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Weisse Weihnachten? Im Winter 2008 in Deutschland leider wieder ausgefallen!

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Nun steht es entgültig fest. Auf  Weisse Weihnachten müssen wir in Deutschland auch in diesem Jahr (überwiegend) verzichten. Ein Blick auf die augenblickliche Wetterlage, die sich in etwa so entwickelt hat, wie seit dem 18. Dezember vorhergesagt, macht sofort klar warum:

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Meridionale Wetterlage am 24.Dezember.  Quelle: http://www.wetter3.de/

Deutschland liegt noch gerade innerhalb eines Hochkeils mit anticyclonaler Strömung (anticylonal = Luftströmung auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn, typisch für Hochdruckgebiete), in dem die Luftmassen grossflächig absinken  und sich dabei erwärmen, so dass sich  Wolken tendenziell auflösen und Niederschläge eher unwahrscheinlich sind. Über Ostdeutschland gibt es allerdings eine kleine Störung in der Höhenströmung, eine kleine cyclonale Ausbuchtung (cyclonal = Luftströmung auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn, typisch für Tiefdruckgebiete), also eine Art kleiner Höhentrog! Und hier wird die Luft gehoben, dehnt sich aus und kühlt dabei ab, so dass Wolkenbildung einsetzt und es auch zu Niederschlägen komen kann. Diese gehen aber wegen der zu hohen Lufttemperaturen nicht als Schnee, sondern nur als Regen nieder. Das bestätigt auch die Niederschlagskarte:

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Niederschläge am  24.Dezember.  Quelle: http://www.wetter3.de/

Weiter östlich im Einfluss des grossen Höhentroges über Osteuropa kommt es aber vielerorts zu Schneefällen. So darf man sich etwa in Teilen Polens oder auch in den höheren Lagen von Österreichs am Ende doch noch an einer weissen Winterlandschaft erfreuen.

Lassen wir zum Schluss unseren Blick noch ein wenig in die Ferne schweifen. Nordamerika und Nordchina erleben derzeit rekordverdächtige Wintereinbrüche durch ein Vordringen polarer Kaltluft innerhalb ausgedehnter Höhentröge. Ein Tief nach dem anderen lädt gewaltige Schneemengen ab. Ähnliche Winterbrpüche erlebten wir auch schon im vergangenen Winter, ebenfalls in den USA und China, aber auch in Ost- und Teilen Südeuropas, im Nahen Osten und Zentralasien (Afghanistan, Pakistan), ja sogar in Indien. So etwas hatte es  schon lange nicht mehr gegeben und jetzt das Ganze schon wieder? Es könnte natürlich einfach nur eine Laune der Natur sein, das Wetter ist schliesslich immer für eine Überraschung gut. Es gibt meines Erachtens aber noch eine andere Möglichkeit: Ein Nachlassen des Golfstroms infolge der massiven Eisschmelze in der Arktis!

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Der Golfstrom: Das nach Norden strömende Wasser gibt seine in den Tropen aufgenommene Wärme allmählich an Luftmassen darüber ab. Mit den von der Westdrift nach Osten ziehenden Tiefdruckgebieten gelangt die Wärme nach Europa und sorgt dort für ein mildes Klima. Das Wasser wird unterdessen durch Verdunstung immer salzhaltiger. Mit abnehmender Temperatur und zunehmenden Salzgehalt nimmt die Dichte des Wassers zu, bis es südlich von Grönland und bei Island abzusinken beginnt. Als kalte Tiefenwasserströmung gelangt es dann wieder zurück in die Tropen. Dieser Wasserkreislauf ist also thermohalin (Temperatur- und Salzgehalt betreffend). Durch zunehmenden Eintrag von Schmelzwasser infolge der Eisschmelze in der Arktis nimmt dort der Salzgehalt des Golfstroms ab, und der Wasserkreislauf  kommt ins Stocken. Quelle: Spiegel Online

Ein schwächerer Golfstrom würde nämlich den Temperaturgradienten an der Polarfront (wo warme Luft aus dem Süden und polare Kaltluft aufeinandertreffen) verringern, denn die Temperaturen auf der Warmluftseite würden ja zurückgehen, der Temperaturunterschied zur polaren Kaltluft also geringer.  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 geschwächt. Ein schwächerer Jetstream würde aber stärker mäandern und dann die polare Kaltluft nicht mehr so gut einschliessen. Die Folge wären vermehrte Kaltluftausbrüche gen Süden. Das die spektakulären Wintereinbrüche der letzten beiden Winter oft auch fernab des Golfstromes in Asien stattfanden muss nicht unbedingt gegen die Möglichkeit einer Abschwächung des Golfstromes sprechen, wenn man annimmt, dass sich das veränderte Schwingungsmuster des Jetstreams um die gesamte Nordhalbkugel herum fortpflanzt und über den schneller auskühlenden Landmassen Kaltluftvorstösse ohnehin leichter stattfinden.

Übrigens: Im Zusammenhang mit der jüngsten Forschungsreise der Maria S. Merian unter der Leitung von Monika Rhein, Bremen wurde kürzlich von einem 70%igen Rückgang der Tiefenwasserbildung im Nordatlantik seit 1997 berichtet (http://www.merian.de/Lounge/magazin/unsereerde.php). 

Die zwei Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO): In der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO +) besteht wegen eines hohen Temperaturgradienten an der Polarfront auch ein hoher Druckgradient (aufgrund der unterschiedlich hohen vertikalen Ausdehnung von Warm- und Kaltluft!) zwischen Islandtief und Azorenhoch und damit ein starker Antrieb für den Jetstream, der deshalb nur wenig mäandert. Es bilden sich zahlreiche und kräftige Sturmtiefs, die mit einer starken Westdrift Nord-, West- und Mitteleuropa erreichen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen. Die Luftzirkulation ist zonal. 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 die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so dass Kaltluftvorstöße in den Süden  selten bleiben. In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -) bleiben Islandtief und Azorenhoch schwach. Der Jetstream mäandert deutlich mehr 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  schwache Jetstream die polare Kaltluft nicht mehr so gut einschliesst. Umgekehrt führen Warmluftvorstösse in den Norden aber auch immer wieder zu relativ milden Temperaturen, z.B. in Grönland. Das Zirkulationsmuster ist also meridional. Die Nordostpassate bleiben schwach und damit steigen die Wassertemperaturen vor der westafrikanischen Küste. Das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Quelle: http://airmap.unh.edu/

Jens Christian Heuer

Weisse Weihnachten? https://wetterwechsel.wordpress.com/2008/12/16/weisse-weihnachten/

Weisse Weihnachten? Update https://wetterwechsel.wordpress.com/2008/12/18/weisse-weihnachten-update/

Written by jenschristianheuer

24 Dezember, 2008 at 22:07 pm

Weisse Weihnachten? Update

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Doch noch Hoffnung!

