Tropische Wirbelstürme

Tropische Wirbelstürme gehören mit Hitzewellen, Dürren, Starkniederschlägen, und Außertropischen Stürmen zu den Wetterextremen, die möglicherweise durch den Klimawandel verstärkt oder häufiger auftreten werden. Von tropischen Wirbelstürmen geht mit die stärkste Zerstörungskraft für natürliche und soziale Systeme aus. Sie treten in den tropischen Regionen aller drei Ozeane auf. Im Atlantik heißen sie Hurrikane, im Pazifik Taifune, im nördlichen Indischen Ozean Zyklone. Der Einfachheit halber wird der Begriff „Hurrikan“ häufig auch universal gebraucht. Im Focus der Aufmerksamkeit stehen in der westlichen Welt die tropischen Wirbelstürme im Atlantik, wegen ihres Gefährdungspotentials in der westlichen Hemisphäre, aber auch weil sie am besten erforscht sind und über sie die längsten Datenreihen vorliegen.

Schäden durch tropische Wirbelstürme

1998 hat der Hurrikan Mitch in Honduras und Nicaragua 11 000 Todesopfer gefordert und einen Sachschaden von 5 Milliarden US–Dollar angerichtet. 2005 setzte der Hurrikan Katrina die amerikanische Stadt New Orleans zu 80 % unter Wasser und machte sie damit weitgehend unbewohnbar, tötete über 1000 Menschen und verursachte einen Sachschaden von mindestens 81 Milliarden US-Dollar, womit er zum teuersten Hurrikan der USA wurde. Insgesamt ging das Jahr 2005 in die Geschichte als das Jahr der mit Abstand stärksten Hurrikanaktivität im Nordatlantik ein, mit 14 Hurrikanen insgesamt, wovon sieben der Kategorie 3-5 und drei der Kategorie 5 angehörten, und mit zwei Hurrikanen der Kategorie 4 bereits im Juli zu Beginn der Hurrikan-Saison.^[1]

Die ökonomischen Schäden durch Hurrikane in den USA haben seit Beginn des 20. Jahrhunderts um ein Vielfaches zugenommen. In erster Linie ist das jedoch auf das Bevölkerungswachstum und die zunehmende Ansammlung von Werten in den betroffenen Küstenzonen zurückzuführen.^[2] Rechnet man die Schäden früherer Hurrikane auf die heute in der Region vorhandenen Werte und Bevölkerungszahlen hoch, lässt sich kein Trend ausmachen. Hurrikan Katrina stünde danach nach dem Great-Miami-Sturm von 1926, der unter den Bedingungen von 2005 einen Schaden von 157 Milliarden $ angerichtet hätte, nur an zweiter Stelle. Und auch das verlustreiche Jahrzehnt 1996-2005 läge nach 1926-1935 nur auf dem 2. Platz.

Vor allem das katastrophale Hurrikan-Jahr 2005 hat dennoch erneut die Frage nach einem eventuellen Zusammenhang zwischen der Zunahme von Hurrikanen und der globalen Erwärmung aufgeworfen. Die seitdem intensivierte Forschung ist vor allem zwei Fragen nachgegangen:

Lässt sich über die letzten Jahrzehnte und eventuell Jahrhunderte ein Trend in der Häufigkeit und/oder Stärke tropischer Wirbelstürme feststellen?
Gibt es einen Zusammenhang zwischen der globalen Erwärmung und Änderungen im Auftreten von tropischen Wirbelstürmen und wie ist ein solcher Zusammenhang für die Zukunft einzuschätzen?

Entstehung und Funktion

Dynamik und Aufbau

Die Struktur eines tropischen Wirbelsturms ist zylinderförmig. Im Zentrum herrscht in der unteren Atmosphäre ein sehr geringer Druck und die Luft strömt spiralförmig nach innen. Wenn sich die Corioliskraft und die Wirkung des Drucks die Waage halten, wie es ohne weitere Einflüsse der Fall ist, strömt Luft im Kreis um den tiefen Druck herum. Je tiefer der Druck, desto größer die Windstärke. Nahe am Boden (bzw. der Wasseroberfläche) wird die Luft aber durch Reibung gebremst. Da die ablenkende Kraft der Erdrotation von der Geschwindigkeit abhängt, die Druckkraft aber nicht, strömt die Luft daher am Boden nach innen.

