Was ist ein Tornado?
Ein Tornado ist eine heftig rotierende Luftsäule, die sich von einem Gewitter bis zum Boden erstreckt. Die Luftbewegung selbst ist unsichtbar. Sichtbar werden meist kondensierte Wassertröpfchen, Staub, Erde oder Trümmer in der Zirkulation.
Diese Unterscheidung ist wichtig. Der Kondensationstrichter muss den Boden nicht sichtbar erreichen. Hat die rotierende Luft bereits Kontakt zur Oberfläche, handelt es sich um einen Tornado, auch wenn der untere Teil des Trichters unsichtbar bleibt. Eine rotierende Trichterwolke ohne Bodenkontakt heißt Funnel Cloud.
Tornados können aus verschiedenen Arten konvektiver Stürme hervorgehen. Die stärksten entstehen meist in Superzellen mit einem langlebigen, rotierenden Aufwind. Dieser Artikel konzentriert sich auf diesen Prozess, weil er für viele besonders schadenträchtige Tornados verantwortlich ist. Er ist aber nicht der einzige Weg zur Tornadogenese.
Die Zutaten für ein rotierendes Gewitter
Eine tornadische Superzelle braucht ein günstiges Zusammenspiel aus Feuchtigkeit, Instabilität, Hebung und vertikaler Windscherung.
Warme, feuchte Luft in Bodennähe kann auftriebsstark werden, wenn darüber kältere Luft liegt. Wird sie durch eine Front, einen Trog oder eine andere Luftmassengrenze weit genug angehoben, steigt sie durch die Atmosphäre und kann ein hochreichendes Gewitter bilden. Die Energie, die einem aufsteigenden Luftpaket zur Verfügung steht, beschreiben Meteorologen unter anderem mit der konvektiv verfügbaren potenziellen Energie, kurz CAPE.
CAPE allein ist keine Tornadovorhersage. Große Instabilität kann kräftige Aufwinde ermöglichen, doch das Gewitter benötigt außerdem ein passendes Windprofil und die richtige Struktur. Eine warme Luftschicht oberhalb des Bodens kann Konvektion zeitweise unterdrücken. Eine solche Deckelung ist weder zwingend erforderlich, noch führt ihr Abbau automatisch zu heftigeren Gewittern.
Vertikale Windscherung bedeutet, dass sich Windgeschwindigkeit, Windrichtung oder beides mit der Höhe ändern. Dadurch entsteht horizontale Vorticity, also eine Tendenz der Luft, sich um eine waagerechte Achse zu drehen. Ein wachsender Aufwind kann einen Teil dieser Rotation in die Vertikale kippen und strecken. Bleibt der rotierende Aufwind bestehen und organisiert sich, wird das Gewitter zur Superzelle. Seine großräumige Rotation heißt Mesozyklone.
Der Vorgang ist dreidimensional und komplexer als das bloße Aufrichten einer rotierenden Luftröhre. Sturmbedingte Relativwinde, Auftrieb und Druckkräfte formen den Aufwind gemeinsam. Die Winde müssen dabei keinem universellen Richtungsmuster folgen, und Bodenreibung allein erzeugt nicht die horizontale Rotation des Sturms.
Warum eine Mesozyklone noch kein Tornado ist
Eine Mesozyklone ist deutlich breiter als ein Tornado und befindet sich größtenteils oberhalb des Bodens. Dopplerradar kann diese Rotation im Gewitter erkennen, doch die meisten Mesozyklonen erzeugen keinen Tornado. Der schwierige Schritt besteht darin, kräftige Rotation nahe der Oberfläche aufzubauen und unter dem Aufwind zu bündeln.
In Bodennähe erzeugt der Ausfluss eines Gewitters scharfe Temperatur- und Windunterschiede. An solchen Grenzen kann Vorticity entstehen und umverteilt werden. Luft in einem Abwind kann Rotation nach unten transportieren. Gleichzeitig können Konvergenz und Aufsteigen unter dem Aufwind diese Rotation kippen, strecken und verstärken. Das genaue Zusammenspiel unterscheidet sich von Sturm zu Sturm.
Deshalb beschreiben Meteorologen Tornadogenese als Wechselwirkung mehrerer Prozesse und nicht als feste Schrittfolge. Die grundlegenden Zutaten sind gut bekannt. Warum aber eine Superzelle einen Tornado hervorbringt und eine ähnlich aussehende Nachbarzelle nicht, ist weiterhin Gegenstand der Forschung.
Welche Rolle der rückseitige Abwind spielt
Der Rear-Flank Downdraft, kurz RFD, sinkt an der Rückseite des rotierenden Superzellenaufwinds ab. Auf dem Radar können Niederschläge, die sich um diese Zirkulation wickeln, das bekannte hakenförmige Echo bilden.
Der RFD ist an vielen Fällen superzellulärer Tornadogenese beteiligt. Er ist jedoch kein Kolben, der eine Mesozyklone zu einem Tornado zusammenpresst. Er kann dazu beitragen, Rotation zur Oberfläche zu bringen und die Konvergenz um die bodennahe Zirkulation zu organisieren. Entscheidend sind unter anderem seine Temperatur, Feuchtigkeit, Geschwindigkeit und Position.
Ein relativ warmer, auftriebsstarker RFD kann es der Luft ermöglichen, weiter in den Aufwind zu steigen. Kältere, dichtere Ausflussluft kann sich dagegen unter dem Gewitter ausbreiten und die Zirkulation von der warmen Zufuhr abschneiden. Dann kann der Abwind einen Tornado schwächen oder seine Entstehung verhindern. Die VORTEX-Forschung der NOAA untersucht solche feinen Unterschiede zwischen tornadischen und nicht tornadischen Superzellen.
