Tornado — Entstehung

Die Entstehung von Tornados ist noch nicht genau bis in das kleinste Detail geklärt, jedoch ist es möglich den groben Ablauf nachzuvollziehen. Zunächst braucht es starke Temperaturgegensätze. Das heißt, dass sich am Boden feuchte warme Luft und in der Höhe trockene kalte Luft übereinander schichtet. Durch diese Schichtung kann es zu plötzlichen Luftumwälzungen kommen, deswegen wird sie auch als ‚labil‘ bezeichnet.

Wenn es zu einer Umwälzung kommt, steigt die feuchtwarme Luft nach oben und die trockenkalte Luft sinkt nach unten. Dasselbe Prinzip findet sich auch bei der Entstehung von Gewittern oder Zyklonen. Wie auch bei diesen entstehen durch die Umwälzung der Luft ein Gewitter. Damit ein Tornado entstehen kann, benötigt es auch unterschiedliche Windgeschwindigkeiten am Boden und in der Höhe. Dies wird auch als vertikale Windscherung bezeichnet. Dabei muss die Geschwindigkeit in der Höhe deutlich schneller sein als die am Boden, ebenso muss sich die Richtung des Windes ändern.

Grundsätzlich werden zwei verschiedene Arten zur Entstehung von Tornados unterschieden. Bei dem ersten Typ erfolgt die Entstehung aus Gewittern, die als ‚Superzellen‘ bezeichnet werden. Beim zweiten Typ entstehen Tornados aus Konvergenzlinien. Im Folgenden findest Du eine genauere Beschreibung der Entstehungsarten.

1. Typ I Tornado: Entstehung aus Superzellen

Wie schon zuvor beschrieben braucht es drei Bedingungen, damit Tornados entstehen können.

• Feuchte warme Luft in Bodennähe
• Trockene kalte Luft in der Höhe
• Unterschiedliche Windgeschwindigkeiten in den verschiedenen Höhen

Zusätzlich dazu bildet sich ein sehr starkes Gewitter mit einem rotierenden Aufwind. Diese werden auch als Superzellen bezeichnet. Superzellen können mehrere Stunden lang bestehen und bringen oft heftige Hagelschauer oder Sturzregen mit sich. Ungefähr 30 % aller Superzellen bilden Tornados.

Während sich ein Tornado bildet, beginnt sich die Wolkendecke oftmals abzusenken. Dieses Phänomen wird auch als Wallcloud (dt. „Mauerwolke“) bezeichnet. Die Wallcloud ist eine isolierte Wolke, die sich innerhalb der regenfreien Basis des Sturms absenkt. Diese Wolke ist normalerweise im hinteren Teil des Niederschlagsbereiches. Eine Wallcloud kann 10 bis 20 Minuten bestehen, bevor sich ein Tornado bildet. Ebenso kann eine dauerhafte Rotation sichtbar sein. Diese kann mit starken Aufwärtswinden einhergehen. Dabei können kleinere Wolkenteile in die regenfreie Basis nach oben gezogen werden.

Wenn sich ein Tornado formt, beginnt sich die Luft in Bodennähe zu drehen. Das passiert, wenn die Luft im Sturm nach unten sinkt und als Böen über den Boden weht. Böen mit warmer Luft steigen nach oben und Böen mit kalter Luft sinken nach unten. Wenn ausreichend steigende und sinkende Windstöße vorhanden sind, dann beginnt sich die Luft in der Nähe des Bodens zu drehen.

Die drehende bodennahe Luft wird schneller, während sie zur Achse der Rotation hineingezogen wird. Das ist so ähnlich wie wenn Eiskunstläufer schneller werden, wenn sie bei einer Drehung ihre Arme an den Körper ziehen, anstatt sie auszustrecken. Das wird auch als Drehimpulserhaltungssatz bezeichnet.

Die rotierende Luft bewegt sich parallel zum Boden und kann nach oben geneigt werden, durch die Kraft der rotierenden steigenden Luft. Das ermöglicht die Entstehung eines Tornados.

