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Archive for Oktober 2008

Mit dem Supertrog in den Winter? (aktualisiert am 31.Okt.2008)

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Für Ende Oktober kündigt sich eine recht interessante Wetterentwicklung an. In dem außerordentlich stark mäandernden Polarfrontjetstream entwickelt sich nach dem Modell des amerikanischen Wetterdienstes über Westeuropa ein Trog mit extrem hoher Amplitude (Schwingungsweite), der uns wahrscheinlich den ersten Wintereinbruch bringt.

Der Jetstream

Der Polarfrontjetstream bildet sich an der Grenze (Polarfront) zwischen (sub)tropischer Warmluft und polarer Kaltluft, wo die beiden aufeinander treffenden Luftmassen unter dem Einfluss der Erdrotation in entgegen gesetzten Richtungen aneinander vorbeiströmen. Wegen des großen Temperaturunterschiedes zwischen beiden Luftmassen und des damit einhergehenden mit der Höhe immer mehr zunehmenden Luftdruckgefälles (Warmluft hat eine größere vertikale Ausdehnung als Kaltluft, so daß in einer Luftsäule mit zunehmender Höhe der Luftdruck dementsprechend langsamer zurückgeht!) entsteht ein starker Höhenwind (Jetstream), der aber aufgrund der Erdrotation (Corioliskraft) nicht polwärts gerichtet ist, sondern zu einem Westwind umgelenkt wird, der sich bis zum Boden hin durchsetzt (Westwindzone, Westdrift). Wenn der Jetstream eine kritische Strömungsgeschwindigkeit überschreitet, fängt er an zu mäandern. Es bilden sich Rossby-Wellen mit Hochkeilen (Wellenberge mit Warmluft) und Höhentrögen (Wellentäler mit Kaltluft). Ursache sind kleine Abweichungen im Temperatur- und Druckgefälle (Gradient) zwischen den verschiedenen Streckenabschnitten des Jetstreams.

Ausgehend von der aktuellen Wetterlage soll sich nach der Vorhersage des amerikanischen Wetterdienstes das Wettergeschehen wie folgt weiterentwickeln…

Die aktuelle Wetterlage

Wetterlage heute, am 26.Oktober 2008 18:00 Uhr UTC …

In der Höhenkarte des amerikanischen Wetterdienstes sind die Windrichtungen (Pfeile) und Windgeschwindigkeiten (farbcodiert) 300 hPa – Fläche eingezeichnet. Der Verlauf des mäandernden Jetstreams ist anhand der Farbcodierung gut zu erkennen. Die 300 hPa – Fläche befindet sich in einer Höhe in der der Luftdruck auf 300 hPa zurückgegangen ist. Da sich warme Luft in der Vertikalen 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 300 hPa zurückgegangen ist. Man erhält dann eine 300 hPa-Fläche in Form einer “Landschaft” mit “Bergen” und “Tälern”. Diese Fläche befindet sich ungefähr auf gleicher Höhe mit dem Jetstream in der oberen Troposphäre.

… und das dazugehörige Satellitenbild von Meteosat.  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Die Infrarotaufnahme des europäischen Wettersatelliten Meteosat bildet die unsichtbare Wärmestrahlung ab, die vom Land, den Wasserflächen und den Wolken ausgeht. Warme Objekte erscheinen dunkel, kalte Objekte dagegen hell. Aus den Helligkeiten der Objekte ist somit ein direkter Rückschluss auf deren Temperatur möglich. Infrarotbilder gelingen auch in der Dunkelheit der Nacht, denn im Gegensatz zum sichtbaren Licht ist die Wärmestrahlung immer vorhanden. Quellwolken (Cumulus), die sich bis in große Höhen auftürmen wie ganz besonders die Gewitterwolken (Cumulonimbus), sind wegen der mit der Höhe abnehmenden Lufttemperatur an ihrer Oberseite relativ kalt und erscheinen daher hell. Dasselbe gilt für die nur in großer Höhe entstehenden Eiswolken (Cirrus). Die Wolken in niedrigen Höhen sind dagegen jedoch schon fast genauso warm wie die Erdoberfläche darunter und erscheinen somit ähnlich dunkel.