Auf der Nordhalbkugel drehen sich tropische Wirbelstürme gegen den Uhrzeigersinn, auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. Dass sich tropische Wirbelstürme nur in eine Richtung drehen können (wie übrigens ein Tiefdruckgebiet der mittleren Breiten auch) hängt mit der Richtung der Corioliskraft zusammen, die auf der Nordhalbkugel ein Luftpaket nach rechts ablenkt, auf der Südhalbkugel nach links. Sie wirkt der Kraft entgegen, die durch den Druckunterschied erzeugt wird, so dass der tiefe Druck (also das Zentrum des Hurrikans) auf der linken Seite der zirkulierenden Luft liegen muss.

Bei einem tropischen Wirbelsturm gibt es ein Maximum des Windes etwa 10 - 100 km vom Zentrum entfernt. Dieses wird wegen der starken Bewölkung als „wall“ oder „eyewall“ bezeichnet. Dort steigt Luft sehr schnell auf, kühlt sich ab und verursacht so hohe Gewitterwolken. Im Inneren dagegen sitzt das Auge („eye“), das so genannt wird, weil es dort wenig oder keine Wolken gibt, was auf Satellitenbildern oft ein sehr markantes Merkmal ist. Das liegt daran, dass dort Luft absinkt (denn Absinken und Aufsteigen müssen sich über ein sehr großes Gebiet gemittelt natürlich ausgleichen). Absinkende Luft wird wegen des steigenden Drucks wärmer - das ist dasselbe wie bei einer Fahrradpumpe, die aufgrund des Stauchens der Luft darin warm wird. Dies führt dazu, dass sich die Wolken auflösen; das Auge eines tropischen Wirbelsturms ist also wolkenarm und um ca. 8 Grad wärmer als vor dem Auftreten des tropischen Wirbelsturms. Ein großer Teil der im Eyewall aufgestiegenen Luft strömt an der Tropopause in ca. 12 - 16 km Höhe aber nicht ins Auge, sondern in die Außenbereiche des tropischen Wirbelsturms, wo ebenfalls Absinken vorherrscht. Dieses Ausströmen ist im Gegensatz zum Einströmen am Boden nicht zylinderförmig (in jede Richtung gleich), sondern geschieht in 1 - 2 schnellen Luftströmungen, weil der Luftdruck in der Höhe nicht so stark beeinflusst ist wie am Boden. In den Außenbereichen bilden sich außerdem spiralförmige Regenbänder. Warum das so ist, ist aktueller Gegenstand der Forschung und hat vermutlich mit der Ausbreitung von Wellen in der Atmosphäre zu tun.

Mechanismus

Die Funktionsweise eines tropischen Wirbelsturms unterscheidet sich deutlich von den Tiefdruckgebieten mittlerer Breiten, die hier vor allem im Winter Niederschlag und Winde hervorrufen. Diese entstehen durch den Temperaturunterschied zwischen Norden und Süden und vermischen die nebeneinander liegenden Luftmassen miteinander. Ein tropischer Wirbelsturm wird dagegen von der Energie aus dem darunterliegenden Ozean angetrieben, die in die Atmosphäre gelangt, diese aufheizt und daher umschichtet, wie es auch bei einem sommerlichen Gewitter passiert. Die zur Verfügung gestellte Energie setzt sich zusammen aus „sensibler Wärme“, also warmer Luft mit hoher Temperatur, und „latenter Wärme“ in Form von Wasserdampf, der in der Atmosphäre zu Wasser kondensieren kann und damit Wärme freisetzt.

Tropische Wirbelstürme entstehen im gegenwärtigen Klima über tropischen Gewässern mit einer Meeresoberflächentemperatur von mindestens 26 °C als gewaltige Tiefdruckwirbel, die einen Durchmesser von 1000 km erreichen können. Der Ursprung der atlantischen Hurrikane liegt in der Passatzone über dem äquatorialen Afrika, wo sich im tropischen Klima Gewitterzellen bilden, nach Westen driften und als kleine Tiefdruckgebiete den Atlantik erreichen.

