Gewitter

 

 

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Gewitterwolke

Gewitter

Ein Gewitter ist eine meteorologische Erscheinung, die mit elektrischen Entladungen und davon verursachten Schallereignissen, eben mit Blitz, Donner und meist auch Niederschlag einhergeht. Kennzeichen von Gewittern sind Wolken mit einer großen vertikalen Ausdehung (Cumulonimbus). Gewitter treten vor allem im Sommer auf. Aber auch im Winter sind Gewitter nichts Ungewöhnliches. Je nach Intensität können Gewitter mit kräftigen wolkenbruchartigen Schauern in Form von Regen, Starkregen, Graupel, Hagel (im Winter auch Schnee) und heftigen Böen verbunden sein. Vor einer Gewitterfront wehen oft böige Winde bis zu Sturmstärke. Seltenere Begleiterscheinungen sind sog. Downbursts. Durch aufsteigende feuchtwarme Luftmassen baut sich eine große Gewitterwolke bis in der höhere und kältere Atmosphärenschichten auf.

Für die Entstehung von Gewittern müssen 3 Grundvoraussetzungen vorhanden sein:

Was ist Feuchte?
Feuchte bedeutet , daß die Luft einen hohen Wasserdampfgehalt aufweist.
Alles Wissenswerte dazu steht im Kapitel Luftfeuchte.

Was ist Labilität? 
Labilität bedeutet , dass die Troposphäre unten warm und oben kalt ist und die Luftpakete aufsteigen.
Alles Wissenswerte dazu steht im Kapitel Adiabsie.

Was bedeutet Hebung?
Für die Hebung der feuchten bodennahen Luftschicht gibt es verschiedene Ursachen. Oft wird sie durch unterschiedlich erhitzte Luftmassen erwirkt, die sich aufgrund variierender Wind- und Luftdruckverhältnisse sowie Luftschichtungen bilden. Hebung heißt, daß die feuchte bodennahe Luftschicht sich erwärmt und aufgrund der gegebenen Labilität der Luftschichtung aufsteigen kann, so daß der Wasserdampf auskondensiert und so den Aufstiegsprozeß zusätzlich antreibt. Die Hebung kann auch mechanischer, d.h. orographischer Natur sein.

Alles Wissenswerte dazu steht im Kapitel Hebung.

Wegen der vielen verschiedenen Bedingungen für eine Gewitterbildung und deren gegenseitiger Beeinflussung ist eine örtlich genaue Gewittervorhersage entsprechend schwierig.

 

Entstehung einer Gewitterzelle

Durch die initiale Hebung kühlt die feuchte Luft soweit ab, bis sie den Taupunkt erreicht hat. An dieser Stelle, dem Kondensationsniveau, kondensiert die feuchte Luft und es bildet sich die sichtbare Wolke - zunächst als kleine Quellwolke. Der Kondensationsprozeß setzt Energie frei, die als Kondensationswärme die Luftmasse weiter erwärmt und ausdehnt und damit in die Höhe treibt. Dadurch wird der anfängliche Hebungsimpuls wesentlich verstärkt. Soweit ausreichend feuchte Luft nachströmen kann, wird sich dieser Effekt wie in einem Kamin weiter entwickeln und ggf. noch verstärken. Betrachtet man ein imaginäres Luftpaket, wird es solange aufsteigen, wie es wärmer ist als seine Umgebung. Spätestens am Übergang zwischen Troposphäre und Stratosphäre, der Tropopause, wird der Aufstieg des Luftpakets beendet, da hier wieder ein Temperaturanstieg einsetzt. Die Tropopause liegt in Mitteleuropa im Winter etwa auf einer Höhe von 8 km und im Sommer auf etwa 12 km Höhe. Durch weiter in der Wolke nachströmende Luft wird die oberste Schicht an der Tropopause auseinander getrieben und die typische Form der Gewitterwolke (Amboß) bildet sich aus.

Diese grundlegenden Vorgänge der Wolkenbildung sind in den Kapiteln Wolken und Niederschlag näher dargestellt.

Cumulonimbus

Eine wesentliche Voraussetzung für die Entstehung eines Gewitters ist eine potentiell labile Schichtung der Luft, so daß vertikale Umlagerungen begünstigt werden. Umso größer die Labilität, desto größer ist auch das Gewitterpotential. Erforderlich ist also eine hinreichend große vertikale Temperaturabnahme in der Troposphäre, d.h. die Temperatur muß mit zunehmender Höhe so stark abnehmen, daß ein Luftpaket durch Kondensation instabil wird und aufsteigt (potentiell labile Schichtung). Dafür muß die Temperatur in der freien Atmosphäre um mehr als 0,65 °C pro 100 m Höhe abnehmen. Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst trockenadiabatisch (1,0 °C/100 m) ab, bis seine Temperatur den Taupunkt erreicht. Ab dieser Temperatur beginnt der im Luftpaket enthaltene Wasserdampf zu kondensieren und es bildet sich eine sichtbare Quellwolke.

Den entscheidenden Antrieb für die Entstehung eines Gewitters liefert also die Kondensationswärme. Sie wird freigesetzt, wenn der gasförmige Wasserdampf der aufsteigenden Luft sich durch die Abkühlung wieder zu kleinen Wassertröpfchen kondensiert. Es ist genau die gleiche Wärmemenge, die vorher nötig war, um das Wasser verdunsten zu lassen. Dieser Prozeß ist im Kapitel Luftfeuchte näher dargestellt.

Diese Kondensationswärme facht das Aufsteigen der Luft zusätzlich an, weil warme Luft leichter ist als kalte. Beim Kondensationsvorgang wird die im Wasserdampf gespeicherte Energie (latente Wärme) in Form von Wärme freigesetzt, wodurch die Temperatur des aufsteigenden Luftpakets zunimmt und infolgedessen sich nicht mehr mit 1 °C/ 100 m, sondern mit nur noch 0,65 °C/100 m (feuchtadiabatischer Aufstieg) abkühlt. Durch die freiwerdende Kondensationswärme kühlt es beim Aufstieg weniger schnell ab als die umgebende Luft und erhält dadurch zusätzlichen Auftrieb. Es ist somit stets wärmer und damit aufgrund seiner geringeren Dichte stets leichter als die Umgebungsluft und steigt folglich weiter auf.

Aus diesem Grund ist für die Entstehung eines Gewitters eine ausreichende Luftfeuchte in der bodennahen Luftschicht notwendig, die über die im Wasserdampf enthaltene latente Wärme die Energie für die Feuchtekonvektion liefert und so die Gewitterbildung überhaupt erst ermöglicht. Latente Wärme ist die im Wasserdampf enthaltene Energie, die bei der Kondensation in Form von Wärme wieder freigesetzt wird.

Liegt eine sog. beding labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket bis in eine Höhe auf, wo die Temperaturdifferenz pro Höheneinheit (Temperaturgradient) wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperatur- und Dichteunterschied im Vergleich zur Umgebungsluft wieder. Ist die Dichte des Luftpakets schließlich gleich der Dichte der Umgebungsluft, verschwindet die Auftriebskraft und die aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau (Equilibrium Level) genannt. Meistens befindet es sich in der Nähe der Tropopause. Diese liegt in Mitteleuropa zwischen 8 km Höhe im Winter und ca. 12 km Höhe im Sommer. In den Tropen liegt die Tropopause auf ca. 16 km Höhe. Deswegen werden die Gewitterwolken in den Tropen wesentlich mächtiger als in unseren Breiten.

Die Bewegungsenergie, die ein Luftpaket bei seinem Aufstieg hat, wird auch als Labilitätsenergie bezeichnet. Je größer die Labilitätsenergie, desto höher ist die maximale Aufwindgeschwindigkeit in der Gewitterwolke, die bis zu 20 m/s und mehr betragen kann. Die Intensität von Gewittern hängt eng mit der vorhandenen Labilitätsenergie zusammen. Aufgrund ihrer (Massen-)Trägheit können die Luftpakete ähnlich einem Springbrunnen sogar über das Gleichgewichtsniveau hinausschießen (konvektives Überschießen), und zwar umso höher, je größer die Labilitätsenergie und damit die Geschwindigkeit des Aufwindes ist. Solche overshooting tops können Höhen von über 20 km erreichen.

