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Archive for Dezember 2008

Wirbelsturm über dem Atlantik?

Über dem Atlantik ereignet sich zurzeit ein interessantes Wetterphänomen. Ein aussertropisches Tief entwickelt zunehmend  Eigenschaften eines tropischen Wirbelsturms:

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Wetterlage am 29. Dezember 18:00 UTC Infrarot-Komposit Meteosat; grün = tropische Warmluft, blau = polare Kaltluft, weiss = hohe Wolken, ockergelb = mittelhohe Wolken, rot = absinkende Luftmassen in der Stratosphäre zeigen Tiefdruckgebiete an (Durch Divergenzen in der Höhenströmung werden nicht nur Luftmassen von unten gehoben, sondern auch von oben angesaugt; Ausbildung einer Tropopausenfalte und Absinken der darüber befindlichen stratosphärischen Luft).

Sogar ein Auge hat sich schon deutlich herausgebildet, was man besonders schön in der Ausschnittsvergrösserung erkennen kann:

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Aussertropische Tiefs entstehen an der Polarfront, wo warme tropische Luftmassen und polare Kaltluft aufeinander treffen.

 

nhk-29122009-1800Wetterlage am 29.Dezember 2008. Auf der Höhenkarte des amerikanischen Wetterdienstes sieht man die 500 hPa-Fläche (Geopotential, schwarze Linien mit Zahlen) und erkennt indirekt auch die Lufttemperaturen anhand der sogenannten Relativen Topographie (RETOP). Die 500 hPa-Fläche  entspricht in jedem Flächenstück der 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 der Warmluft wird also erst in relativ grösserer Höhe erreicht. Die 500 hPa – Fläche bildet  eine Art “Landschaft” mit “Bergen” (Warmluft) und “Tälern”(Kaltluft). Die schwarzen Linien (Isohypsen) der 500 hPa – Fläche verbinden also Orte miteinander, die jeweils in derselben Höhe liegen. Die Isohypsen zeigen den Verlauf der Höhenwinde und die Lage der Polarfront. Die Farben dienen der Darstellung der Relativen Topographie. Darunter versteht man den Höhenunterschied (Schichtdicke) zwischen zwei isobaren Flächen, also Flächen von jeweils gleichem Luftdruck. Hier sind es die 500 hPa Isobarenfläche (in etwa 5 km Höhe) und die bodennahe 1000 hPa Isobarenfläche (in etwa 50m Höhe). Gebiete mit geringer Schichtdicke entsprechen einer relativ niedrigen Lufttemperatur, Gebiete mit hoher Schichtdicke, also einem großen Abstand zwischen den beiden Isobarenflächen, dagegen einer relativ hohen Lufttemperatur. Die Temperaturen innerhalb der Schichten nehmen von violett, über blau, grün, gelb nach rot immer mehr zu. Weiterhin 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 entspricht einem hohen Luftdruckgradienten und umgekehrt. Der Luftdruckwert ist jeweils bei den Isobaren eingetragen. Hoch- und Tiefdruckgebiete sind so auf einen Blick auszumachen. Quelle: http://www.wetter3.de/

Bei sehr stark ausgeprägter meridionaler Zirkulation, also wenn der Polarfrontjetstream sehr stark mäandert, bilden sich sehr leicht Kaltlufttropfen. Ziehendiese über eine relativ warme Wasseroberfläche, so können sie viel latente Wärme aufnehmen. Konvektion und Wolkenbildung werden dementsprechend stark. Bei einem ausreichend hohen vertikalen Temperaturgradienten kann das ursprünglich aussertropische Tief wirbelsturmartige Eigenschaften annehmen, selbst bei Wassertemperaturen von nur rund 12-14 °C wie in unserem Fall. Normalerweise entwickeln sich tropische Wirbelstürme ja erst bei Wassertemperaturen von mindestens 26°C. Entscheidend ist aber auch hier der Temperaturgradient! Zur Ausbildung eines Auges kommt es durch die zum Zentrum eines Wirbelsturms hin immer schnellere Drehbewegung. Die Zentrifugalkräfte werden dabei so stark, dass sich im Zentrum ein beinahe windstilles Auge bildet, in dessen Außenrand, der Eyewall, der Auftrieb der feuchtwarmen Luftmassen besonders gross ist. Vom Auge wird aus der Höhe Luft angesaugt, die sich auf ihrem Weg nach unten durch Kompression immer mehr erwärmt. Daher lösen sich vorhandene Wolken grösstenteils auf. Das wolkenarme Auge ist also typisch für Wirbelstürme.