Inzwischen liegen die Weihnachtstage innerhalb der Vorhersagezeitspanne des ameikanischen Rechenmodells. Die Berechnungen werden permanent aktualisiert und ergeben für die weitere Wetterentwicklung inzwischen ein vollkommen anderes Bild. Nach den alten Berechnungen sollte sich bis zum 23. Dezember eine zonale Zirkulation einstellen…

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Zonale Wetterlage am 23.Dezember (nach der alten Berechnung). Quelle: http://www.wetter3.de/

… doch inzwischen erwartet man die Herausbildung eines neuen Troges über Osteuropa. Die Zirkulation bleibt also (vorerst?) meridional…

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Meridionale Wetterlage am 23.Dezember (nach der Neuberechnung!). Quelle: http://www.wetter3.de/

…und das hat Konsequenzen, denn nach dieser Vorhersage kommt ein Tiefdruckgebiet nach Deutschland und es könnte bei nordwestlichen Winden tatsächlich Niederschläge geben und wenn es kalt genug wird, vielleicht auch Schnee! Man sieht das auch sehr schön in der Höhenkarte: Die Isohypsen (dunkle Linien) verlaufen gegen den Uhrzeigersinn. Diese spiegeln in etwa auch die Richtung der Höhenwinde (Westwindzone!) wider. Winde im Gegenuhrzeigerdrehsinn sind aber das Markenzeichen  dynamischer Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel. Durch den Trog werden die Luftmassen aus nordwestlicher Richtung herangeführt. Tiefdruckwirbel sind stets aufwärts gerichtet, die Luft wird also gehoben, dehnt sich dabei aus, kühlt ab und der Wasserdampf in der Luft kondensiert zu kleinen Tröpfchen, falls die Luftfeuchtigkeit dafür ausreicht. Es kommt zur Bildung von Quellwolken und womöglich auch zu Niederschlägen. Es ist dann nur noch eine Frage der Temperatur, ob als als Regen oder Schnee!

Auch bis Heiligabend ändert an der Wetterlage nicht mehr viel:

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Meridionale Wetterlage auch am 24.Dezember (nach der Neuberechnung!). Quelle: http://www.wetter3.de/

Es bleibt die entscheidende Frage: Regen oder Schnee?

Und da kommt leider der Wermutstropfen, denn das Rechenmodell sagt bisher eher Regen voraus:

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Niederschläge am  24.Dezember (nach der Neuberechnung!). Quelle: http://www.wetter3.de/

Aber vielleicht ändert sich die Vorhersage ja noch und es wird noch ein bisschen kälter? Die Chancen auf  Weisse Weihnachten sind auf jeden Fall gestiegen!!!

Jens Christian Heuer

Verwandte Beiträge: Weisse Weihnachten?http://loewenapothekebederkesa.wordpress.com/2008/12/17/weisse-weihnachten/

Written by jenschristianheuer

18 Dezember, 2008 at 14:15 pm

Weisse Weihnachten?

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Viele Menschen wünschen sich, dass es in Deutschland über Weihnachten endlich mal wieder schneit und dann eine schöne Winterlandschaft sie zum Spaziergang einlädt. Wird es diesmal so kommen? Um diese Frage zu beantworten, muss man sich die Langfristprognosen der Wetterdienste näher ansehen. Die Atmosphäre ist ein chaotisches System mit vielen Wechselwirkungen, und deshalb ist auch jede Wettervorhersage, die mehr als 5 Tage in die Zukunft reicht mit einer extrem grossen Unsicherheit behaftet. Da bei der Erhebung der aktuellen Wetterdaten, die einer vom Computer berechneten Prognose zugrunde liegen, kleine Messungenauigkeiten unvermeidbar sind, gibt es immer einen Unterschied zwischen Rechenmodell und Wirklichkeit. Dieser kleine Fehler erscheint bei Kurzfristprognosen noch relativ unbedeutend, zumindest aber beherrschbar. Versucht man jedoch über längere Zeiträume in die Zukunft zu rechnen, so summieren sich auch kleinste Fehler derart, dass die auf einer solchen Berechnung basierenden Wettervorhersagen irgendwann wertlos werden.

Bis Heiligabend sind es noch 8 Tage und das ist schon ein Zeitraum, wo die Sicherheit einer Vorhersage doch sehr zu wünschen übrig lässt. Trotzdem wollen wir uns hier eine derartige Langfristprognose einmal ansehen. Vorher blicken wir jedoch auf die Wetterlage von Gestern und Heute zurück.

Gestern

Wetterlagen lassen sich sehr gut auf Höhenkarten ablesen. Diese hier stammt vom amerikanischen Wetterdienst und zeigt die Nordhalbkugel am 15. Dezember 2008.

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Wetterlage am 15. Dezember 2008 (Höhenkarte)  Quelle: http://www.wetter3.de/