Die eingangs erwähnte potentielle Labilität bedeutet dabei, daß die labile Schichtung der Atmosphäre allein nicht ausreicht, um ein Gewitter auszulösen. Vielmehr sind hierfür zusätzliche Antriebe notwendig. Es gibt verschiedene Auslösefaktoren. Thermischer Auslöser ist die Sonneneinstrahlung, die hauptsächtlich im Sommer den Boden und die darüber lagende Luft erwärmt oder im Herbst und Winter eine relativ warme Wasseroberfläche als gespeicherte Sonnenenergie. Beides sorgt dann für die notwendige Hebung des Luftpakets. Entscheidend ist also entweder eine ausreichend hohe Temperatur am Boden, die sogenannte Auslösetemperatur oder, wenn diese nicht erreicht wird, eine erzwungene Hebung bodennaher Luftpakete. Letztere erfolgt z.B. durch das Überströmen von Gebirgszügen oder auch auf der Vorderseite einer Kaltfront. Eine weitere sehr effektive Möglichkeit für anfängliche Hebung stellt die starke Erwärmung der hangnahen Luft an sonnenbeschienenen Berghängen dar, die in Form des Hangaufwinds oder des Talwindes beschleunigt aufsteigt und dann Gewitter auslösen kann.

Gewitterhäufigkeit in deutschland

Andere Auslöser für Gewitter können aber die Hebung an Gebirgen oder die dynamische Hebung sein. Wirken diese Auslösefaktoren gemeinsam, kann eine anfangs noch harmlos erscheinende Haufenwolke recht schnell zu einer mächtigen Gewitterwolke, einem Cumulonimbus (Cb) anwachsen, so daß mit u.U. schwerem Gewitter zu rechnen ist.

Die Zahl der Gewitter ist von der geografischen Breite und der orografischen Beschaffenheit der Erdoberfläche abhängig. Grundsätzlich nimmt sie von den Tropen zu den höheren Breiten hin ab. In Äquatornähe werden ca. 100 - 160 Gewittertage im Jahr registriert. In unseren mittleren Breiten ist mit durchschnittlich 15 - 60 Gewittertagen zu rechnen. In den Polargebieten sind Gewitter dagegen fast unbekannt. In Deutschland werden im Jahresmittel 15 Gewittertage gezählt, bevorzugt in Voralpennähe, im Rheinland und im Thüringer Wald. Die meisten Gewitter – ein Drittel – gibt es in Deutschland im Juli.

 

Entwicklung vom Cumulus zum Cumulonimbus

Cumulus humilis (Schönwetterwolken)

Cumulus mediocris

Cumulus congestus

Cumulonimbus

 

Lebenszyklus einer Gewitterzelle

Die Gewitterzelle durchläuft drei Stadien:

Wachstumsstadium: In dieser Phase existiert nur Aufwind. Dieser wird durch die Freisetzung von Labilitätsenergie erzeugt. Der Aufwind nimmt von unten nach oben hin zu und von innen nach außen ab. Zuerst bildet sich aus einer Cumuluswolke ein Cumulus congestus. Wenn die Wolke in den oberen Teilen vereist, entsteht ein Cumulonimbus, die eigentliche Gewitterwolke. Noch sind keine Abwinde vorhanden und es fällt kein Niederschlag aus der Wolke. Dieses Stadium dauert etwa 15 bis 20 Minuten.

Reifestadium: Im Reifestadium wird die Entwicklung der Zelle durch Niederschlagsbildung bestimmt. Zunächst werden die Niederschlagsteilchen wie Regen, Schnee, Graupel und Hagel noch vom Aufwind getragen. Der Aufwind kann Geschwindigkeiten von 6.000 ft/min und mehr erreichen. Mit zunehmender Größe und wachsendem Gewicht beginnen sie gegen den Aufwind zu fallen. Aufgrund schwacher Windscherung können sich anfangs Auf- und Abwind nicht voneinander trennen. Der Niederschlag fällt daher auch in den Aufwind zurück, bremst diesen durch Reibung ab und verwandeln ihn schließlich in einen Fallwind, der kalte Luft aus der Höhe mit nach unten befördert. Dabei schmelzen die Eispartikel und kühlen den Abwind zusätzlich, der dadurch dichter und schwerer und so zusätzlich nach unter beschleunigt wird. Der Abwind kann Fallwerte von mehr als 2.000 ft/min erreichen. Durch das unmittelbare Nebeneinander von Auf- und Abwinden herrscht im Cb größte Turbulenz.

Entwicklungsphasen eines Cb
Gewitter (Schnitt)

In dieser Phase existieren im Cb daher sowohl Aufwinde als auch Abwinde. Zugleich werden die Tropfen oder Eiskörner wieder nach oben transportiert, wo sie erneut vereisen bzw. weiteres Eis ansetzen.

Am Boden setzt Niederschlag in Form von Regen, Graupel oder sogar Hagel ein. Meistens ist die Niederschlagsintensität zu Beginn der Reifephase am höchsten. Auch fast alle Blitze treten während dieser Phase auf. Zusammen mit dem starken Niederschlag entsteht im Inneren der Zelle ein Kaltluftausbruch, der sich in Bodennähe seitlich ausbreitet. So entstehen die bekannten Gewitter-Sturm-Böen am Boden (Böenwalze). Unter der Gewitterzelle erzeugt der Fallwind einen krassen Temperatursturz mit schnellem Druckanstieg. Mit dem Ausfall des Niederschlages und dem zunehmenden kalten Fallwind schneidet sich die Gewitterzelle die weitere Zufuhr neuer Energie in Form von Wärme vom Boden selbst ab und die Zelle beginnt abzusterben. Die mittlere Dauer des Reifestadiums beträgt etwa 15 bis 30 Minuten.

Auflösungsstadium: Im Auflösungsstadium der Gewitterzelle ist jede Aufwindbewegung abgestorben und es existiert nur noch Abwind. Der restliche Niederschlag fällt allmählich zu Boden. Die Zelle regnet aus und die Cumulonimbuswolke löst sich alsbald auf. Der vereiste Wolkenschirm (Cirrus oder Cirrostratus cumulonimbogenitus) kann dagegen noch längere Zeit bestehen bleiben. Die Dauer dieses Stadiums beträgt etwa 30 Minuten. Gewitter sind recht kurz, weil sich die kühle Luft des Abwindes unter den Aufwind schiebt und so die Zufuhr von warmer, feuchter Luft beendet.

Das muß aber nicht das Ende jeder Gewittertätigkeit sein. Vielmehr können sich in der Umgebung absterbender Zellen auch wieder neue Gewitterzellen entwickeln. Dabei spielt der aus einer absterbenden Zelle ausfließende Fallwind die entscheidende Rolle. Er kann nämlich den Anstoß für die Bildung von neuen Gewitterzellen geben, indem der am Boden lagernde warme Luft zum Aufstieg veranlaßt. Vorzugsweise wird das in Zugrichtung des Gewitters geschehen, die durch das Vorauseilen des Gewitterschirms (Amboß) angezeigt wird. Die Ausbildung neuer Gewitterzellen kann durch Geländeeinflüsse gefördert oder verhindert werden. Im ersten Fall bleibt das Gewitter "hängen", d.h. es bilden sich im näheren Umkreis stetig neue Gewitterzellen bis es schließlich an Aktivität verliert und später erlischt. Diese "Gewitterfortpflanzung" führt bei geeigneten Bedingungen auch zum Multizellengewitter.

 

Niederschlagsbildung und Hagel

Die Grundzüge der Niederschlagsbildung werden im Kapitel Niederschlag dargestellt.

In der Gewitterwolke herrschen u.U. so starke Aufwinde, daß Regentropfen nicht mehr nach unten aus der Wolke heraus fallen, sondern in der Schwebe bleiben oder sogar nach oben in kältere Regionen getragen werden. Dort gefrieren sie, wobei sich ggf. neues Eis anlagert. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis die Eiskörner derart schwer geworden sind, daß sie von den Aufwinden in der Cb-Wolke nicht mehr gehalten werden können. Dann fallen entweder sehr dicke, kalte Regentropfen, Graupel oder sogar Hagelkörner aus der Gewitterwolke auf die Erde. Je stärker die Aufwinde in der Gewitterwolke sind, desto größer können die Hagelkörner werden. Bei sehr großtropfigem konvektivem Niederschlag (Platzregen) handelt es sich in der warmen Jahreszeit oder in den Tropen meistens um aufgeschmolzene Hagelkörner. Ein eher heller, weißlicher Niederschlagsvorhang deutet auf Hagel hin, bei eher gräulichem Aussehen wird es sich um Regen handeln.

Gewitterzellen erzeugen im frühen Stadium einen niederschlagsfreien Bereich, wie die Abbildung rechts oben zeigt. Dabei ist das Niveau der Wolkenuntergrenze deutlich nach oben angehoben (Kolsmann-Delle). Manchmal bilden sich hier oberhalb dieses Ausfällungsbereichs an der Außenseite der Wolke oft recht starke Aufwinde, die sich wie Hangaufwind für den Segelflug bis in große Höhen nutzen lassen.