 

Der Super-Trog I (Die Wettervorhersage)

In den kommenden Tagen soll der Trog über dem Nordatlantik nach Westeuropa schwenken und sich dann immer mehr nach Süden ausweiten:

Wetterlage am 27. Oktober 2008 18:00 Uhr UTC

Wetterlage am 30. Oktober 2008 12:00 Uhr UTC

Wir bekommen also einen Super-Trog, dessen Achse sich über Frankreich, die Iberische Halbinsel bis nach Marokko erstreckt. Im Bereich der Trogachse erreicht die Höhenströmung des Jetstreams maximale Krümmungs- und (Wind)Scherungsvorticity (Vorticity = Wirbelhaftigkeit, Wirbelstärke), also maximale Relative Vorticity (auf die ruhende Erde bezogen) bei minimaler Erdvorticity, die durch die Eigenrotation der Erde verursacht wird (Die Corioliskraft nimmt in Richtung Äquator ab!). Relative Vorticity und Erdvorticity ergeben zusammen die stets Absolute Vorticity, die beim Übergang von der Trogachse zur Trogvorderseite immer konstant bleibt. Auf der Vorderseite des Troges (bei einer Westströmung die Ostseite) nehmen Krümmung und Windscherung, also auch die Relative Vorticity wieder ab und die Erdvorticity dementsprechend zu (die Corioliskraft wird in Richtung Pol stärker!). Die schwache Krümmung des Jetstreams auf der Vorderseite des Troges zeigt also den Abbau positiver Relativer Vorticity zugunsten einer zunehmend stärkeren Erdvorticity an. Der Abbau von Relativer Vorticity auf der Trogvorderseite erfolgt durch Auseinanderweichen der Luft (horizontale Divergenz) vor allem im Jetstream, weil dort die Windgeschwindigkeiten am größten sind. Der Durchmesser einer beliebigen Luftsäule auf der Trogvorderseite vergrößert sich dadurch, und die Relative Vorticity nimmt dementsprechend ab. Der Drehimpuls der Luftsäule, die Potentielle Vorticity bleibt dabei allerdings erhalten.

Die Sache funktioniert so ähnlich wie bei einem Eiskunstläufer, der sich langsamer dreht, also weniger herumwirbelt, wenn er seine Arme ausstreckt und sein Gesamtdrehimpuls dabei unverändert bleibt. Durch die Höhendivergenz verliert die Luftsäule an Masse, so daß am Boden der Luftdruck fällt. Von ringsherum wird Luft angesaugt (Konvergenz in Bodennähe), und es bildet sich ein aufwärts gerichteter Tiefdruckwirbel und dadurch auch eine Wellenstörung an der Polarfront Davon ausgehend bilden sich Warm- und Kaltfront. Warm- und Kaltluft werden miteinander verwirbelt und so ein Temperaturausgleich der beiden Luftmassen herbeigeführt. Ein dynamisches Tiefdruckgebiet ist geboren. Die Luft in einem Tief wird gehoben, kühlt dabei ab, und bei ausreichender Luftfeuchtigkeit bilden sich Wolken und häufig kommt es auch zu Niederschlägen (Schlechtwetter). Der Jetstream steuert wiederum die Zugbahnen der dynamischen Tiefs und bestimmt so maßgeblich das Wettergeschehen in seinem Einflussbereich. Hochdruckgebiete entstehen übrigens durch genau entgegen gesetzte Vorgänge an der Trogrückseite (bzw. Keilvorderseite). Hier wird durch Zusammenziehen der Luft (horizontale Konvergenz) der Durchmesser einer beliebigen Luftsäule verringert und so Relative Vorticity (bei abnehmender Erdvorticity) aufgebaut. Wiederum bleibt die Potentielle Vorticity erhalten. Das entspricht diesmal einem sich drehenden Eisläufer, der seine Arme anzieht und dadurch langsamer herumwirbelt. Aus der Höhenkonvergenz entwickelt sich ein abwärts gerichteter Hochdruckwirbel, in dem sich die absinkende Luft erwärmt, so daß die Wolkenbildung erschwert ist (Schönwetter).

