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Dust Devils –
Kleintromben
Marco
Kaschuba
Staubteufel
- Klimatologie
2004/2005
Einführung
Ein im Sommer oft zu beobachtendes Wetterphänomen ist der so genannte
Staubteufel, im englischen Dust Devil genannt. Die kleinräumigen und meist
schwachen Wirbelwinde entstehen bevorzugt über trockenen Feldern während
der Mittagshitze bei wolkenlosem Himmel. Sie werden sichtbar wenn sie
stark genug sind, Blätter, Sand oder Staub aufzuwirbeln.
Staubteufel, sie gehören zu den Kleintromben, können nahezu überall auf
der Erde entstehen. Zu den Kleintromben gehören auch noch weitere
Kleinwirbel, die meist in Zusammenhang mit dem aufgewirbelten Material
oder nach der Eigenschaft ihrer Umgebung, bezeichnet werden.
Schönwettertrombe, Nebelteufel, Staubteufel, Sandtrombe, Staubwirbel,
Feldhose, Landhose, Feuerteufel oder Gustnado. Umgangssprachlich werden
sie auch fälschlicherweise als Windhose bezeichnet. Die Windhose als
deutschsprachiges Synonym für Tornado, zählt jedoch zu den Großtromben.
Während die meisten dieser Kleintromben relativ schwach, harmlos und sehr
kurzlebig sind, gibt es hin und wieder auch Kleintromben, die tatsächlich
orkanartige Winde mit sich bringen. Somit beinhalten große Kleintromben
auch immer eine gewisse Gefahr, Schaden anzurichten.
Die Idealbedingungen für die Entstehung dieser Wirbelwinde, wie oben
beschrieben, finden wir hauptsächlich in den Steppenregionen oder in den
Halbwüsten und Wüsten wieder. Dort treten durchschnittlich die meisten
dieser Sandteufel auf. Wichtig ist ein hoher Sonnenstand über einer
idealerweise trockenen und dunklen Erdoberfläche, die bei Windstille stark
genug erhitzt werden kann. Somit bieten sich besonders trockene Felder,
große Baustellenflächen, Äcker oder frisch gemähte Wiesen an. Hier findet
sich zudem genug leichtes Material, wie etwa Staub, Sand oder Heu, das die
Kleintrombe aufwirbeln kann, um überhaupt sichtbar zu werden.
Kleine Staubteufel wirbeln nur ein paar Sekunden bis einige Minuten lang,
während große und starke Sandtromben bis über eine Stunde lang aktiv sein
können. Dabei ragen sie in eine Höhe von etwa 2 bis 20 Meter, extrem große
Exemplare erreichen Höhen von mehreren hundert Meter bis zu einem
Kilometer.
Die Form und die Breite der Staubteufel variieren stark. Manche sind nur
wenige Zentimeter bis zu einem Meter breit, andere erreichen Dimensionen
von 20 Meter bis über 100 Meter Breite. Somit sind auch die
Wirbelgeschwindigkeiten sehr unterschiedlich. Meistens reichen sie von
10-40 Stundenkilometer, gefährlich starke Dust Devils können aber 100-150
km/h erreichen, wobei sogar 200 km/h theoretisch denkbar sind.
Auch die Zugbahn und die Zuggeschwindigkeit können sich innerhalb eines
Augenblicks verändern. Einige wirbeln fast stationär, während andere
70-100 Stundenkilometer schnell ziehen.
Entstehung
Wir teilen die Kleintromben in mindestens zwei Kategorien ein, die sich
nach dem physikalischen Entstehungsprozess richten.
Zum einen gibt es den thermischen Prozess, zum anderen den dynamischen
Prozess. Ein thermischer Entstehungsprozess kann jedoch in Zusammenhang
eines dynamischen Prozesses stehen, der als Auslösemechanismus in Bezug
auf Windscherung und Hebung agiert.
Zu den rein dynamischen Kleintromben gehören alle Verwirbelungen die
aufgrund einer chaotischen Potentialströmung oder eines turbulenten
Windfeldes entstehen. Dies können kleinräumige Wirbelwinde bei
Schneegestöber, entlang von Gebäuden und Wälder, entlang einer Autobahn
oder auch größere Erscheinungen wie etwa ein Gustnado sein.