Hagelsturm

In Gewitterwolken sind die Aufwinde regelmäßig so stark, daß selbst schwere Eisklumpen in der Schwebe gehalten werden können. Dies geschieht in einem ständigen auf und ab, wie der schalenförmige Aufbau eines Hagelkornes zeigt. Die Hagelkörner können auch aus der Wolke herausgeschleudert werden, weshalb auch beim Flug außerhalb der Wolke mit Hagelschlag gerechnet werden muß.

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Weitere Einzelheiten zur Hagelbildung und den Gefahren für die Luftfahrt durch Hagel stehen im Kapitel Hagel.

 

Blitz und Donner

elektrische Ladungsverteilung

Ein Blitz ist die sichtbare elektrische Entladung, die durch ein Gewitter ausgelöst wird. Das passiert innerhalb der Gewitterwolke, von Wolke zu Wolke, von der Wolke zum Boden und gelegentlich auch von der Wolke zu klarer Luft. Blitze entstehen nach der bisherigen Lehrmeinung durch die hohen Vertikalwindgeschwindigkeiten innerhalb von Gewitterwolken. Eine weitere Bedingung für die Entstehung von Blitzen sind Eiskristalle. Diese transportieren unterschiedliche elektrische Ladungen. An den Grenzflächen zwischen den Auf- und Abwinden bildet sich eine weitere Ladungstrennung. Die Eiskristalle, die sich so gebildet haben, werden durch den Aufwind stärker nach oben getrieben als die noch nicht gefrohrenen Wassertröpfchen. Dadurch kommt es zu einer Ladungstrennung: Im oberen Teil der Gewitterwolke werden Partikel mit positiver Ladung, im unteren Teil Partikel mit negativer Ladung angehäuft. Am Fuß der Wolke findet sich nochmals ein kleines positives Ladungszentrum, das wahrscheinlich aus der positiven Koronaladung entsteht, die von Spitzen am Boden, z. B. an Pflanzen, unter der Gewitterwolke infolge des hohen elektrischen Bodenfeldes abgesprüht und durch den Wind hochtransportiert wird. Aus elektrophysikalischer Sicht ist ein Gewitter also ein gigantischer elektrostatischer Generator mit Wassertröpfchen und Eispartikeln als Ladungsträger, dem Aufwind als Ladungstransportmittel und der Sonne als Energielieferant.

Nach neuesten Untersuchungen werden Blitze vor allem durch kosmische Partikelströme ausgelöst. Diese geladenen Partikel verursachen dann in der Gewitterzelle die Ladungstrennung mit positiver Ladung oben und negativem Ladungspotential unten.

Durch wetterbedingte Verlagerungen der Wolken und damit der Ladungsträger ergeben sich riesige Spannungsdifferenzen zwischen den Wolken und der Erde. Die so aufgebaute elektrischen Spannung entlädt sich im Blitz, jedoch erst beim überschreiten einer bestimmten Ladungsschwelle. Blitze selbst können Stromstärken von bis zu 100.000 A aufweisen, während die Spannung zwischen den Wolken und der Erde  bis zu 30.000.000 V betragen kann. Die Blitzentladung dauert nur den Bruchteil einer Sekunde. Im sog. Blitzkanal, durch den sich die Elektronen bewegen, wird die Luft durch die hohen Stromstärken schlagartig auf ca. 40 000 °C erhitzt, so daß sie sich explosionsartig ausdehnt. Ein lauter Knall ist die Folge, den man noch in weiterer Entfernung als Donnergrollen wahrnimmt.

Mit Hilfe des Donners kann man feststellen, wie weit ein Gewitter entfernt ist. Da sich das Licht des Blitzes mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, der Donner aber nur mit Schallgeschwindigkeit von 330 m pro Sekunde, kommt der Donner umso später an, je weiter entfernt es geblitzt hat. Deshalb kann man aus der Zeit zwischen dem Blitz und dem Donner die Entfernung zum Blitz berechnen (3 Sekunden entsprechen etwa einem Kilometer). Mit einer Stoppuhr mißt man die Zeit, die zwischen Blitz und Donner vergeht. Die Sekundenzahl teilt man durch 3 und erhält als Ergebnis die Entfernung des Gewitters in Kilometern.
Beispiel: Vergehen zwischen Blitz und Donner 6 Sekunden, war der Blitz 6 : 3 = 2 km entfernt.

Blitz und Donner wurden früher als üble Laune der Götter interpretiert. Als Benjamin Franklin 1752 seinen Drachen in ein Gewitter lenkte, konnte er den Blitz als gewaltige elektrische Entladung erkennen. Damit hatte er zugleich den Blitzableiter erfunden - im wesentlichen so, wie er heute noch in Gebrauch ist. In den Anfangszeiten war man der Meinung, daß Blitzableiter am höchsten Punkt des zu schützenden Objektes angebracht und besonders spitz sein müßten. Die Form des höchsten Punktes hat jedoch keinerlei Einfluss auf die Funktion des Blitzableiters. Heute werden Blitzableiter in festgelegten Abschnitten über den First und die Dachflächen verlegt und mit Antennenanlagen, Schornsteinen, der Wasserleitung und dem im Boden verlaufenden Fundamenterder verbunden.

Schutz gegen Blitzschlag findet man daher grundsätzlich im Inneren von Unterkünften, die wie ein Faradayscher Käfig wirken, um den die elektrische Ströme des Blitzes herum gelenkt werden, z.B. in

  • Gebäuden mit Blitzschutzanlagen,
  • Stahlskelettbauten,
  • Gebäuden mit zusammenhängenden Blechwänden und -decken,
  • Fahrzeugen mit Ganzmetallkarosserie wie PKW, Eisenbahnwagen, Omnibussen, Seilbahnwagen.

Gegen Blitzschlag bieten auch Flugzeuge und Hubschrauber in Ganzmetallbauweise einen guten Schutz, wenn sie rundum abgeschlossen sind und Blitzschutzeinrichtungen besitzen, da dann die Flugzeugzelle wie ein Faradayscher Käfig wirkt. Blitzeinschläge haben daher, bis auf wenige Ausnahmefälle, regelmäßig keine nachhaltigen Auswirkungen auf die Betriebstauglichkeit heutiger Verkehrsluftfahrzeuge. Allerdings können Blitze und Blitzeinschläge durch die enormen Stromstärken von 20.000 Ampère im Flugzeug jedoch elektromagnetische Felder aufbauen und nach dem Prinzip des Transformators beträchtliche Spannungen induzieren. Dieses Feld ruft selbst in weit entfernten elektrischen Leitern noch so hohe und gefährliche Stromstöße hervor, daß angeschlossenen elektrische Geräte Schaden nehmen können, was zu Störungen bzw. Ausfällen von Funk- und Navigationsanlagen sowie Falschanzeigen des Magnetkompasses führt. Im Bereich von Gewittern ist auch stets mit starker statischer Elektrizität zu rechnen, die sich in Störungen des Funkverkehrs und vor allem in erheblichen Fehlanzeigen der ADF-Anzeige äußert. Unter Umständen können Blitzeinschläge auch Materialabschmelzungen an den Einschlagstellen verursachen, was an der Außenhaut des Flugzeuges zu Verformungen führen kann.

Aufgrund des Einsatzes moderner Verbundwerkstoffe bei Luftfahrzeugen ist der Blitzschutz, insbesondere bei Klein- und Sportluftfahrzeugen bzw. Kunststoffsegelflugzeugen, in der Regel aber nicht vorhanden, weil diese gar nicht oder nur sehr eingeschränkt leitend sind. Diese Luftfahrzeuge besitzen daher regelmäßig keinen Blitzschutz. Mit solchem Fluggerät sollte man deshalb generell Wolken mit Gefährdungspotential meiden. Vor allem aber sind diese Flugeräte nicht für den Flug in der Nähe von Gewittern und in den dort auftretenden heftigen Turbulenzen konstruiert. Diese können ohne weiteres die zulässigen Lasten überschreiten und so zum Abmontieren des Geräts führen. Mit Klein- und Sportluftfahrzeugen sollte man deswegen Gewitter stets weiträumig umfliegen.

Zudem ist der Lichtblitz so hell, daß ein Pilot bei ungeschützten Augen derart geblendet wird, daß er vorübergehend nichts mehr sehen kann. Sind die übrigen Wetterbedingungen so schlecht, daß der Pilot ohnehin schon Mühe hat, das Flugzeug auf Kurs zu halten, kann die vorübergehende Blindheit dazu führen, die Kontrolle über das Flugzeug zu verlieren. Nicht zu unterschätzen ist auch die psychologische Wirkung von Blitzen, insbesondere von Blitzeinschlag, auf Passagiere und Piloten. Angst, Schock, im schlimmsten Fall auch Panik können beim Piloten falsche und damit fatale Reaktionen hervorrufen.

