Thema des Tages

Neues aus der Stratosphäre

Der Winter 2019/2020 verlief bisher deutlich zu warm. Was der Polarwirbel damit zu tun hat und warum wir wahrscheinlich nun ein seltenes Phänomen mit prächtigen irisierenden Wolken beobachten können, soll heute Thema sein.

Der Winter 2019/2020 war selbst in den Mittelgebirgen bisher nahezu ein Totalausfall. Wintersport geht in den Mittelgebirgen nur auf Kunstschnee und frühlingshafte Temperaturen sorgten dafür, dass schon seit Anfang Januar die ersten Pollen fliegen. Verantwortlich für die ungewöhnlich warmen Temperaturen ist die derzeitige Zirkulation. Seit Mitte Dezember hat sich eine sehr hartnäckige West- bis
Südwestwetterlage eingestellt. Dabei bilden sich immer wieder Tiefdruckgebiete bei Neufundland, die Richtung Europa ziehen. Über Süd- und Mitteleuropa liegt gleichzeitig ein Hochdruckgebiet, das die atlantischen Tiefdruckgebiete dann aber auf eine
Südwest-Nordostzugbahn über Großbritannien nach Nordskandinavien zwingt. Mitteleuropa verblieb dabei meistens in einer
Südwestströmung, in der es immer wieder zum Vorstoß von sehr milden subtropischen Luftmassen kommt. Dabei dominierte bei uns überwiegend Hochdruckeinfluss. Dies ist eine der denkbar wärmsten Wetterlage zu dieser Jahreszeit.
Wie kann so eine Wetterlage so lange stabil bleiben?
Hauptverantwortlich dafür ist der Polarwirbel. Der Polarwirbel ist ein mit Kaltluft angefülltes Höhentief, das sich aufgrund der Abkühlung im Winterhalbjahr in der Troposphäre und Stratosphäre nahe dem Nordpol ausbildet. Ist der stratosphärische Polarwirbel im Winter stark, so wirkt dies verstärkend auf den Jetstream, der sich dann bevorzugt in West-Ost-Richtung ausrichtet. Dies bedeutet, dass vorwiegend Westwetterlagen entstehen, bei der Tiefdruckgebiete in schneller Abfolge vom Atlantik über Nordeuropa ziehen. Die Kaltluft verbleibt dabei meist nördlich der Tiefdruckgebiete, Richtung Pol, was überwiegend milde Temperaturen bei uns zur Folge hat. Schwächt sich der Polarwirbel aber ab, oder teilt er sich sogar, dann fangen die Teilwirbel an zu taumeln und werden häufig in südlichere Breiten abgedrängt. Starke Kaltluftausbrüche bis weit nach Süden sind häufig die Folge. Diesen Winter ist der Polarwirbel allerdings ungewöhnlich stark. Hinzu kommt, dass er in der Troposphäre für Winterfreunde noch ungünstig über Nordostkanada und Grönland liegt. Er markiert dort die Region der kältesten Luft. Diese Kaltluft fließt von dort über den relativ warmen Nordatlantik. Dadurch bilden sich immer wieder Tiefdruckgebiete, sodass die Tiefdruckkette und die daraus für uns folgende Südwestströmung nicht abreißen kann. Dieses
Zirkulationsmuster ist äußerst stabil und war typisch für die meisten deutlich zu milden Winter, wie z. B. 2006/07, 2007/08 und 2013/14 in Deutschland.
Somit ist auch im Mittelfristbereich (in den nächsten 10 Tagen) kein nachhaltiger Winter in Sicht. Derzeit rechnen die Modelle aber eine starke Erwärmung in der Stratosphäre, die den Polarwirbel schwächen könnte. Ob sich diese Schwächung auch bis in die Troposphäre fortsetzt, was ab der 2. Februardekade unsere Chancen auf
Winterwetter verbessern würde, bleibt aber abzuwarten.
Aktuellen hat sich zumindest der stratosphärische Polarwirbel erst mal Richtung Nordeuropa verschoben (siehe Abbildung), wobei das nördliche Mitteleuropa mit stratosphärischen Temperaturen bis unter -80 °C gestreift wird. (Die nordhemisphärische Karte zeigt die Position des Polarwirbels und die Temperatur in etwa 20 km Höhe). Für unser Wettergeschehen hat dies zwar keine unmittelbaren Folgen, allerdings führt das zu einem weiteren interessanten Phänomen, farbenprächtige irisierende sogenannte Polarstratosphärische Wolken (PSCs).
Polare Stratosphärenwolken benötigen für ihre Entstehung eine Temperatur von mindestens -78 °C. Diese Temperaturen findet man in der winterlichen Stratosphäre innerhalb des Polarwirbels in einer Höhe von 15 bis 30 km wieder. Für die Entstehung von Wassereis mangelt es jedoch in diesen Höhen an Wassermolekülen. Dennoch gibt es dort eine Aerosolschicht (die sogenannte „Jungschicht“), die aus winzigen Schwefelsäuretröpfchen besteht. Die Hauptquelle für diese Schwefelsäuretröpfchen sind Vulkanausbrüche. Bei Temperaturen unter -78 °C lagert sich an diesen Tröpfchen die wenigen Wasser- und Salpetersäuremoleküle ab. Aus diesem Gemisch entstehen die polaren Stratosphärenwolken. Bei weiter sinkenden Temperaturen bilden sich aus den Tröpfchen Kristalle, an denen das einfallende Sonnenlicht gebrochen wird und somit die perlmuttartige Erscheinung der Wolken erzeugt.
Meist bilden sich diese Wolken in arktischen bzw. antarktischen Wintern nur in polaren Regionen jenseits des 80. Breitengrades, weil nur dort die dafür benötigten sehr niedrigen Temperaturen auftreten. Eher selten, wie zuletzt im Februar 2016 und im Januar 2010, lassen sich PSC’s auch in mittleren Breiten beobachten. Damals konnte man nach Sonnenuntergang ein intensives Purpurlicht (eine sehr starke rote bis purpurne Färbung des Abendhimmels) in der Dämmerung sehen. Diese Färbung entsteht durch die Mehrfachstreuung des Sonnenlichtes an den PSC’s in den Erdschatten.
Die Beobachtungschancen stehen in den nächsten Tagen durch das trübe Wetter leider schlecht. Sollten Sie allerdings Wolkenlücken finden, so lohnt sich ein Blick zum Himmel.

