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Informationen rund um das Thema Gewitter

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III. Entstehung und Gefahren von Gewittern
Beispiele von verschiedenen Gewitterzellen

Ein Gewitter ist eine mit luftelektrischen Entladungen (Blitz und Donner) verbundene komplexe meteorologische Erscheinung. Im Durchschnitt treten auf der Erde etwa 1600 Gewitter gleichzeitig auf, die auf über 0,3 Prozent der Erdoberfläche stattfinden.

Gewitter werden in der Regel von kräftigen wolkenbruchartigen Regen- oder Hagelschauern begleitet. Vor einer Gewitterfront wehen böige Winde mit bis zu Sturmstärke. Seltenere Begleiterscheinungen sind Tornados und Downbursts. Starke Gewitter können auch als ein Unwetter bezeichnet werden. Sommergewitter treten wesentlich häufiger auf als Wintergewitter, die auch mit kräftigen Schneeschauern verbunden sein können.

Durch aufsteigende feuchtwarme Luftmassen baut sich eine große Gewitterwolke (auch Cumulonimbus genannt) in der höheren kälteren Atmosphäre auf. Solche aufsteigenden Luftströmungen bilden sich, wenn in einem begrenzten Gebiet eine höhere Temperatur als in der näheren Umgebung erreicht wird (z. B. infolge der Sonneneinstrahlung oder unterschiedlicher Wärmeabgabe des Untergrundes, wie bei Wasserflächen, Feldern und Waldgebieten oder Wärmefreisetzung durch Kondensation).
1. Wie entsteht Gewitter
1.1 Bedingung
Starkes Gewitter mit Meso und Eisschirm am 24.05.2012
Gewitter können entstehen, wenn eine hinreichend große vertikale Temperaturabnahme in der Atmosphäre vorhanden ist, d. h. wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe so stark abnimmt, dass ein Luftpaket durch Kondensation instabil wird und aufsteigt (bedingt labile Schichtung). Dafür muss die Temperatur pro 100 Höhenmeter um mehr als 0,65 °C abnehmen. Ein aufsteigendes auskondensiertes Luftpaket kühlt sich beim Aufstieg um ca. 0,65 °C/100 m (feuchtadiabatischer Aufstieg) ab.

Durch die freiwerdende Kondensationswärme kühlt es dabei jedoch weniger schnell als die umgebende Luft ab. Dadurch wird es wärmer und damit aufgrund der Dichteabnahme leichter als die Umgebungsluft; ein Auftrieb wird erzeugt. Aus diesem Grund ist für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe notwendig, die über die latente Wärme den Energielieferanten für die Feuchtekonvektion darstellt und somit die Gewitterbildung überhaupt erst ermöglicht. Die latente Wärme ist die im Wasserdampf verborgene Energie, die bei der Kondensation in Form von Wärme freigesetzt wird. Der Konvektiv-Index als meteorologische Größe ist ein Indikator für die Gewitterneigung.

Sind die Grundbedingungen (geeignete Temperaturschichtung und Feuchte in Bodennähe) für ein Gewitter erfüllt, muss nicht zwangsläufig eines entstehen. Erst die Hebung der feucht-warmen Luftschicht am Boden löst ein Gewitter aus. Dafür sind Faktoren wie Wind- und Luftdruckverhältnisse, die Topographie, sowie die Luftschichtung relevant. Da einige dieser Faktoren durch Vorhersagemodelle schwierig vorauszuberechnen sind und von Ort zu Ort stark variieren, ist die Vorhersage von Gewittern außerordentlich schwierig.

Auch der Klimawandel scheint einen Einfluss auf die Entstehung von Gewittern zu haben. Wie Forscher der Universität Karlsruhe herausfanden, hat sich im langjährigen Durchschnitt zwar nicht die Häufigkeit, aber die Heftigkeit der Gewitter erhöht. Ablesbar ist das vor allem an der Zunahme der Hagelunwetter.