Man sieht darauf die 500 hPa-Fläche (Geopotential) und erkennt indirekt auch die Lufttemperaturen anhand der sogenannten Relativen Topographie (RETOP). Die 500 hPa-Fläche wird durch die schwarzen Linien sichtbar und entspricht der jeweiligen Höhe über dem Boden in welcher der Luftdruck auf 500 hPa gefallen ist (Höhenangaben in Dekametern!). Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe wegen der nachlassenden Wirkung der Schwerkraft allmählich ab. Da warme Luft sich in der Vertikalen mehr ausdehnt als kalte Luft, geht in einer warmen mit zunehmender Höhe der Luftdruck langsamer zurück als in einer kalten Luftsäule. Das 500 hPa – Niveau wird dementsprechend auch erst in grösserer Höhe erreicht. Die 500 hPa – Fläche bildet somit eine Art „Landschaft“ mit „Bergen“ (Warmluft)und „Tälern“(Kaltluft). Die schwarzen Linien der 500 hPa – Fläche verbinden Orte miteinander, die jeweils in derselben Höhe liegen. Diese auch Isohypsen genannten Linien lassen den Verlauf der Höhenwinde und der Polarfront gut erkennen. Die Farben zeigen die Relative Topographie. Darunter versteht man die Darstellung des Höhenunterschiedes oder der Schichtdicke zwischen zwei isobaren Flächen, also Flächen in denen jeweils der gleiche Luftdruck herrscht. Hier sind es die 500 hPa (in etwa 5 km Höhe) und die bodennahe 1000 hPa Isobarenfläche (in etwa 50m Höhe). Dieser Höhenunterschied ist wiederum durch Isohypsen dargestellt. Gebiete mit geringen Schichtdicken entsprechen einer relativ niedrigen Lufttemperatur, Gebiete mit hoher Schichtdicke, also einem großen Abstand zwischen den beiden Isobarenflächen zeigen dagegen eine relativ höhere Lufttemperatur an. Die Temperaturen innerhalb der Schichten nehmen von violett, über blau, grün, gelb nach rot immer mehr zu. Darüber hinaus ist auf der Karte auch noch der jeweils herrschende Bodenluftdruck eingezeichnet. Man erkennt ihn an den weißen geschlossenen Linien, den Isobaren, die Orte gleichen Luftdrucks miteinander verbinden. Ein geringer Abstand zwischen den Isobaren zeigt eine großes Luftdruckgefälle an und umgekehrt. Der jeweilige Luftdruckwert ist bei den Isobaren eingetragen. Hoch- und Tiefdruckgebiete sind so auf einen Blick auszumachen. 

Wie können wir von der Höhenkarte nun aber auf das Wetter schliessen?

Im Winter ist der Temperaturgradient (Gradient = Gefälle) an der Grenze (Polarfront) zwischen polarer Kaltluft und der deutlich wärmeren Luft aus dem Süden (Tropenluft) besonders ausgeprägt. Das erkennt man sofort an den Farbunterschieden auf der Höhenkarte. Wegen der grösseren vertikalen Ausdehnung der Warmluft im Vergleich zur Kaltluft führt der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen zu einem mit der Höhe immer weiter anwachsenden Luftdruckgradienten. Daraus resultiert ein zunächst polwärts gerichteter starker Höhenwind (Starkwindfeld, Jetstream), der aber von der Erdrotation (Corioliskraft) abgelenkt wird und deshalb von Westen nach Osten verläuft. Diese Windrichtung setzt sich oft bis zum Boden hin durch (Westwindzone). Kleine Unterschiede im Temperaturgradienten entlang der Polarfront sorgen automatisch auch für verschiedene Windgeschwindigkeiten innerhalb des Jetstreams. Die Luftströmungen im Jetstream werden immer turbulenter, bis bei Überschreiten einer kritischen Geschwindigkeit der ganze Jetstream zu mäandern beginnt (Rossby-Wellen). In den Wellenbergen (Hochkeilen) wird warme Luft polwärts transportiert, in den Wellentälern (Höhentrögen) polare Kaltluft in Richtung Äquator. Diese meridionale Zirkulation (meridional = entlang der Längenkreise) bringt einen Temperaturausgleich zwischen Polar- und Äquatorregion. Aus kleineren Turbulenzen aufgrund von Konvergenzen (Luftstauungen) und Divergenzen (Luftlöchern) innerhalb der Jetstreams entwickeln sich dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete, die Warm- und Kaltluft direkt miteinander verwirbeln. Die Hochdruckwirbel entstehen innerhalb der Hochkeile, die Tiefdruckwirbel dagegen innerhalb der Höhentröge. Die Zugbahnen der Hochs und Tiefs und damit auch das Wetter, werden vom Jetstream gesteuert. Umgekehrt beeinflussen beide Druckgebilde auch wieder das Verhalten des Jetstreams. Noch ein Grund, warum eine Wettervorhersage so schwierig zu berechnen ist!

In den aufwärts gerichteten Tiefdruckwirbeln wird die Luft gehoben, dehnt sich aus und kühlt dabei ab. Die Energie für die Ausdehnung stammt aus der Bewegungsenergie der Luftteilchen. Daher die Abkühlung! Ist die Luftfeuchtigkeit ausreichend hoch, dann bilden sich Quellwolken und sogar Gewitterwolken (Schlechtwetter).

In den abwärts gerichteten Hochdruckwirbeln sinken die Luftmassen grossflächig ab und erwärmen sich dabei, so dass  vorhandene Wolken sich auflösen oder Wolken sich von vorneherein gar nicht bilden können (Schönwetter).

Wenn die meridionale Zirkulation sehr ausgeprägt ist, der Jetstream also sehr stark mäandert, können seine Windgeschwindigkeiten so sehr abnehmen, dass die Höhenströmung teilweise ganz und gar zusammenbricht. Die davon betroffenen Hoch- und Tiefdruckwirbel werden sozusagen “eingefroren (”cut off“). Polwärts bildet sich ein neuer, zunächst nur schwach mäandernder Jetstream mit extrem hohen Windgeschwindigkeiten. Bei dieser zonalen Luftströmung (zonal = entlang der Breitenkreise) findet kaum ein Temperaturausgleich zwischen Warm- und Kaltluft statt. Der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen nimmt deshalb wieder zu, bis der Jetstream wieder stärker mäandert, sich also erneut ein meridionales Zirkulationsmuster ausbildet. Da die “eingefrorenen” Tiefdruckwirbel bestehen aus einer Kaltluftlinse, die von warmer Umgebungsluft (auf der Warmluftseite) vollkommen eingeschlossen ist. Man nennt diese kalten Höhentiefs daher auch Kaltlufttropfen. Aufgrund der labilen Luftschichtung (kalte über warmer Luft) bildet sich eine Konvektionszelle, in der die warme Luft gehoben wird und dabei abkühlt, so dass es bei ausreichender Luftfeuchtigkeit zur Quellwolkenbildung kommt (s.o.). Kaltlufttropfen bewegen sich mit den bodennahen Winden und müssen dabei immer wieder den “eingefrorenen”, beinahe stationären Hochdruckwirbeln ausweichen (blockierende Hochdrucklage). Daher können die Zugbahnen der Kaltlufttropfen auch sehr weit südlich verlaufen.