Dipl.-Met. Christian Herold
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 26.01.2020

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Thema des Tages

Nordaustralien unter Wasser?

In den nächsten Tagen verstärkt sich ein tropisches Tief über dem Norden Australiens und führt über Tage hinweg zu teils heftigen Regenfällen.

In letzter Zeit war Australien ja häufig wegen der heftigen Buschbrände im Südosten Australiens in den Schlagzeilen. Nachfolgend traten in diesen Gebieten örtlich kräftige Gewitter mit lokal großem Hagel auf. Momentan normalisiert sich das Wetter in diesen Regionen, was bedeutet, dass für die Jahreszeit üblich häufiger mal Regen fällt, der aber nicht unwetterartig ausfällt. Das hängt maßgeblich mit der Änderung der Phase des Indisch-Ozeanischen Dipols (IOD) zusammen, der derzeit wieder in die neutrale Phase zurückschwingt und dort auch in den nächsten Monaten verbleiben soll (siehe auch https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/1/13.html).

Derweil entwickelt sich über dem Norden Australiens ein Tropisches Tief, das sich in den nächsten Tagen noch verstärkt und dabei relativ stationär bleibt. Grund dafür ist das Zusammenspiel trocken-heißer Luftmassen aus dem Landesinneren mit feuchtwarmen Meeres-Luftmassen, die für verstärkte konvektive Niederschläge (also mitunter kräftige Gewitter mit wiederholtem Starkregen) sorgen werden. Aufgrund allgemein schwacher Luftdruckgegensätze in der Region wird sich daran in den nächsten Tagen nichts Wesentliches ändern.

Das bedeutet insbesondere für den Norden, Anfang der kommenden Woche auch verstärkt für den Nordosten Australiens immer wieder teils kräftige Gewitter, die von Starkniederschlägen und Sturmböen (vor allem in Küstennähe) begleitet sein können.

In der beiliegenden Grafik sind mal die 24-stündigen
Niederschlagsmengen von Samstag 0 Uhr UTC bis Sonntag, 0 Uhr UTC aufgeführt, entsprechend im Vergleich der beiden Globalmodelle ICON und ECMWF. Da sind Niederschlagssummen bis 200 l/qm, lokal auch noch darüber möglich, wobei bei heftigen (tropischen) Gewittern diese Niederschlagssummen auch in deutlich kürzerer Zeit auftreten können.

