Wie entsteht ein Tornado?

Glücklicherweise braucht es ungewöhnliche Bedingungen, damit ein Tornado entstehen kann! Und glücklicherweise sind sie mit einem Durchmesser von einigen Meter bis zu einem Kilometer viel kleiner als ein tropischer Wirbelsturm (Hurrikan, Taifun oder Zyklon), und ihre Dauer liegt nur zwischen einigen Sekunden und einer Stunde! Dennoch, da wo die rotierenden Luftwirbel nun mal wüten, hinterlassen sie deutliche Spuren. Sie begnügen sich nämlich nicht damit, an einer Stelle zu verharren, sondern ziehen katastrophale Zerstörungsschneisen durch Stadt und Land und reißen - bei Windgeschwindigkeiten von über 100 km/h bis im Extremfall zu 500 km/h - so ziemlich alles mit in die Höhe, auch das, was niet- und nagelfest ist. Und, sie können wenn überhaupt, nur sehr kurzfristig vorhergesagt werden.

Tornados faszinieren enorm: Unbändige Kraft- und Energiefreisetzung, rüsselförmiger Wolkenschlauch, angsteinflößendes Getöse, irritierender Zickzack-Kurs, in Begleitung von dunklen Gewitterwolken mit Starkregen, Hagel und Windböen. Auch in Luxemburg wurde dieses Jahr wieder ein Tornado im Norden des Landes dokumentiert. Und viele erinnern sich an den Tornado, der 2019 im Süden des Landes Schäden verursachte.  

Interessiert es dich, die meteorologischen sprich physikalischen Vorgänge eines Tornados zu verstehen? Als Belohnung bekommst du eine gute Portion Wissenschaftliches über Wind und Wetter dazu mitgeliefert, so dass du auch andere Wetterphänomene wie z.B. Gewitterbildung leichter verstehen kannst.

Tornados sind auch heute von den Wissenschaftlern noch immer nicht gänzlich und einwandfrei verstanden, und das gilt ganz besonders für ihr Entstehen. Dennoch, die Grundprinzipien sind bekannt.

Tornados können entstehen, wenn

• bodennahe warme feuchte Luft von kalter trockener Luft in der Höhe überlagert wird, und
• Windgeschwindigkeit und Windrichtung mit der Höhe ändern.

Dies kann in einer gewaltigen, sehr hohen Gewitterwolke passieren – einer sogenannten Superzelle – in der aufsteigende Luft unter bestimmten Bedingungen anfängt, sich um eine vertikale Achse zu drehen. Das reicht aber nicht, damit ein Tornado sich bildet. Es müssen auch noch Luftwirbel in Bodennähe entstehen, die sich zuerst um eine horizontale Achse drehen, und sich dann mit der Zeit vertikal aufstellen. Wenn eine größere Anzahl dieser bodennahen Wirbel sich unterhalb des rotierenden Aufwinds der Superzelle anhäufen, kann dieser Aufwind die Wirbel bündeln und durch einen Saugeffekt nach oben ziehen. So bildet sich nach einiger Zeit der für Tornados charakteristische rotierende Luftwirbel, der sich von Boden bis hinauf zur Wolke erstreckt.

Wie die einzelnen Schritte genauer funktionieren, kannst Du in diesem Artikel nachlesen. Und übrigens: Nicht alle Superzellen produzieren automatisch Tornados (nur in ca. 20% der Fälle stimmen die Bedingungen). Und es können auch Tornados unabhängig von einer Superzelle entstehen. Wir konzentrieren uns in diesem Artikel auf Tornados, die im Zusammenhang mit Superzellen entstehen.

Schritt 1: Wie entsteht eine Superzelle?

Eine hohe Luftfeuchtigkeit in der bodennahen Luft ist notwendig, damit überhaupt Kondensation, also Wolkenbildung einsetzen kann. Und die Temperatur muss vom Boden bis zur Wolkenobergrenze ausreichend stark abnehmen, jedenfalls stärker als in der Standard-Atmosphäre (siehe Infobox 1 weiter unten).

Die Atmosphäre ist also stark labil (siehe Infobox 3), umso mehr, weil die warme aufsteigende Luft viel Wasserdampf (Infobox 4) enthält, der während des Aufstiegs kondensiert und dabei Kondensationswärme abgibt. Die nach oben strömende Luft bleibt während des ganzen Aufstiegs wärmer als die Umgebungsluft. Der Auftrieb (Infobox 5) überwiegt also gegenüber dem Gewicht. Und so kommt es zu einer gewaltigen Aufwärtsströmung, die zur Entstehung von gigantischen Gewitterwolken, den Kumulonimbus-Wolken führt (Abbildung 1).