Auch der vorderseitige Abwind und weitere Grenzen innerhalb des Gewitters können beteiligt sein. Wie Rotation im untersten Teil eines Sturms entsteht, transportiert und verstärkt wird, ist weiterhin ein aktives Forschungsgebiet.
Wie sich die Rotation verengt und beschleunigt
Wenn Luft zu einer rotierenden Zirkulation zusammenströmt und aufsteigt, kann die Säule schmaler und länger werden. Die Streckung eines Wirbels erhöht seine vertikale Vorticity, wodurch die Rotation stärker wird. Die Erhaltung des Drehimpulses erklärt mit, warum Luft schneller rotieren kann, wenn sie sich der Achse nähert. Ähnlich beschleunigt eine Eiskunstläuferin ihre Drehung, wenn sie die Arme anzieht.
Das bedeutet weder, dass ein Tornado seine gesamte mechanische Energie erhält, noch dass die Windgeschwindigkeit beim Schrumpfen des Radius exponentiell steigt. Ein Tornado ist eine offene, turbulente Strömung, die fortlaufend Wärme, Feuchtigkeit, Masse und Impuls mit dem umgebenden Gewitter austauscht. Druckgradienten, Reibung, Zufuhr, Vertikalbewegung und die Verteilung des Drehimpulses bestimmen gemeinsam das Windfeld.
Manche Tornados enthalten zudem kleinere Saugwirbel, die innerhalb der Hauptzirkulation umlaufen. Sie können schmale Streifen besonders schwerer Schäden erzeugen. Die Windgeschwindigkeit kann deshalb innerhalb der Zugbahn stark variieren.
Von der unsichtbaren Zirkulation zum Trichter
Zum Zentrum eines starken Wirbels hin fällt der Luftdruck. Strömt Luft nach innen und steigt auf, dehnt sie sich aus und kühlt ab. Erreicht sie den Taupunkt, kondensiert Wasserdampf zu Tröpfchen und macht einen Teil der Zirkulation als Trichter sichtbar.
Der sichtbare Trichter zeigt nicht zuverlässig, wo schädliche Winde auftreten. Trockene Luft kann große Teile des Tornados unsichtbar lassen, Regen kann ihn vollständig verdecken. Aufgewirbelter Staub oder rotierende Trümmer am Boden können einen Tornado verraten, bevor der Kondensationstrichter sichtbar den Boden erreicht.
Auch eine Wallcloud muss vorsichtig interpretiert werden. Sie ist eine lokale Absenkung unter der niederschlagsfreien Gewitterbasis und kann unter dem Aufwind einer Superzelle rotieren. Sie markiert einen Bereich, den Beobachter genau verfolgen, doch viele Wallclouds erzeugen keinen Tornado.
Wie Meteorologen Tornados erkennen
Vorhersagemeteorologen verbinden Informationen über die Gewitterumgebung mit Radartrends, Meldungen geschulter Beobachter und sichtbaren Hinweisen.
Dopplerradar misst Bewegungen auf den Radarstandort zu und von ihm weg. Dicht nebeneinanderliegende, entgegengesetzte Radialgeschwindigkeiten können eine eng begrenzte Rotation erkennen lassen. Ein Hakenecho zeigt Niederschlag, der sich um einen Aufwind wickelt, und weist auf eine günstige Gewitterstruktur hin. Weder ein Haken noch ein Rotationssignal beweist jedoch, dass am Boden ein Tornado aktiv ist.
Dualpolarisationsradar kann mitunter aufgewirbelte Trümmer erkennen. Deckt sich ein solches Trümmersignal mit starker Rotation, steigt die Sicherheit erheblich, dass ein schadenträchtiger Tornado besteht. Mehr über Möglichkeiten und Grenzen dieser Bilder erfährst du in Wie Wetterradar und Satellitenbilder funktionieren.
Warnungen und richtiges Verhalten
Die Warnbegriffe unterscheiden sich je nach Land. Halte dich deshalb an den zuständigen nationalen Wetterdienst. Eine Vorabinformation oder erhöhte Gefahrenstufe weist meist darauf hin, dass Tornados möglich sind. Eine akute Warnung bedeutet, dass ein Tornado beobachtet oder erkannt wurde oder unmittelbar entstehen könnte. Wetterwarnungen erklärt zeigt, wie sich ein Gefahrenpotenzial von einer unmittelbaren Warnlage unterscheidet.
Bei einer Tornadowarnung gehst du in einen Keller oder einen kleinen innenliegenden Raum im untersten Stockwerk eines stabilen Gebäudes. Halte Abstand zu Fenstern und schütze Kopf und Nacken. Suche keinen Schutz unter einer Straßenbrücke und warte nicht auf einen sichtbaren Trichter. Umherfliegende Trümmer verursachen viele Verletzungen.
Unwetter mit Airpult verfolgen
Auf Airpult Entdecken kannst du Regen, Bewölkung und Wind für deinen Standort verfolgen. Nutze bei möglichen schweren Gewittern zusätzlich immer die amtlichen Warnungen. Tornados sind kleinräumig und oft kurzlebig, sodass eine allgemeine Wettervorhersage ihren Ort nicht lange im Voraus bestimmen kann.
Mehr Hintergrund findest du in unseren Artikeln zur Entstehung von Gewittern und Blitzen, zur Vorhersage der Windgeschwindigkeit und zur Frage, wie Wettervorhersagen entstehen.