Mit dem Trog gelangt polare Kaltluft sehr weit in den Süden. Das führt zu einem massiven Wintereinbruch, vielerorts mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt:

Temperaturen am 30. Oktober 2008 06.00 Uhr UTC

Die zu erwartenden Niederschläge dürften vielerorts, vor allem aber in den entsprechenden Höhenlagen schon als Schnee ankommen. Da die durch den Jetstream und seinen Trog herangeführten Luftmassen über dem Atlantik viel Feuchtigkeit aufnehmen können, muss die Sahara, wie schon so oft in letzter Zeit, vor allem am 1. November 2008 mit sehr ergiebigen Regenfällen rechnen, wie das auch die Niederschlagssummenprognosekarte sehr beeindruckend zeigt:

Niederschläge am 01. November 2008

Vor allem in den Gebieten mit maximaler Konvektion ist mit heftigen Gewittern und sogar Hagel zu rechnen.

Am 1. November soll sich auch ein Kaltlufttropfen an der Trogspitze ablösen, um auf die Warmluftseite überzuwechseln.

Wetterlage am 1. November 2008 12:00 Uhr UTC

Das passiert, weil in einem stark mäandernden Jetstream die Windgeschwindigkeiten oft soweit abnehmen bis die Höhenströmung schließlich mehr oder weniger zusammenbricht. Dabei können sich kalte Tiefdruckwirbel (Kaltlufttropfen) aus einem Trog abspalten, denn polwärts erneuert sich die Höhenströmung wieder als nur schwach mäandernder Jetstream  mit entsprechend hohen Windgeschwindigkeiten. Kaltlufttropfen sind in ihrer wärmeren Umgebungsluft 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 Wolkenbildung als Kondensationswärme wieder frei wird. Dadurch  gewinnen sie enorm an Kraft. Sind die Wassertemperaturen ausreichend hoch, so kann sogar eine Art Wirbelsturm zustande kommen. Im Einflußbereich von Kaltlufttropfen gibt es oft Unwetter.

Exkurs: Wie kommt es zum Super-Trog?

Zu einem stark mäandernden Jetstream kommt es immer dann, wenn der Temperaturgradient an der Polarfront abnimmt und damit auch die Windgeschwindigkeiten im Jetstream sinken. Das passiert beispielsweise bei einer Abschwächung des Golfstromes, wodurch die Temperaturen auf der Warmluftseite der Polarfront zurückgehen. Der Temperaturunterschied zur polaren Kaltluftseite ist dann nicht mehr so groß. Islandtief und Azorenhoch, die mit dem Heranführen polarer Kaltluft und (sub)tropischer Warmluft die Polarfront verstärken und so indirekt auch den Jetstream antreiben, werden dadurch schwächer. Ein stark mäandernder Jetstream entspricht der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (negativer NAO-Index) und hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Klima im gesamten nordatlantischen Raum. Die Nordatlantische Oszillation ist eine bipolare Drucksschaukel zwischen Islandtief und Azorenhoch:

Die zwei Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) Quelle: http://airmap.unh.edu/