Genau das sehen wir auch auf unserer Höhenkarte:

Bei der Iberischen Halbinsel liegt ein ausgedehnter Kaltlufttropfen, der sich von einem Höhentrog über Westeuropa gelöst hat und heftige Unwetter verursacht. Das zeigt auch sehr schön das folgende Infrarotbild des europäischen Wettersatelliten Meteosat:

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Wetterlage am 15. Dezember 2008 (Satellitenbild)  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Die Infrarotaufnahme 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, die sich bis in große Höhen auftürmen 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. Niedrige Wolken sind dagegen schon fast genauso warm wie die Erdoberfläche darunter und erscheinen somit ähnlich dunkel.

Ein weiterer Höhentrog liegt über Russland östlich des Schwarzen Meeres. Der Jetstream hat 4 Rossby-Wellen, ein Schwingungsmuster, was mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit für eine eher stabile Wetterlage spricht. Höhere Wellenzahlen deuten dagegen auf wechselhaftes Wetter hin, weil Höhentröge und Hochkeile dann recht schnell um den Globus wandern. Die Zirkulation über Europa ist eher meridional geprägt, über Nordamerika und dem Nordatlantik dagegen eindeutig zonal.

Heute

Die Wetterlage hat sich von Gestern auf Heute, wie zu erwarten, nur wenig geändert. Das erkennt man auch an der zum Vortag sehr ähnlichen Höhenkarte:

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Wetterlage am 16. Dezember 2008 (Höhenkarte)  Quelle: http://www.wetter3.de/

Das Zirkulationsmuster ist gleich geblieben. Nur der Kaltlufttropfen bei der Iberischen Halbinsel hat sich ein wenig nach Osten verlagert. Die Unwetter in seinem Einflussbereich halten an. Das Infrarotbild von Meteosat zeigt eindrucksvoll die damit einhergehende Wolkenbildung, die einen schönen Wirbel hervorgebracht hat:

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Wetterlage am 16. Dezember 2008 (Satellitenbild)  Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

Bemerkenswert ist auch das Tief bei Island (Islandtief), welches aus nordwestlicher Richtung im Gegenuhrzeigersinn polare Kaltluft heranführt. Man erkennt diese an der zellularen Bewölkung, die entsteht, weil die Kaltluft über die relativ warme Wasseroberfläche des Atlantik strömt und sich dabei an ihrer Unterseite erwärmt. Dadurch 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.

Vorausberechnetes Wetter

Wir machen nun einen Zeitsprung in die Zukunft, an die äusserste Grenze der brauchbaren Vorhersagbarkeit, bis an den „Ereignishorizont“ des Rechenmodells sozusagen. Dieser „Ereignishorizont“ liegt beim 23. Dezember 2008, einen Tag vor Heiligabend und 2 bzw. 3 Tage vor Weihnachten. Schauen wir uns die dazugehörige Höhenkarte nun näher an:

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Wetterlage am 23. Dezember 2008, dem „Ereignishoritzont“ des Rechenmodells (Höhenkarte)  Quelle: http://www.wetter3.de/

Auch über Europa ist nun die Zirkulation nach Auflösung der beiden Höhentröge über Westeuropa und Russland zonal geworden! Der Jetstream rast nahezu breitenkreisparallel über den Norden der Britischen Inseln, über Südskandinavien und dann weiter über das nördliche Russland. Die Zugbahnen der dynamischen Tiefdruckgebiete, die allein uns Schneefall zu Weihnachten bescheren könnten, verlaufen zu weit nördlich. Es wird also wohl nichts mit Schneefällen über Weihnachten!

West-, Mittel- und Osteuropa liegen unter einem zusammengesetzten, sehr ausgedehnten, vom Atlantik bis weit nach Russland hineinreichenden Hochdruckgebiet.

Hochdruckgebiete bringen schönes Wetter, so könnte man meinen, und im Prinzip stimmt das auch (s.o.). Aber im Winter gibt es leider einen Haken: Zwar kommt es zu der hochdrucktypischen Absinkbewegung der Luftmassen, wobei die Luft komprimiert wird und sich deshalb erwärmt. Da der Erdboden im Winter jedoch nachts stark auskühlt, sind auch die bodennahen Luftschichten entsprechend kalt und halten die absinkende warme Luft auf. Es kommt zu einer sogenannten Absinkinversion, bei der die warme wie ein Deckel auf der kalten Luft liegt. Kalte Luft nimmt nur relativ wenig Feuchtigkeit auf, so dass sehr schnell die Sättigung erreicht wird und Kondensation einsetzt. Es bilden sich also sehr leicht ausgedehnte Nebelfelder. Im Laufe des Tages erwärmt die Sonne den Erdboden und dieser wiederum die Luftschichten darüber. Die Kraft der schwachen Wintersonne reicht aber vielerorts nur aus, um die Bodenebel aufzulösen. Übrig bleibt der Hochnebel. Die vorhergesagten bodennahen Temperaturen:

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Wetterlage am 23. Dezember 2008, dem „Ereignishoritzont“ des rechenmodells (bodennahe Temperaturen)  Quelle: http://www.wetter3.de/

Das Modell rechnet zwar nur bis zum 23. Dezember 2008. Da aber nach wie vor der Jetstream die Wellenzahl 4 hat, ein deutlicher Hinweis, für eine recht stabile Wetterlage, kann man doch mit einiger Berechtigung das, was für den 23. Dezember zutrifft, auch auf die kommenden Weuhnachtsfeiertage übertragen.

Fazit

Das Weihnachtswetter wird also nach dem amerikanischen Rechenmodell in tieferen Lagen feuchtkalt und neblig sein. Im Gebirge, in Höhenlagen oberhalb der Inversion, da hält die Hochdrucklage jedoch auch im Winter, was sie verspricht. Es ist sonnig, mild und trocken. Schon seit den ersten Wintereinbrüchen liegt überall Schnee. Bei ausgezeichneter Fernsicht fällt der Blick auch auf die weiter unten liegenden Hochnebelfelder. Eine weisse Winterlandschaft zu Weihnachten, im Flachland nur ein Wunschtraum, wird hier Wirklichkeit, denn bei den vorangegangenen Wintereinbrüchen ist der Schnee bereits gefallen.

Jens Christian Heuer

Written by jenschristianheuer

16 Dezember, 2008 at 23:07 pm

Leben auf dem Mars?