 

Klassifikation von Gewittern

Die Bildung von hochreichender konvektiver Bewölkung und damit von Gewittern setzt neben einer entsprechend labilen Schichtung der Troposphäre zur Auslösung der Feuchtekonvektion einen Hebungsantrieb voraus. Hinsichtlich der Auslösemechanismen lassen sich 2 Arten von Gewittern unterscheiden:

  • Luftmassengewitter und
  • Frontgewitter.

Luftmassengewitter

Luftmassengewitter treten, wie der Name bereits sagt, innerhalb  in einer einheitlichen feuchtwarmen Luftmasse auf, d.h. die Temperatur verändert sich in horizontaler Richtung kaum. Dagegen muß die Temperatur aber mit der Höhe hinreichend stark abnehmen und es muß zu einer ninreichend starken Erwärmung der bodennahen Luftschicht kommen (thermische Auslösung). Es werden 2 Haupttypen von Luftmassengewitter unterschieden:

  • Wärmegewitter und
  • Wintergewitter.
  • Wärmegewitter

    (auch Sommergewitter oder Konvektionsgewitter genannt) entstehen hier in Mitteleuropa praktisch nur im Sommerhalbjahr, am häufigsten im Juli und August, wenn durch die Sonneneinstrahlung der Erdboden und die darüber befindliche Luftschicht aufgeheizt werden. Deswegen entstehen Wärmegewitter erst in den Nachmittagsstunden und am frühen Abend. Die starke Sonneneinstrahlung läßt außerdem auch viel Wasser verdunsten. Die Temperatur steigt vor allem am Boden stark an, während sie in der Höhe nahezukonstant bleibt. Dadurch erhöht sich der vertikale Temperaturgradient im Tagesverlauf. Ab einer bestimmten Temperatur (Auslösetemperatur) beginnen Warmluftblasen in die Höhe zu steigen, da sie wärmer und somit leichter sind als die Luft in ihrer Umgebung. Wenn sich auf diese Weise Luftmassen ablösen und aufsteigen, kommt es bevorzugt am Nachmittag und frühen Abend, mitunter aber auch erst nachts, zu Wärmegewittern. Wärmegewitter sind ortsgebunden und treten im Gegensatz zu Frontgewittern meist einzeln auf. Wärmegewitter sind lokal begrenzt.In den Tropen überwiegen die Wärmegewitter aufgrund der dort sehr intensiven Sonneneinstrahlung. Der Durchmesser eines Wärmegewitters kann 5 - 50 km betragen. Ein Sonderfall des Wärmegewitters ist das orographische Gewitter.

    Wintergewitter

    entstehen im Winterhalbjahr. Ihre Entstehung ist prinzipiell dieselbe wie die der Wärmegewitter. Allerdings fehlt im Winter oft eine ausreichend starke Sonneneinstrahlung. Deswegen kann ein hoher Temperaturgradient nur durch starke Abkühlung in der Höhe zustande kommen. Das geschieht durch Zufuhr von Höhenkaltluft, die meistens polaren Ursprungs ist. Über See wird die Feuchtekonvektion spontan und tageszeitunabhängig thermisch durch den starken Temperaturgradienten zwischen der relativ warmen Meeresoberfläche und der darüber geführten relativ kalten Luft ausgelöst. Auf Satellitenbildern sind diese Luftmassen an der zellulären konvektiven Bewölkung deutlich zu erkennen ("Streuselkuchenbewölkung"). Über Land tritt dieser Mechanismus zurück und es ist unter Einfluss der – wenn auch schwachen – Einstrahlung ein Tagesgang der Konvektion zu beobachten. Wintergewitter treten am häufigsten in den Mittags- und frühen Nachmittagsstunden auf. Allerdings ist die in den unteren Schichten über dem Meer erwärmte Luft oft recht weit ins Binnenland hinein noch genügend labil, um Konvektion auszulösen. Am heftigsten sind die Wettererscheinungen dabei in den Küstenregionen. Wintergewitter sind oft mit kräftigen Graupelschauer- und Schneeschauern verbunden. Da kältere Luft jedoch weniger Wasserdampf enthält und somit weniger energiereich ist, sind diese Gewitter meistens weniger intensiv als Wärmegewitter im Sommer.


Ein Luftmassengewitter ("Wärmegewitter") im Sommer hat typischerweise nur eine Lebensdauer zwischen 30 Minuten und ca. 1 - 2 Stunden. In dieser Zeit entwickelt sich bei geeigneten Bedingungen aus einer großen Quellwolke (Cumulus congestus) eine Gewitterwolke (Cumulonimbus) mit Blitz, Donner und Regen oder sogar Hagel, welche sich anschließend ausgeregnet und auflöst. Bei entsprechender Sicht lassen sich diese Gewitter meist weiträumig umfliegen.

Frontgewitter

Frontgewitter unterscheiden sich von Wärmegewittern durch ihre dynamische Hebung an der Grenze von zwei unterschiedlichen Luftmassen, also an einer Front und der hohen Zuggeschwindigkeit von bis zu 100 km/h. Hier sind besonders die Eigenschaften der durch die Front voneinander getrennten Luftmassen ausschlaggebend. Grundsätzlich sind Frontgewitter bei allen Arten von Fronten möglich, sofern ausreichend labile Luftmassen vorhanden sind. Dabei sind Kaltfronten hinsichtlich der Auslösung von Gewittern wesentlich wetterwirksamer als Warmfronten, da vertikale Umlagerungen bzw. vertikale Winde an Warmfronten aufgrund der stabileren Luftschichtungeher unterdrückt werden. Vertikale Umlagerungen sind Kaltfronten dagegen wesenseigen, weil sich die heranströmende dichtere und damit schwerere Kaltluft häufig wie ein Keil unter die vorgelagerte feuchte Warmluftmasse schiebt und sie damit anhebt. Schließlich bilden sich Quellwolken, die bei geeigneten Bedingungen zu Cumulonimbuswolken anwachsen können. Frontgewitter sind daher am häufigsten in Verbindung mit Kaltfronten zu beobachten. Ein Kaltfrontgewitter entsteht typischerweise, wenn im Sommer die Ausläufer eines Tiefdruckgebietes auf schwülwarme Luftmassen treffen. Da Kaltfrontgewitter durch die Temperaturdifferenz beider Luftmassen verursacht werden, können sie ganzjährig, selbst im Winter, und zu jeder Tageszeit auftreten, sind allerdings im Sommer häufiger als im Winter und fallen sommers in der Regel auch heftiger aus. Sie treten vor allem an der Vorderseite von Kaltfronten auf. Es müssen allerdings bereits vor dem Frontdurchzug die Grundbedingungen für Gewitter erfüllt sein. Die Front fungiert insoweit lediglich als Auslöser. Charakteristisch sind breite Gewitterfronten und hohe Zuggeschwindigkeiten, so daß ausgedehnte Gebiete von den Gewittern betroffen sind. Für Europa sind Kaltfrontgewitter die häufigste Gewitterart.

Warmfrontgewitter sind dagegen eher selten und entstehen beim Aufgleiten warmer Luft auf vorhandene kalte Luftmassen. Voraussetzung dafür ist dann, daß die Atmosphäre durch den Einschub feuchtwarmer Luftmassen in den unteren Bereichen der Troposphäre entsprechend labilisiert wird. In Europa entstehen Warmfrontgewitter hauptsächlich im Winter, wenn solche feuchtwarme Meeresluft auf kontinentale Kaltluft trifft.

Frontgewitter können sich über mehrere 100 km hinweg als fast geschlossene Formation bilden. Hinzu kommt, im Unterschied zum Wärmegewitter, daß sie mit der Front mitziehen, sich also verlagern. Das ist bei entsprechender Wetterlage schon bei der Flugplanung zu berücksichtigen. Entsprechend ihrer Einbettung in das Frontgeschehen können Frontgewitter nicht oder nur schwer umflogen werden.

 

Präfrontale Konvergenz

Präfrontale Konvergenzen als linienhaft angeordnete Gewitter entlang von Konvergenzen bilden im Zusammenhang mit Kaltfronten eine gewisse Besonderheit. Sie sind häufig einer Kaltfront vorgelagert und treten vor allem in der warmen Jahreszeit auf. Im Bereich der Konvergenz, wo Windströmungen aus unterschiedlichen Richtungen zusammenfließen, erfolgt noch kein Luftmassenwechsel. Die Konvergenz macht sich am Boden durch einen Windsprung bemerkbar. Auslöser bzw. Hebungsmechanismus ist dabei die zusammenströmende Luft, die entlang der Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen wird. Im Winter sind solche Konvergenzen meistens wenig wetteraktiv, während im Sommer die hauptsächliche Gewittertätigkeit oft an der Konvergenz und nicht an der nachfolgenden Kaltfront zu finden ist. Hinter einer Kaltfront kommt es innerhalb der Kaltluftmasse auch entlang von Troglinien zu Hebungsvorgängen, die ebenfalls Feuchtekonvektion und damit auch Gewitter auslösen können. Dies ist zu allen Jahreszeiten zu beobachten, besonders aber im Winter, weil dann die Dynamik von Tiefdruckgebieten am ausgeprägtesten ist.