1.2 Entstehungsprozesse
Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst trockenadiabatisch (1,0 °C/100 m) ab, bis seine Temperatur die Taupunkttemperatur erreicht. Ab dieser Temperatur beginnt der im Luftpaket enthaltene Wasserdampf zu kondensieren und es bildet sich eine Quellwolke, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu einer Gewitterwolke, einem so genannten Cumulonimbus (kurz: Cb), anwachsen kann. Bei dem Kondensationsvorgang wird im Wasserdampf gespeicherte Energie (latente Wärme) in Form von Wärme freigesetzt, wodurch die Temperatur steigt. Dadurch sinkt die Dichte des Luftpakets relativ zur Umgebung und es erhält zusätzlichen Auftrieb. Liegt eine sog. bedingt labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket bis in eine Höhe auf, wo die Temperaturdifferenz pro Höheneinheit (Temperaturgradient) wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperatur- und Dichteunterschied im Vergleich zur Umgebungsluft wieder. Ist die Dichte des Luftpakets schließlich gleich der Dichte der Umgebungsluft, verschwindet die Auftriebskraft und die aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau (Equilibrium Level) genannt. Meistens befindet es sich in der Nähe der Tropopause. Diese liegt in Mitteleuropa zwischen 8 km Höhe im Winter und 12 km Höhe im Sommer. In den Tropen liegt die Tropopause auf ca. 16 km Höhe. Deswegen werden die Gewitter in den Tropen wesentlich höher als in unseren Breiten.

Die Bewegungsenergie, die ein Luftpaket bei seinem Aufstieg erhält, wird auch als Labilitätsenergie bezeichnet. Je größer die Labilitätsenergie, desto höher ist die maximale Aufwindgeschwindigkeit in der Gewitterwolke. Die Intensität von Gewittern hängt eng mit der vorhandenen Labilitätsenergie zusammen. Aufgrund ihrer Trägheit können die Luftpakete ähnlich einem Springbrunnen über das Gleichgewichtsniveau hinausschießen (konvektives Überschießen), und zwar umso höher, je größer die Labilitätsenergie und damit die Geschwindigkeit des Aufwindes ist. Solche overshooting tops können Höhen von über 20 km erreichen.
1.3 Niederschlagsbildung
Gewitter mit Starkregen am 20.06.2012
In der Gewitterwolke herrschen starke Aufwinde, die unter Umständen verhindern, dass kleinere Regentropfen aus der Wolke nach unten fallen.
Die Regentropfen und Eiskörnchen werden dann immer wieder nach oben getragen, wo sie gefrieren und sich neues Eis anlagert. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis die Eiskörner so schwer geworden sind, dass sie von den Aufwinden nicht mehr gehalten werden können. Dann fallen entweder sehr dicke, kalte Regentropfen, Graupel oder sogar Hagelkörner aus der Gewitterwolke auf die Erde. Je stärker die Aufwinde in der Gewitterwolke sind, desto größer können die Hagelkörner werden. Bei sehr großtropfigem konvektivem Niederschlag (Platzregen) handelt es sich in der warmen Jahreszeit oder in den Tropen meistens um aufgeschmolzene Hagelkörner.

1.4 Blitzbildung
Der Blitz entsteht aufgrund der hohen Vertikalwindgeschwindigkeiten, die nur innerhalb von Gewitterwolken auftreten können. Eine weitere Bedingung für die Entstehung von Blitzen sind Eiskristalle innerhalb der Gewitterwolke. Eiskristalle transportieren aufgrund ihrer Größe unterschiedliche Ladungen und führen an den Grenzflächen zwischen Auf- und Abwinden zur weiteren Ladungstrennung. Die Blitzentladung sorgt schließlich für einen Abbau der aufgebauten elektrischen Spannung.
2. Video: Bildung von Gewitterzellen im Zeitraffer

