Lebenszyklus eines Gewitters

Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte Luft, so dass warme Luft in kühlerer Luft aufsteigt, ähnlich wie bei Heißluftballons. Wolken bilden sich, wenn warme Luft, die Feuchtigkeit transportiert, in kühlerer Luft aufsteigt. Wenn die warme Luft aufsteigt, kühlt sie sich ab. Der feuchte Wasserdampf beginnt zu kondensieren. Wenn die Feuchtigkeit kondensiert, wird Energie freigesetzt, die die Luft wärmer hält als ihre Umgebung, so dass sie weiter ansteigt. Wenn genügend Instabilität in der Atmosphäre vorhanden ist, setzt sich dieser Prozess so lange fort, bis sich Kumulonimbuswolken bilden, die Blitz und Donner unterstützen.

Alle Gewitter, egal welcher Art, durchlaufen drei Stufen: die Kumulusstufe, die Reifephase und die Dissipationsstufe. Je nach den Bedingungen in der Atmosphäre können diese drei Phasen zwischen 20 Minuten und mehreren Stunden dauern.



Sturmlebenszyklus


Luftströmungsdiagramme, die drei Phasen eines Gewitterlebenszyklus zeigen.



Cumulus Stufe


Das erste Stadium eines Gewitters ist das Cumulusstadium oder Entwicklungsstadium. In diesem Stadium werden Feuchtigkeitsmassen nach oben in die Atmosphäre gehoben. Der Auslöser für diesen Aufzug kann die Sonneneinstrahlung sein, die den Boden erwärmt und Thermik erzeugt, Bereiche, in denen zwei Winde die Luft nach oben treiben, oder in denen Winde über Gelände mit zunehmender Höhe blasen. Die Feuchtigkeit kühlt sich schnell zu flüssigen Wassertropfen ab, die als Cumuluswolken erscheinen. Wenn der Wasserdampf zu Flüssigkeit kondensiert, wird latente Wärme freigesetzt, die die Luft erwärmt, wodurch sie weniger dicht wird als die umgebende trockene Luft.


Die Luft neigt dazu, durch den Prozess der Konvektion (daher der Begriff konvektiver Niederschlag) in einem Aufwind aufzusteigen. Dadurch entsteht eine Tiefdruckzone unter dem sich bildenden Gewitter. Bei einem typischen Gewitter werden ca. 5-108 kg Wasserdampf aufgewirbelt, und die Energiemenge, die freigesetzt wird, wenn diese kondensiert, entspricht in etwa der von einer Stadt verbrauchten Energie von 100.000 Einwohnern während eines Monats.



Reife Phase


Im reifen Stadium eines Gewitters steigt die erwärmte Luft weiter an, bis sie die vorhandene Luft erreicht, die wärmer ist, und die Luft kann nicht weiter steigen. Oft ist diese "Mütze" die Tropopause. Stattdessen wird die Luft zur Ausbreitung gezwungen, was dem Sturm eine charakteristische Ambossform verleiht. Die daraus resultierende Wolke heißt Cumulonimbus incus. Die Wassertropfen verschmelzen zu schweren Tröpfchen und gefrieren zu Eispartikeln. Als diese fallen, schmelzen sie zu Regen. Ist der Aufwind stark genug, werden die Tröpfchen so lange in die Höhe gehalten, dass sie nicht vollständig schmelzen und als Hagel fallen. Während Aufwinde noch vorhanden sind, erzeugt der fallende Regen auch Abwinde. Die gleichzeitige Anwesenheit von Auf- und Abwind markiert die reife Phase des Sturms, und während dieser Phase können erhebliche innere Turbulenzen im Sturmsystem auftreten, die sich manchmal in starken Winden, starken Blitzen und sogar Tornados äußern.


Normalerweise tritt der Sturm bei geringer Windscherung schnell in die sich auflösende Phase ein und'regnet sich selbst aus', aber bei ausreichender Änderung der Windgeschwindigkeit und/oder -richtung wird der Abwind vom Aufwind getrennt, und der Sturm kann zu einer Superzelle werden, und die reife Phase kann sich mehrere Stunden lang halten.


In manchen Fällen jedoch, selbst bei geringer Windscherung, kann es bei ausreichender atmosphärischer Unterstützung und Instabilität des Gewitters sogar etwas länger als die meisten Stürme dauern.



Dissipationsphase


Wenn die atmosphärischen Bedingungen die superzelluläre Entwicklung nicht unterstützen, tritt dieses Stadium ziemlich schnell ein, etwa 20-30 Minuten nach dem Gewitter. Der Abwind drückt aus dem Gewitter, trifft auf den Boden und breitet sich aus. Die kühle Luft, die vom Abwind zum Boden getragen wird, schneidet den Zufluss des Gewitters ab, der Aufwind verschwindet und das Gewitter löst sich auf.