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Der Mars, ein kurzer Steckbrief

Der Mars, der von der Sonne aus gesehen vierte Planet in unserem Sonnensystem ist der äussere Nachbarplanet unserer Erde und zählt zur Klasse der Gesteinsplaneten. Auffällig ist seine rote bis ockergelbe Farbe, die durch den auf der Oberfläche reichlich vorhandenen Eisenoxid-Staub verursacht wird. Der Mars ist also ein „rostiger“ Planet.

Mars besitzt zwei kleine, wie Kartoffeln geformte Monde, Phobos und Deimos (griech. Furcht und Schrecken), bei denen es sich höchstwahrscheinlich um eingefangene Asteroiden handelt.

Der Mars umläuft die Sonne in 687 Tagen, auf einer elliptischen Bahn, wobei der Abstand im Perihel (sonnennächster Punkt der Bahn) 1,52 AE (Astronomische Einheiten) und im Aphel (sonnenfernster Punkt der Bahn) 1,67 AE beträgt. Die Astronomische Einheit leitet sich vom mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne ab, etwa 150 Millionen Kilometer, der definitionsgemäss 1 AE entspricht. Der Mars besitzt mit einem Durchmesser von 6.794 km etwa den halben Durchmesser der Erde, ein Viertel ihrer Oberfläche und ein Zehntel ihrer Masse. Seine Schwerkraft ist deshalb nur etwas mehr als ein Drittel (38%) so groß wie auf der Erde Der Mars dreht sich in rund 24 Stunden und 37 Minuten einmal um die eigene Achse (Eigenrotation), womit seine Tageslänge beinahe derjenigen der Erde gleicht, die bei 23 Stunden 56 Minuten liegt. Bei Mars und Erde ist die Rotationsachse gegen die Senkrechte auf der Bahnebene geneigt (um 25,2° zu 23,44°). Daher gibt es auf beiden Planeten ausgeprägte Jahreszeiten. Auf dem Mars haben sie jedoch fast die doppelte Dauer, denn ein Marsjahr ist mit 687 Tagen auch fast doppelt so lang ein Erdenjahr mit seinen 365 Tagen.

Der Mars besitzt ein Magnetfeld, das aber nur höchstens 1/30 der Stärke des irdischen Magnetfeldes erreicht. Die Schutzwirkung gegen die tödliche Teilchenstrahlung aus dem Weltall ist deshalb nur gering.

Auch eine dünne Atmosphäre ist vorhanden, die zu 95 % aus Kohlendioxid besteht. Daneben kommen noch 2,7 % Stickstoff, 1,6 % Argon, geringe Anteile an Sauerstoff und Kohlenmonoxid sowie Spuren von Wasserdampf und anderen Gasen vor. Die dünne Marsatmosphäre kann nur wenig Sonnenwärme speichern, daher sind die Temperaturunterschiede zwischen tag und Nacht auf der Oberfläche sehr krass. Die Temperaturen erreichen beispielsweise in Äquatornähe etwa 20 bis 30 °C am Tag und sinken  auf bis zu –85 °C in der Nacht. Der Bodenluftdruck des Mars liegt nur zwischen 6 und 12 mb (Millibar). Im Vergleich zu den durchschnittlich 1013 mb auf der Erde sind dies äusserst wenig (entsprechend dem Luftdruck auf der Erde in 35 Kilometern Höhe).

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Mars mit Eiswolken an den Polkappen (links), globaler Staubsturm auf dem Mars (rechts) Quelle: Hubble, NASA

Der Mars hat vereiste Polkappen aus Kohlendioxid- und Wassereis, die im Sommer teilweise verdunsten. Aus dem Wasserdampf können sich besonders in der Nacht ausgedehnte Eiswolken (Cirruswolken) bilden, die der nächtlichen Auskühlung der Marsoberfläche teilweise entgegen wirken.

Trotz seiner dünnen Atmosphäre gibt es richtiges Wetter auf dem Mars, das wie auf der Erde durch das Temperaturgefälle zwischen Äquator und Polen angetrieben wird. Zwischen der Äquatorregion und den  mittleren Breiten entwickelt sich eine ausgeprägte Hadley-Zirkulation, die im Prinzip so funktioniert wie die Luftumwälzung in einem Zimmer mit Heizofen. Im Winter, wenn das Temperaturgefälle an der Grenze zwischen der relativ warmen Luft aus den mittleren Breiten und der eiskalten Polarluft besonders ausgeprägt ist (und wegen der grösseren vertikalen Ausdehnung der wärmeren Luft auch das Luftdruckgefälle in der Höhe), bilden sich nahe der Polarregionen Jetstreams, die wegen der Eigenrotation des Planeten von Westen nach Osten laufen. Erreichen diese eine kritische Strömungsgeschwindigkeit, so beginnen sie zu mäandern. Aus kleinen Turbulenzen innerhalb der Jetstreams entwickeln sich dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete, die Warm- und Kaltluft miteinander verwirbeln. Im Bereich der Tiefdruckgebiete wird die Luft gehoben und kühlt dabei ab. Die Luftfeuchtigkeit auf dem Mars ist immerhin gross genug, dass sich dabei auch relativ viele Wolken bilden und vereinzelt sogar Schnee fällt.

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Dynamische Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel des Mars. Quelle: Hubble, NASA

Während des Marsfrühjahrs können durch die zunehmende Erwärmung des Bodens in den ausgedehnten flachen Ebenen heftige Staubstürme entstehen, die mitunter große Teile der Marsoberfläche verhüllen. Aber auch wenn es keine grösseren Staubstürme gibt, entstehen immer wieder kleine Staubwirbel (Staubteufel), die über die Marsebenen ziehen und auf dem Boden dunkle Spuren hinterlassen.

Methan

Vor einiger Zeit konnten zur allgemeinen Überraschung sowohl mittels erdgestützter Teleskope, als auch durch den europäischen Marssatelliten „Mars Express“ Spuren von Methan in der Marsatmosphäre nachgewiesen werden. Methan ist sehr instabiles Gas, das nach neuesten Erkenntnissen unter Marsbedingungen schon innerhalb eines oder weniger Marsjahre abgebaut wird (http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2008/11/mars-science-la.html). Es muss also natürliche Quellen geben, welche die ständigen Verluste ausgleichen. Das können nur aktive Vulkane oder methanproduzierende Mikroorganismen leisten. Gäbe es aktive Vulkane, dann müssten deutlich messbare Mengen an Schwefeldioxid in der Marsatmosphäre zu finden sein. Dem ist aber (bisher) nicht so. Das Methan ist interessanterweise nicht gleichmäßig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern weist ein charakteristisches Muster erhöhter Konzentrationen auf: Dort wo es viel Methan gibt, enthält die Luft auch  relativ viel Wasserdampf, der von Wassereis stammt (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Könnte das ein Hinweis auf methanproduzierende Bakterien sein, die unter dem Eis recht annehmbare Lebensbedingungen vorfinden?