In der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO +) besteht ein hoher Druckgradient zwischen stark ausgeprägten Islandtief und Azorenhoch. Ein nur schwach mäandernder Jetstream bringt zahlreiche und kräftige Sturmtiefs hervor, die mit einer starken Westdrift Nord-, West- und Mitteleuropa erreichen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen. Nur einige wenige Sturmtiefs erreichen den Mittelmeerraum, wo es ansonsten trocken bleibt. Aus dem starken Azorenhoch als Bestandteil des subtropischen Hochdruckgürtels wehen kräftige Nordostpassate. Diese erzeugen im Atlantik eine dementsprechende Meeresströmung, die an der westafrikanischen Küste kaltes Tiefenwasser hervorquellen lässt. Dadurch sinken wiederum die Temperaturen des Oberflächenwassers im Atlantik und damit entstehen hier weniger tropische Wirbelstürme. Der kräftige Jetstream schließt zudem die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so daß Kaltluftvorstöße in den Süden nur selten vorkommen. In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -) bleiben Islandtief und Azorenhoch schwach, der Jetstream mäandert entsprechend stark und bringt nur relativ wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs hervor. Die Westdrift bricht immer wieder zusammen. Durch die dabei häufig entstehenden blockierenden Hochs werden immer wieder Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umgelenkt. Dort wird es nun deutlich feuchter, während es in West- und Mitteleuropa eher trocken bleibt. Besonders im Winter kommt es immer wieder zu Kaltluftausbrüchen gen Süden, da der relativ schwache Jetstream die polare Kaltluft nicht mehr so gut einschließt. Umgekehrt führen Warmluftvorstöße in den Norden zu steigenden Temperaturen in Grönland und Nordkanada. Die Nordostpassate bleiben schwach und damit steigen die Wassertemperaturen vor der westafrikanischen Küste. Das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Auch eine schwächere Sonne kann für einen abnehmenden Temperaturgradienten und so auch für einen stärker mäandernden Jetstream (negativer NAO-Index) verantwortlich sein. Ein denkbarer Mechanismus sähe so aus: Durch eine erhöhte Sonnenaktivität, die mit mehr Sonnenflecken einhergeht, gelangt mehr ultraviolette Strahlung (UV) zur Erde. Die UV-Strahlung erwärmt 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 angewärmt. Dieser Effekt macht sich wegen des steileren Einfallwinkels vor allem in den niederen Breiten (Tropen, Subtropen) bemerkbar. Der Temperaturgradient zwischen Warmluft und polarer Kaltluft wird in der Stratosphäre und oberen Troposphäre bei größerer Sonnenaktivität also zunehmen und umgekehrt. In der oberen Troposphäre entsteht aber auch der Jetstream, der durch eben diesen Temperaturgradienten angetrieben wird. Eine schwächere Sonne müsste also zu einem stärker mäandernden Jetstream führen. Tatsächlich hat die Sonnenaktivität seit 2003 und besonders auch in letzter Zeit immer weiter abgenommen. Seit einigen Monaten ist kaum noch ein Sonnenfleck aufgetaucht. Es werden inzwischen sogar schon Vermutungen über ein neues Maunder-Minimum laut, welches im 17. und 18.Jahrhundert die Kleine Eiszeit brachte. Könnte der Super-Trog etwas mit der schwächelnden Sonne zu tun haben? Die Idee ist faszinierend, doch trotzdem ist Vorsicht vor übereilten Schlussfolgerungen geboten! Der Super-Trog kann auch eine einzelne Anomalie sein, wie sie das sehr variable Wettergeschehen immer wieder einmal hervorbringt. Auch bei einer starken Westdrift mit einem nur schwach mäandernden Jetstream, kann dieser kurzfristig sein Schwingungsmuster verändern und vorübergehend stärker mäandern. Das ist dann immer mit einer ebenfalls kurzfristigen Umstellung der Wetterlage verbunden. Das hat dann lediglich mit einem kurzfristigen Wetterwechsel, aber eben nicht unbedingt mit einem (abrupten) Klimawandel zu tun. Aber wer weiß, vielleicht sind Wetterwechsel und Klimawandel ja gar nichts grundsätzlich Verschiedenes, sondern gehören zu einer auf verschiedenen Zeitmaßstäben selbstähnlichen (fraktalen) Struktur?

Bei der Mandelbrotmenge („Apfelmännchen“) wiederholen sich die Strukturen auf unterschiedlichen räumlichen Maßstäben immer wieder. Sie ist fraktal. Quelle: Wikipedia

Der Super-Trog II (Das tatsächliche Wettergeschehen)

27. Oktober 2008 Im Laufe des Tages entwickelt sich der Super-Trog wie vorhergesehen, und die polare Kaltluft dringt immer weiter nach Süden vor. Sie ist gut an der zellularen Bewölkung zu erkennen.