 

Orographische Gewitter

Orographische Gewitter sind ein Sonderfall des Wärmegewitters. Hier wird feuchtlabile Luft durch ein Hindernis (Berg bzw. Gebirge), bevorzugt am Übergang von Flachland zu Gebirgsmassiven, angehoben und dadurch zu der für die Gewitterbildung erforderlichen Labilität gebracht. Überströmt eine Luftmasse ein Gebirge, wird sie zwangsläufig gehoben. Dabei kühlt sie sich ab und kann auskondensieren. Bei geeigneter Wetterlage kann sich dann eine Gewitterwolke bilden. Orographische Gewitter verursachen gerade in den Staulagen der Gebirge oftmals enorme Regenmengen, da sie sich bei unveränderten Bedingungen immer wieder an derselben Stelle bilden können. Orografische Gewitter können sich das gesamte Jahr über ausbilden.

 

Arten von Gewitterzellen

Einzelzellengewitter

Ein Gewitter baut sich meist aus einzelnen Zellen von einigen Kilometern Durchmesser auf. Bei der Einzelzelle handelt es sich um eine einzelne Gewitterzelle. Es ist die kleinste abgeschlossene Einheit, aus der ein Gewitter aufgebaut sein kann. Sie entsteht bei schwacher Windscherung, wenn also der Wind mit der Höhe nur unwesentlich zunimmt. Meistens verursachen Einzelzellen relativ schwache Gewitter. Der Durchmesser einer solchen Gewitterzelle kann von ca. 5 km bis zu 50 km betragen und erstreckt sich oft bis in Höhen über 10 km, während die Wolkenuntergrenze meist bei 1 - 2 km, bei entsprechender Luftfeuchte aber auch bei nur wenigen hundert Fuß liegt. Die Temperatur in der Gewitterzelle baut sich mit der Höhe ab: von einer Bodentemperatur von beispielsweise +25 °C bis zu einer Temperatur an der Wolkenobergrenze um -50 °C. Ihre Lebensdauer beträgt zwischen 30 Minuten und einer bis zwei Stunden.

Multizellengewitter

Multizellengewitter

Häufig schließen sich aber auch mehrere einzelne Gewitterzellen zusammen und bilden so größere zusammenhängende Einheiten von Gewittern, die relativ nahe beieinander liegen und miteinander interagieren. Die Zellen können sich dabei in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Bei Multizellengewittern verstärkt der Abwind der älteren Gewitterzelle an ihrer Flanke den Aufwind der nächsten Zelle und begünstigt so wiederholt die Neubildung weiterer Gewitterzellen. Obwohl die Lebensdauer der einzelnen Zelle innerhalb des Komplexes nicht länger ist als die einer isolierten Einzelzelle, kann das ganze System insgesamt wesentlich länger als eine Stunde existieren. Die Gewitterzellen treten entweder in Gruppen (Multizellen-Clustern) auf oder ordnen sich entlang einer Multizellen-Linie an. Die meisten Gewitter in Deutschland treten als Multizellengewitter auf.

Bei Multizellengewittern sind die Einzelzellen  typischerweise treppenförmig angeordnet. Im Bild links ist eine Multizelle in den 4 verschiedenen Reifestadien dargestellt. Von der einfachen Cumulus-Wolke links über das Wachstumssstadium und das Reifestadium hin zum Auflösungsstadium rechts im Bild. Durch die fortwährende Neubildung sind Multizellengewitter sehr langlebig. Sie können von etwa 2 Stunden bis über 12 Stunden lang aktiv sein. Verbunden mit starkem Regen kann es dadurch schnell zu Überflutungen kommen.

Multizellen-Gewitter können auch linienförmig auftreten. Die Gewitterlinie kann dabei geschlossen oder auch mit kleineren Lücken versehen sein. Ein herannahendes Liniengewitter tritt als dunkles Wolkenband in Erscheinung. Von der vorrückenden Böenlinie wird warme labile Luft von dem kühlen Ausstrom nach oben in den Aufwindbereich gehoben. Die stärkste Aufwindzone ist meist an der Vorderseite der Gewitterlinie, wobei es den heftigsten Regen und Hagel kurz hinter der Aufwindzone gibt. Schwächerer Regen, der von älteren Zellen hervorgerufen wird, geht meist breitflächig hinter der aktiven Vorderseite der Böenlinie nieder.

Superzellengewitter

Superzelle

Bei Superzellen handelt es sich eigentlich um Einzelzellen, die aber einen hohen Grad an organisierter Struktur aufweisen. Sie können auch in einem Mulzizellengewitter oder einer Gewitterlinie eingebettet sein. Wesentliches Merkmal ist eine Rotation des Aufwindbereiches, die so genannte Mesozyklone. Eine Superzelle ist eine besonders langlebige Gewitterzelle, die mit starken Sturmböen, starkem Regen und oft auch Tornados einhergeht.

Zur Entstehung einer Superzelle ist eine hinreichend starke Windzunahme und Winddrehung mit der Höhe notwendig. Superzellen treten häufig im mittleren Westen der USA auf, wenn kalte Luft aus nördlichen Breiten auf besonders feuchtwarme Luftmassen aus dem Golf von Mexiko trifft. Mehr als 90 % der Superzellen produzieren extreme Wettererscheinungen, wie großen Hagel, Sturm- und Orkanböen oder Überschwemmungen. Aber nur etwa 30% produzieren Tornados. Superzellen sind oft sehr langlebig und können durchaus mehrere Stunden bestehen.

Lange Zeit galten Superzellen mit selten Ausnahmen allein auf die USA beschränkt, wo es mehrere tausend pro Jahr sein können. Mittlerweile hat sich aber gezeigt, daß sie bei geeigneten Bedingungen auch bei uns in Deutschland auftreten können. Pro Jahr werden etwa 10 bis 20 Tornados gezählt. Die größte Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Tornados bergen die Nachmittage im Monat Juli.

Die Unterschiede einer Superzelle gegenüber einer normalen Einzelzelle:

  • Eine Superzelle ist normalerweise erheblich langlebiger. Eine Dauer von mehrere Stunden ist keine Seltenheit. Ihre räumliche Ausdehnung kann beträchtlich, muß aber nicht größer sein als die einer Einzel- oder Multizelle.
  • Die Zugrichtung von Superzellen schert oft nach rechts (auf der Südhalbkugel nach links) gegenüber dem steuernden Wind aus, der die Zugrichtung normaler Gewitterzellen bestimmt.
  • Es treten deutlich intensivere Wettererscheinungen und Ausprägungen der Wolke mit speziellen Wolkenformen auf. Hierzu zählt vor allem die so genannte Wallcloud, die als Absenkung der regenfreien Wolkenbasis unter dem rotierenden Aufwind in Erscheinung tritt.
  • Die intensive Wettertätigkeit macht Superzellen zur gefährlichsten Art von Gewitterzellen. Sie gehen oft mit Wolkenbrüchen, großem Hagel von über 4 cm Durchmesser und schweren Fallböen (Downbursts) einher. Bei ca. 10 – 20 % aller Superzellen kommt es zur Bildung mesozyklonaler Tornados.

 

 

 

Besondere Gewittererscheinungen

Overshooting Tops

sehen aus eine Art Hügel oben auf dem Amboß der Gewitterwolke (siehe Bild "Cumulonimbus" im obigen Abschnitt "Entstehung einer Gewitterzelle"). Sie reichen manchmal bis in die Stratosphäre hinein. Wie schon oben erläutert, kann die Bewegungsenergie eines in der Gewitterzelle aufsteigenden Luftpakets derart groß sein, daß es aufgrund seiner (Massen-)Trägheit ähnlich einem Springbrunnen sogar über das Gleichgewichtsniveau hinausschießt (konvektives Überschießen) und zwar umso höher, je größer die Bewegungsenergie und damit die Geschwindigkeit des Aufwindes ist. Solche overshooting tops können Höhen von über 20 km erreichen. Diese Erscheinung ist also ein Anzeichen für sehr starke Aufwinde in der Gewitterzelle und damit für ein sehr heftiges Gewitter.

Cumulonimbus

Wallcloud

Bei heftigen Gewittern kann sich unter der dunklen, regenfreien Basis der Zelle eine tief hängende Wolkenwand bilden. Sie wird mit dem englischen Begriff Wallcloud bezeichnet. Sie markiert den Bereich mit dem kräftigsten Aufwind der Gewitterzelle. Eine Wallcloud entsteht, weil hier feuchte Luft aus dem Niederschlagsbereich in den Aufwindbereich gesaugt wird. Diese sehr feuchte Luft kondensiert beim Aufsteigen früher aus, so daß das Kondensationsniveau (die Wolkenuntergrenze) lokal entsprechend niederer liegt. Oft ist die Wallcloud darum in Richtung des Niederschlagsbereiches geneigt.