Dark Dune Spots, Leben am Marssüdpol?

Im Jahre 2001 erschien in der Zeitschrift „Lunar and Planetary Science“ ein Beitrag mehrerer ungarischer ESA-Wissenschaftler aus Budapest zu interessanten Erscheinungen (überwiegend)in der Südpolarregion des roten Planeten: Auf den Aufnahmen des „Mars Global Surveyor“ (MGS) erschienen und verschwanden in den Dünenfeldern des Südens dunkle Flecken, die sogenannten „Dark Dune Spots“(DDS) in Abhängigkeit von den Jahreszeiten. Die Flecken tauchten zu Frühlingsbeginn auf, wurden dann kräftiger (Maximum im späten Frühling) und verblassten dann mit dem beginnenden Sommer. Auch nachfolgende Raumsonden wie jüngst der Mars-Reconaissance-Orbiter (MRO) bestätigten das Phänomen.

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Dark Dune Spots inder Südpolregion des Mars Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Die konventionelle Erklärung: Die Flecken entstehen durch abwechselndes Gefrieren und Auftauen der Dünen. Im Winter gefrieren sie und tauen wieder auf im Frühling, aber wegen des geringen Luftdrucks gehen das beteiligte Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) direkt vom gasförmigen in den festen bzw. vom festen in den gasförmigen Zustand über (Sublimation). Diese Vorgänge werden durch die Oberflächenstruktur und die inneren physikalischen Eigenschaften der Dünen entscheidend bestimmt, wodurch sich Lage und Anordnung der DDS ergeben sollen.

Nach der Analyse von über 100 Detailaufnahmen, die jeweils ein 1-3 km breites und 20-80 km langes Gebiet zeigen, wobei die zumeist kreisförmigen DDS Abmessungen zwischen einigen dutzend und einigen hundert Metern haben, kommen die Wissenschaftler der ESA jedoch zu ganz neuen, überraschenden Ergebnissen:

Der Aufenthaltsort, die Form und die Anordnung der DDS ist unabhängig von der genauen Oberflächenstruktur der Dünen. Die DDS folgen nicht dem Höhenprofil der Landschaft, sondern scheinen radial nach außen zu „wachsen“. Während des Frühlings beginnen die einzelnen, ursprünglich kreisförmigen DDS hangabwärts zu fliessen, so dass ein sehr charakteristisches Muster paralleler Fließrinnen entsteht. Die DDS verlaufen wie Tinte auf einem senkrecht gehaltenen Blatt Löschpapier. Das deutet nun aber nicht auf Sublimationsvorgänge, sondern auf flüssiges Wasser hin.

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Dark Dune Spots Quelle: Mars Reconaissance Orbiter (MRO), NASA

Die DDS entstehen vorwiegend nicht  oben auf den Dünenspitzen, sondern weiter unten, und sie entstehen auch nicht an den der Sonne besonders ausgesetzten Bereichen, wie es eigentlich zu erwarten wäre, wenn die konventionelle Erklärung stimmen würde. Ausserdem tauchen die DDS in den meisten Fällen in aufeinander folgenden Jahren immer wieder an denselben Stellen auf. Hieraus ergibt sich, das komplizierte Sublimationsvorgänge als Erklärung für das Erscheinen und die weitere Entwicklung der DDS nicht überzeugen.

Eine alternative Erklärung wäre die mögliche Existenz einfacher photoautotropher (d.h. nur lichtabhängiger)Organismen, sogenannter Mars Surface Organism (MSO) in den DDS. Wenn es auf dem Mars Leben gibt, so muss es an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten angepasst sein. Die MSO durchlaufen nach Ansicht der ungarischen ESA-Wissenschaftler den folgenden Lebenszyklus:

Im Winter ist der Boden unter den DDS tief gefroren. Die DDS sind mit Eis, Schnee und einer darüberliegenden Trockeneisschicht (CO2-Eis) bedeckt. Die Organismen (MSO) befinden sich in einer Schicht zwischen dem Boden und der Eis- und Schneedecke und liegen (als Sporen?) in einer Art “ Winterschlaf“.

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Lebenszyklus der Mars Surface Organism (MSO). Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Da Eis lichtdurchlässig ist, absorbieren die MSO das erste einfallende Sonnenlicht des beginnenden Frühlings, nehmen ihren lichtabhängigen Stoffwechsel wieder auf, erwärmen sich dabei und schmelzen so das umgebende Eis, wodurch die Sublimation der oberen Trockeneisschicht beschleunigt wird. Die MSO schwimmen nun in einem wässrigen Medium und kommen so auch an die aus dem darunter liegenden Boden herausgelösten Mineralstoffe heran. Die oben aufliegende Eis- und Schneedecke schützt sie vor Kälte, Austrocknung und den gefährlichen UV-Strahlen. Die MSO wachsen und vermehren sich. Immer mehr Eis schmilzt, und es kommt zum Auslaufen der DDS. Wenn die schützende Eis schicht im Frühsommer abgeschmolzen ist verdampft das vorher flüssige Wasser schlagartig und die MSO werden gefriergetrocknet, wobei die DDS verblassen. Sie müssen sich vorher rechtzeitig in eine dauerhafte und widerstandsfähige Form (Sporen o.ä.) verwandelt haben. Die DDS werden in der südpolaren Region bis hinauf zu -60° SÜD angetroffen. In genau diesem Bereich fand die „Mars Odyssey“ (MO) besonders grosse Mengen an H2O durch Neutronenspektroskopie.

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Wasser am Südpol des Mars und Dark Dune Spots. Quelle: http://www.colbud.hu/esa/ 

Gemessen wurde ein deutliches Defizit an schnellen Neutronen, was auf eine große Menge an Wasser hinweist, das die schnellen Neutronen durch zahlreiche Zusammenstösse abbremst. Bei den photoautotrophen MSO könnte es sich womöglich um algenartige Lebensformen handeln, ähnlich wie im Eis der Antarktis. Dies würde auch zu dem Befund passen, dass die Marsatmosphäre verglichen mit der Erde zwar nur sehr wenig Sauerstoff enthält, verglichen mit den anderen Planeten des Sonnensystems aber ausserordentlich viel (um den Faktor 30000 mehr!) !!