Über dem warmen Meer kommt es zum Aufsteigen wasserdampfgesättigter Luft, die in der Höhe kondensiert und große Gewitterwolken bildet, aus denen gewaltige Niederschläge fallen. Durch die Verdunstung von Meerwasser und die anschließende Kondensation in der Troposphäre wird latente Wärme transportiert, die die Temperatur der umgebenden Luft erhöht. Die erwärmte Luft wird leichter und steigt empor. Dabei dehnt sie sich aus und kühlt ab, was weitere Kondensation und die Freisetzung weiterer latenter Wärme zur Folge hat, wodurch das Aufsteigen weiter angetrieben wird. Es kommt zu einer positiven Feedback-Reaktion, indem die aufsteigende Luft den Luftdruck über dem Meer zunehmend herabsetzt, wodurch am Boden Luft aus der Umgebung angesaugt wird, Wasserdampf aufnimmt und aufsteigt, in der Höhe kondensiert und Energie abgibt, was für weiteren Auftrieb und noch geringeren Luftdruck am Boden sorgt usw.

Bewegt sich das Tiefdruckgebiet genügend nördlich des Äquators (mindestens 5-8°), lenkt die Corioliskraft die einströmende Luft nach rechts ab und zwingt sie auf einen sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden Wirbel. Aus einem tropischen Tiefdruckgebiet wird so ein tropischer Wirbelsturm und schließlich ein Hurrikan. Je geringer der Druck im Kernbereich ist, desto mehr Luft wird angesaugt und desto höhere Windgeschwindigkeiten entwickeln sich um den Kernbereich herum. Dass die Windgeschwindigkeit höher wird, wenn die Luft nach innen strömt, liegt an der Verteilung der Masse um die Drehachse und lässt sich am besten an einer Eiskunstläuferin veranschaulichen: Zieht sie die Arme an, dreht sie sich schneller; streckt sie die Arme aus, wird sie langsamer (siehe auch Corioliskraft - Physikalische Erklärung).

Durch die Verdunstung zu Wasserdampf, der in der Höhe zu Wolken und Niederschlag kondensiert, wird dem Hurrikan immer mehr Energie zugeführt, wodurch Windgeschwindigkeiten bis zu 300 km/h entstehen können. Die Verdunstung und der Aufstieg wasserdampfreicher Luft sind abhängig von der Meeresoberflächentemperatur, die z.B. im Golf von Mexiko 30 °C und mehr betragen kann. Beim Hurrikan "Katrina" wurden im August 2005 Windgeschwindigkeiten von über 300 km/h und bei "Wilma" im Oktober 2005, dem stärksten Hurrikan seit Beginn der Aufzeichnungen, Spitzenböen bis zu 340 km/h gemessen. Nur im Zentrum, dem sogenannten "Auge" des Wirbelsturms, das in der Regel einen Durchmesser von 15 bis 30 km besitzt, ist es windstill.

Wie viele Vorgänge in der Natur ist die Funktionsweise des Hurrikans mit einem Kreislauf verbunden, bei dem Energie zugeführt und umgewandelt wird: Die als Wärme und Wasserdampf verfügbare Energie wird in Bewegungsenergie überführt und macht sich in den starken Winden bemerkbar. Der Kreisprozess besteht dabei aus folgenden Schritten (unter Vernachlässigung des Auges):

Luft strömt herein in Richtung des tiefen Luftdrucks und dehnt sich daher aus. Sie wird aber nicht kälter, weil ihr aus dem Ozean Wärmeenergie (latent und sensibel) zugeführt wird.
Im Wall steigt sie auf, das Wasser darin kondensiert. Obwohl das Kondensieren Wärme freisetzt, wird die Luft kälter, denn in der Höhe ist der Luftdruck sehr gering.
In der Höhe strömt die Luft auseinander. Energie wird durch Abstrahlung an den Weltraum abgegeben.
Absinken in den Außenbereichen führt zu einer erneuten Erwärmung.

Allerdings haben die hohen Windgeschwindigkeiten auch einen schwächenden Einfluss (negative Rückkopplung): Sie bewirken ein Aufwühlen des Wassers, so dass tiefere und kältere Schichten des Ozeans an die Oberfläche gemischt werden. Dies kann eine Abkühlung um bis zu 5 Grad bewirken.