Nicht selten erstreckt sich aus der Wallcloud eine sog. Tailcloud, ein schmales Wolkenband mit Zipfel zum Niederschlags- und Abwindbereich (siehe Abbildung rechts). Auch die Tailcloud zeigt somit an, daß Luft aus dem Niederschlagsbereich in den Aufwind einbezogen wird. Die meisten schweren Tornados entwickeln sich an einer Wallcloud. Wallclouds bilden sich auch an Gewittern über Deutschland. Die Wallclouds sind nicht zu verwechseln mit den sog. shelf clouds (Böenwalzen).

Wallcloud

Downburst

ist eine schwere Fallböe, die bei Gewittern auftritt, und nicht mit den üblichen Sturmböen zu verwechseln sind. Es handelt sich um einen starken Abwind mit heftigsten Windböen am Boden von weit über 100 km/h, im Extremfall sogar über 200 km/h. Hierfür sind zwei verschiedene Mechanismen verantwortlich, die aber auch kombiniert auftreten können. Im Fall der thermischen Downbursts wird der Abwind so stark beschleunigt, daß die Fallböe wie ein "Sack" aus dem Niederschlagsbereich der Zelle fällt und am Boden auseinanderläuft (siehe Bild rechts), wobei die Windgeschwindigkeit mit der Entfernung vom Auftreffpunkt wieder abnimmt. Ursache für die Beschleunigung ist meist eine trockene Luftschicht im mittleren Wolkenniveau, in welcher einfallender Niederschlag verdunstet, die Luft durch Verdunstungskälte abkühlt und somit den Abwind beschleunigt. Auch schmelzender kleiner Hagel trägt zur Abkühlung bei. Der zweite Mechanismus sind dynamische Downbursts, wo durch konvektive Umlagerung ein Starkwindfeld in größerer Höhe bis in Bodennähe heruntergezogen wird. Dies tritt vor allem auf der Rückseite winterlicher Sturmtiefs im Bereich einer hochreichend labil geschichteter Kaltluftmasse auf.

Downbursts sind nach der Größe der von der Fallböe betroffene Fläche unterteilt. Ist sie größer als 4 km im Durchmesser ist, handelt es sich um einen sog. Macroburst, ist die Fläche kleiner spricht man von Microburst. Meist treten Microbursts urplötzlich auf und sind schon deswegen gefährlich für die Luftfahrt. Downbursts stellen insgesamt eine besondere Gefahr für den Luftverkehr dar. Das gilt besonders in der ohnehin kritischen Start- bzw. Landephase. Die Auswirkungen sind denen einer Wirbelschleppe sehr ähnlich, die Ursache jedoch eine völlig andere.

Downburst

Microburst

ist ein kurzlebiger (1 - 5 Min.), heftiger, lokal begrenzter (ca. 4 km Durchmesser) und nach unten gerichteter Wind. Sie entstehen, wenn Abwinde in der Gewitterzelle durch verdunstenden Regen so stark abgekühlt werden, daß sie unten aus der Wolke "herauszufallen" scheinen. Ebenso wie die Winde eines Downbursts sind Microbursts durch einen starken Kern von kalter, dichter Luft charakterisiert, der sich von der Wolkenuntergrenze zum Boden erstreckt. Unterschiedlich ist allein die Größe der betroffenen Fläche. Wenn er den Boden erreicht, strömt die Luft horizontal als Wirbelring (vortex ring) nach allen Seiten, besonders aber in der Zugrichtung des Gewitters. Im Wirbelring variiert die Windrichtung schnell und auf kürzester Distanz um komplette 180°, so daß aus dem eben noch vorhandenen Auf- ein Abwind werden kann. Dies zeigt schematisch die Abbildung rechts. Am Boden wird die Luft zur Horizontalbewegung gezwungen, was die Verwirbelungen erklärt. Winde der Microbursts können mehr als 270 km/h erreichen, weshalb sie eine erhebliche Gefahr für die Luftfahrt darstellen. Außerdem reduzieren die starken Abwinde und der heftige Regen im Zentrum den Auftrieb. Sie können ein unter einer Gewitterwolke im Landeanflug befindliches Flugzeug buchstäblich zu Boden drücken. Verschlimmert wird diese Situation noch durch tiefe Wolkenuntergrenzen und schlechte Sichten.

Microburst

Böenwalze

Die Böenwalze (shelf cloud) ist eine walzenförmige Wolke mit horizontal verlaufender Achse. Sie ist in Zugrichtung am vorderen unteren Rand einer ausgeprägten Cumulonimbuswolke anzutreffen, meist aber nur dann, wenn sich das Gewitter an einer Kaltfront mit einer ganzen Gewitterfront verlagert. Böenwalzen sind häufig recht dunkle, teils bogenförmige Wolken, die bedrohlich wirken. An den Rändern können sie ausgefranst sein.

Böenwalzen oder Böenkragen entstehen aus komplexen Strömungsvorgängen innerhalb von Gewitterwolken. In den unteren Schichten strömt Luft von vorne, in der Höhe dagegen von der Rückseite in die Gewitterzellen (siehe Abbildung rechts). Die unten einströmende Luft wird in die Aufwinde der Zelle einbezogen. In diesen Aufwinden erfolgt dann Kondensation und es bildet sich Niederschlag. Diese Aufwinde sind mit zunehmender Höhe – bezogen auf die Zugrichtung des Gewitters – zur Rückseite hin geneigt. Der ausfallende Niederschlag fällt deswegen in die oben und von hinten in die Zelle einströmende Luft und kühlt diese ab. Dadurch wird sie noch dichter und schwerer und fällt schließlich beschleunigt "wie ein Sack" nach unten und erzeugt einen heftigen Abwind, den sog. Downdraft. Am vorderen unteren Rand der Gewitterwolke bildet sich so ein Bereich, in dem die beiden Luftströme aufeinandertreffen. Dabei wird ein Teil des Aufwinds gewissermaßen nach unten gebogenund schließlich entsteht eine Rotation um eine horizontale Achse. Da der Wasserdampf des aufwärts gerichteten Luftstroms kondensiert entsteht die walzenförmige Wolke.

Böenwalzen stellen aufgrund der Windscherungen (Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen) sowie der extremen Turbulenzen eine große Gefahr für die Luftfahrt dar.

Die Böenwalzen sind nicht zu verwechseln mit den sog. Wallclouds.

Shelf cloud

Böenwalze

 

Allgemeine Gefahren und Schutzmaßnahmen

Gewitter können erhebliche Gefahren in sich bergen, wie z. B. Sturmschäden durch Fallböen (Downbursts), Überschwemmungen durch starken Regen und Schäden durch Hagelschlag. Viel seltener kommt es zu Schäden durch Blitze, wie etwa zu Kurzschlüssen, Bränden oder gar Personenschäden. Seit der Erfindung des Blitzableiters kommen aber Gebäudeschäden fast nicht mehr vor.

Auch der Aufenthalt im Wald während eines Gewitters kann lebensgefährlich sein. Viele Blitze schlagen in Bäume ein, die entweder frei stehen oder sich in ihrer Höhe von der Umgegend absetzen. Die hohe Temperatur des Blitzkanals läßt die Feuchtigkeit im Baumstamm explosionsartig verdampfen, was den Baum buchstäblich sprengt. Ob einem dabei eine Buche oder Eiche um die Ohren fliegt, ist dabei egal.

Blitzeinschläge in Gebäude rufen oft große Verwüstungen hervor. Die hohe Temperatur des Blitzes kann schnell einen Brand auslösen. Aber auch das elektromagnetische Feld hat soviel Kraft, daß elektrische Leiter durch Induktionen aus der Wand geschleudert werden oder selbst dicke Rohre und Draht auseinander getrieben werden. Der Blitzschutz in Gebäuden sollte daher sowohl gegen hohe Temperaturen als auch gegen Induktionskräfte ausgelegt sein.

Einschläge in menschliche Körper rufen extreme Verbrennungen hervor. Trotzdem kommt es manchmal vor, daß getroffene Personen einen Blitzschlag überleben. Das passiert aber bloß, wenn der Weg des Blitzes nicht durch die wichtigsten Organe wie Herz oder Gehirn gegangen ist.

