mini|Gewitterwolke mit Blitzen über Pritzerbe 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.Der Brockhaus. Wetter und Klima. Seite 117, Brockhaus, Leipzig/Mannheim 2009, ISBN 978-3-7653-3381-1. Gewitter werden in der Regel von kräftigen, wolkenbruchartigen Regen- oder Hagelschauern begleitet. Vor einer Gewitterfront wehen oftmals böige Winde mit bis zu Sturmstärke. Seltenere Begleiterscheinungen sind Tornados und Downbursts. Starke Gewitter können auch als 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) bis in die höhere, kältere Troposphäre auf. Solche aufsteigenden Luftströmungen bilden sich, wenn in einem begrenzten Gebiet eine höhere Temperatur als in der näheren Umgebung erreicht wird. Voraussetzung dafür ist die Wärmefreisetzung durch Kondensation innerhalb der Gewitterwolke. Zusätzlich ist ein Auslösemechanismus erforderlich, der das Aufsteigen von Luftmassen und deren Kondensation in Gang setzt, z. B. Thermik infolge Sonneneinstrahlung oder zusammenströmende Windsysteme in Bodennähe.
Entstehung Für die Entstehung von Gewittern werden 3 Faktoren benötigt: Labile Schichtung der Troposphäre (ausreichende Temperaturabnahme mit der Höhe) Luftfeuchtigkeit in der bodennahen Luftschicht Auslösemechanismus, der zur Hebung von Luftpaketen und Kondensation führt
Entstehungsbedingungen mini|Entstehung eines Gewitters. Schematischer Schnitt durch eine Gewitterwolke. 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 K abnehmen. Ein aufsteigendes auskondensiertes Luftpaket kühlt sich beim Aufstieg um ca. 0,65 K/100 m (feuchtadiabatischer Aufstieg) ab. Durch die freiwerdende Kondensationsenthalpie 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 Kondensationsenthalpie (früher auch latente Wärme genannt) den Energielieferanten für die Feuchtekonvektion darstellt und somit die Gewitterbildung überhaupt erst ermöglicht. Die Kondensationsenthalpie ist die im Wasserdampf enthaltene Energie, die bei der Kondensation in Form von Wärme und Volumenarbeit freigesetzt wird. Der Konvektiv-Index, als meteorologische Größe, ist einer von vielen Indikatoren für die Gewitterneigung.
mini|hochkant=1.5|Gewitterhäufigkeit: Globale Blitzverteilung (Blitze pro Jahr je km²; Einschläge & Wolke-Wolke; ohne Nebenblitze) Auch wenn die Grundbedingungen (geeignete Temperaturschichtung und Feuchte in Bodennähe) für ein Gewitter erfüllt sind, 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.
Wie Forscher der Universität Karlsruhe herausfanden, hat sich im langjährigen Durchschnitt die Intensität der Gewitter, aber nicht deren Häufigkeit erhöht. Ablesbar sei das vor allem an der Zunahme der Hagelunwetter.
Vorwarnzeiten mini|hochkant|Heranziehende Shelf cloud einer Superzelle Gewitter bilden sich an den mitteleuropäischen Meeresküsten meist über einen längeren Zeitraum. Dem entspricht z. B. die Sprachregelung des britischen Seewetterdienstes für Sturmwarnungen: imminent (unmittelbar bevorstehend) bedeutet innerhalb der nächsten sechs Stunden, soon (bald) bedeutet innerhalb von zwölf Stunden und later (später) in der danach folgenden Zeit.Marine forecasts glossary des UK Met Office Der deutsche Seewetterbericht gibt Sturmwarnungen für die nächsten zwölf Stunden heraus.Seewetterbericht für Nord- und Ostsee. Deutscher Wetterdienst
Ein sich tatsächlich näherndes oder aufbauendes Gewitter lässt sich an der Küste und im Inland meist schon früh an den dunkel und bedrohlich wirkenden Wolken erkennen. Im Gegensatz dazu kann in den Alpen und im Alpenvorland ein Gewitter innerhalb von 10 bis 15 Minuten buchstäblich „aus heiterem Himmel“ entstehen, das sich allenfalls in Änderungen des Luftdrucks, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit ankündigt, die ohne Messgeräte meist nur von Einheimischen erfühlt werden können.
Entstehungsprozess einer Gewitterzelle Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst trockenadiabatisch (1,0 K/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 sogenannten Cumulonimbus (kurz: Cb), anwachsen kann. Bei dem Kondensationsvorgang wird im Wasserdampf gespeicherte Energie (Kondensationsenthalpie) 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 sogenannte 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 und an dieser Luftmassengrenze kann sich die Wolke horizontal ausbreiten. Dadurch entsteht ihre charakteristische diapirartige Ambossform, weshalb sie auch Ambosswolke genannt wird. Meistens befindet sich dieses Gleichgewichtsniveau 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.
Niederschlagsbildung mini|Donner und Regen (Audioaufzeichnung) 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.
Blitzbildung
mini|Blitz
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.
Trockengewitter Wenn bei einem Gewitter der Niederschlag am Erdboden ausbleibt, spricht man von einem Trockengewitter. Dazu kommt es, wenn der Niederschlag zwischen Wolkenuntergrenze und Boden über eine ausreichend lange Strecke durch eine sehr trockene Luftschicht fällt, in der er vollständig verdunstet.Ildiko Holderer, Wie Gewitter ohne Regen entstehen, WDR, 19. Juni 2017. Das erhöht die Brandgefahr durch Blitzschlag, da die brandhemmende Wirkung des Regens ausbleibt.Deutscher Wetterdienst Wetterlexikon: Blitz, abgerufen am 7. Juli 2017. Großbrände der portugiesischen Bergwälder im Sommer 2017 wurden mit Trockengewittern in Zusammenhang gebracht.Trockengewitter könnte verheerenden Brand ausgelöst haben, Die Welt, 19. Juni 2017 In Mitteleuropa sind Trockengewitter selten.Deutscher Wetterdienst Wetterlexikon: Gewitter, abgerufen am 7. Juli 2017.
Eruptionsgewitter Als Eruptionsgewitter werden atmosphärische Entladungen bezeichnet, deren Ursachen auf den Ausbruch eines Vulkans zurückzuführen sind. Durch Reibung von Tephra-Partikeln (staubfeine Ascheteilchen) in einer Eruptionssäule bei Vulkanausbrüchen kommt es zu einer statischen Aufladung. Abgebaut wird diese Ladung durch einen Blitz.
Arten von Gewitterzellen 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.
Einzelzellengewitter mini|Entstehung einer Einzelzelle 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.
Lebenszyklus einer Gewitterzelle mini|Aufzug eines Einzelzellengewitters mit später sichtbar konvektivem Niederschlag, Zeitraffer
Die Einzelzelle durchläuft drei Stadien:
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.