3. Allgemeines über die Gewitterzelle
Eine Gewitterzelle ist die kleinste abgeschlossene Einheit, aus der ein Gewitter aufgebaut sein kann. Sie durchläuft immer drei Stadien, ein Wachstumsstadium, ein Reifestadium und ein Zerfallsstadium. Eine Gewitterzelle ist aus einer Cumulonimbuswolke aufgebaut, in der Auf- und Abwinde auftreten. Häufig schließen sich mehrere Gewitterzellen zusammen und bilden größere zusammenhängende Einheiten von Gewittern.
4. Einzelzellengewitter
Bei der Einzelzelle handelt es sich um eine einzelne Gewitterzelle. Es ist die kleinstmögliche abgeschlossene Form, in der ein Gewitter auftreten kann. Ihre Lebensdauer beträgt zwischen 30 Minuten und einer Stunde. Sie entsteht bei schwacher Windscherung, das heißt, wenn der Wind mit der Höhe nur unwesentlich zunimmt. Meistens verursachen Einzelzellen relativ schwache Gewitter. (siehe auch V. - Multizelle »)
5. Lebenszyklus einer Gewitterzelle
Die Einzelzelle durchläuft drei Stadien:
Starkes Gewitter mit Meso und Eisschirm am 24.05.2012
5.1 Wachstumsstadium

In dieser Phase existiert nur ein Aufwind. Dieser wird durch die Freisetzung von Labilitätsenergie erzeugt. Zuerst bildet sich ein Cumulus congestus. Wenn die Wolke in den oberen Teilen vereist, entsteht ein Cumulonimbus, die eigentliche Gewitterwolke. Noch sind keine Abwinde vorhanden und es fällt kein Niederschlag aus der Wolke. Es können aber in seltenen Fällen schwache Tornados auftreten.

5.2 Reifestadium

In dieser Phase existieren sowohl Aufwinde als auch Abwinde. Der Abwind bildet sich durch fallenden Niederschlag, der kalte Luft aus höheren Schichten nach unten transportiert. Aufgrund schwacher Windscherung können sich Auf- und Abwind nicht voneinander trennen. Der Niederschlag fällt auch in den Aufwind zurück und schwächt diesen damit ab. Am Boden setzt Niederschlag in Form von Regen, Graupel oder kleinem Hagel ein. Anfangs können noch schwache Tornados auftreten. Meistens ist die Niederschlagsintensität zu Beginn der Reifephase am höchsten. Am Boden treten vereinzelt Böen auf. Fast alle Blitze treten während dieser Phase auf.

5.3 Zerfalls- oder Auflösungsstadium

In dieser Phase existiert nur noch ein Abwind. Die Zelle regnet aus. Die Cumulonimbuswolke löst sich auf. Der vereiste Wolkenschirm (Cirrus oder Cirrostratus cumulonimbogenitus) kann aber noch über längere Zeit bestehen bleiben.

6. Elektrische Phänomene
Die elektrostatische Aufladung der Atmosphäre in der Nähe von Gewittern kann zu zwei verschiedenen Phänomenen führen:

- Erdblitz,
- Elmsfeuer.

Das häufig beobachtete schnellere Verderben von Lebensmitteln bei Gewittern ist nicht auf elektrische Phänomene zurückzuführen. Vielmehr bieten Wärme und Feuchtigkeit vor und während eines Gewitters Mikroorganismen ideale Bedingungen sich zu vermehren und führen dadurch zum schnelleren Verderben der Lebensmittel.
7. Gefahren
Kräftige Erdblitze am 09.07.2011
In manchen Fällen bergen starke Gewitter Gefahren, wie z. B. Sturmschäden durch Fallböen (Downbursts) oder Tornados, Überschwemmungen durch starken Regen und Schäden durch Hagel. Selten kommt es zu Schäden durch Blitze, etwa zu Kurzschlüssen, Bränden oder gar Verletzungen. Seit der Erfindung des Blitzableiters sind viele Gebäude vor Blitzen geschützt. Jedoch kommt es immer noch zu Blitzeinschlägen in Bauernhöfe (vor allem auf dem Land), die dann Großbrände zur Folge haben. Der Aufenthalt in Wäldern während eines Gewitters ist mitunter lebensgefährlich. Schlägt der Blitz in einen Baum ein, kann dieser durch das in ihm enthaltene Wasser und die schlagartige Hitze des Blitzes explodieren, da das Wasser verdampft und den Baum sprengen kann.