Selbst in einiger Entfernung zur eigentlichen Gewitterzelle besteht noch die Gefahr eines Blitzschlages, denn Wolken-Boden-Blitze überbrücken zum Teil Entfernungen von bis zu 20 km. Leider gibt es keine verläßliche Methode, den Beginn und die Dauer der Gefährdung festzustellen. Stellt man fest, daß ein Gewitter weniger als 3 km entfernt ist, das ist z.B. der Fall, wenn zwischen Blitz und Donner weniger als 10 Sekunden vergehen, dann ist das Gewitter gefährlich nahe. Es wird selbst von Blitzschlägen aus Nieselregen heraus ohne hör- und sichtbare Gewitter berichtet. Deshalb sollte man sich bei angekündigten Gewittern insbesondere nicht in der Nähe von Metallgegenständen aufhalten. In exponierten Lagen im Gebirge zählen dazu auch Drahtseilsicherung und dgl. an Klettersteigen.

Besten Schutz gegen Blitzschlag findet man grundsätzlich im Inneren von Unterkünfte, die wie ein Faradayscher Käfig wirken, z.B. in

  • Gebäuden mit Blitzschutzanlagen,
  • Stahlskelettbauten,
  • Gebäuden mit zusammenhängenden Blechwänden und -decken,
  • Fahrzeugen mit Ganzmetallkarosserie wie PKW, Eisenbahnwagen, Omnibussen, Seilbahnwagen.

Eingeschränkten Schutz findet man z.B.

  • im Inneren von Gebäuden, Hütten und dgl. ohne Blitzschutzanlage. Sich möglichst in der Raummitte aufhalten, nicht an offenen Fenstern oder Türen. Gas-, Wasser- oder Heizungsrohren sowie elektrischen Einrichtungen nicht berühren;
  • unter Seilbahnen und Liften, aber nicht in der Nähe der Stützen;
  • unter großen Brücken, aber nicht in der Nähe von Pfeilern oder Fundamenten.

Bei Fehlen solcher Schutzmöglichkeiten sind exponierte Standorte, die erfahrungsgemäß besonders gefährdet sind, zu meiden, wie z.B.

  • einzeln stehende Bäume und Baumgruppen,
  • Metallzäune,
  • Berggrate und -gipfel, Hügeln oder Höhenzüge,
  • ungeschützte Aussichtstürme,
  • Waldränder mit hohen Bäumen,
  • ungeschützte Fahrzeuge wie Fahrräder, Motorräder und dgl.,
  • ungeschützte Boote und den Aufenthalt im Gewässern und Schwimmbecken. Masten oder Sprungtürme können die Gefahr erhöhen.

Einen gewissen Schutz erreicht man z.B.

  • in Mulden, Hohlwegen oder in einer Höhle,
  • auf ebenem Gelände durch Niederkauern.
    Arme am Körper halten, den Kopf einziehen, die Füße zusammenstellen und sich nicht mit den Händen abstützen. Eine geschlossene Fußstellung vermindert die Gefährdung durch Schrittspannung. Deshalb auch nicht hinlegen, sondern den Kontaktbereich zum Boden minimieren. Gegenüber möglichen Einschlagobjekten mindestens 3 m Abstand halten. Nicht in Gruppen nahe beieinanderstehen, sondern getrennt Schutz suchen.

 

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Gefahren für die Luftfahrt

Gewitter zählen mit zu den gefährlichsten Wettererscheinungen in der Luftfahrt. Vereisung, Hagel, Blitzschlag, vor allem aber extreme Turbulenzen sind sowhl für kleine Flugzeuge, als auch für große Verkehrsflugzeuge eine echte Gefahr. Jeder Pilot, ob von einer Cessna 172 oder einem Jumbo-Jet, wird deshalb den Einflug in ein Gewitter unter allen Umständen vermeiden und es möglichst weiträumig umfliegen. In den sich auftürmenden Cumulonimbuswolken entwickeln sich nämlich gigantische Kräfte. Davon bleibt auch die Umgebung nicht verschont. Dabei sind Gewitter im Gegensatz zu den Gefahren von Dunst oder Warmfronten meist klar und deutlich im Auftritt. Da gibt es keine sich allmählich verschlechternden Sichten und absinkende Untergrenzen in Kombination mit dem unguten Motto: "Bis zum Zielflugplatz ist es ja nicht mehr weit, das wird schon reichen..." So hat der VFR-Pilot die Chance, einem Gewitter entweder weiträumig auszuweichen oder rechtzeitig vorher "abzusitzen".

Für den Sichtflug sind vor allem zwei Hauptvarianten der Gewitterbildung von Bedeutung: Frontgewitter als Begleiterscheinung einer Kaltfront oder thermische Gewitter an heißen Tagen mit entsprechender Labilität in der Luft. Kaltfronten sind in den Wetterkarten eingezeichet und in den Vorhersagen beschrieben. So kann schon bei der Flugplanung erkannt werden, wann und wo damit zu rechnen ist. Wärmegewitter sind demgegenüber ortsgebunden und treten im Gegensatz zu Frontgewittern meist einzeln auf. Sie sind kaum nach Ort und Zeit vorhersagbar. Der Durchmesser eines Wärmegewitters kann leicht 5 - 50 km betragen. Bei entsprechender Flugsicht sind sie aber schon von weitem zu erkennen und deshalb meist gut zu umfliegen. Gefahr erkannt, Gefahr gebannt!

Der beste Rat zu Flügen bei, in oder in der Nähe von Gewittern lautet:

Laß es sein!

Innerhalb der Gewitterwolken ist stets mit Hagel, Vereisung, Blitzschlag, kräftigen Auf- und Abwinden und extrem starker Turbulenzzu rechnen. Auf- und Abwinde können in Gewitterwolken eine beträchtliche Stärke erreichen. Im Reifestadium eines Gewitters können Aufwinde von 2 - 6 Meter/Sekunde (m/s) an der Unterseite und bis zu 20 m/s im Gleichgewichtsniveau auftreten. In Gewittern wurden auch schon Vertikalgeschwindigkeiten von mehr als 50 m/s (!) gemessen. Aber auch außerhalb von Gewitterzellen sind schon entsprechende Scherungsturbulenzen festgestellt worden. Das reicht bis zu einigen tausend Fuß darüber und bis zu einer seitlichen Entfernung von 30 km. Wie nicht anders zu erwarten, werden die stärksten Abwinde im Niederschlagsbereich erreicht. Unterhalb der Basis der Gewitterwolke wurden schon Abwinde von 25 m/s festgestellt. Unterhalb der Wolkenbasis treten deswegen durch die starken Fallwinde heftigste Turbulenzen, Böen und Niederschläge auf, die äußerst gefährlich sind, vor allem für kleinere Flugzeuge. Diese Fallwinde (engl. Downburst) stellen eine ernste Gefahr dar, da sie eine solche Stärke erreichen können, daß selbst große Flugzeuge nach unten gedrückt werden. Die Gefahr, daß der Pilot die Kontrolle über sein Flugzeug verliert oder das Flugzeug den außerordentlichen Belastungen nicht standhält und auseinanderbricht, ist erheblich.

Daher:

Niemals in ein Gewitter eintliegen!

Microburst im Landeanflug

Microburst

Trotz ihrer geringen Größe von nur ca. 4 km horizontal und ihrer geringen Dauer von nur 2 - 5 Minuten können Microbursts mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 270 km/h äußerst gefährlich für die Luftfahrt sein und verhehrende Auswirkungen haben.

  1. Im Anflug auf den Flugplatz folgt das Flugzeug dem Gleitpfad zur Piste.
  2. Der Einflug in den Microburst bewirkt starken Gegenwind, der sich in Form einer höheren Fahrt bemerkbar macht, so daß der Auftrieb zunimmt. Das Flugzeug steigt über den Gleitpfad. Zum Ausgleich nimmt der Pilot die Leistung zurück, um wieder zum Gleitpfad abzusinken.
  3. Sobald das Flugzeug die andere Seite des Microbursts erreicht, verwandelt sich der Gegenwind in Rückenwind. Die Strömung über den Flächen und damit der Auftrieb wird geringer. Das Flugzeug sinkt rapide unter den Gleitpfad.
  4. Auch wenn der Pilot jetzt volle Leistung setzt und den Steuerknüppel drückt, um Fahrt und damit Auftrieb zu erhalten, wenn der Rückenwind nicht aufhört und das Flugzeug schon in geringer Höhe ist, bleibt nach unten fast kein Raum mehr, um das Flugzeug wieder unter Kontrolle zu bringen. Der Crash kurz vor der Bahn ist dann unausweichlich!

Das kann natürlich auch beim Start passieren. Gerät dabei das Flugzeug zuerst in den Gegenwind, gewinnt es schnell zusätzlich Auftrieb und kommt vom Boden frei. Setzt dann aber der Fallwind ein mit zusätzlicher Rückenwindkomponente, ist es mit der Herrlichkeit vorüber. Das Flugzeug sackt durch. Auch hier können aufgrund der geringen Höhe keine Gegenmaßnahmen greifen. Ein hartes Aufsetzen ist noch das geringere Übel, was geschehen kann

Für jeden Piloten kann es daher nur eine Regel geben:

Niemals bei einem sich nähernden Gewitter landen oder starten!