Wetterlage am 27.Oktober 2008 22:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Die zellulare Bewölkung entsteht, weil die polare Kaltluft über die noch relativ warme Wasseroberfläche des Atlantik strömt und sich dabei an ihrer Unterseite erwärmt. Es bilden sich mächtige Konvektionszellen, in denen die Luft gehoben wird und dabei abkühlt. Da über dem Wasser die Luft immer genug Feuchtigkeit enthält, bildet sich hochreichende Quellwolken, deren Anordnung die einzelnen Konvektionszellen widerspiegelt. Bei der Wirbelstruktur ostlich von Island handelt es sich um einen Kaltlufttropfen. Er ist aus einem normalen Tiefdruckgebiet hervorgegangen, als sich dessen Höhenkaltluft von dem dynamischen Prozeß des Muttertiefs trennte, um als kaltes Höhentief eigene Wege zu gehen. Da die Luft darunter wärmer ist (vertikaler Temperaturgradient, labile Luftschichtung) setzt Konvektion ein. Die durch Wasserverdunstung angefeuchteten Luft wird gehoben und kühlt dabei ab, so daß sich Quellwolken bilden (Schlechtwetter). Die bei der Wolkenbildung freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme) treibt ihrerseits wieder die Konvektion und damit auch die Wolkenbildung an, ein selbstverstärkender Prozeß. Wenn der vertikale Temperaturgradient ausreichend groß ist, kann sich aus einem Kaltlufttropfen sogar eine Art Wirbelsturm entwickeln (Polartief).

28. Oktober 2008

In dem weiter wachsenden Super-Trog hat sich der Kaltlufttropfen zu einem echten Polartief weiterentwickelt, das inzwischen die südnorwegische Küste erreicht hat.

 Wetterlage am 28.Oktober 2008 12:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Nur wenige Stunden später hat sich in der Wirbelstruktur sogar ein Auge gebildet.

 Quelle: http://www.wetterzentrale.de/ NOAA

29. Oktober 2008

Der enorme Kaltausbruch (zellulare Bewölkung) über den Super-Trog hat die Tropen erreicht. An der Vorderseite des Troges haben sich mehrere Tiefs gebildet. Dort kommt es zu starken Niederschlägen und teilweise auch heftigen Gewittern. In Teilen Deutschlands, der Benelux-Länder, Frankreichs und Spaniens kommt es in Höhenlagen ab 400-500m zu einem echten Wintereinbruch mit z.T. starken Schneefällen. In Südwesteuropa ist es dagegen warm mit Temperaturen bis zu 25°C.

Wetterlage am 29.Oktober 2008 12:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.satmos.meteo.fr/

30. Oktober 2008

West- und Mittel- und Südwesteuropa befinden sich nach wie vor innerhalb des Super-Troges mit seinen dynamischen Tiefs und damit auch unter dem Einfluß des Zustromes polarer Kaltluft aus nordwestlichen Richtungen. Nach Ost- und Südosteuropa gelangt dagegen (sub)tropische Warmluft. Die Luftmassengrenze, erkennbar an dem sich in Nord-Süd-Richtung erstreckenden Wolkenband verläuft von der Ostsee bis nach Griechenland.

Wetterlage am 30.Oktober 2008 22:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

30. Oktober 2008

Der schroffe Temperaturgegensatz zwischen der polaren Kaltluft im Westen und der mildwarmen Luft im Osten Europas bleibt bestehen. Aber schon bald wird die Höhenströmung des Super-Troges zusammenbrechen und polwärts sich ein erneuerter Jetstream präsentieren. Das wird einen Wetterwechsek bringen, denn bei den dann vorherrschenden westlichen Winden wird es auch in den jetzt vom Wintereinbruch betroffenen Gebieten wieder deutlich milder. 

Wetterlage am 31.Oktober 2008 20:00 Uhr UTC  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Jens Christian Heuer

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Written by jenschristianheuer

27 Oktober, 2008 at 00:04 am

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

15 Oktober, 2008 at 22:16 pm

Veröffentlicht in Jens Christian Heuer, 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.

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13 Oktober, 2008 at 20:07 pm

Goldener Oktober?

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Nach einem stürmischen und regnerischen Wochenende (4. und 5. Oktober 2008) trat heute am 6. Oktober 2008 in Teilen Europas eine vorübergehende Wetterbesseung ein. Das nährt Hoffnungen auf einen goldenen Oktober mit ein paar schönen Sonnentagen. Noch am Wochenende hatten Tiefdruckgebiete über dem Atlantik und der Nordsee in West- und Nordeuropa und ein ausgedehnter Höhentrog, der bis ins in den Mittelmeerraum reichte und kühle Polarluft heranführte über Mittel-, Ost- und Südeuropa für Schlechtwetter gesorgt.