Die Gefahr eines Blitzschlages besteht auch in einiger Entfernung zu der eigentlichen Gewitterzelle noch, mitunter wird von Blitzschlägen aus Nieselregen heraus ohne hör- und sichtbare Gewitter berichtet, Wolken-Boden-Blitze legen zum Teil sehr große Entfernungen von bis zu 20 Kilometern zurück. Deshalb sollte man sich bei gemeldeten Gewittern nicht in der Nähe von Metallgegenständen aufhalten, wozu im Gebirge auch die Drahtseilsicherung an Klettersteigen zählt.

7.1 Verhaltensregeln beim Aufenthalt im Freien während eines Gewitters

Um die Wahrscheinlichkeit, vom Blitz verletzt zu werden, zu minimieren, gilt es, folgendes zu beachten:

Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen suchen. Fahrzeuge mit geschlossener Metallkarosserie und viele Gebäude mit einem Blitzschutzsystem wirken wie ein Faradayscher Käfig und bieten so Sicherheit.

- Wenn kein Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen gefunden werden kann:

- Um nicht direkt vom Blitz getroffen zu werden:

- Aufenthalt auf offenem Gelände, Hügeln und Höhenzügen vermeiden.

- Aufenthalt in Gewässern und Schwimmbecken vermeiden.

- Füße zusammenstellen, in die Hocke gehen, Arme am Körper halten und den Kopf einziehen.

Um nicht von Sekundäreffekten betroffen zu sein:

- Die unmittelbare Nähe von Bäumen, Masten und Türmen meiden. Blitze schlagen besonders häufig in hohe Objekte ein, gerade wenn sie frei stehen. Wenn die Grundfläche des Objekts klein ist, ist die Potenzialdifferenz des Bodens in seiner unmittelbaren Nähe besonders groß und die mögliche Schrittspannung deshalb besonders hoch. Wenn die Leitfähigkeit des Objekts eingeschränkt ist, wie zum Beispiel bei Bäumen, besteht die Gefahr umhergeschleuderter abgesprengter Teile und des Austritts des Blitzes in Bodennähe.

- Höhleneingänge und enge Mulden (Ackerfurchen, Wasserrinnen oder Straßengräben) meiden. Besser auf ebenes Terrain stellen oder tiefer in die Höhle gehen (aber Vorsicht: Im Höhleninneren besteht die Gefahr von plötzlichem und starkem Wasseranstieg, aufgrund des starken Niederschlags). Der Blitz verteilt sich nach einem Einschlag zunächst nahe der Bodenoberfläche, der er an Höhleneingängen und engen Mulden unter Umständen nicht folgen kann. Dann springt ein Sekundärblitz über, von dem Schutzsuchende getroffen werden können.

- Nicht hinlegen, sondern den Kontaktbereich zum Boden minimieren. Mit zusammengestellten Füßen in der Hocke verharren und sich nicht mit den Händen abstützen. Gummisohlen und isolierende Materialien als Standfläche sind vorteilhaft. Gegen einen direkten Blitzschlag können sie aber auch dann nicht schützend wirken, wenn sie mehrere Zentimeter dick sind.

Die Sicherheit hängt vom vorausschauenden Verhalten ab: Ein Gewitter kommt niemals „aus heiterem Himmel“, wer regelmäßig einen Blick in den Himmel wirft, kann ein sich näherndes Gewitter schon früh an den dunkel und bedrohlich wirkenden Wolken erkennen. Nachdem das Gewitter bemerkt wurde, sollte abhängig von seiner Entfernung und Geschwindigkeit der sicherste erreichbare Zufluchtsort angestrebt werden. Anhand der Zeitdifferenz zwischen Blitz (Lichtgeschwindigkeit) und Donner (Schallgeschwindigkeit, ca. 340 m/s) lässt sich die Entfernung des Blitzes berechnen. Durch Wiederholung der Berechnung lässt sich die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Gewitters abschätzen: Jede Sekunde, die der Abstand zwischen Blitz und Donner kürzer wird, ist es 340 m näher gekommen. Unter 3 Sekunden zwischen Blitz und Donner, also unter ca. 1 km Entfernung, ist jederzeit die Möglichkeit eines Einschlags in der Nähe gegeben. Die Zeitspanne von 3 Sekunden kann annähernd abgeschätzt werden, indem man langsam „einundzwanzig, zweiundzwanzig“ zählt.