Der australische Wetterdienst sieht das allerdings recht entspannt in Bezug auf das Warnmanagement, sind einerseits solche Niederschläge doch nicht ungewöhnlich im tropisch geprägten Klima Nordaustraliens zu dieser Jahreszeit, andererseits sind auch die Auswirkungen eher lokal begrenzt. In der aktuellen Vorhersage ist lediglich das Potenzial für Gewitter in einem breiten Streifen im Norden und Osten, teils bis in die Mitte des Landes erhöht (siehe auch
http://www.bom.gov.au/australia/meteye/ ).

Für Mitteleuropa wäre das schon eine echte Herausforderung, sowohl für uns Meteorologen als auch für andere Bereiche wie
Wasserwirtschaft, Katastrophenschutz, Feuerwehr etc. etc.

Über neue Entwicklungen in diesem Gebiet halten wir Sie auf dem Laufenden.

Dr. rer. nat. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 24.01.2020

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Thema des Tages

Lawinenkunde Teil 3 – Schneebrettlawinen

Lawine ist nicht gleich Lawine. Die Schneebrettlawine ist die für Wintersportler gefährlichste Lawinenart. Welche Bedingungen die Schneebrettlawine braucht und bei welchen typischen Schneesituationen sie auftritt, klären wir im heutigen Thema des Tages.

Schneebrettlawinen sind die gefährlichsten Lawinen, da sie für über 90 % der Lawinenopfer verantwortlich sind. Die meisten davon haben ihre Lawine selbst ausgelöst. Die typische durch Wintersportler ausgelöste Schneebrettlawine ist 50 Meter breit und 150-200 Meter lang.

Der erste Faktor für die Lawinenbildung ist die Schichtung der Schneedecke (siehe Thema des Tages vom 21.01.2020:
https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/1/21.html). Die Schneedecke setzt sich aus verschiedenen Schneeschichten der einzelnen Niederschlagsereignisse zusammen. Zusätzlich wirken weitere Einflüsse wie Windverfrachtung oder Wärmestrahlung auf die
Zusammensetzung der Schneeschicht. Eine Schneebrettlawine braucht dabei eine Kombination aus einer durchgehenden Schwachschicht und einer darüber liegenden genügend stark gebundenen Schicht – dem Schneebrett. Die Schwachschicht zeichnet sich durch eine schwache Struktur aus und besteht unter anderem aus kantigen Becherkristallen aus der aufbauenden Schneeumwandlung. Aber auch eingeschneiter Oberflächenreif oder Graupel kann die Basis für Schwachschichten sein. Generell existieren in diesen Schichten nur wenige und schwache Verbindungen zwischen den Eiskristallen.

Das typische Schneebrett besteht aus dickeren Schichten mit kleinen Körnern, die gut miteinander verbunden sind. Typisch für die Bildung eines Schneebrettes ist Triebschnee (vom Wind verfrachteter Schnee), sodass der Satz: „Der Wind ist der Baumeister der Lawinen!“ seine Berechtigung hat. Ein Schneebrett muss aber trotz des Namens nicht hart sein – im Gegenteil, die meisten Schneebretter sind weich.

Die zweite Bedingung für den Abgang einer Schneebrettlawine ist ein auslösender Moment. Am Anfang steht dabei der Initialbruch, eine Schädigung in der Schwachschicht, zum Beispiel durch zunehmende Belastung während eines Schneefalls oder durch die Zusatzlast eines Wintersportlers. Je näher die Schwachschicht an der Schneeoberfläche liegt und je weicher die überlagernde Schicht ist, umso eher lässt sich ein Bruch initiieren. Stellen mit einer tief liegenden Schwachschicht sind also weniger kritisch als Zonen mit wenig Schnee. Erreicht der Initialbruch eine kritische Fläche, beginnt schlagartig die Bruchausbreitung innerhalb der Schwachschicht. Das Schneebrett muss schwer und verformbar sein, um möglichst viel Energie zu liefern. Je schwerer und verformbarer das Schneebrett und je schwächer die Schwachschicht ist, umso kleiner ist die „kritische Größe“, ab der sich der Initialbruch schlagartig ausbreitet. In der Schwachschicht breitet sich der Bruch über den ganzen Hang aus, bis ein Zugriss quer durch das Schneebrett entsteht. Der Bruch in der Schwachschicht kommt zum Stillstand und die abgelöste Schneetafel beginnt sich talwärts zu bewegen.