Dem Energieumsatz in tropischen Zyklonen kommt im Sommerhalbjahr eine wichtige Rolle bei der Abstrahlung von Energie über den aufgeheizten Ozeanflächen zu. Weil die tropische Atmosphäre einen sehr hohen Wasserdampfgehalt besitzt, kann die langwellige Ausstrahlung nicht genügend Energie von der Erdoberfläche in den Weltraum abführen. Diese Aufgabe übernehmen teilweise die tropischen Zyklonen. Sie transportieren durch Verdunstung und Kondensation Energie in die obere Troposphäre, von wo sie in den Weltraum abgestrahlt werden kann. Außerdem wird durch den starken Wind der Wirbelstürme die Meeresoberfläche aufgewühlt und kühleres Wasser aus der Tiefe nach oben befördert.^[3]

Entstehung und Auflösung

Zwar ist der Mechanismus, nach dem ein Hurrikan funktioniert, bekannt, die Art und Weise wie er entsteht, ist jedoch weitgehend unverstanden. Insbesondere die Entstehung des Auges erscheint zunächst nicht zwingend und ist nicht erschöpfend geklärt. Eine Vorhersage, wo und wann ein Hurrikan auftritt, ist damit ein sehr unsicheres Unterfangen. Etwas leichter und auch üblich ist es, die Zugbahn eines bereits entstandenen Hurrikans vorherzusagen.

Bisherige Studien haben einige wichtige Voraussetzungen identifiziert, die erfüllt sein müssen, damit ein Hurrikan überhaupt entstehen kann. Dass er es dann tatsächlich tut, ist jedoch nicht zwingend - man sagt, die Bedingungen sind „notwenig aber nicht hinreichend“.

Die wichtigsten davon sind folgende:

Die Meeresoberflächentemperatur muss mehr als 26 Grad betragen und es muss eine warme Wasserschicht ausreichender Tiefe geben.
Die relative Feuchte der Luft muss hoch sein. Andernfalls wäre die bei der Konvektion eingemischte Luft von außen zu trocken, es gäbe weniger Kondensationswärme und die Konvektion würde geschwächt.
Es darf nur eine schwache vertikale Windscherung geben. Damit ist gemeint, dass die Richtung und die Stärke von Winden in allen Höhen über dem Boden ähnlich sein muss.^[4] Der Grund ist, dass sonst Eigenschaften der Luft wie Temperatur oder Feuchte mit der Strömung weggetragen würden. Der Hurrikan würde sozusagen auseinander gerissen.
Die Luft muss eine hohe Wirbelstärke erhalten, d.h. sich in einer Art und Weise bewegen, dass sie in der Höhe leicht auseinanderströmen kann. Das damit ausgelöste Zusammenströmen am Boden führt zu verstärkter Drehung. Diese ist so gerichtet, wie es auch dem Drehsinn eines Hurrikans entspricht (im Norden gegen den Uhrzeigersinn, im Süden anders herum).

Beim Entstehen eines Hurrikans wird ein sich selbst verstärkender Mechanismus (positive Rückkopplung) ausgelöst: Im Wall kondensiert Wasser und heizt damit die Luft. So wird das Aufsteigen stärker. Im Auge dagegen herrscht Absinken, was eine Erwärmung der Luft zur Folge hat. Daher sinkt dort der Druck. Der verstärkte Druckunterschied zwischen innen und außen verursacht stärkere Winde, denn diese beschleunigen die Luft. Bei höheren Windgeschwindigkeiten ist aber auch die Wärmezufuhr aus dem Ozean stärker, denn die Wellen sind höher, es entsteht Gischt und die erwärmte und angefeuchtete Luft wird schneller durch neue ersetzt. Die Zirkulation wird durch die Energiezufuhr verstärkt, was den Druck im Zentrum weiter sinken lässt. Der Kreislauf ist damit geschlossen. Diese positive Rückkopplung sorgt dafür, dass sich ein Hurrikan sehr rasch entwickeln kann.

Die Auflösung des Hurrikans kann verschiedene Gründe haben:

Er gelangt zu weit in hohe Breiten, wo die Temperatur der Meeresoberfläche zu gering ist.
Es wird Luft eingemischt, die einen falschen Drehsinn hat.
Der Hurrikan trifft auf Land (engl. „landfall“).

Da von dem warmen Oberflächenwasser immer mehr Wasserdampf nachgeliefert wird und die Reibung über der Wasseroberfläche gering ist, entfaltet ein Hurrikan seine größte Energie über dem Meer. Trifft er auf Land, schwächt er sich zum einen wegen der höheren Reibung, zum anderen weil kein Wasserdampf mehr gebildet wird, schnell ab. Der Druck steigt dann sehr schnell und es kann zu extremen Niederschlägen kommen.