2. Typ II Tornado: Gewitter ausgelöst durch Konvergenzlinien

Nicht jeder Tornado benötigt eine Superzelle, um zu entstehen. Anders als die Typ I Tornados, entstehen Typ II Tornados durch Konvergenzlinien. Als Konvergenzlinien werden Gebiete bezeichnet, in denen der Wind aus entgegengesetzten Richtungen aufeinandertrifft. An der Grenze zwischen diesen Winden können sich mehrere Wirbel entwickeln. Werden diese Wirbel durch den Aufwind eines Gewitters oder eines Schauers nach oben gestreckt, so kann sich ein Tornado bilden.

Diese Art von Tornado tritt vor allen in unseren Breitengraden auf. Dabei können sie sich sowohl bei Kaltluftschauern als auch bei Wärmegewittern entwickeln. Oftmals herrscht schwacher Wind und eine Temperaturabnahme in den unteren Schichten. Im Gegensatz zu den Tornados aus Superzellen sind diese Tornados aber deutlich schwächer.

Tornadorotation

In den meisten Fällen dreht sich ein Tornado auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn. Nur ungefähr 5 % der Tornados drehen sich im Uhrzeigersinn. Die Corioliskraft hat dabei so gut, wie keine Auswirkung auf die Rotation, da Tornados nicht lange genug aktiv bleiben.

Der Grund für das Rotationsverhalten eines Tornados ist die Richtung, in der sich der Sturm bewegt. Meistens bewegen sich diese entlang von Niederdrucksystemen, aus denen sie hervorgehen. Diese Niederdrucksysteme bewegen sich gegen den Uhrzeigersinn, was auf den Coriolis-Effekt zurückzuführen ist. Wird die Luft im Aufwind nach oben gedrückt wird, ist die vorherrschende Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn.

Tornados und ihre Gefahr

Wenn ein Tornado entsteht, ist er zu Beginn fast unsichtbar. Durch die Abkühlung von Wasserdampf, dem Aufwirbeln von Staub, Trümmern und Wasser wird der Tornado sichtbar. Dabei muss die Verbindung eines Tornados mit dem Boden nicht unbedingt sichtbar sein, wichtig ist nur, dass er mit dem Boden in Kontakt tritt. Ist dies nicht der Fall, so wird er als Blindtrombe bezeichnet. Um nachzuweisen, ob ein Tornado Kontakt mit dem Boden hatte, ist es am einfachsten zu schauen, wie groß der Schaden ist, den er angerichtet hat.

Tornados können unterschiedliche Formen annehmen. Von den klassischen großen Trichtern, die sich zum Boden hin verengen bis zu dünnen, schmalen Wirbeln. Der Durchmesser eines solchen Luftwirbels kann dabei zwischen wenigen Metern bis zu einem Kilometer betragen. Es kann auch vorkommen, dass sich mehrere Wirbel bilden, die um ein gemeinsames Zentrum kreisen. Dieses Phänomen wird als Multivortex-Tornado bezeichnet. Du kannst es im folgenden Foto sehen:

Abb. 3 - Multivortex-Tornado

Tornado Geschwindigkeit – Die Fujita-Skala

Die Stärke eines Tornados in seinem Inneren zu messen, ist praktisch nicht möglich. Das liegt unter anderem an ihrer Gefährlichkeit, der schnellen Entstehung und dem ebenso schnellen Verschwinden. Ein Tornado besteht meistens nur wenige Sekunden, hin zu einer halben Stunde. Selten erreichen sie mehr als eine Stunde. Deswegen werden die angerichteten Schäden eines Tornados zur Messung ihrer Stärke genutzt. Dabei hilft die Fujita-Skala, die die Luftwirbel nach ihrer Windgeschwindigkeit und der Schadenswirkung einteilt. Dabei werden sechs verschiedene Klassen unterschieden.

Tab. 1 - Fujita-Skala für Tornados

Tornados der Stufe F3 und stärker treten ausschließlich in Verbindung mit Superzellen auf. Die höchste Geschwindigkeit eines Tornados wurde am 3. Mai 1999 im US-Staat Oklahoma aufgezeichnet. Die Geschwindigkeit betrug ungefähr 480 Kilometer pro Stunde und wurde mithilfe eines Doppler-Radars aufgezeichnet.

