Tropische Wirbelstürme

Aufbau eines Wirbelsturms

Das Auge (engl. "eye")

Das Auge eines Hurrikans ist vielleicht das bekannteste und faszinierendste Merkmal eines Hurrikans und steht oft als Sinnbild für die Zerstörungskraft einer tropischen Zyklone. Das Auge selbst stellt für den Menschen an Land keine direkte Gefahr dar, denn hier herrschen überwiegend leichte, kaum wahrnehmbare Winde. Selten tritt eine starke Böe aus der Augenwand (engl. eyewall) aus. In besonderen Fällen kann man im Auge sogar die Sonne bzw. den Himmel bei Tag und die Sterne bei Nacht erkennen. Dieser freundliche Wettereindruck wird sich wenig später zwangsweise mit Passage der eyewall ändern. Der Durchmesser des Auges variiert von 8 bis 200km, durchschnittlich werden etwa 30 bis 60km Durchmesser vermessen. Um die Entstehung des Auge und damit eines Hurrikans zu verstehen, betrachten wir zuerst die Zirkulation an den Spiralbändern. In den Spiralbändern werden feucht-warme Luftmassen an einer Bodenkonvergenz nach oben gebracht und kondensieren aus. In der Höhe strömt diese Luft zu den Seiten aus und erwärmt sich in Folge leichten Absinkens am Outflow. Die ausströmenden Luftmassen nehmen um das Zentrum den engsten Raum ein, entsprechend stellt sich hier der größte Temperaturgradient ein. Nun verstärkt sich zunehmend die Primärzirkulation des Hurrikans, genauer genommen sinkt die Luft, die mit dem Aufwind der Konvektion nach oben gebracht wurde, im Auge nach unten. Unter Absinken verdichtet sich die Luftsäule, an der Luft wird Kompression ausgeübt. Sobald eine Luftsäule komprimiert wird, setzt Erwärmung ein und die Luftfeuchte nimmt ab. Die Luft im Auge ist somit wärmer und trockener als ihre umgebenden Luftmassen, wobei der Temperaturgradient zur eyewall mit der Höhe variiert. In der obersten Schicht der Troposphäre existiert typischerweise eine Antizyklone, hier existiert der größte Temperaturgradient mit bis zu 10K Temperaturunterschied zur Umgebung. Je niedriger die Höhe, desto mehr nimmt der Temperaturunterschied zwischen eye und eyewall ab, letztendlich bis auf etwa 0-2K über der Oberfläche. Entsprechend verwischt die Charakteristik von trocken-warmer Luft, so dass über den bodennahen Schichten (etwa 1-3km) sogar feuchte Eigenschaften wieder dominieren. Im Auge selbst dominiert also der Effekt des Absinkens, wobei die Zentrifugalkraft die absinkenden Luftmassen aus dem Zentrum drückt.

Bildquelle: NOAA | Auge, Augenwand und Sprialbänder von Hurrikan Mitch (1998).

Bildquelle: NOAA | Im Auge von Hurrikan Katrina (2005).

Die "Eyewall"

Die eyewall oder wall befindet sich um das Auge eines Hurrikans und bildet typischerweise einen Gürtel aus kräftigen Gewitterzellen. Der Energiefluss zum Gewittergürtel wird durch die inneren Spiralbänder bereitgestellt, dabei fließen die Luftmassen zyklonal abgelenkt in Richtung Zentrum. Je näher sich die Luftmassen im Inflow dem Zentrum nähern und somit den Abstand zur Rotationsachse verringern, desto mehr werden die Luftpakete beschleunigt (Drehimpulserhaltung, vgl. Pirouetteneffekt ). Ab einem bestimmten Abstand zum Zentrum erreichen die Kräfte an den Luftpaketen ein Gleichgewicht, d.h. der Betrag der Corioliskraft und Zentrifugalkraft (wirken vom Zentrum weg) ist gleich dem Betrag der Druckgradientkraft (wirkt zum Zentrum). Sobald sich ein Kräftegleichgewicht eingestellt hat, bildet sich ein Ring aus Gewitterzellen genau um diesen Abstand des Gleichgewichts. Der Energiezustrom ist an der eyewall konzentriert und steigt unter kräftigen Aufwinden in die Höhe, die Luftmassen kondensieren und setzen Wärme frei. Da die Energie des Hurrikans in der eyewall konzentriert ist, treten hier typischerweise die stärksten Gewitter mit den höchsten Windgeschwindigkeiten und kräftigsten Regenfällen auf. Eine eyewall muss nicht zwangsläufig eine runde Form annehmen, in manchen Fällen wurden auch vieleckige (polygonal) Formen beobachtet. Vieleckige Formen sind oftmals ein Hinweis auf mesovortices, die sich entweder stationär an der eyewall aufhalten, um das Zentrum rotieren oder gar die eyewall durchbrechen und das Zentrum überqueren. Unter den mesovortices können sich die Windgeschwindigkeiten im Vergleich zur eyewall um bis zu 10% intensivieren.

