklus vom Entstehen der Gewitterwolke bis zum Zerfall dauert ungefähr 30 Minuten. Anders sieht die Sache aus, wenn der Wind in der Höhe stärker bläst als am Boden, denn dann fällt der Niederschlag nicht in den Aufwindbereich, sondern versetzt von diesem und die Gewitterzelle kann länger überleben.

 

Auf- und Abwinde dargestellt an einer Gewitterzelle.

 

Natürlich ist das ganze Thema weit komplexer als hier dargestellt, aber das sollte erstmal genügen, um im Groben und Ganzen zu verstehen, wie sich eine Gewitterwolke in die Luft schraubt.

Hebung ist alles

Wichtig zu wissen ist aber außerdem, dass das Stadium, wo die Warmluftblasen sich von alleine vom Boden lösen, nur bei wirklich hohen Temperaturunterschieden vom Boden bis in 1km Höhe erreicht wird. Also quasi nur bei wirklich heißen und feuchten Sommertagen. Warum es dennoch so viele Gewitter gibt, auch wenn es mal nicht außerordentlich heiß und feucht ist, liegt an etwas Anderem.

Viele von Ihnen kennen diese und ähnliche Aussagen von Wetterberichten im Fernsehen oder aus der Zeitung sicherlich: “Heftige Gewitter vertreiben heiß-schwüle Luft. Danach deutliche Abkühlung.”
An dieser Aussage ist grundsätzlich alles falsch, was man nur falsch machen kann. Sowohl wissenschaftlich, als auch bildungstechnisch.

Gewitter sind nicht einfach da und sie vertreiben auch nichts. Es ist zwar richtig, dass ein Großteil der Gewitter in Deutschland mit einer Abkühlung einhergehen. Das hat aber andere Ursachen: An der Vorderseite von Tiefdruckgebieten gelangt meist warm-schwüle Luft nach Deutschland, in der dann durch Sonneneinstrahlung die vorher erwähnten Warmluftblasen entstehen. Diese können sich aber meistens nicht selber vom Boden lösen. Das passiert dann erst mit einem Kaltfrontdurchgang, oder einer sogenannten Konvergenzlinie.

Kaltfrontdurchgang: Die kalte Luftmasse, die hinter dem Tiefdruckgebiet nach Deutschland geführt wird schneidet wie ein Keil in die warm-schwüle Luftmasse hinein und zwingt die Warmluftblasen zum Aufsteigen – Gewitter entstehen. Um nochmal auf unser Beispiel mit dem Kochtopf zur besseren Visualisierung aufmerksam zu machen. Dort befinden sich die Luftbläschen auch alle noch am Boden des Topfes. Unsere Kaltfront verhält sich nun wie ein Schaber, der von einer Richtung angekeilt am Boden langfährt. Er “nimmt” die Luftbläschen quasi mit und gibt ihnen den nötigen Schubs, um sich vom Boden zu lösen.

Konvergenzlinie: Eine Konvergenzlinie ist eine Zone, wo Winde am Boden aus unterschiedlichen Richtungen aufeinander prallen. Sie haben nun nur noch eine Richtung in die sie wehen können. Und das ist nach oben. Dabei nehmen sie alle Warmluftblasen am Boden mit und geben ihnen den nötigen Schubs, um sich vom Boden zu lösen – Gewitter entstehen.

Die Aussage von oben ist also einfach nur eine Unwahrheit und prägt sich in den Köpfen der Menschen ein, obwohl es meteorologisch gesehen keinen Sinn ergibt. Gewitter sind nicht Schuld für die Abkühlung, sondern die Kaltfront. Sie sind nur eine Begleiterscheinung des Ausräumens der warm-schwülen Luftmasse.

Gewittertypen

Dieser und der darauffolgende Abschnitt könnten so umfangreich wie das 2-fache des kompletten Textes sein, aber ich werde mich hier sehr kurz fassen, weil es sonst den Rahmen sprengen würde.

Es gibt natürlich verschiedene Gewittertypen, die Auswirkungen auf die Eigenschaften eines Gewitters haben. Dabei sind 2 Faktoren besonders wichtig: Labilität und vertikale Windscherung.

Labilität: Vereinfacht gesagt, bezeichnet Labilität wie stark der Temperaturunterschied zwischen dem Boden und der Höhe ist. Je höher, desto mehr Energie kann der Aufwindbereich eines Gewitters beinhalten (Aufwindgeschwindigkeit).
vertikale Windscherung: Vereinfacht gesagt, der Unterschied der Windgeschwindigkeit oder -richtung zwischen dem Boden und der Höhe. Sie bestimmt maßgeblich den Typ der Gewitterzellen.