Und, weil viel Luft nach oben strömt (Aufwind) muss auch an anderer Stelle viel Luft nach unten strömen (Abwind). Es finden insgesamt enorme Luftmassenumwälzungen statt, eine der Voraussetzungen für das Entstehen von Tornados.

Abbildung 1: Kumolonimbus calvus-Wolke im Vordergrund und Kumulonimbus incus (Amboss) dahinter.
Quelle: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cumulonimbus_.jpg)

Doch es braucht eine weitere Zutat für das Entstehen einer Superzelle und somit auch von Tornados: Vertikale Windscherung (Infobox 6). Das heißt, dass die Windgeschwindigkeit nach oben hin zunimmt, und/oder der Wind seine Richtung ändert. Auf diese Wiese wird nämlich eine initiale Rotation der strömenden Luft erzeugt, eine Verwirbelung der Luft mit horizontaler Drehachse.

Nähert sich der rotierende Luftstrom dem großflächigen Bereich wo Aufwinde stattfinden, dann kippt die Drehachse von horizontal auf vertikal. In der Gewitterwolke kommt es zu einer gewaltigen drehenden Aufwind-Strömung von 2 km bis 10 km Durchmesser, von den Meteorologen „Superzelle“ genannt, oder auch noch „Mesozyklon“ (Abbildung 2).

Abbildung 2: Schematische Darstellung einer Superzelle vom Süden her betrachtet.
Quelle: Wikimedia Commons

Superzellen reichen bis auf eine Höhe von 12 bis 15 km. Dort herrschen Temperaturen von -70°C. Der Aufwind in einer Superzelle erreicht 60 km/h und kann bis zu 15°C wärmer sein als die Umgebungsluft. In der Höhe weht starker Wind, nicht selten um 80 km/h höher als in der bodennahen Luft. Dadurch erst kann sich eine Superzelle entwickeln, mit einer Lebensdauer von einigen Stunden. Ohne starken Höhenwind würden die Niederschläge nämlich in demselben Bereich fallen, wo der Aufwind stattfindet; dieser würde stark behindert, in andern Worten, der Motor der Gewitterwolke würde ausfallen, und die Gewitterwolke würde sich schnell auflösen.

Starker Höhenwind aber verschiebt den Niederschlagsbereich (= Abwindbereich) gegenüber dem Aufwindbereich. Die Wolke bekommt sozusagen „Schieflage“, so dass die Bereiche von Auf- und Abwind räumlich getrennt sind. Die Langlebigkeit der Superzelle ist gewährleistet.

Im mittleren Westen der USA (Texas, Oklahoma, Kansas, Nebraska), wo die meisten Tornados auf der Welt auftreten, ballen sich Gewitterwolken mit Superzellen zusammen, welch Ausmaße von der Hälfte Deutschlands annehmen. Die Bedingungen für die Entstehung von Tornados sind hier besonders günstig, weil hier warme, feuchte Luft vom Golfstrom mit kalter, trockener Luft aus den Rocky Mountains zusammentrifft.

Abbildung 3: Das Foto von Bernd März zeigt eine HP-Superzelle bei Annaberg (Sachsen) am 25.06.2016. Quelle:  https://wetterkanal.kachelmannwetter.com/was-ist-eine-superzelle/

Eine Superzelle ist noch lange kein Tornado, aber im bodennahen Einflussgebiet einer Superzelle kann ein Tornado entstehen. Dafür braucht es allerdings noch zwei weitere Schritte.

Schritt 2: Bodennahe Wirbelbildung

In der Superzelle rotiert der Aufwind am stärksten in einigen Kilometern Höhe. Damit ein Wirbel in bodennaher Luft entstehen kann, braucht es die Hilfe des Abwinds. Dieser bildet sich dort aus, wo die Niederschläge fallen. Die Niederschläge zerren nämlich die Luft mit nach unten, ähnlich wie ein großes Peloton eines Straßen-Radrennens die Luft ja auch mit sich reißt. Beim Absinken wird die Luft zwar erwärmt, doch weil dabei Wasser verdunstet und Eiskristalle schmelzen, wird ihr auch wiederum Wärme entzogen (siehe Infobox 4). Der Abwind ist schließlich kühler als die Umgebungsluft. Über dem Boden fließt der Abwind ab und bildet so den kräftigen kühlen Windstoß aus der Richtung des Niederschlagsbereichs, kurz vor dem Einsetzen des Niederschlags.

