Thema des Tages
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Wissenschaft kompakt Noch ganz stabil? Atmosphärische Instabilitäten, Turbulenz und Klimawandel In der vergangenen Woche wurde aus gegebenem Anlass im Thema des Tages auf den Einfluss des menschengemachten Klimawandels auf Hitze, Dürre und Vegetationsbrände eingegangen. Der heutige Beitrag widmet sich einer etwas spezielleren Veränderung in der Atmosphäre infolge der gestörten Energiebilanz des Erdsystems. "Big whirls have little whirls, That feed on their velocity; And little whirls have lesser whirls, And so on to viscosity." So lautet das - zumindest in der Meteorologie - berühmte Zitat des britischen Meteorologen Lewis Fry Richardson. Richardson beschäftigte sich unter anderem ausgiebig mit dem Phänomen der Turbulenz, worauf sich auch das obige Zitat bezieht. Frei übersetzt beschreibt das Gedicht das Konzept turbulenten Zerfalls atmosphärischer Strömungen aufgrund von Instabilitäten. Dabei übertragen zunächst große Wirbel ihre Bewegungsenergie auf immer kleinere Wirbel. Dieser Prozess setzt sich über eine Vielzahl von Größenskalen fort und wird als Energiekaskade bezeichnet. Erst auf den kleinsten Skalen, auf denen die viskosen Kräfte dominieren, wird die ursprünglich geordnete Bewegungsenergie der Strömung durch molekulare Reibung schlussendlich in innere Energie, sprich Wärme umgewandelt. Für das Auftreten atmosphärischer Turbulenz gibt es eine Vielzahl bekannter und mathematisch beschriebener Instabilitäten. Das Konzept der Instabilität beschreibt dabei eine Zusammensetzung von Strömungsparametern, in denen eine kleine Störung in der Strömung - beispielsweise die Auslenkung einer Luftmasse in der Vertikalen oder in der Horizontalen - immer weiter anwächst, anstatt durch rückstellende Kräfte wieder in seine Ausgangslage zurückzukehren. Ein Beispiel für eine solche Instabilität, mit dem wir es dieser Tage häufig zu tun haben, ist die Grundlage für das Auftreten von Gewittern: die statische Instabilität. Im Kontext des oben genannten Konzepts lohnt sich erst eine Betrachtung des Gegenbeispiels, nämlich einer stabilen Ausgangslage. Eine Luftmasse in Bodennähe wird vertikal ausgelenkt, etwa durch das Überströmen eines Berges. Dabei kühlt sich die Luft entsprechend der Abnahme des Luftdrucks und der resultieren Expansion mit der Höhe mit etwa 1 °C pro 100 Meter Aufstieg ab. Kühlt sich die Luftmasse dabei mit der Höhe schneller ab als ihre Umgebungsluft, erfährt sie aufgrund ihrer höheren Dichte einen negativen Auftrieb. Die Schwerkraft wirkt dann als rückstellende Kraft, sodass die Luftmasse wieder in Richtung ihrer ursprünglichen Höhe absinkt - die Luft ist statisch stabil geschichtet. Bei Konvektion und Gewittern ist das Gegenteil der Fall, die ausgelenkte Luftmasse bleibt trotz Abkühlung mit 1 °C pro 100 Metern wärmer als ihre Umgebung. Sie erfährt einen Auftrieb aufgrund der geringeren Dichte und steigt immer weiter auf - die Luft ist statisch instabil geschichtet. Mit dem Erreichen von Wasserdampfsättigung infolge der Abkühlung und der anschließenden Kondensation von Wasserdampf in Wassertröpfchen - also der Wolkenbildung - wird latente Energie freigesetzt und das Aufrechterhalten der statischen Instabilität weiter begünstigt. Quasi als Äquivalent zur statischen Instabilität in der Vertikalen mit der Dichte als maßgebende Größe kann in der Horizontalen die sogenannte Trägheitsinstabilität gesehen werden, mit dem absoluten Drehimpuls als maßgebende Größe. Denn ebenso wie hierbei Luftmassen mit dem "richtigen" Impuls bei Auslenkung in der Horizontalen aus der zwischen Druckunterschieden und Corioliskraft balancierten großskaligen Strömung eine rückstellende Kraft erfahren, so gilt für Luftmassen mit dem "falschen" Impuls erneut das oben genannte Konzept der Instabilität. Interessanterweise existiert auch eine faszinierende Kombination aus statischer und Trägheitsinstabilität. Dabei weisen Luftmassen für sich genommen sowohl statische Stabilität in der Vertikalen als auch Trägheitsstabilität in der Horizontalen auf. Erfolgt eine Auslenkung jedoch entlang einer geneigten Bahn, kann die Störung dennoch anwachsen. Diese Form der Instabilität wird als symmetrische Instabilität bezeichnet und spielt insbesondere in Frontensystemen eine wichtige Rolle. Sie