Welche Zutaten es für ein Gewitter braucht, sind schon lange bekannt: warme, feuchte Tage mit instabiler Luft. Aber wo genau sie sich bilden, das ließ sich bisher kaum vorhersagen. "Schwere Regenfälle treten oft sehr plötzlich und lokal auf – ohne Vorwarnung, aber oft mit schweren Schäden", skizziert die TU Wien die Problemstellung.
An ihre Auflösung hat sich ein britisch-österreichisches Forschungsteam gewagt. Bei der Untersuchung von 2,2 Millionen Gewitterereignisse in Afrika konnte ein physikalischer Schlüsselfaktor identifiziert werden, der entscheidend für die Gewitterentstehung ist.
Es handelt sich dabei um ein Zusammenspiel von Windverhältnissen in der Atmosphäre und räumlichen Unterschieden in der Bodenfeuchte. Es ist entscheidend dafür, ob sich eine harmlose Wolke zu einem gefährlichen Gewitter auswächst. Das neue Gewitter-Modell hat das Team am Mittwoch im Fachjournal "Nature" publiziert.
"Die Bewegung von Luftmassen auf großer Skala lässt sich heute sehr gut berechnen", sagt Wolfgang Wagner vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien. "Aber Gewitter entstehen auf mittlerer Skala, auf Dimensionen in der Größenordnung von einigen Kilometern." Da stießen bisherige Modelle an ihre Grenzen.
Die TU entwickelt schon länger Methoden, um aus Satelliten-Messdaten von EUMETSAT die Bodenfeuchte überall auf der Erde zu berechnen. Fortschritte in der Technik ermöglichten immer genauere Messungen. Als die Forscher schließlich die Daten der Bodenfeuchte mit jenen der Gewitter in Beziehung setzten, erkannten sie einen bemerkenswerten Zusammenhang:
"Gewitterzellen wachsen bevorzugt dort besonders rasch und heftig, wo Unterschiede in der Bodenfeuchte zu bodennahem Wind führen und der Wind in größerer Höhe in die Gegenrichtung bläst", so die Forscher.
Wenn der Boden in einer Region feuchter ist als anderswo, dann entsteht oft bodennaher Wind. Die feuchtere Luft ist kälter, sie strömt zur trockenen Region, wo die Luft wärmer ist und geringeren Druck hat. Die Windrichtung in größerer Höhe ist davon weitgehend unabhängig.
Es kann also sein, dass die Wolken weiter oben genau in die Gegenrichtung ziehen – dem bodennahen Luftstrom entgegen.
"Wenn das passiert, ist die Relativgeschwindigkeit am größten, die Wolken kommen pro Zeit mit maximal viel neuer, bodennaher Luft in Kontakt – und diese Luft ist es, die dann von unten die Gewitterzelle füttert", erklärt Christopher Taylor vom UK Centre for Ecology and Hydrology. Er ist Hauptautor und führender Wissenschaftler hinter der Studie.
Auf diese Weise entsteht die stärkste Konvektion, feuchte Luft von unten wird nach oben gezogen, dort kühlt sie ab und kann dann rasch schwere Gewitterwolken bilden. Es kommt zu einer sich selbst verstärkenden Aufwärtsbewegung – eine lokale Instabilität wird zum Gewitter. Genau deshalb sind Gewitter so schwer vorherzusagen.
Dieses Modell konnte das Forschungsteam nun mit unabhängigen Datensätzen validieren: Satellitenbilder zeigen schnelles Wolkenwachstum genau dort, wo das Modell es vorhersagt. Blitzdaten bestätigen: Die intensivsten Gewitter entstehen bevorzugt über trockenen Bodenflächen, wenn die Windrichtungen in Bodennähe und in größerer Höhe gegenläufig sind.
"Die in der Studie erzielten Erkenntnisse werden es nun erlauben, eine präzisere Einschätzung künftiger Gewitter zu ermöglichen und den Zusammenhang zwischen Klimawandel und Extremwetterereignissen besser zu verstehen", so die TU Wien abschließend.