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Mars Odyssey Quelle: NASA

Anhang: Das Neutronenspektrometer (NS) der Mars Odyssey
Der Neutronendetektor (NS) bestimmt vom Mars kommende Neutronen in 3 Energiebereichen (Bändern): Thermische Neutronen, Epithermische Neutronen und schnelle Neutronen. Neutronen entstehen durch den Beschuss von Oberflächenmaterial mit kosmischer Strahlung. Wasser moderiert Neutronen, d.h. es nimmt ihnen durch Zusammenstösse die Energie. Aufgrund dieser Tatsache kann der Neutronendetektor größere Mengen an Wasser (ab einer Schichtdicke von 1 m) entdecken.
Das Instrument ist ein rechteckig und besteht aus 4 Prismen. Ein Prisma schaut zur Planetenoberfläche, eines in den Weltraum, eines zur Mars Odyssey und eines in Bewegungsrichtung der Raumsonde. Jedes Prisma besteht aus mit Bor versetztem Kunststoff und mit einer Photomultiplierröhre verbunden. Ein Neutron stößt mit den Wasserstoff und Kohlenstoffkernen des Kunststoffes zusammen und wird abgebremst. Schliesslich erreicht er eine Geschwindigkeit die ausreicht aus um von Bor-Atomkern eingefangen zu werden. Der Kern des Boratoms zerfällt daraufhin zu einen Lithiumkern. Dies verursacht wiederum einen Lichtblitz, der durch Photomultiplierröhren verstärkt und dann registriert wird. Während ein Prisma die Neutronen vom Mars detektiert, erfasst das zweite Prisma Neutronen aus dem kosmischen Hintergrund. Die beiden anderen Detektoren erfassen thermische Neutronen, welche sich in ihrer Bewegungsenergie entsprechend der Geschwindigkeit der Raumsonde unterscheiden.
Dadurch kann man sehr genau zwischen thermischen, von der Oberfläche kommenden oder schnellen Hintergrundneutonen unterscheiden, indem man einfach die Daten zweiter Prismen voneinander abzieht.

Jens Christian Heuer

Quellen: ESA Mars Astrobiology Group http://www.colbud.hu/esa/, ESA http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html, Wikipedia

Written by jenschristianheuer

21 November, 2008 at 13:40 pm

Veröffentlicht in Jens Christian Heuer, Wetterwelten

Exoplaneten erstmals sichtbar gemacht

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Zum ersten Mal ist es Astronomen zweifelsfrei gelungen, Planeten eines anderen Sterns (Exoplaneten)direkt zu fotografieren. Das Kunststück gelang gleich zweimal: am Keck-Observatorium auf dem Gipfel des Mauna Kea in Hawaii (in Zusammenarbeit mit dem Gemini North Observatorium in den chilenischen Anden) und mit dem Hubble-Weltraumteleskop.

Das große Problem bei Direktaufnahmen von Exoplaneten ist der enorme Helligkeitsunterschied zwischen dem extrem hellen Stern und den lediglich durch den Widerschein des Sternenlichts schwach leuchtenden Exoplaneten. Diese werden daher normalerweise vom grellen Sternenlicht vollkommen überstrahlt. Daher wurden alle Exoplaneten bisher auf indirektem Wege gefunden, davon die meisten mit der Doppler-Methode: In einem Planetensystem zieht nicht nur der Stern den ihn umlaufenden Planeten an, sondern auch der Planet übt bei seinem Umlauf umgekehrt eine Kraft aus. Diese Anziehungskraft zwingt den Stern auf eine kreisförmige oder elliptische Bahn um den gemeinsamen Schwerpunkt, welche wiederum im Kleinen die Umlaufbahn des Planeten widerspiegelt. Da der Stern viel schwerer ist als der Planet, liegt der gemeinsame Schwerpunkt immer innerhalb des Sterns. Die Schwierigkeit ist nun,  aus einer so großen Entfernung die außerordentlich geringe Bewegung des Sterns zu messen. Eine Möglichkeit ist die spektroskopische Untersuchung des Sternenlichtes unter Zuhilfenahme des Doppler-Effekts. Wenn sich der Stern auf seiner kleinen Bahn einmal in Richtung Erde und dann wieder von ihr weg bewegt, werden die von ihm ausgesandten Lichtwellen abwechselnd etwas zusammen oder auseinander gezogen. Dabei werden die Lichtwellen erst zum blauen (kurzwelligen) und dann zum roten (langwelligen) Ende des Spektrums hin verschoben. Aus dieser periodischen Dopplerverschiebung des Lichts können die Astronomen die Bahn des Sterns ermitteln und daraus mit den Newtonschen Gesetzen die Masse, Umlaufzeit, den Abstand des Planeten von seinem Stern und sogar die Form der Umlaufbahn (kreisförmig oder elliptisch) bestimmen. Die ermittelte Masse des Exoplaneten stimmt aber nur, wenn die Beobachtung des fremden Planetensystems genau von der Seite geschieht. Ist die Bahn des Explaneten jedoch gegen die Beobachtungsrichtung geneigt, so wird seine Masse unterschätzt, weil die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von der Erde aus betrachtet geringer erscheint als sie ist. Die gemessene Doppler-Verschiebung täuscht einen zu leichten Planeten vor. Der Neigungswinkel der Bahnebene des fremden Planetensystems lässt sich nur ermitteln, wenn außerdem noch eine Staubscheibe oder aber ein Vorübergang des Planeten vor dem Stern (Planetentransit) beobachtbar ist. Der Planetentransit führt zu einer winzigen Helligkeitsabnahme des Sterns und ist deshalb eine eigenständige Methode zur Entdeckung von Exoplaneten.

 

Eins

Die Aufnahmen des Keck-Observatoriums wurden aus diesem Grunde im infraroten Licht gemacht, denn da ist der Helligkeitsunterschied zwischen Stern und Planeten deutlich geringer, immerhin aber auch noch 1 Millionen zu 1! Mit geeigneten Rechenverfahren gelang es den kanadischen und amerikanischen Wissenschaftlern aber, das schwache Leuchten der Exoplaneten herauszufiltern.