Bleibt noch nachzutragen, dass ein weiterer, allerdings kleinerer Kaltlufttropfen  gerade in Frankreich für schlechtes Wetter sorgt.  West- und Mitteleuropa bleiben unter Einfluss eines Hochs, das aus östlichen Richtungen kalte und trockene Festlandsluft heranführt. In Osteuropa bestimmt dagegen ein Höhentrog das Wetter.

Am Morgen des 30. Dezember hat sich die Wirbelstruktur noch deutlicher herausgebildet:

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Wetterlage 30.Dezember 2008 07:00 Uhr UTC Quelle: EUMETSAT

Offenbar hat sich das Tief aufgespalten. Während der strömungsdynamische Anteil sich weiterbewegt, bleibt die Höhenkaltluft des Tiefdruckkerns nahezu stationär und bildet aufgrund der labilen Luftschichtung (kalte über warmer Luft) eine konvektive Wirbelstruktur mit Auge aus.

Jens Christian Heuer

Kategorien:Wetter

Weisse Weihnachten? In Deutschland leider nein!

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. Zur Interpretation der Höhenkarte siehe hier.  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.

Jens Christian Heuer

Kategorien:Wetter

Weisse Weihnachten? Update

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

Kategorien:Wetter

Weisse Weihnachten?

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 in diesem Jahr wieder einmal 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, ein Zeitraum, wo  eine Vorhersage schon sehr unsicher ist! Trotzdem wollen wir uns die 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. Im Bereich der Polarfront entsteht in der Höhe der mäandernde Jetstream mit Hochdruckwirbeln  innerhalb seiner Wellenberge (Hochkeile) und Tiefdruckwirbeln innerhalb seiner Wellentäler( Höhentröge). Die Zugbahnen der Hochs (Schönwetter)und Tiefs (Schlechtwetter) werden vom Jetstream gesteuert, der somit die Grosswetterlage bestimmt. Umgekehrt beeinflussen beide Druckgebilde auch wieder das Verhalten des Jetstreams. Noch ein Grund, warum eine Wettervorhersage so schwierig zu berechnen ist!

Aufgrund der ausgeprägt meridionalen Zirkulation hat sich ein Kaltlufttropfen von einem Höhentrog über Westeuropa gelöst und führt zu heftigen Unwettern über der Iberischen Halbinsel. Das zeigt besonders  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 zurzeit 4 Rossby-Wellen (nur langwellige Höhentröge zählen mit!), 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. Während die Zirkulation über Europa, wie schon oben erwähnt, eher meridional geprägt ist, erscheint sie über Nordamerika und dem Nordatlantik 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 sie komprimiert werden und sich erwärmen. 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. So entstehen 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.

Zum Schluss noch 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 die Wellenzahl 4 des Jetstreams  für eine recht stabile Wetterlage spricht (s.o.), kann man doch mit einiger Berechtigung vom 23. Dezember auch auf die kommenden Weuhnachtsfeiertage schliessen.

Fazit

Das Weihnachtswetter wird 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

Mehr über Hoch- und Tiefdruckgebiete hier

Kategorien:Wetter

Klimawandel auf dem Jupiter

Auf dem größten Planeten unseres Sonnensystems, dem Gasriesen Jupiter ist ein Dritter Roter Fleck erschienen(http://www.astronews.com/news/artikel/2008/05/0805-029.shtml und http://www.space.com/scienceastronomy/080523-jupiter-new-spot.html).

Der Dritte Rote Fleck Quelle: NASA

Wie bei dem seit über 300 Jahren bekannten Großen Roten Fleck (GRF) und dem vor 2 Jahren erschienenen Zweiten Roten Fleck (Roter Fleck Junior) handelt es sich auch bei dem jetzt neu aufgetauchten Dritten Roten Fleck um einen Hochdruckwirbel auf der Südhalbkugel des Planeten. Die jetzt beobachteten Veränderungen werden mit einem auf internen Prozessen beruhenden periodischen Klimawandel auf Jupiter in Zusammenhang gebracht (http://www.space.com/scienceastronomy/jupiter_spots_040421.html). Ein Zyklus dauert ca. 70 Jahre. Vereinfachend zusammengefasst läuft dieser folgendermaßen ab:

Am Anfang besteht ein großer Temperaturunterschied (Gradient) zwischen den Polen und der Äquatorregion. Dadurch nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der 12 abwechselnd west- und ostwärts orientierten Jetstreams der Jupiteratmosphäre so zu, daß sie zu mäandern beginnen (Rossby-Wellen). Die Jetstreams bilden sich aus walzenförmigen Konvektionszellen, die den ganzen Planeten umspannen und durch die starke Eigenrotation (Corioliskraft) des Jupiter zu breitenkreisparallelen Windbändern verformt werden. Aus kleinen Störungen im Jetstream (Konvergenzen und Divergenzen) entstehen Turbulenzen, aus denen sich wiederum Hoch- und Tiefdruckwirbel (Stürme) entstwickeln, die alle miteinander einen Ausgleich des Temperaturgradienten zwischen Polen und Äquatorregion herbeiführen. Unter der Vorbedingung, daß sie in “Wirbelstraßen” angeordnet sind, wo sich Hoch- und Tiefdruckwirbel untereinander abwechseln, was die Hochdruckwirbel davon abhält miteinander zu verschmelzen, sind beide Druckgebilde verglichen mit irdischen Verhältnissen äußerst langlebig, weil es auf dem Jupiter keine feste und raue Oberfläche und damit auch keine Bodenreibung gibt. Durch turbulente Erosion werden die Hochdruckwirbel allerdings zunehmend kleiner bis sie schließlich klein genug sind (eine kritische Größe unterschreiten), um zusammen mit den unauffälligeren, unregelmäßig geformten Tiefdruckwirbeln durch Tröge der Rossby-Wellen benachbarter, in entgegengesetzte Richtung orientierter Jetstreams eingefangen zu werden. In dieser “Falle” erodieren die Hochdruckstürme noch schneller als zuvor, bis sie schließlich die zwischen ihnen befindlichen Tiefdruckwirbel passieren können, um miteinander zu verschmelzen. Die Tiefdruckwirbel lösen sich dann auch bald auf. Das “Sterben der Stürme” wurde in den letzten Jahren immer wieder beobachtet. Besonders spektakulär war die Verschmelzung der so genannten großen weißen Ovale. Dabei handelte es sich um drei Hochdruckwirbel, die um 1940, zu Beginn des laufenden Klimazyklus, auf der Südhalbkugel südlich des Großen Roten Flecks auftauchten. Innerhalb von nur 3 Jahren (1997-2000) vereinigten sie sich schrittweise miteinander bis nur noch ein Hochdruckwirbelsturm übrig blieb (http://www.space.com/scienceastronomy/astronomy/jupiter_spots_001024.html).  

 

Jupiters Weiße Ovale verschmelzen. Quelle: NASA

Aus diesem ging dann im Jahre 2006 der Zweite Rote Fleck (Roter Fleck Junior) hervor. Die Rotfärbung des Hochdruckwirbels steht anscheinend mit einer Intensivierung des Sturms in Zusammenhang, wodurch im Zentrum des Wirbels rotes (organisches?) Material aus größeren Tiefen nach oben gelangt. 

Die Zeitspanne der turbulenten Erosion der Hochdruckwirbel (ca. 60 Jahre) bis zur kritischen Größe, ab der sie von Trögen eines benachbarten mäandernden Jetstreams eingefangen werden können, bestimmt ganz wesentlich die Länge eines Klimazyklus, der ca. 70 Jahre dauert.

Der Große Rote Fleck (GRF) hat zumindest in den letzten Jahrhunderten alle Klimaveränderungen unbeschadet überstanden und steht ganz allein in seinem Wolkenband. Tauchen doch einmal kleinere Wirbelstürme in seinem Wolkenband auf, so werden sie absorbiert, wodurch der Energieinhalt des GRF steigt. Dabei wird er röter (s.o.). Tiefdruckwirbel die eine Koexistenz des GRF mit anderen Hochdruckwirbeln ermöglichen könnten, existieren in dem äquatornahen Wolkenband des GRF nicht. da sie bei ihrer Entstehung nordwärts (noch näher am Äquator!) aus dem sie hervorbringenden westwärts orientierten Jetstream ausscheren würden. Dort, ganz nahe am Äquator, ist die Corioliskraft aber einfach zu gering für eine Wirbelbildung. Daher befindet sich der GRF nicht in einer “Wirbelstraße”, sondern steht mutterseelenallein. Eine sehr lange Lebensdauer ist damit praktisch garantiert.