Bildquelle: hurricanescience.org | Windgeschwindigkeiten von Hurrikan Gilbert (1988) auf einer Höhe von 700hPa. Ein Flugzeug flog insgesamt 5x von Süd nach Nord durch den Hurrikan, während ein eyewall replacemet cycle stattfand.

In manchen Fällen bilden sich sogar mehrere eyewalls um das Zentrum des Hurrikans, dieser Vorgang wird „eyewall replacement cycle“ oder „concentric eyewall cycle“ genannt. Es existieren mehrere Hypothesen, warum sich eine zweite eyewall oder gar dritte eyewall um die eigentliche innere eyewall (inner eyewall) entwickelt. Eine Theorie besagt, dass sich Wellen radial vom inneren Wirbel nach außen abspalten und den Drehimpuls an der Stelle der neuen eyewall verstärken. Bei einer anderen Hypothese findet die Betrachtung von CAPE eine große Rolle. Prinzipiell existiert um das Zentrum an der eyewall die stärkste Vorticity mit einer Abnahme zu den Randbereichen. Existiert ein Feld verstärkter potenzieller konvektiver Energie (CAPE) um ein Bereich, dann agieren die verstärkten Aufwinde (Energiezufuhr durch CAPE) als Quelle von Vorticity und formen einen low-level-jet (LLJ) um die innere eyewall. Hat sich erst einmal ein LLJ gebildet, kann ein „positives Feedback“ initialisiert werden, d.h. der verstärkte Energiefluss zwischen Ozean und Atmosphäre verstärkt die Bodenzirkulation und diese verstärkt wiederum in Folge erhöhter Evaporation an der Meeresoberfläche den Energiefluss zwischen Ozean und Atmosphäre. Das verstärkte Konvektionspotenzial um die Bereiche der sekundären eyewall oder „outer eyewall“ existiert möglicherweise ganz natürlich, da Effekte wie „upwelling oder „vertical mixing“ an der Meeresoberfläche das Konvektionspotenzial am Zentrum mindern (in den äußeren Bereichen treten diese Effekte nicht so stark auf). Existiert erst einmal eine „outer eyewall“ um die „inner eyewall“, so wird der Energiefluss zur primären eyewall durch die „outer eyewall“ unterbrochen (Feuchtezufluss und Drehmoment bei verminderten Massenzufluss werden reduziert). In diesem Stadium schwächt sich der Hurrikan meist ab und verliert an Intensität, während sich das Windfeld der Zyklone gleichzeitig ausdehnt und die Größe des Hurrikans maximiert wird. Sobald die „outer eyewall“ stark genug ausgeprägt ist und genug Masse abtransportiert, induziert deren Outflow ein Absinken der Luftmassen über der inneren eyewall. Die Konvektion an der inneren eyewall wird erheblich gestört, wodurch diese etwas später zusammen bricht und großflächig Absinken und Erwärmung, sowie Abtrocknung im Zentrum dominiert. Nach diesem Prozess kann sich der Hurrikan meist wieder schnell intensivieren, mehr Masse kann über die Primärzirkulation im Auge abtransportiert werden.

Ein eyewall replacement cycle wird meist erst ab Hurrikans der Kategorie 3 beobachtet, etwa 50% aller tropischen Zyklonen mit Maximalwinden von 204 km/h vollziehen diesen Prozess. Dreifache (triple) eyewalls wurden bisher mit Hurrikan Juliette (2001) und Typhoon June (1975) dokumentiert.

Bildquelle: NASA | Hot Tower bei Hurrkan Rita (2005)

Hot tower sind besonders hochreichende Gewittertürme innerhalb einer tropischen Zyklone, die mit ihren Wolkenobergrenzen teilweise die Stratosphäre erreichen und dabei die Tropopause durchstoßen. Solche Zellen sind für die markantesten Windgeschwindigkeiten -oft auch Mircobursts und Regenfälle am System verantwortlich und werden selbst von den "Hurricane Hunter" (fliegen mit Flugzeugen durch Hurrikans um Messdaten zu erhalten) vermieden. Am Satellitenbild sind diese Zellen leicht durch besonders hohe Wolkenobergrenzen/"Gewittertürme" (overshootings tops) zu idenifizieren. Aktuell geht man davon aus, dass sie durch die enorme horizontale Windscherung zwischen eye (fast windstill) und eyewall (höchsten Windgeschwindigkeiten) induziert werden. Dabei drängen Turbulenzen bzw. Wirbel am Phasenübergang zwischen Auge und Wand den eintreffenden Inflow (LLI) in die Höhe und stützen einen besonders stabilen, hochreichenden Aufwind durch einen teils rotierenden (verwirbelnden) Aufwind (ähnlich zu Superzellen). Hot tower sind auch indirekt für den verstärkten Energietransport zwischen Meeresoberfläche und dem Hurrikan verantwortlich, so verstärken sie den Aufwind an der eyewall signifikant und können damit die Energiezufuhr des Hurrikans erhöhen. Forschungen haben dabei herausgefunden, dass die Entwicklungen von hot tower nahezu proportional mit der Verstärkung von tropischen Zyklonen (z.B. Hurrikans) zusammen hängt.