Tornado Entstehungsgebiete — USA und Deutschland

Tornados können auf fast allen Kontinenten entstehen. Ebenso treten sie in vielen Regionen auf, die auf den mittleren Breitengraden liegen. Besonders häufig treten Tornados in den USA auf. Dort entstehen im Durchschnitt bis zu 1.100 Tornados pro Jahr. Zwar können Tornados das ganze Jahr über entstehen, aber von März bis Mai herrscht in den USA die sogenannte Tornado-Saison, da sich in dieser Zeit die meisten Tornados bilden. Das schließt vorwiegend die Regionen um den Mississippi herum ein.

In Europa bilden sich ungefähr 300 bis 500 Tornados im Jahr. Davon sind in Deutschland 30 bis 50 Ereignisse zu beobachten. Das letzte Tornado-Ereignis, das in Deutschland von größerer Bedeutung war, fand im September 2021 an der Kieler Förde statt. Dabei wurden Menschen ins Wasser geschleudert und Schäden an einigen Gebäuden angerichtet. Im Schnitt tritt in Deutschland ungefähr alle 20 bis 30 Jahre ein besonders schlimmer Tornado auf.

Die Häufigkeit der Entstehung von Tornados in den USA im Gegensatz mit Europa lässt sich durch die Lage der Gebirge erklären. Die benötigte feuchtwarme Luft wird in Europa durch die Alpen und andere Gebirge abgelenkt und verhindert damit ein Aufeinandertreffen mit der kalten Polarluft. In den USA liegen die Rocky-Mountains im Westen des Landes, mit einer Ausrichtung von Norden nach Süden. Deswegen kann die feuchtwarme Luft vom Golf von Mexiko ungehindert auf die kalttrockene Luft aus Alaska treffen. Das geschieht vor allem im Frühjahr.

Erforschung von Tornados

Die Erforschung von Tornados begann bereits im 19. Jahrhundert. Damals befasste sich der amerikanische Meteorologe James Pollard Espy mit Stürmen und Wasserhosen, also Tornados, die sich über dem Wasser bilden. Trotz dessen, dass Tornados besonders in den USA ein bekanntes Phänomen sind, ist die Forschung auf dem Gebiet noch sehr jung. Die erste erfolgreiche Vorhersage eines Tornados gab es erst 1948 und seit den 1950er-Jahren wird die Erfassung und Vorhersage von Tornados systematisch betrieben. In Europa war es der Forscher Alfred Wegener, der sich mit diesem Wetterphänomen beschäftigte und darin die Grundlagenarbeit für die Forschung tat. Ebenso unterstütze die Entwicklung von speziellen Wetterradaren die Forschung an den Wirbelstürmen.

Auswirkungen des Klimawandels auf Tornados

Mit der erst kurzen Forschungszeit an den Tornados und den wenigen Messmöglichkeiten ist es schwer eine Ab- oder Zunahme von Tornados zu bestimmen. Im Allgemeinen wird aber eine Zunahme von Tornados in Europa beobachtet. Das muss aber nicht mit dem Klimawandel im Zusammenhang stehen. Das Wachstum der Bevölkerung, neue Beobachtungstechniken und auch allgemeines Interesse.

In den USA hat die Schwere der Tornados in den vergangenen 50 Jahren abgenommen. Ein Grund dafür ist jedoch die veränderte Beurteilung der Schäden durch schwere Tornados in dieser Zeit. Es wurde bis jetzt auch keine Zunahme der Tornado-Tage verzeichnet, allerdings gibt es eine Häufung in der Anzahl an Tornados, die an einem Tag auftreten und auch an der Jahreszeit, in der sie gehäuft vorkommen. Dazu gibt es Simulationen von Klimamodellen, die auf eine Zunahme von Unwettern in den USA hindeuten. Damit einhergehend ist die Zunahme von Tornados. Grundlage für diese Modelle ist der Anstieg der Treibhausgase und ihre Auswirkung auf die Atmosphäre.