Das Wetter auf dem Jupiter wird nicht nur durch die Sonne angetrieben, die Äquator- und Polarregionen unterschiedlich stark erwärmt, sondern vor allem auch durch eine interne Wärmequelle, die auf dem so genannten Kelvin-Helmholtz-Effekt beruht. Wenn ein vorwiegend aus Gasen bestehender Planet durch die Abgabe von Wärme in den Weltraum abkühlt, so sinkt der innere Druck und durch die Schwerkraft zieht sich der ganze Planet ein wenig zusammen. Diese Kompression erzeugt dann wiederum innere Wärme, wodurch die ganze Planetenatmosphäre von unten aufgeheizt wird.

Gewitter am Tage und in der Nacht Quelle: NASA

Dadurch bilden sich trotz der Sonnenferne des Planeten mächtige Konvektionszellen, und darin hochreichende Quellwolken und immer wieder auch  Gewitter, Hagel, Schnee und Regen (http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter_storms_010102-1.html und http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter_weather_000209.html !!).

Gewitterwolke im Querschnitt Quelle NASA

Die schnelle Eigenrotation des Jupiter ermöglicht -wie schon erwähnt- die Bildung der Jetstreams, in denen kleine Turbulenzen auftreten, woraus sich dann die gewaltigen, für den Planeten charakteristischen Sturmsysteme (Hoch- und  Tiefdruckwirbel) entwickeln können.

Jens Christian Heuer

Interpretation von Wetterkarten und Satellitenbildern

500 hPa Bodendruck, ReTop

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Auf der Höhenkarte sieht man die 500 hPa-Fläche (Geopotential, schwarze Linien mit Zahlen) und erkennt indirekt auch die Lufttemperaturen anhand der sogenannten Relativen Topographie (RETOP). Die 500 hPa-Fläche  entspricht in jedem Flächenstück der Höhe über dem Boden in welcher der Luftdruck auf 500 hPa gefallen ist (Höhenangaben in Dekametern!). Der Luftdruck nimmt mit zunehmender allmählich ab und zwar in warmer Luft deutlich langsamer als in kalter Luft, da sich erstere auch deutlich mehr  in der Vertikalen ausdehnt als letztere. Das 500 hPa – Niveau in einer Warmluftsäule wird also erst in relativ grösserer Höhe erreicht. Die 500 hPa – Fläche bildet  eine Art “Landschaft” mit “Bergen” (Warmluft) und “Tälern”(Kaltluft). Die schwarzen Linien (Isohypsen) der 500 hPa – Fläche verbinden demzufolge Orte miteinander, die jeweils in derselben Höhe liegen. Die Isohypsen zeigen auch den Verlauf der Höhenwinde und die Lage der Polarfront.

Die Farben dienen der Darstellung der Relativen Topographie. Darunter versteht man den Höhenunterschied (Schichtdicke) zwischen zwei isobaren Flächen, also Flächen von jeweils gleichem Luftdruck. Hier sind es die 500 hPa Isobarenfläche (in etwa 5 km Höhe) und die bodennahe 1000 hPa Isobarenfläche (in etwa 50m Höhe). Gebiete mit geringer Schichtdicke entsprechen einer relativ niedrigen Lufttemperatur, Gebiete mit hoher Schichtdicke, also einem großen Abstand zwischen den beiden Isobarenflächen, dagegen einer relativ hohen Lufttemperatur. Die Temperaturen innerhalb der Schichten nehmen von violett, über blau, grün, gelb nach rot immer mehr zu.

Schliesslich 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 entspricht einem hohen Luftdruckgradienten und umgekehrt. Der Luftdruckwert ist jeweils bei den Isobaren eingetragen. Hoch- und Tiefdruckgebiete sind so auf einen Blick auszumachen. Quelle: http://www.wetter3.de/

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Infrarotaufnahmen bilden 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.

Jens Christian Heuer

wird fortgesetzt!

Kategorien:Meteorologie

Vorticity

Das Konzept der Vorticity ist heutzutage aus der Meteorologie nicht mehr wegzudenken. Vorticity bedeutet Wirbelhaftigkeit oder Wirbelstärke und bezieht sich dabei auf ein rotierendes Luftströmungsfeld (Luftwirbel). Man unterscheidet Scherungs- und Krümmungsvorticity, entsprechend der Art wie sie zustande kommt.