Im Detail


Alle Gewitter, ob schwer oder nicht, müssen drei Bedingungen haben, um sich zu entwickeln. Die erste notwendige Bedingung ist Feuchtigkeit im unteren und mittleren Bereich der Atmosphäre. Wenn die Luft in einem Gewitteraufwind aufsteigt, kondensiert die Feuchtigkeit zu einem kleinen Wassertropfen, der Wolken (und schließlich Niederschlag) bildet. Wenn die Feuchtigkeit kondensiert, wird Wärme an die Luft abgegeben, wodurch sie wärmer und weniger dicht ist als ihre Umgebung. Die zusätzliche Wärme lässt die Luft im Aufwind weiter ansteigen.


Die zweite notwendige Bedingung ist Instabilität. Wenn die Luftmasse instabil ist, wird die Luft, die mit etwas Kraft nach oben gedrückt wird, weiter nach oben gedrückt. Eine instabile Luftmasse enthält in der Regel relativ warme (und meist feuchte) Luft in der Nähe der Oberfläche und relativ kalte (und meist trockene) Luft in der mittleren und oberen Ebene der Atmosphäre. Wenn die niedrige Luft in einem Aufwind aufsteigt, wird sie weniger dicht als die Umgebungsluft und steigt weiter an. Dieser Prozess wird oft durch zusätzliche Wärme durch Kondensation, wie oben beschrieben, verstärkt. Die Luft bewegt sich weiter nach oben, bis sie kälter und dichter wird als ihre Umgebung.


Die dritte notwendige Bedingung ist eine Auftriebsquelle. Lift ist ein Mechanismus zum Starten eines Aufwindes in einer feuchten, instabilen Luftmasse. Die Hebequelle kann mehrere Formen annehmen. Die gebräuchlichste ist die Differentialheizung. Wenn die Sonne die Erdoberfläche erwärmt, erwärmen sich Teile der Oberfläche (und die Luft knapp darüber) leichter als die umliegenden Gebiete. Diese "warmen Taschen" sind weniger dicht als die Umgebungsluft und steigen auf. Wenn die Luft ausreichend feucht und instabil ist, kann sich ein Gewitter bilden.


Die Quelle des Auftriebs kann auch mechanischer Natur sein. Feuchte Luft, die die Seite eines Berges hinaufströmt, kann einen Punkt erreichen, an dem sie weniger dicht ist als ihre Umgebung, und es kann zu Gewittern kommen. Dies ist an den Osthängen der Rocky Mountains im Sommer üblich. Vorrückende Kaltfronten, Warmfronten, Abflussgrenzen, Trockenlinien und Meeresbrisenfronten wirken ebenfalls als Auslöser, indem sie feuchte, niedrige Luft so weit anheben, dass sie wärmer und weniger dicht ist als ihre Umgebung, in der sich Stürme bilden können.


Neuere Forschungen haben ergeben, dass wenn sich die Umgebung (Wind, Feuchtigkeit, Instabilität) eines Sturms ändert, sich auch die Art des Sturms (Multizelle, Superzelle, etc.), der bevorzugt wird, ändern kann.


Die Höhe der vertikalen Windscherung ist entscheidend für die Art des Sturms. Vertikale Windscherung ist definiert als Änderung der Windrichtung oder -geschwindigkeit mit der Höhe. Bei geringer vertikaler Scherung (geringe Änderung der Windgeschwindigkeit oder -richtung mit der Höhe) werden mehrzellige Stürme mit kurzzeitigen Aufwinden bevorzugt. Niedrige Werte der vertikalen Windscherung führen zu einem schwachen Zufluss zu einem Sturm. Da der Zufluss schwach ist, drückt der Abfluss aus dem Regenfallgebiet die Böenfront vom Sturm weg. Dadurch wird die Quelle des Sturms für warme, feuchte und instabile Luft abgeschnitten, was zu einem Sturm mit kurzlebigen Aufwinden führt. Der Niederschlag, der entsteht, fällt durch den Aufwind des Sturms und trägt dazu bei, dass der Aufwind nur von kurzer Dauer ist.


Ein Sturm, der sich in einer Umgebung mit hoher Scherung entwickelt hat. Mit zunehmender vertikaler Windscherung werden Stürme mit länger andauernden Aufwinden bevorzugt. Eine stärkere vertikale Windscherung führt zu einem stärkeren Zufluss in den Sturm. Die Böenfront wird in der Nähe des Sturms gehalten, und der Sturm wird für eine viel längere Zeit Zugang zur Quelle warmer, feuchter Luft haben. Dadurch hält der Aufwind des Sturms bei starker vertikaler Windscherung tendenziell länger an. Der Niederschlag fällt eher vom Aufwind nach Lee als durch den Aufwind. Dadurch kann der Aufwind über relativ lange Zeiträume fortgesetzt werden. Das Bild links zeigt einen Sturm, der sich in einer Umgebung mit hoher Scherung entwickelt hat.