ist der physikalische Mechanismus hinter der sogenannten geneigten Konvektion (slantwise convection). Die genaue Ausprägung der Energiekaskade hin zu kleineren Skalen dieser Instabilitäten kann sehr unterschiedlich verlaufen, wir wollen hier nur - um allmählich zum Punkt zu kommen - ein gemeinsames Konzept erläutern: Die Kelvin-Helmholtz Instabilität (KHI). In gewisser Weise ist dies eine durch die genannten Instabilitäten oftmals ausgelöste weitere Instabilität auf kleineren Skalen. Abbildung 1 zeigt eine Aufnahme einer solchen KHI in der Atmosphäre des Saturn, aufgenommen vom Cassini Orbiter der NASA. Die Grundidee ist dabei folgende: Zwei Luftschichten mit 1) unterschiedlicher Dichte und 2) unterschiedlicher horizontaler Windgeschwindigkeit sind dabei derart geschichtet, dass statische Stabilität vorherrscht, und Auslenkungen durch die rückstellende Kraft wellenartig auf und ab schwingen. Die Windscherung zwischen den beiden Schichten führt jedoch zur Verstärkung von Wellen an ihrer Grenzfläche. Durch das Aufsteilen und Überschlagen dieser Wellen wird die Temperatur- und Dichteschichtung lokal so stark verformt, dass statisch instabile Bereiche entstehen. Diese führen schließlich zum turbulenten Zusammenbrechen der ursprünglich geordneten Wellenströmung. Und jetzt zurück zum Ausgangspunkt: Das Kriterium für das kritische Verhältnis zwischen statischer Stabilität und Windscherung für das Auftreten solcher Kelvin-Helmholtz Instabilitäten, welche letzten Endes in atmosphärischer Turbulenz münden, wird beschrieben durch die sogenannte Richardson-Zahl, benannt nach Lewis Fry Richardson. Zurück zu Ausgangspunkt Nummer 2: Was hat das Ganze mit dem Klimawandel zu tun? Nun, im anfangs erwähnten Thema des Tages vom 28.07.2026 wurde erläutert, dass ein mit der globalen Erwärmung abnehmender Temperaturunterschied zwischen hohen und niedrigen Breiten Auswirkungen auf das Wettergeschehen hat, da dieses in erster Linie auf Ausgleichsströmungen aufgrund der Temperaturunterschiede basiert. Ändern sich die Temperaturgradienten, ändert sich die großskalige Strömung. Die Jetstreams, auf deutsch auch Strahlströme, also jene Starkwindbänder, welche die großskalige Dynamik in unseren Breiten maßgeblich gestalten, liegen diesen Temperaturgegensätzen zugrunde. Nun muss man der Vollständigkeit halber, und um den letzten Bogen in dieser Ausführung zu ziehen, erwähnen, dass der Temperaturgradient nicht unmittelbar eine Windgeschwindigkeit vorgibt. Vielmehr ergibt sich aus den zugrundeliegenden Bewegungsgleichungen der Atmosphärendynamik ein Zusammenhang zwischen der horizontalen Temperaturänderung und der Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe: der Windscherung. Und hier schließt sich der Kreis. Wenn sich aufgrund der globalen Erwärmung der meridionale Temperaturgradient ändert, und dadurch auch die Windscherung, so ändert dies auch die Grundvoraussetzung für das Auftreten von Instabilitäten. Um zur allgemeinen Verwirrung und Komplexität beizutragen, verhält es sich nun so, dass im Gegensatz zu der unteren Troposphäre der Temperaturgradient in Höhen um 10 km mit der Anpassung der Atmosphäre an die globale Erwärmung nach aktuellem Wissensstand nicht abnimmt, sondern zunimmt. Höherer Temperaturgradient bedeutet höhere Windscherung, was bessere Voraussetzungen für das Auftreten von Scherungsinstabilitäten bedeutet. Dementsprechend zeigen wissenschaftliche Studien eine signifikante Steigerung der Auftrittswahrscheinlichkeit von Turbulenzen mit Fortschreiten des Klimawandels, insbesondere in den atlantischen und pazifischen Flugkorridoren der kommerziellen Luftfahrt. Nach Meinung des Autors des heutigen Thema des Tages sind ungemütlichere oder auch weniger sichere Transkontinentalflüge nicht unbedingt ganz oben einzuordnen in der Prioritätenliste von Auswirkungen des Klimawandels. Deutlich relevanter könnte die Auswirkung von häufiger auftretender Turbulenz auf die Tropopausenregion in eben diesen Höhenbereichen sein. Die Tropopause stellt nämlich konzeptionell eine Transportbarriere zwischen der Troposphäre als erdnächste Atmosphärenschicht und der darüber liegenden Stratosphäre dar. Turbulenz ist ein Prozess der durch das Mischen von Luftmassen und ihrer Eigenschaften diese Transportbarriere durchdringen kann. Ein klassisches Beispiel für die Auswirkung des Eintrags von an der Erdoberfläche emittierten Spurengasen in die Stratosphäre ist die Entstehung des Ozonlochs durch Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Ein weiteres sehr relevantes Thema und Gegenstand aktueller Forschung ist die nicht zu vernachlässigende Auswirkung der Mischung von Spurengasen an der Tropopause auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre - ein potenzieller Rückkopplungseffekt. Diplom Meteorologe Thorsten Kaluza Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 05.08.