Der größte Teil des Abwinds strömt wieder zum Aufwindbereich zurück. Die Umgebung dieses Luftstroms ist von einer ausgeprägten horizontalen Temperaturänderung geprägt: Auf der einen Seite ist die Umgebung wärmer als auf der anderen Seite. Und das erzeugt eine Wirbelbildung, also Vortizität, um eine horizontale Achse. Auf der wärmeren Seite ist die Luft leichter, und tendiert nach oben. Auf der kälteren Seite ist sie schwerer und fällt nach unten. Es ist, wie wenn man am Lenkrad eines Autos links nach oben und rechts nach unten zieht: Das Lenkrad wird sich drehen. Diese Vortizität entsteht in Bodennähe und ist wesentlich stärker als diejenige, die durch Windscherung beim Aufwind in einiger Höhe erfolgt. Hinzu kommt dass die erst horizontale Wirbelachse sich nach und nach bis zur Vertikalen aufrichtet (Abbildung 4).

Abbildung 4: Schematische Darstellung des aktuellen Verständnisses, wie Tornados bei Superzellen entstehen. Reproduziert mit Erlaubnis - Copyright: Prof. Paul Markowski, Penn State University.   

Die eben beschriebene Wirbelbildung des Abwinds auf dem Weg zum Aufwindbereich ist hier sehr vereinfacht dargestellt worden. Auf jeden Fall soll sie der dominante Faktor bei der Entstehung von bodennahen Superzellen sein, wie Feldbeobachtungen sowie numerische Simulationen offen legen.

Schritt 3: Verstärkung der bodennahen Vortizität

Die bodennahe Vortizität entspricht etwa einem Hundertstel der Vortizität eines Tornados. Damit es zum Tornado kommt muss sie also bedeutend verstärkt werden.

Die Verstärkung erfolgt durch den sogenannten „Pirouetten-Effekt“, in Bezug auf die Eiskunstläuferin, die bei der Pirouette ihre Drehung erheblich steigert, dadurch dass sie die Arme beim Schwungnehmen zuerst weit ausstreckt und dann ganz nahe an den Körper heranzieht. Physiker erklären den Effekt mit der Erhaltung des Drehimpulses. Nach dem gleichen Prinzip wird die Vortizität eines Wirbels zunehmen, wenn drehende Luft zu  der Drehachse hin konvergiert.

Ob nun ein Tornado entsteht oder nicht, das hängt davon ab, wie stark der in Bodennähe rotierende kühle Abwind zum Gebiet des Aufwinds konvergiert. Zu einer starken Konvergenz kommt es, wenn die konvergierende Luft durch einen kräftigen Aufwind nach oben beschleunigt wird. Dadurch entsteht unten ein Gebiet tiefen Luftdrucks, das weitere Luft ansaugt, also weitere Konvergenz erzeugt. Damit dies alles in Gang kommt, müssen viele Faktoren gut aufeinander abgestimmt sein: Der Abwind darf nicht zu kühl sein, ansonsten widersetzt er sich dem Ansteigen zu stark; der Aufwind muss ungewöhnlich kräftig genug sein, um die konvergierende Luft mitzureißen; der Abwind muss schon vor dem Konvergieren genug vertikale Vortizität aufweisen.

Mit der schnellen Rotation der aufsteigenden Luft geht auch ein starker Zentrifugal-Effekt einher. Er bewirkt, dass die Luft von der Drehachse weggedrückt wird, dass also der Luftdruck in der Gegend der Achse abnimmt, was zur Folge hat, dass die Luft stärker dorthin hin angesaugt wird.

Es kommt schließlich zu dem bekannten rüsselförmigen Wolkenschlauch, in dem aufsteigende, schnell rotierende Luft einen starken dynamischen Sog bewirkt, der die Konvergenz der schon rotierenden Luft des Abwinds verursacht, und dabei die Vortizität dramatisch verstärkt.

Autor: André Mousset (Physiker)
Redaktion: Michèle Weber, Joseph Rodesch (FNR)
Vielen Dank auch an Luca Mathias von Meteolux, der uns bei der Vorbereitung dieses Artikel sehr geholfen hat!