Eng verwandt mit dem Konzept der vertikalen Windscherung ist das Drehen des Windes mit Höhe in der untersten Meile oder so der Atmosphäre. Veering ist definiert als eine Drehung der Windrichtung im Uhrzeigersinn, wenn wir uns durch die Atmosphäre nach oben bewegen. Es ist möglich, eine grobe Kontrolle der Verdrehung während des Spotting durchzuführen. Wenn es in den unteren Ebenen der Atmosphäre zwei Wolkenschichten gibt, schauen Sie genau hin, in welche Richtung sich diese Wolkenschichten bewegen. Dreht sich die Richtung im Uhrzeigersinn zwischen der unteren und der oberen Schicht, so liegt eine Verdrehung vor.


Computersimulationen und Beobachtungsstudien haben gezeigt, dass das Drehen des niedrigen Windes eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von Sturmrotation spielt. Wenn die Windgeschwindigkeit ausreichend hoch ist (in der Regel 30 mph oder mehr) und der Wind sich mit der Höhe dreht, können sich in den unteren Ebenen der Atmosphäre horizontale "Rollen" bilden. Diese horizontalen "Rollen" können dann durch den Aufwind eines Sturms in eine vertikal ausgerichtete Rotation gekippt werden. Der Aufwind kann auch die vertikale Rotation "dehnen" und die Rotationsgeschwindigkeit erhöhen. Ist diese vertikale Rotation erst einmal etabliert, kann sich ein Mesozyklon entwickeln, der einen Tornado oder ein signifikantes anderes Wetter hervorrufen kann.


Schwankungen in der Feuchtigkeit und Instabilität können sich auch auf Gewitter auswirken. Wenn die Feuchtigkeit in der Atmosphäre gering ist (wie in den Hochebenen), neigen die Stürme zu hohen Wolkenbasen. Geringe Niederschlagsmengen fallen von diesen Stürmen, aber sie haben typischerweise starke Abwärtsbewegungen. Wenn die Feuchtigkeit in der Atmosphäre hoch ist (wie im Südosten), dann haben Stürme niedrige Wolkenbasen. Ausgiebige Niederschläge erreichen den Boden, meist begleitet von schwachen Abwärtsbewegungen. Als Faustregel gilt: Je höher die Wolkenbasis, desto größer die Chance auf trockene Mikroausbrüche. Je niedriger die Wolkenbasis, desto größer ist die Chance auf Sturzfluten mit Niederschlag.


Das Ausmaß der vorhandenen Instabilität spielt eine wichtige Rolle für die Stärke des Auf- und Abwindes eines Gewitters. Wenn die Instabilität gering ist, dann werden die Zugkräfte eines Sturms wahrscheinlich nicht stark genug sein, um schweres Wetter zu erzeugen. Wenn die Umgebung des Sturms eine hohe Instabilität aufweist, dann sind die Zugkräfte des Sturms stärker, und der Sturm hat eine bessere Chance oder produziert schweres Wetter.


Ein weiterer wichtiger Faktor in der Sturmumgebung, wenn auch nicht so kritisch wie die oben genannten Faktoren, ist das Vorhandensein einer Mid-Level-Caping-Inversion. Die Mid-Level-Caping-Inversion ist eine dünne Schicht warmer Luft zwischen der niedrigen feuchten Luft und der oberen (meist trockenen) Luft. Ist die mittlere Kappe schwach oder nicht vorhanden, bilden sich die Stürme in der Regel früh am Tag, bevor die starke Erwärmung der Sonne hohe Instabilitäten hervorrufen kann. Eine Reihe von Stürmen kann sich bilden, aber die Stürme werden in der Regel schwach und schlecht organisiert sein. Wenn die mittlere Kappe stark ist, werden sich keine Stürme bilden. Die sehr warmen mittleren Temperaturen wirken buchstäblich wie ein Deckel und verhindern, dass Aufwinde über die Kappe gehen.


Für die Entwicklung schwerer Stürme wird eine mittlere Kappe von mittlerer Stärke bevorzugt. Eine mäßige Kappe verhindert die Bildung schwacher Stürme, wodurch die Instabilität der Atmosphäre "aufgehoben" wird. Wenn sich Stürme bilden, normalerweise am mittleren bis späten Nachmittag, werden nur die stärksten Aufwinde in der Lage sein, die Kappe zu brechen und sich weiter zu entwickeln. Diese wenigen Stürme können die hohe Instabilität, die vorhanden ist, mit wenig Konkurrenz durch benachbarte Stürme ausnutzen und sich möglicherweise zu schweren Stürmen entwickeln.