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

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Offenbach, den 05.08.2026

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