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Wetter aktuell Wetter, Waldbrand, Wasserdurst Der Sommerbetrieb läuft weiter auf Hochtouren. Auch wenn es in den nächsten Tagen mit den Temperaturen nach unten geht: Es bleibt weiter warm bis heiß und trocken. Mit den entsprechenden Folgen. Gute 36°C, im Laufe des Nachmittags wahrscheinlich 37°C bis knapp 38°C stehen auch heute schon wieder ganz oben auf der Temperaturhitliste. Mittlerweile zählt man schon gar nicht mehr mit, wie oft dieses Jahr schon die 35°C-Marke geknackt wurde. Die Statistik dürfte vermutlich jeden Rahmen dessen sprengen, was man bisher kannte. Aber dabei gibt es immerhin eine gute Nachricht: Spätestens ab Donnerstag geht es mit der Temperatur erst einmal nach unten. Dann legt sich eine Kaltfront aus Richtung Nordsee diagonal über Deutschland hinweg und trennt den Nordwesten vom Südosten. Dann werden auf der kühleren Seite noch 22 bis 27°C, auf der wärmeren Seite 28 bis 31°C erreicht, wobei das Allgäu und das Alpenvorland ebenfalls etwas weniger warm daherkommen. Spurlos geht dieser Temperatur- und Luftmassenwechsel nicht an uns vorüber. Heute Abend, wahrscheinlich die Nacht hindurch, und auch am morgigen Mittwoch in bereits abgeschwächter Form muss mit einigen Gewittern gerechnet werden. Hauptschwerpunkt heute Abend ist zunächst der Schwarzwald. Später entwickeln sich auch im Westen einige Gewitter. Diese ziehen allesamt nordostwärts und wachsen zu einem oder zwei größeren Clustern zusammen. Diese bleiben die Nacht hindurch aktiv und erreichen gegen Morgen den äußersten Nordosten, wo sie schließlich gen Ostsee und Polen von dannen ziehen. Hauptgefahr dabei: in erster Linie heftiger Starkregen, aber auch Hagel sowie Sturm- bis hin zu orkanartigen Böen. Am Mittwoch zieht sich die Hauptaktivität an Gewittern auf eine Linie südlich der Donau zurück. Allerdings kann sich im Tagesverlauf auch zwischen Rhein und Elbe nochmal ein kräftigeres Gewitter bilden, das dann bis zum Abend Richtung Polen zieht. Am Donnerstag gewittert es dann hauptsächlich nur noch aus den Alpen heraus, bevor sich dann endgültig Hochdruck über das Land legt und der restlichen Wetteraktivität den Stecker zieht. Damit kommen wir zu den ersten Folgeproblemen dieser Witterungsphase: Die anhaltende Trockenheit. Gewitter sind gut und schön, aber helfen aufgrund ihrer nur sehr begrenzten Ausdehnung nicht nachhaltig dabei, den Wasserhaushalt wieder gerade zu rücken. In vielen Landesteilen herrscht eine ausgewachsene Dürre. Im Deutschlandmittel sind bisher im Jahr etwa 360 mm Niederschlag gefallen. Das Soll für den Zeitraum 1991-2020 liegt bei knapp 450 mm zu diesem Zeitpunkt. Das heißt es fehlen statistisch gesehen bereits etwa ein bis zwei komplette Monatsniederschlagsmengen. Insbesondere der Juli war im Südwesten teilweise extrem trocken. An zwei Stationen ist nicht mal 1 mm Niederschlag gefallen während des gesamten Monats. Das hat wiederum Folgen für die Wälder. Die Waldbrandgefahr ist in größeren Teilen des Landes weiterhin enorm hoch und erreicht oftmals die zweithöchste Stufe im Waldbrandgefahrenindex. Nachdem es bislang schon einige größere Brände gab (z.B. Nationalpark Müritz), bleibt es glücklicherweise bei eher kleineren Flächenbränden. Aber auch diese halten die Feuerwehren bereits ordentlich auf Trab. Das Problem: Auch weiterhin ist keinerlei nennenswerter Niederschlag in Sicht. Entweder fällt nur sehr lokal ergiebiger Regen durch Gewitter, oder Tiefausläufer bringen in der Fläche nur wenige Millimeter, die ebenfalls nicht weiterhelfen. Eine Witterungsumstellung ist bis Ende der Mittelfrist weiterhin nicht in Sicht. M.Sc. Felix Dietzsch Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 04.08.2026 Copyright (c) Deutscher Wetterdienst