Tiefdruckgebiete entstehen, wenn (sub)tropische Warmluft und polare Kaltluft aufeinandertreffen, aber wegen der Erdrotation in entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbeiströmen. Dabei bildet sich eine sogenannte Polarfront aus. Wegen des großen Temperaturunterschiedes zwischen beiden Luftmassen und des damit einhergehenden mit der Höhe immer mehr zunehmenden Luftdruckgefälles (Warmluft hat eine größere vertikale Ausdehnung als Kaltluft, so daß in einer Luftsäule mit zunehmender Höhe der Luftdruck dementsprechend langsamer zurückgeht!) entsteht ein starker zunächst polwärts gerichteter Höhenwind, der aber durch die Erdrotation (Corioliskraft) zu einem Westwind umgelenkt wird und sich bis zum Boden hin durchsetzt (Westwindzone). Im Bereich der größten Temperatur- und Druckunterschiede zwischen beiden Luftmassen sind auch die Höhenwinde am stärksten (Jetstream, Strahlstrom). Wenn der Jetstream eine kritische Strömungsgeschwindigkeit erreicht, fängt er an zu mäandern. Ursache sind kleine Abweichungen im Temperaur- und Druckgefälle (Gradient) zwischen den Streckenabschnitten 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 Wellenstörung an der Polarfront verwirbelt und damit ein Temperaturausgleich herbeigeführt. Dabei bildet sich Warm- und Kaltfront. Der Jetstream steuert die Zugbahnen der Hochs und Tiefs und so  maßgeblich auch das Wettergeschehen in den mittleren Breiten (und darüber hinaus). 

Die Wetterlage am Sonnabend, den 4. Oktober 2008 Quelle: http://wekuw.met.fu-berlin.de/~SatellitenDaten/

Auf der zusammengesetzten Aufnahme des polaren Wettersatelliten NOAA 18 sind zahlreiche Tiefdruckwirbel mit teilweise ausgedehnten Frontensystemen zu sehen. Ein besonders schönes Exemplar befindet sich westlich der britischen Inseln. Dabei handelt es sich um den ehemaligen tropischen Wirbelsturm Laura, der von einem Höhentrog des Jetstreams eingefangen wurde, um sich dann in ein normales Tief zurück zu verwandeln. Hinter Lauras Kaltfront stömt polare Kaltluft nach, gut erkennbar an der zellularen Bewölkung. Diese entsteht weil die Kaltluft über die noch relativ warme Wasseroberfläche des Atlantik strömt und sich dabei an ihrer Unterseite erwärmt. Es entsteht eine labile Luftschichtung, so daß sich mächtige Konvektionszellen bilden, in denen die Luft gehoben wird und dabei abkühlt. Wegen über dem Wasser immer ausreichend hohen Luftfeuchtigkeit bildet sich eine hochreichende Quellbewölkung. Der Wind weht aus südwestlichen Richtungen.

Der genaue Lage des Höhentroges lässt sich auf einer 500 hPa Höhenkarte ausmachen…

Höhenkarte vom 04.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 Quelle:  Berliner Wetterkarte e.V.

Das Tief Laura zieht inzwischen nördlich der Britischen inseln vorbei und sorgt in seinem Einflussbereich für regnerisches und stürmisches Wetter.

Auf der nächsten Karte werden die Luftströmungsverhältnisse des 300 hPa-Niveaus gezeigt. Der mäandernde Jetstream mit seinem weit in den Süden reichenden Trog erscheint hier besonders eindrucksvoll:

Windrichtungen (Pfeile) und Windgeschwindigkeiten (farbkodiert) in der Höhe der 300 hPa – Fläche. Quelle: www.wetterzentrale.de

Doch dann anderte sich das Bild. Die Höhenströmung des imer stärker mäandernden Jetstreams brach mehr oder weniger zusammen, und ein kaltes Höhentief (Kaltlufttropfen) spaltete sich ab und erreichte die Schwarzmeerküste. Weiter nördlich formierte sich wieder ein neuer Jetstream mit hohen Windgeschwindigkeiten:

Wetterlage am Montag, den 6.Oktober 2008 Quelle: www.wetterzentrale.de

Am Montag, den 6.Oktober 2008 ist die Höhenströmung im Bereich des bis zum Mittelmeer reichenden Höhentroges mehr oder weniger zusammengebrochen, so daß sich ein kaltes Höhentief (Kaltlufttropfen) aus dem Höhentrog herauslösen konnte. Weiter nördlich hat der Jetstream wieder an Kraft gewonnen und eine neue Höhenströmung ausgebildet. Im Bereich des Kaltlufttropfens besteht eine labile Luftschichtung, so daß sich sehr schnell Quellwolken ausbilden (Schlechtwetter). Der kalte Tiefdruckwirbel ist sehr stabil, da er sich inmitten wärmerer Luftmassen befindet. Über alle Höhenlagen innerhalb des Tiefdruckwirbels ist der Luftdruck dann stets niedriger als in der relativ wärmeren Umgebung. Die 500 hPa – Höhenkarte zeigt noch einmal sehr schön die kurzfristige Änderung der Wetterlage:

Wetterlage am Montag, den 6. Oktober 2008 Quelle: Berliner Wetterkarte e.V.

Die in einem Höhentrog gefangene Laura hat Skandinavien erreicht. Dahinter folgt ein kurzwelliger Höhenrücken (Hochkeil), das Zwischenhoch und bringt die vorübergehende Wetterbesserung. Über dem Schwarzen Meer bestimmt der Kaltlufttropfen das Schlechtwettergeschehen.

Das Satellitenbild zeigt die Situation ein wenig später. Besonders eindrucksvoll die Wirbelstruktur des Kaltlufttropfens am Schwarzen Meer:

Die Wetterlage am Montag, den 6. Oktober 2008 Quelle:  http://wekuw.met.fu-berlin.de/~SatellitenDaten/

Sollte sich der Hochkeil über Mitteleuropa weiter verstärken, so bekommen wir vielleicht als Entschädigung für den eher enttäuschenden Altweibersommer noch einen echten goldenen Oktober.

Jens Christian Heuer

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6 Oktober, 2008 at 23:02 pm

Hurrikane und Sonnenflecken

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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

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2 Oktober, 2008 at 00:10 am

Schneefall auf dem Mars

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Der Mars erweist sich wieder einmal als erstaunlich erdähnlich; zumindest aus meteorologischer Sicht, denn: Auf dem Mars schneit es wie auf der Erde! Diese überraschende Entdeckung gelang der amerikanischen Raumsonde Phoenix, die am 25. Mai 2008 auf dem Mars in der Nordpolarregion gelandet war und seither immer wieder Bodenproben untersuchte, meteorologische Messungen durchführte und zahlreiche Bilder zur Erde funkte.

Phoenix auf dem Mars. Da die Raumsonde in der Nähe des Nordpols gelandet ist, steht die Sonne auch während des halbjährigen Polartages nur knapp über dem Horizont. Das Marsjahr währt allerdings 687 Tage, da der Mars in einer im Durchschnitt 1,5 mal so großen Entfernung die Sonne umrundet wie die Erde. Die Neigung der Rotationsachse des Mars gegenüber der Senkrechten auf der Bahnebene beträgt 25,2° (Erde 23,4°). Der Mars hat daher Jahreszeiten wie die Erde, die aber fast doppelt so lange dauern. Quelle: http://phoenix.lpl.arizona.edu/

Anfang September, am 99.Tag nach der Landung registrierte das LIDAR-Instrument Lichtechos, die sich aus Wolken in 3,5 bis 4 Kilometern Höhe lösten, allmählich an Höhe verloren, dann aber in rund 2,5 Kilometern Höhe wieder verschwanden. LIDAR tastet mit einem Laserstrahl die Marsatmosphäre ab und registriert und analysiert die Lichtechos, also das an eventuell vorhandenen Partikeln reflektierte oder gestreute Laserlicht. LIDAR kann auf diese Weise Wolken, die ja aus kleinen Wassertröpfchen oder Eiskristallen bestehen und Niederschläge ausmachen.

Der Marsschnee fiel nicht nur aus den Wolken nach unten, sondern verteilte sich aufgrund mit der Höhe unterschiedlich hoher Windgeschwindigkeiten auch horizontal. Als der Schnee bodennähere, wärmere und sehr trockene Luftschichten erreichte, verdunsteten bzw. sublimierten die Schneekristalle. Auf der Nordhalbkugel des Mars ist zurzeit Herbst. Später im Winter, wenn es noch deutlich kälter wird, könnte der Schnee auch den Boden erreichen, mutmaßten Wissenschaftler des Phoenix-Teams der NASA.