Dafür jedoch ist der nächste Faktor, eine ausreichende Hangneigung erforderlich. Meist braucht es für den Abgang der Lawine mindestens eine 30 Grad Neigung. Die Schneebrettlawine ist dabei durch einen linienförmigen, meist quer zum Hang verlaufenden Anriss
charakterisiert. „Wumm“- oder Zischgeräusche und Risse beim Betreten der Schneedecke sind Alarmzeichen, die unmissverständlich zeigen, dass die Schneedecke alle Eigenschaften hat, die es zur Auslösung einer Schneebrettlawine braucht.

Schneebrettlawinen können sowohl im trockenen als auch im nassen Schnee abgehen, sogar lange nach einem Schneefall (auch im Altschnee ein Problem). Bei nassen Schneebrettlawinen wird die Schneedecke durch die Schmelze feucht oder erhält durch Regen eine
Zusatzbelastung. Wasser, das in die Schneedecke hineinsickert, kann sich an markanten Schichtgrenzen stauen. Dort kann es zum Anreißen einer Schneetafel kommen. Der lokal hohe Wassergehalt kann aber auch an Schwachschichten zu einer weiteren Abnahme der Festigkeit führen und den Bruch wahrscheinlicher machen.

Aktuell schätzen die Warndienste die Lawinengefahr in den Hochlagen der Alpen als mäßig ein mit einer in den kommenden Tagen abnehmenden Tendenz. Schneebrettlawinen sind vor allem bei
Triebschneeansammlungen oberhalb der Waldgrenze im kammnahen Steilgelände oder in eingewehten Rinnen und Mulden möglich. Die Auslösung benötigt allerdings eine große Zusatzbelastung z. B. durch eine Skifahrergruppe ohne Abstände, vereinzelt auch durch einzelne Wintersportler.

M.Sc. Sebastian Altnau
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 22.01.2020

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Lawinenkunde Teil 2 - Schneemetamorphose

Haben sie schon mal von Becherkristallen, Schwimmschnee oder Firn 
gehört? Schneemetamorphose verändert Neuschnee innerhalb kürzester 
Zeit. Welche Prozesse stecken dahinter und welche Auswirkung hat das 
auf die Stabilität der Schneedecke?


Das Thema des Tages vom 14.01.2020 
(https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/1/14.html) 
beschäftigte sich mit allgemeinen Voraussetzungen für Lawinen und die
von ihnen ausgehenden Gefahren. Teil 2 der Lawinenkunde behandelt die
Schneemetamorphose. Es gibt drei Arten der Umwandlung: abbauende und 
aufbauende Metamorphose sowie Schmelzumwandlung.

Zunächst braucht es für die Schneeumwandlung eine geschlossene und 
möglichst ausreichend mächtige Schneedecke, die wir Wintersportler so
sehr lieben. Dabei beginnt alles mit dem Hereinbrechen der kalten 
Jahreszeit. Die Temperaturen sinken und in den Wolken wachsen 
Eiskristalle in den unterschiedlichsten Mustern, wie Prismen, Sterne,
Stäbchen, Plättchen oder Säulen immer aus einer sechseckigen 
Grundform heraus. Dabei sind die Eiskristalle von ihrer Entstehung in
der Atmosphäre bis hin zum Schmelzen ständigen Veränderungen 
unterworfen. Bei einer Temperatur von unter 0°C verhaken sich die 
Schneekristalle und bilden gemeinsam einzelne Schneeflocken. Ab 
diesem Zeitpunkt beginnt sich der Schnee zu verändern. Anfangs haben 
die Schneeflocken noch eine super Bindung untereinander. Ihre 
Struktur mit den vielen Armen lässt Platz für viel Luft in den 
Zwischenräumen und sorgt dafür, dass sich die einzelnen Schneeflocken
trotzdem gut ineinander verkeilen und sich gegenseitig 
zusammenhalten. Jetzt gibt es besten Pulverschnee auf der Skitour.

Doch lange bleibt dieser Zustand nicht erhalten und setzt unmittelbar
nach der Ablagerung ein. Die abbauende Schneemetamorphose beginnt. 
Viele der feinen Äste und Spitzen brechen ab, die Kristalle werden 
kleiner und bekommen gerundete Ecken (Filziger Schnee). 
Windeinwirkung kann diesen Vorgang zusätzlich unterstützen, sodass 
eine regelrechte Zertrümmerung stattfindet. Die Schneekristalle 
verkleinern ihre Oberfläche und Größe weiter, im Bestreben die 
Kugelform zu erreichen. Schließlich werden die vormals sehr 
unterschiedlichen Schneekristalle zu kleinen runden Körnern, sodass 
sich der Porenraum dazwischen verringert. Die Luft aus den 
Zwischenräumen verschwindet und die Schneedecke setzt sich. Die 
Verbindungen zwischen den Körnern sind relativ fest und es entsteht 
eine stabile, gesetzte Altschneedecke.