 

Gefahren lauern aber nicht nur innerhalb der Gewitterwolken, sondern auch außerhalb, am Rand und unterhalb. Deshalb darf man niemals versuchen, im Gewitter zu landen und natürlich auch nicht zu starten. Nicht kalkulierbare Turbulenzen, Fallwinde und sich ständig ändernde Windrichtungen lassen keinen sicheren Anflug zu. Die Gefahr, die Kontrolle über das Flugzeug zu verlieren oder durch Fallwinde auf den Boden gedrückt zu werden, ist viel zu groß. Die einzig richtige Entscheidung ist, außerhalb des Gewitters abzuwarten bis es am Flugplatz vorbeigezogen ist oder sich aufgelöst hat.

Aber auch um eine Gewitterwolke herum können bis zu einem Abstand von 20 - 30 km starke Turbulenzen auftreten. Normalerweise sinkt in der Umgebung eines Cb die Luft mit 2 m/s oder weniger. Segelflieger kennen diese Erscheinung, indem weiträumig um ein Gewitter herum nur "saufen" anzutreffen ist. Trotzdem wurde im Umkreis um Gewitterzellen auch über starke Turbulenz berichtet. Die Ursache dafür kann möglichweise sein, daß eine Gewitterwolke für die großräumige Luftströmung wie ein riesiges Hindernis wirkt. Beim Um- oder Überströmen dieses Hindernisses könnte es zu entsprechend kräftigen Verwirbelungen kommen. Insoweit könnten ähnliche Vorgänge eine Rolle spielen, wie sie bei Gebirgen beobachtet werden.

Eine nicht minder gefährliche Erscheinung ist die Böenwalze (engl. squall Line). Sie kann sich vor einer labilen aktiven Kaltfront entwickeln und enthält extremste Turbulenzen und Böen, die 60 kt und mehr betragen können. Die Böenwalze ist oft durch eine zerfetzt aussehende rotierende Wolke erkennbar.

Auch wenn vielleicht die Flugsicht noch ausreichend und die Wolkenuntergrenze hoch genug erscheint, sollte man sich niemals dazu verleiten lassen, ein Gewitter zu unterfliegen. Plötzlich eintretender heftiger Niederschlag, u.U. mit Hagel und starke Turbulenzen können äußerst gefährlich werden. Die Turbulenzen unter einem Gewitter können die Belastungsgrenzen des Flugzeugs ohne weiteres überschreiten und damit fatal sein. Sind schon die Turbulenzen unterhalb der Gewitterwolken allein extrem gefährlich, kann sich die Situation durch heftige Regenschauer oder Hagel weiter verschärfen. Dadurch wird nicht nur die Flugsicht stark eingeschränkt. Vor allem kann Hagel dem Flugzeug schwere Schäden zufügen.
Auf diese Gefahr wird im Kapitel Hagel eingegangen.

Hinzu kommt, daß während der Schaueraktivität die Wolkenbasis der Gewitterzellen meist sehr niedrig ist und die erforderliche Sicherheitshöhe nicht eingehalten werden kann. Die Kombination all dieser Gefahren erhöht die Gefahr der Desorientierung und des Verlusts der Kontrolle über das Flugzeug.

Daher niemals unter einem Gewitter hindurchfliegen wollen, auch dann nicht, wenn man bis zur anderen Seite sehen kann.

Deshalb:

Niemals ein Gewitter unterfliegen!
Die Kombination von extremer Turbulenz, Windscherung, Starkniederschlag, geringer Wolkenuntergrenze und marginaler Sicht machen den Flug unter einem Gewitter zu einem lebensgefährlichen Unterfangen!

 

Durch den starken Regen kann außerdem Wasser in das Pitotrohr eindringen und so die Fahrtmesseranzeige verfälschen. Nicht zuletzt treten unterhalb von Gewitterwolken große Druckschwankungen auf. Bei Annäherung des Gewitters fällt der Luftdruck sehr rasch und steigt mit Beginn der ersten Böen rasch wieder an. Diese Druckschwankungen verursachen eine sich ständig verändernde Höhenmesseranzeige, die um mehr als 100 ft falsch sein kann.

Einen Hinweis auf die Stärke des Gewitters gibt die Anzahl der Blitze. Gegen Blitzschlag bieten Flugzeuge und Hubschrauber in Ganzmetallbauweise einen guten Schutz, wenn sie rundum abgeschlossen sind und Blitzschutzeinrichtungen besitzen, da die Flugzeugzelle wie ein Faradayscher Käfig wirkt. Blitzeinschläge haben daher, bis auf wenige Ausnahmefälle, regelmäßig keine nachhaltigen Auswirkungen auf die Betriebstauglichkeit heutiger Verkehrsluftfahrzeuge. Blitze und Blitzeinschläge können im Flugzeug jedoch magnetische Felder aufbauen und beträchtliche Spannungen induzieren, was zu Störungen bzw. Ausfällen von Funk- und Navigationsanlagen sowie Falschanzeigen des Magnetkompasses führt. Im Bereich von Gewittern ist auch stets mit starker statischer Elektrizität zu rechnen, die sich in Störungen des Funkverkehrs und vor allem in erheblichen Fehlanzeigen der ADF-Anzeige äußert. Unter Umständen können Blitzeinschläge auch Materialabschmelzungen an den Einschlagstellen verursachen, was an der Außenhaut des Flugzeuges zu Verformungen führen kann. Nicht zu unterschätzen ist die psychologische Wirkung von Blitzen, insbesondere von Blitzeinschlag, auf Passagiere und Piloten. Angst, Schock, im schlimmsten Fall auch Panik können beim Piloten falsche und damit folgenschwere Reaktionen hervorrufen. Blitze in unmittelbarer Nähe blenden außerdem dermaßen stark, daß der Pilot vorübergehend nichts mehr sehen kann.

Aufgrund des Einsatzes moderner Verbundwerkstoffe bei Luftfahrzeugen ist der Blitzschutz, insbesondere bei Klein- und Sportluftfahrzeugen bzw. Kunststoffsegelflugzeugen, in der Regel aber nicht vorhanden, weil diese gar nicht oder nur sehr eingeschränkt leitend sind. Diese Luftfahrzeuge besitzen daher regelmäßig keinen Blitzschutz. Mit solchem Fluggerät sollte man deshalb generell Wolken mit Gefährdungspotential meiden. Vor allem aber sind diese Flugeräte nicht für den Flug in der Nähe von Gewittern und in den dort auftretenden heftigen Turbulenzen konstruiert. Diese können ohne weiteres die zulässigen Lasten überschreiten und so zum Abmontieren des Geräts führen. Mit Klein- und Sportluftfahrzeugen sollte man deswegen Gewitter stets weiträumig umfliegen.

Höchste Vorsicht ist bei Gewittern im Gebirge angesagt. Sehr schnell können Gewittertürme den Flugweg oder den Rückweg versperren - man sitzt in der Falle. Kann man einem Gewitter nicht mehr ausweichen, darf man daher nicht zögern, auf dem nächsten Flugplatz zu landen oder eine Sicherheitslandung auf geeignetem Gelände durchzuführen.

Allerdings muß ein VFR-Pilot heutzutage nicht mehr von Gewittern überrascht werden. Wer die Wettermeldungen im Funk aufmerksam verfolgt, vor jedem Flug die sowieso obligatorische Wetterberatung einholt, die bei Gewitterlagen herausgegebenen Wetterwarnungen ernst nimmt und während des Fluges aufpaßt, kann die von Gewittern ausgehenden Gefahren regelmäßig vermeiden.

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Einige Hinweise und Verhaltensregeln:

  • Gewitter sind eine der gefährlichsten Wettererscheinung in der Luftfahrt

  • Mit Gewittern können starke Niederschläge, Hagel, extrem starke Turbulenzen, Fallwinde und Blitzschläge auftreten.

  • Der beste Rat zu Flügen bei, in oder in der Nähe von Gewittern lautet: Laß es sein!
  • Niemals im Gewitter landen oder starten oder, wenn sich das Gewitter nähert.
  • Einzelne Gewitter bei sonst guten Bedingungen stets weiträumig (20 - 30 km Abstand) umfliegen.
  • Niemals unter einer Gewitterwolke durchfliegen, auch wenn die Flugsicht gut ist und das andere Ende der Gewitterwolke zu erkennen ist.
  • Kann einem Gewitter nicht mehr rechtzeitig ausgewichen werden, ist eine Sicherheitslandung auf geeignetem Gelände das Mittel der Wahl.
  • Unter allen Umständen ist der Einflug in ein Gewitter zu vermeiden!

 

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