Lebensgefährlich und wahrscheinlich falsch überliefert, ist ein altes deutsches Sprichwort:

Vor den Eichen sollst du weichen.
Und die Weiden sollst du meiden.
Zu den Fichten flieh mitnichten,
Linden sollst du finden,
Doch die Buchen musst du suchen!

Früher wurden niedrige Gewächse (Büsche) im Deutschen als „Bucken“ bezeichnet.
Man soll sich also eher ins Gebüsch schlagen, als sich neben einen Baum zu stellen.
Ein Blitz, der in einen Baum einschlägt, kann auf neben dem Baum stehende Personen überspringen.

7.2 Verhalten in Gebäuden während eines Gewitters

Innerhalb eines Gebäudes können gewisse Gefahren durch von außen hereinkommende Leitungen bestehen (u. a. Strom- oder Wasserleitungen). Durch ordnungsgemäße Erdung in Form eines Hauptpotentialausgleiches lassen sich diese aber vermeiden. Lediglich in Gebäuden ohne diesen vorschriftsmäßigen Blitzschutz sollte bei Gewitter deshalb möglichst nicht geduscht, gebadet oder mit elektrischen Geräten hantiert werden, da dann durchaus Lebensgefahr bestehen kann. Eine weitere Gefahr können hier Telefone darstellen, besonders bei oberirdischer Zuführung der Telefonleitung ans Haus. Es sollte dann möglichst nicht mit schnurgebundenen Festnetztelefonen telefoniert werden. Schlägt der Blitz in die Leitung ein, stellt man mit dem Telefonhörer in der Hand eine gute Verbindung zur Erde dar. Schnurlostelefone stellen konstruktionsbedingt keine Gefahr dar. Allerdings sollte man in diesem Fall Telefongespräche nur mit Teilnehmern führen, von denen man weiß, dass sie ebenfalls schnurlose Telefone oder Handy benutzen oder sich außerhalb des Gewittergebiets befinden.

Zum Schutz der elektrischen Gerätschaften im Haushalt bieten sich Steckdosenleisten mit Überspannungsschutz an, hierdurch wird das jeweilige Gerät vor der durch einen Blitzeinschlag entstehenden Spannungsspitze geschützt. Allerdings muss beachtet werden, dass dieser Überspannungsschutz alleine nicht ausreichend ist. Für den sicheren Schutz vor Blitzschlag müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

- Das Haus muss über einen Blitzableiter verfügen.

- An der Hauseinspeisung muss eine Blitzspannungsableitung vorhanden sein.

- Im Verteilerkasten muss ebenfalls eine Überspannungsableitung installiert sein.

Generell gilt die Regel, dass man bei Gewitter Aufzüge nicht benutzt, weil diese wegen Stromausfalls steckenbleiben können, wenn es im Haus zu einem Kurzschluss kommt.

7.3 Betrieb von Fahrzeugen während eines Gewitters

Alle Fahrzeuge mit geschlossener Metallkarosserie (Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Schiffe) eignen sich besonders gut, um unversehrt den Einschlag eines Blitzes im Innenraum zu überstehen. Zu berücksichtigen ist aber auch hier, dass die Folgen des Blitzes das Fahrzeug zerstören können und dieses gegebenenfalls zu verlassen ist, um woanders Schutz zu suchen. Die Folgen können sein:

- Brand des Fahrzeugs (durch Kunststoffteile an der Außenseite wie z. B. Autoreifen, Kühlergrill, Stoßstangen)

- Deformation großer Flächen (Dach, Motorhaube)

- Defekt der Bordelektronik und aller im Auto befindlichen elektronischen Geräte (Luftionisation)

- Defekt von wichtigen Geräten zur Steuerung des Fahrzeuges (Bremsen, Lenkung)

Falls die Gefahr eines Blitzeinschlages steigt, sollte daher die Fahrgeschwindigkeit reduziert werden, um gegebenenfalls sofort anhalten zu können, da

- die Bordelektronik versagen und

- die Blendung eingeschränkte Fahrtüchtigkeit verursachen kann.