 

Krümmungsvorticity (oben) und Scherungsvorticity (unten)
Rot = positive (cyclonale) ; Blau= negative (anticyclonale) Vorticity Quelle:
http://www.wetter3.de/

Eine Windscherung (Scherungsvorticity) tritt immer dann auf, wenn in einer Luftströmung verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten vorkommen. Die Krümmungsvorticity beruht hingegen auf einer Richtungsänderung der Strömung. Wegen der Erdrotation, welche die Atmosphäre ja mitbewegt, kommt bei jeder Wirbelbildung in der Luft, eine (positive) Planetare Vorticity (Erdvorticity) noch hinzu. Die Erdvorticity wird durch die Corioliskraft verursacht, welche die Luftteilchen ablenkt (Krümmungsvorticity). In Richtung der Pole nimmt die Erdvorticity wegen der stärker werdenden Corioliskraft zu, in Richtung Äquator dagegen ab. Die Corioliskraft lässt sich gut veranschaulichen: Da die Erde sich um die eigene Achse dreht (Erdrotation), drehen sich auch die Luftteilchen ihrer Atmosphäre mit. Je weiter man nach Norden gelangt, umso langsamer bewegen sich die Luftteilchen in Drehrichtung, denn die Breitenkreise werden ja immer kleiner und somit der zurückzulegende Weg während einer Erdumdrehung immer kürzer. Ein sich beispielsweise nach Norden bewegendes Luftteilchen bekommt demzufolge eine höhere Geschwindigkeit in Drehrichtung der Erde mit, als sie die dort bereits befindlichen Luftteilchen haben. Deshalb eilen die aus dem Süden neu ankommenden Luftteilchen denen im Norden in Richtung der Erdrotation voraus, werden also nach rechts (östlich) abgelenkt. Bewegt sich ein Luftteilchen von Norden nach Süden in Richtung Äquator, so bekommt es eine niedrigere Geschwindigkeit in Richtung der Erdrotation mit als die dort bereits vorhandenen Luftteilchen, und es bleibt diesen gegenüber zurück. Die von Norden neu ankommenden Luftteilchen werden also, ebenfalls nach rechts (aber westlich)abgelenkt. Bewegt sich ein Luftteilchen auf einem mittleren Breitenkreis in Richtung der Erdrotation, so wird es schneller als die nur durch die Erdrotation bewegten Luftteilchen und weicht daher zu einem Breitenkreis aus, welcher der höheren Geschwindigkeit entspricht. Das Luftteilchen wird also wiederum nach rechts (südlich) abgelenkt. Umgekehrt verliert ein Luftteilchen, das sich auf einem mittleren Breitenkreis entgegen der Erdrotation bewegt, gegenüber den nur durch die Erdrotation bewegten Luftteilchen an Geschwindigkeit und sucht sich einen Breitenkreis, welcher der geringeren Geschwindigkeit entspricht. Also wird es auch nach rechts (aber nördlich) abgelenkt. 

 

Wenn man alle Ablenkungsmöglichkeiten eines Luftteilchens (hier auf der Nordhalbkugel) zusammenfasst, dann erhält man einen cyclonalen Wirbel (hier gegen den Uhrzeigersinn), also positive Vorticity. Die blauen Pfeile stehen für die Gradientenkraft entlang eines Druckgefälles, wodurch sich die Luftteilchen in Bewegung setzen. Die roten Pfeile stehen für die ablenkende Corioliskraft und die schwarzen Pfeile zeigen die resultierende Bewegung der Luftteilchen. Mit zunehmendem Breitengrad nimmt die Erdvorticity zu und erreicht an den Polen ihr Maximum. Am Äquator wirkt keine Corioliskraft mehr und damit verschwindet auch die Erdvorticity. Quelle: Wikipedia Kurz zusammengefasst: Bei einer Wirbelbildung sind also immer zwei Arten von Vorticity zu berücksichtigen; erstens die Relative Vorticity, also die Wirbelstärke relativ zu der als ruhend betrachteten Erde und zweitens die grundsätzlich positive Planetare Vorticity (Erdvorticity). Beide zusammen ergeben dann die Absolute Vorticity. Die eben beschrieben Möglichkeiten einer Ablenkung von bewegten Luftteilchen durch die Corioliskraft ergeben einen cyclonalen Wirbel, auf der Nordhalbkugel wie in unserem Beispiel, also einen Wirbel gegen den Uhrzeigersinn (positive Vorticity!). Das bedeutet: Die Erdvorticity ist immer positiv!