Die abbauende Metamorphose findet bei einem Temperaturgradienten von 
weniger als 15K/m aber bei Temperaturen unter 0°C innerhalb der 
Schneedecke statt. Bei -5°C dauert die abbauende Umwandlung zwischen 
einer und zwei Wochen. Bei höherer Temperatur oder größerem Druck 
wird die Umwandlung beschleunigt.

Die Veränderung der Schneedecke muss aber an diesem Punkt noch nicht 
abgeschlossen sein. Existieren innerhalb der Schneedecke größere 
Temperaturunterschiede - z. B. aus dem Grund, dass die 
Bodentemperatur konstant bei 0°C liegt, aber die Schneedecke wegen 
extrem kalter Außentemperaturen wesentlich niedriger ist, kommt es 
zur sogenannten aufbauenden Schneemetamorphose. Voraussetzung für das
Einsetzen der aufbauenden Umwandlung ist ein Temperaturgradient der 
größer als 15K/m ist. Insbesondere in Verbindung mit geringen 
Schneehöhen. Je dünner also die Schneehöhe (bevorzugt an 
Geländekanten oder an Felsen), desto geringer die erforderliche 
Kälte.

Durch den Temperaturgradienten beginnt der Wasserdampf im Porenraum 
von den wärmeren bodennahen Schichten zu den kälteren im Bereich der 
Schneedeckenoberfläche zu wandern. Trifft der Wasserdampf auf ein 
Eiskristall, lagert er sich an seiner Unterseite ab und der Kristall 
beginnt nach unten zu wachen. Es kommt zum Aufbau und zur 
Vergrößerung von prismatischen, quaderartigen, pyramiden- oder 
säulenförmigen Schneekörnern. Kantige Formen bilden bei 
fortschreitender Umwandlung Becherkristalle oder den sogenannten 
Schwimmschnee (auch als Tiefenreif bezeichnet). Bei der Entstehung 
größerer Körner haben diese weniger Kontaktpunkte zueinander und es 
entsteht ein größerer Porenraum. Dadurch tritt eine starke 
Entfestigung der Schneedecke ein und es entstehen Schwachschichten, 
die sozusagen im Verborgenen liegen und die Lawinengefahr erhöhen. 
Die aufbauende Umwandlung läuft im Vergleich zur abbauenden 
Umwandlung langsamer ab. Sie dauert zwei bis vier Wochen bis zum 
Aufbau von Becherkristallen.

Steigt die Temperatur in der Schneedecke hingegen auf über 0°C, dann 
setzt die Schmelzumwandlung ein. Wenn die Schneekristalle anfangen zu
schmelzen, setzt sich die Schneedecke und eine Verfestigung tritt 
ein. Ebenso wird die Umwandlung durch Feuchtigkeitszufuhr, wie Regen 
oder Nassschnee, gefördert. Gefriert der durchfeuchtete Schnee, 
entsteht ein Schmelz-Harschdeckel, der bei entsprechender Dicke 
stabilisierend auf die Schneedecke wirkt. Bei starker Durchfeuchtung 
der Schneedecke durch Regen oder Sonneneinstrahlung kommt es zu einem
Festigkeitsverlust, da das freiwerdende Wasser zwischen den 
Kristallen nach unten abläuft. Die Schneeoberfläche wird wellig und 
bucklig. Wenn das Wasser auf eine wasserundurchlässigere Schicht oder
bis zum Boden läuft, entsteht dort ein Schmelzwasserstau, der wie 
eine Schmierschicht wirkt. Diese Schicht ist eine ideale Gleitbahn 
für Nassschneelawinen.

Beim Einsickern von Schmelzwasser in kalte Zonen können auch in 
tieferen Schichten Eislamellen entstehen. Wenn der Vorgang des 
Schmelzens und Gefrierens länger als ein Jahr andauert, entsteht 
Firn. Dauert diese Änderung über mehrere Jahre an, geht der Firn bei 
entsprechenden Bedingungen in Gletschereis über.  


M. Sc. Sebastian Altnau
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 21.01.2020

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