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Exoplaneten bei HR8799: Im sichtbaren Licht werden die Planeten von ihrem Stern überstrahlt, im Infraroten werden sie aber sichtbar. Quelle: http://www.nrc-cnrc.gc.ca/

Die jetzt fotografierten drei Exoplaneten umkreisen einen blauen Hauptreihenstern der Spektralklasse A(Katalognamen HR8799), der deutlich massereicher und heisser als die Sonne ist, welche als gelber Hauptreihenstern zur Spektralklasse G gehört. HR8799 befindet sich im Sternbild Pegasus, 130 Lichtjahre von uns entfernt und ist erst 100 Millionen Jahre alt (Sonnenalter ca. 5 Milliarden Jahre!). Darum ist er noch von einer massiven Staubscheibe und einem äusseren Gürtel aus Eis- und Felsbrocken (Kuipergürtel) umgeben, die sich bis auf 300 Astronomische Einheiten (1 AE = Entfernung Sonne-Erde = 150Millionen km) hinaus ausdehnen und aus der Entstehungszeit des Planetensystems stammen. Zum Vergleich: Neptun, der äusserste Planet unseres Sonnensystems, umkreist die Sonne in rund 30 AE Entfernung, und der Kuipergürtel reicht bis auf 50 AE hinaus.

Die drei neu entdeckten Exoplaneten gehören zur Klasse der Gasriesen wie Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems. Sie sind aber mit 10, 9 und 6 Jupitermassen deutlich schwerer und umkreisen ihren Stern in Abständen von 24, 37 und 67 AE.  Die Massen der Gasriesen werden also mit zunehmendem Abstand vom Stern geringer. Das ist in unserem Sonnensystem genauso.

Das neu entdeckte Planetensystem wirkt wie eine vergrößerte Version unseres Sonnensystems, was mit der vergleichsweise größeren Masse von HR8799 zusammenhängen mag.

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Das Planetensystem um HR8799  und unser Sonnensystem im Vergleich. Bei äusseren roten Ringen handelt es sich um die Kuiper-Gürtel. Quelle: http://www.nrc-cnrc.gc.ca/

Die Wissenschaftler des Keck-Observatoriums vermuten, daß sich in größerer Nähe zum Stern noch weitere, auch kleinere Planeten befinden, vielleicht sogar Felsplaneten, ähnlich der Erde. Sie konnten diese aber bisher noch nicht ausmachen, weil das Sternenlicht hier einfach zu grell ist.

 

Zwei

Ein weiterer Exoplanet wurde von einem Wissenschaftlerteam der University of California, Berkeley mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt und fotografiert. Er umkreist den 200 Millionen Jahre jungen, nur 25 Lichtjahre von uns entfernten Stern Formalhaut im Sternbild Südliche Fische. Auch hier ist noch eine massive Scheibe aus Staub, Gesteinstrümmern und Eisbrocken vorhanden.

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Das Planetensystem bei Formalhaut. Der Exoplanet wurde innerhalb der massiven Scheibe aus Staub, Fels- und Eisbrocken ausgemacht. Aus seiner Bewegung im Laufe von 2 Jahren konnte die Umlaufzeit des Planeten mit 872 Jahren genau bestimmt werden. Der Exoplanet ist also sehr weit von seinem Stern entfernt. Quelle:  http://www.nasa.gov/ und http://www.berkeley.edu/news/

Der Exoplanet ist sehr weit von seinem Stern entfernt und benötigt deshalb für eine Umkreisung immerhin 872 Jahre. Überraschenderweise war der Planet, der etwa die Masse des Jupiter hat, sogar im sichtbaren Licht auszumachen. Die Erklärung: Wahrscheinlich verfügt der Exoplanet, ähnlich wie der Saturn in unserem Sonnensystem, über ein Ringsystem aus Eis- und Felsbrocken. Die Ausmaße dieses Ringsystems sind aber viel gewaltiger, so daß er ausreichend Sternenlicht reflektiert, um den Exoplaneten sichtbar zu machen. Die Aufnahme im sichtbaren Licht war trotzdem nur möglich, weil der zentrale Stern mit einer Maske ausgeblendet wurde. Ansonsten hätte er seine Umgebung total überstrahlt.

 

Exoplaneten und Planetenenstehung

Die beiden Entdeckungen bestätigen sehr eindrucksvoll die gängigen Theorie über die Planetenentstehung, die in ihren Grundzügen schon im 18 Jahrhundert (!) durch Imanuel Kant und Simon de Laplace entwickelt wurde:

Eine interstellare Wolke (Durchmesser ca. 1Lichtjahr) aus Gas (99%) und Staub (1%) kollabiert unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft, möglicherweise begünstigt durch Schockwellen benachbarter Supernovaexplosionen. Die Wolke zieht sich zusammen, beginnt zu rotieren, wird dabei immer schneller (wegen der Erhaltung des Drehimpulses) und im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich ein Stern bildet. Durch die Rotation formt sich eine Scheibe, in der es zu Kondensationsvorgängen kommt. Die vielen Staubteilchen wirken dabei als Kondensationskerne. Die schwerer werdenden Staubteilchen sinken durch die Bremswirkung des Gases und die Schwerkraft zur Scheibenebene, wo sie sich zunehmend anreichern. Dadurch beschleunigt sich das Wachstum der Staubteilchen, weil sie sich immer häufiger begegnen, und es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern. In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach außen abnimmt, kondensieren im inneren, heißen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate. Bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auftreten. Die Planetesimale sind bald groß genug um weitere Materie anzusammeln. Die Grösseren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stossen aufeinander und zerfallen, oder werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äußeren Ring, den Kuiper-Gürtel. Manche stürzen auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen entsprechend größere Planetesimale, die wiederum auch mehr Material einsammeln können. Die dadurch sehr großen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen nun auch größere Mengen Gas an, wodurch Gasriesen entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas das hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensiert. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die so heiss werden, daß sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate den Mantel und die Kruste. Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder mehrere Asteroidengürtel.

Jens Christian Heuer

Quellen: http://www.nrc-cnrc.gc.ca/, http://www.berkeley.edu/news/, http://www.nasa.gov/news/

Written by jenschristianheuer

14 November, 2008 at 06:30 am

Veröffentlicht in Jens Christian Heuer, Wetterwelten

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

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