Schneefall auf dem Mars: Die Aufzeichnungen des LIDAR zeigen deutlich die Wolken mit den Fallstreifen des Schnees. Quelle: NASA/JPL-Caltech/Canadian Space Agency

Die Wolkenbildung in der Nähe des Marsnordpols verstärkt sich im Herbst, wenn der Temperaturgegensatz zwischen der polaren Kaltluft und der wärmeren Luft aus den mittleren Breiten immer weiter zunimmt. Wie auf der Erde bilden sich dann an der Polarfront – wo die beiden Luftmassen aufeinander treffen und entgegengesetzt aneinander  vorbeigleiten – vermehrt dynamische Tiefdruckgebiete, die Warm -und Kaltluft miteinander verwirbeln.

 

Dynamische Tiefs an der Polarfront auf der Nordhalbkugel des Mars: Wenn die polare Kaltluft und die wärmere Luft aus den mittleren Breiten in der Nähe des Nordpols direkt aufeinander treffen bildet sich eine Polarfront aus. Wegen des großen Temperaurunterschiedes zwischen beiden Luftmassen und des damit einhergehenden mit der Höhe immer größeren Druckgefälles (Warmluft hat eine größere Ausdehnung als Kaltluft, so daß in einer Luftsäule mit zunehmender Höhe der Luftdruck dementsprechend langsamer zurückgeht!) entsteht ein starker zunächst polwärts gerichteter Höhenwind (Jetstream), welcher durch die Eigenrotation des Planeten (Corioliskraft) zu einem Westwind umgelenkt wird, der sich bis zum Boden hin durchsetzt (Westwindzone). In den Bereichen mit den größten Temperaturgradienten erreicht der Jetstream seine maximale Geschwindigkeit. Aus Divergenzen (Luftverdünnungen) in den mehr oder weniger stark mäandernden und turbulenten Jetstream entwickeln sich aufwärtsgerichtete dynamische Tiefdruckwirbel. Die Luft wird gehoben und kühlt dabei ab, so daß bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit Wolkenbildung einsetzt. Die Tiefs verwirbeln die warmen und kalten Luftmassen miteinander und sorgen so für einen gewissen Temperaturausgleich. In den Gebieten unter ihren Zugbahnen komt es offenbar immer wieder zu Schneefällen. Aus Konvergenzen entstehen dagegen dynamische Hochs, in denen die Luft absinkt und sich dabei erwärmt, so daß sich eventuell vorhandene Wolken auflösen. Quelle: NASA (MGS)

Auch die Untersuchung der Bodenproben erbrachte inzwischen neue interessante Ergebnisse: Das automatische Chemielabor der Raumsondeie fand Hinweise auf Carbonate und Tonminerale. Carbonate entstehen nur bei Anwesenheit von flüssigem Wasser; Tonminerale durch Verwitterungsprozesse oder aus hydrothermalen Lösungen. Hydrothermale Lösungen sind Ansammlungen von bis weit über 100 °C heissem Wasser tief im Gestein. Aufgrund der dort herrschenden Druckverhältnisse bleibt das Wasser trotz der hohen Temperaturen noch flüssig. Es enthält oft große Mengen gelöster Minerale und vulkanischer Gase, aus denen bei Abkühlung des Wassers dann die Tonminerale entstehen können.

Phoenix landete auf einem staubbedeckten Eisfeld. Sobald das Eis mit dem Schaufelbagger freigelegt wurde, schmolz es in der Sonne dahin.  Quelle: NASA (Phoenix)

Schon im Juli 2008 hatten Untersuchungen der ersten Bodenproben einen direkten Nachweis von Wassereis erbracht, der bisher größte wissenschaftlichen Erfolg der Phoenix-Mission!

Jens Christian Heuer

Quellen: http://www.planetary.org/blog/, http://www.nasa.gov/mission_pages/phoenix/main/index.html

Written by jenschristianheuer

1 Oktober, 2008 at 00:05 am