Treten in der Höhe stärkere Scherwinde auf, d.h. Winde, die anders als die Bodenwinde gerichtet sind, kann dieser Auftrieb und damit die Energie eines Hurrikans deutlich geschwächt werden. Unterdurchschnittlich niedrige Windscherungen, wie sie seit 1995 im Golf von Mexiko beobachtet wurden, begünstigen die Hurrikanbildung. Eine wichtige Rolle spielt auch die durch die Temperaturschichtung bedingte Stabilität der Atmosphäre. Je stärker das Temperaturgefälle mit der Höhe ist, desto stärker ist der Antrieb für den Aufstieg warmer Luft, was die Entwicklung von tropischen Zyklonen begünstigt.^[3]

Klassifizierung

Kategorie	Wind in km/h	Zentraldruck in hPa	Sturmflut in m
Tab. 1: Hurrikan-Kategorien nach der Saffir-Simpson-Skala
Tropischer Wirbelsturm	56-117
Hurrikan 1 (schwach)	118-153	über 980	1,0-1,7
Hurrikan 2 (mäßig)	154-177	965-979	1,8-2,6
Hurrikan 3 (stark)	178-209	945-964	2,7-3,8
Hurrikan 4 (sehr stark)	210-249	920-944	3,9-5,6
Hurrikan 5 (verwüstend)	über 249	unter 920	über 5,7

Je nach Windgeschwindigkeit werden Hurrikane in fünf Kategorien eingeteilt (s. Tab. 1). Die Benennung einer Störung als tropischer Wirbelsturm erfolgt ab einer Windgeschwindigkeit von 56 km/h. Ab 118 km/h spricht man von einem Hurrikan, ab 178 km/h liegt ein Hurrikan der Kategorie 3 vor, über 249 km/h ein Hurrikan der Kategorie 5.

Namensgebung

Wie auch bei Tiefdruckgebieten in den mittleren Breiten, werden Hurrikane mit Vornamen versehen. Dies vereinfacht die Kommunikation zwischen den Wetterdiensten und Behörden in verschiedenen Ländern aber auch in der Schifffahrt. Seit 1953 werden alle Hurrikane im Atlantik nach einer Liste benannt. Diese wird von einem internationalen Komitee der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) erstellt. Auf der Liste stehen für jede Hurrikansaison 21 alphabetisch angeordnete weibliche und männliche Vornamen. Vor 1979 waren es nur weibliche Namen. Die 21 Namen einer Saison wiederholen sich alle 6 Jahre. Ein Name kann allerdings auch von der Liste gestrichen und ersetzt werden. Dies geschieht bei zerstörerischen Hurrikanen, wie z.B. Katrina (2005) oder Fay (2008). Sollte es in einer Saison mehr als 21 Hurrikane geben, werden die folgenden nach griechischen Buchstaben benannt (Alpha, Beta, Gamma usw.). Für die anderen Hurrikangebiete (z.B. Indischer Ozean) gelten andere Regeln bei der Benennung.

Verbreitung

Jedes Jahr entstehen ca. 80 tropische Stürme, von denen sich ein Drittel bis die Hälfte zu Hurrikanen entwickeln. Die Anzahl ist jedoch von Jahr zu Jahr sehr verschieden. Die meisten Hurrikane (ca.87 %) entstehen zwischen 20°N und 20°S; zwei Drittel aller Hurrikane bilden sich auf der Nordhalbkugel. Die bevorzugten Gebiete sind der westliche Atlantik, der östliche Nordpazifik, der westliche Nordpazifik, der nördliche und der südliche Indische Ozean und der Südwest-Pazifik vor Australien.

Zugbahnen

Die Hurrikane des Nordatlantiks bewegen sich auf Zugbahnen vom mittleren Atlantik oder der östlichen Karibik nach Westen und Norden Richtung Mittelamerika bzw. den Süden der USA. Stürme der höheren Kategorien treten vor allem im nördlichen Westpazifik auf. Im Südatlantik und Südost-Pazifik gibt es so gut wie keine Hurrikane, da dort zu geringe Meeresoberflächentemperaturen herrschen. Außerdem treten keine Hurrikane in einem engen Bereich um den Äquator herum auf. Dies liegt daran, dass dort die Corioliskraft zu schwach ist (bzw. genau auf dem Äquator 0 ist), so dass die Luft nicht in Drehung versetzt werden kann.