Alle Luftwirbel haben einen Drehimpuls (Drall) der erhalten bleibt, wenn sie nicht an Energie hinzugewinnen oder verlieren. Diese Eigenschaft wird Potentielle Vorticity genannt und ergibt sich aus dem Quotienten von Absoluter Vorticity einer Luftsäule und deren Höhe. 
Ein Eiskunstläufer, der sich um die eigene Achse dreht und dabei seine Arme zum Körper anzieht dreht sich dadurch schneller, erhöht also seine Vorticity und umgekehrt. Analog dazu nimmt bei vertikaler Streckung und gleichzeitig abnehmenden Durchmesser einer sich drehenden Luftsäule, deren Vorticity ebenfalls ab und umgekehrt (Pirouetteneffekt).

 

Änderungen der Relativen Vorticity spielen bei der Entstehung dynamischer Tiefdruckgebiete unter einem mäandernden Jetstream die entscheidende Rolle: Im Bereich der maximalen Krümmung und Scherung eines Höhentroges (auf der Trogachse) erreicht der Jetstream seine maximale positive Relative Vorticity und gleichzeitig seine minimale Erdvorticity (die Corioliskraft nimmt in Richtung Äquator ab!), denn seine Potentielle Vorticity bleibt ja konstant. Auf der Vorderseite des Troges (Ostseite), nehmen Krümmung und Windscherung, also die Relative Vorticity wieder ab,  und die Erdvorticity dementsprechend zu (die Corioliskraft wird in Richtung Pol stärker!), denn wiederum bleibt die Potentielle Vorticity natürlich konstant. Man kann es auch so formulieren: Positive Absolute Vorticity wird von einem Bereich starker Krümmung in einen Bereich schwacher Krümmung transportiert (Positive Vorticity Advektion (PVA), von lat. advehere = heranführen, heranbringen, heranfahren, transportieren). Die schwache Krümmung des Jetstreams auf der Vorderseite des Troges zeigt also den Abbau positiver Relativer Vorticity zugunsten einer zunehmenden positiven Erdvorticity an. Der Abbau von Relativer Vorticity auf der Trogvorderseite geschieht durch horizontale Divergenz vor allem in der Höhe, weil hier die Windgeschwindigkeiten am größten sind. Der Durchmesser einer dort befindlichen Luftsäule nimmt dabei zu und die Wirbelstärke, also die Relative Vorticity dementsprechend ab. Durch die Divergenz in der Höhe verliert die Luftsäule an Masse, so daß am Boden der Luftdruck fällt. Durch diese Störung wird von ringsherum Luft angesaugt (Konvergenz in Bodennähe) und es bildet sich ein aufwärts gerichteter Luftwirbel, woraus sich ein dynamisches Tiefdruckgebiet entwickelt.

 

trogachse__divergenz_tief 
Auf der Vorderseite eines Höhentroges bildet sich durch Divergenz ein dynamisches Tiefdruckgebiet: Die rote Linie markiert die Trogachse, wo die Relative Vorticity (Krümmungs- und Scherungsvorticity) ihren höchsten Wert erreicht. Der blaue Kreis zeigt die Zone maximaler Divergenz auf der Trogvorderseite, wo Relative Vorticity zugunsten der Erdvorticity abgebaut wird. Die Potentielle Vorticity bleibt erhalten!
Auf der Höhenkarte sieht man 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, fällt in einer warmen Luftsäule mit zunehmender Höhe der Luftdruck langsamer als in einer kalten Luftsäule. Das 500 hPa – Niveau wird dementsprechend auch erst in grösserer Höhe erreicht. Die 500 hPa – Fläche bildet  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. Quelle:
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Das Ganze lässt sich noch weitergehender veranschaulichen: Man denke sich die Luftsäulen aus (unendlich) vielen kleinen Luftsäulen übereinander zusammengesetzt. Durch die wegen der ansteigenden Windgeschwindigkeiten mit der Höhe zunehmenden Divergenz wird der Durchmesser der kleinen Luftsäulen dementsprechend größer, gleichzeitig werden sie wegen der Erhaltung der Potentiellen Vorticity aber auch immer kürzer. Die Gesamtlänge der unendlich vielen kleinen Luftsäulen reicht dann nicht mehr bis zum Boden herab. Die dadurch entstehende „Loch“ wird dann mit Luft aus der bodennahen Umgebung aufgefüllt (bodennahe Konvergenz).
 
Jens Christian Heuer
Kategorien:Meteorologie