Je nachdem in welcher Konstellation diese Faktoren auftreten, bestimmt das den Typ und somit auch die Stärke eines Gewitters.

Einzelzellen-Gewitter:

Eine Gewitterzelle, wo Niederschlag in den Aufwindbereich fällt und die Zelle damit wieder zerfällt. Der Niederschlag unterdrückt jegliche Neuentwicklungen von Gewitterzellen an dieser Gewitterzelle.

Entsteht hauptsächlich bei äußerst geringer Windscherung und jeglicher Labilität.
Unwettergefahr: gering
bedeutende Begleiterscheinungen: hohe lokale Niederschlagsmengen durch schwache Verlagerungsgeschwindigkeit, kleinkörniger Hagel
Einzelzellen-Gewitter in Baden-Württemberg auf dem Regenradar

 

 

Multizellen-Gewitter:

Eine Gewitterzelle, wo Aufwindbereich und Abwindbereich voneinander getrennt sind. Längere Lebenszeit. Der Niederschlag fungiert wie eine kleine Kaltfront und zwingt umliegende Warmluftblasen zum Aufsteigen und somit zur neuen Gewitterentwicklung. Neue Zellen bauen an die ältere an.

Entsteht hauptsächlich bei moderater Windscherung und jeglicher Labilität.
Unwettergefahr: moderat
bedeutende Begleiterscheinungen: teils starke Windböen, klein- und großkörniger Hagel, je nach Zugrichtung und Anbaurichtung der neuen Zellen hohe lokale Niederschlagsmengen
Multizellen-Gewitter. Neue Zellen bauen immer wieder an die alten Zellen an.
Superzellen-Gewitter:

Eine Gewitterzelle, wo der Aufwindbereich spiralförmig rotiert und vom Abwindbereich getrennt ist. Noch längere Lebenszeit. Niederschlag kann sich rückseitig um den Aufwind wickeln und dort zu Boden stürzen (RFD=Rear-Flank Downdraft), was die Tornadogefahr stark anhebt. (Hook-Echo) Sehr gefährliches Gewitter mit hohem Unwetterpotenzial.

Entsteht hauptsächlich bei hoher Windscherung und moderater bis hoher Labilität.
Unwettergefahr: hoch
bedeutende Begleiterscheinungen: sehr starker Platzregen, großkörniger Hagel, Downbursts (extreme Windböen), Tornados
Eine Superzelle mit ausgeprägtem Hook-Echo (südlich) in Baden-Württemberg.

 

 

Wichtig zu erwähnen ist, dass bei allen Typen auch die Warnstufe violett auftreten kann, wenn zum Beispiel durch ein hohes Maß an Labilität die Warnkriterien überschritten werden.

 

Gewittersysteme

Gewittersysteme kennzeichnen sich grundsätzlich durch den Zusammenschluss einiger Gewitterzellen zu einem System aus, wie der Name schon sagt. Dabei können die Systeme eine komplett eigene Dynamik entwickeln. Sie entstehen meist in Anwesenheit von hoher Labilität und moderater-hoher Windscherung. Dabei besitzen sie ein hohes Unwetterpotenzial, da ihre Dynamik extreme Begleiterscheinungen hervorrufen kann.

Es gibt auch hier verschiedene Typen, deren vollständige Nennung und Erklärung aber hier zu weit geht.

Bedeutende Gewittersyteme in Deutschland waren zum Beispiel:

Das Pfingstunwetter in NRW am 09.06.2014 als ein sogenanntes Bow-Echo-System – Kennzeichnend durch sehr starke Windböen.
Das Derecho (Bow-Echo-System, bloß noch einen Ticken stärker) am 10.07.2002 in Berlin – Jeder kennt die Videos mit den fliegenden Sonnenschirmen.

Auch ungeheuerliche Niederschlagsmengen sind mit anderen Gewittersystemen möglich, welche ganze Straßen in reißende Flüsse verwandeln.

 

 

Schlusswort: Wir hoffen Ihr konntet durch diesen Artikel einiges über Sommergewitter erfahren. Lasst uns wissen, was euch gefallen hat, last uns aber auch wissen, was euch nicht gefallen hat. Hoffentlich bis zum nächsten Teil der Serie Unwetteralarm klärt auf.

 

 

Alle Fotos außer das Letzte und das Konvektionsschema sind © Markus Bensing.
Über Markus Bensing 41 Artikel
Zuständig für IT, Modellkarten, Warn-Software, Radarauswertungen, ausführliche Vorabberichte zu schweren Unwetterlagen, Unwetterwarnungen. Wohnhaft in Berlin gebürtig aus Halle an der Saale.