Da Gewitter oftmals auch von Hagel und schweren Wolkenbrüchen begleitet werden, empfiehlt sich eine reduzierte Fahrgeschwindigkeit ohnehin. In keinem Fall sollte man aber sein Fahrzeug auf Autobahnen einfach so anhalten, und wenn man es tun muss, dann nur in wirklichen Ausnahmefällen mit eingeschalteter Warnblinkanlage am Pannenstreifen. Offene Fenster von Fahrzeugen haben keine negativen Einwirkungen auf das Schutzvermögen des Fahrzeuges an sich. Jedoch kann bei offenen Fenstern Regen eindringen und das Fahrzeug innen befeuchten. Ebenso wie das Hinausgreifen und Berühren der Karosserie mit der Hand (durch Unachtsamkeit), kann das zu einer leitfähigen Verbindung zwischen Karosserie und Personen im Inneren führen. Dies sind, entgegen der landläufigen Meinung:
„... der Blitz dringt durch das offene Fenster in das Fahrzeug ein ...“, die wahren Gründe, warum man bei einem Gewitter Fenster und Türen eines Fahrzeuges geschlossen halten sollte.

Schiffe aus Metall (Ganzmetallkonstruktionen) bieten den besten Schutz, lediglich ein Aufenthalt an Deck während eines Gewitters sollte vermieden werden. Hier gilt wie bei Landfahrzeugen, Fenster und Türen geschlossen zu halten und den Kontakt mit metallischen Gegenständen zu meiden. Boote hingegen, die aus Kunststoff oder Holz gefertigt sind, bieten wenig bis gar keinen Schutz, es sei denn, es befindet sich ein eingearbeitetes und durchgehendes Drahtgitter in Kajüte und Rumpf, oder das Boot besitzt einen eigenen Blitzableiter. Bei einem normalen Gewitter ist die Chance, dass ein Segelboot von einem Blitz getroffen wird, etwa 1:1000. Für Segelboote, die über Stagen aus Metall an Oberwante, Vor- und Achtersteg verfügen, gibt es einen sehr preiswerten und schnell zu installierenden Blitzschutz, bestehend aus vier Kabeln mit Klemmen. Die Klemmen werden an den Stagen befestigt, und das Ende des Kabels wird über Bord zu Wasser gelassen. Dadurch wird die Ableitung des Blitzes über den Mast in das Wasser sowie ein gefahrloser Aufenthalt an Bord sichergestellt.

Flugzeuge und Hubschrauber (Metallkonstruktionen) bieten einen guten Schutz, wenn sie rundum abgeschlossen sind und geprüfte Blitzschutzeinrichtungen besitzen. Aufgrund des Einsatzes moderner Verbundwerkstoffe bei Luftfahrzeugen kommt es aber immer wieder zu Komplikationen, da diese nicht oder nur schwach leitend sind. Techniker sind deshalb stets bemüht, weitere Blitzschutzsysteme für Luftfahrzeuge zu entwickeln. Blitzeinschläge haben, bis auf wenige Ausnahmefälle in der Vergangenheit, keine nachhaltigen Auswirkungen auf die Betriebstauglichkeit heutiger Verkehrsluftfahrzeuge. Bei Klein- und Sportluftfahrzeugen hingegen sollte man generell Wolken mit Gefährdungspotential meiden. Diese Luftfahrzeuge besitzen einerseits nicht zwingend erforderlich einen Blitzschutz und andererseits sind sie auch nicht für den Flug in der Nähe von Gewittern und in den dort auftretenden starken Winden konstruiert. Mit Klein- und Sportluftfahrzeugen sollte man somit Gewitter stets umfliegen.
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