Auf Grund des Turbulenzfeldes, das ständig neue kleine und große, schwache
und starke Wirbel erzeugt, sind die dynamischen Wirbelwinde meist nur von
kurzer Dauer. Es gibt, ausgenommen eine Potentialströmung die von einem
Fremdkörper dazu gezwungen wird einen Wirbel zu bilden, keine Hauptgrößen
die es der Rotationsbeibehaltung einer solchen Wirbelströmung erlauben
würde, fortzuführen, da diese von zu vielen Faktoren wie Reibung oder
Gegenströmung, beeinflusst würde.
Der thermische Prozess einer Kleintrombe hingegen wird durch mindestens
zwei Hauptfaktoren bestimmt. Zum einen die Thermik, zum anderen eine
dadurch entstehende Druckdifferenz. Mathematisch oder theoretisch gesehen
gibt es somit keine Grenzen der Stärke einer Kleintrombe die durch einen
thermischen Prozess entstanden ist und aufrechterhalten wird. In unserer
Atmosphäre gibt es aber klare Grenzen, weshalb ein maximal zu erreichender
Wert vorhanden ist.
Der thermische Prozess ist also in vieler Hinsicht interessanter als ein
rein dynamischer Entstehungsprozess, weshalb ich gezielt diese Thematik
folgend hervorheben werde, und mich auf Staubteufel der
Kleintrombenfamilie konzentriere.
Die Entstehung eines Dust Devils beruht auf einer Trockenkonvektion. Um
diese überhaupt möglich zu machen, muss die entsprechende Luftmasse labil
geschichtet sein. Es benötigt also eine vertikale Temperaturdifferenz
innerhalb dieser Luftmasse, die größer ist als es die trockenadiabatische
Temperaturdifferenz ist.
Für Staubteufel kleinerer Art genügt eine Analyse der bodennahen
Grundschicht bis in etwa 100-200 Meter Höhe. Bei großen Dust Devils kann
die unterste Luftschicht der Atmosphäre bis in etwa 1000-1500 Meter Höhe,
also bis etwa zur 900-850 hPa Druckhöhe, vorgenommen werden.
Eine bevorzugte Bedingung in den Wüsten ist das nächtliche, teils
deutliche Absinken der Temperatur. Am Vormittag liegt somit bodennah eine
noch relativ kühle Luftmasse, die nach und nach zum Nachmittag hin erwärmt
wird. Der hohe Sonnenstand jedoch heizt die Erdoberfläche rasch auf, so
dass die Lufttemperatur am Boden schneller und höher ansteigen kann als in
der Luftschicht darüber.
So lange kein stärkerer Wind weht, der die beiden Luftmassen durchmischen
würde, entsteht eine immer labiler werdende Luftschicht.
Bei Windstille kann sich diese Labilisierung weiter fortsetzen und es baut
sich eine Art Grenzschicht auf, die wie ein Deckel zwischen der heißen
Luft am Boden und der etwas kühleren Luft darüber wirkt. Diesen Deckel
gibt es zwar nicht wirklich (messbar), aber man kann sich das so in etwa
vorstellen. Diese Grenzschicht kann man also nicht direkt mit einer
Inversion vergleichen, die es ja tatsächlich auch gibt.
Trotz allem braucht es nun einen Auslöser, um ein plötzliches Aufsteigen
der heißen Luft zu ermöglichen. Diese Aufwärtsbewegung muss relativ stark
sein, um später daraus einen Dust Devil zu bilden. Ist die
Aufwärtsbewegung zu schwach, weil sie etwa zu früh aufgestiegen ist oder
weil die Fläche zu groß war, endet diese eventuell als normale
Blauthermik, die in höheren Luftschichten gerne von Segelflieger genutzt
wird. In diesem Fall wäre die Folge eine gewisse, zumindest vorübergehende
Stabilisierung der bodennahen Luftmasse.
Ein Auslösemechanismus kann eine rein thermische oder eine dynamische
Hebung sein, wie etwa ein Windstoss oder eine schwache Windströmung auf
Grund horizontaler Temperaturdifferenz.
Eine rein thermische Hebung kommt zustande, wenn die bodennahe Luftmasse
überhitzt und somit eine Thermikblase freigesetzt wird. Dynamische Hebung,
ausgelöst durch eine Windböe, setzt die bodennahe Luftmasse in Bewegung,
so dass diese die Grenzschicht wie oben beschrieben, überwinden kann und
somit eine Thermikblase freigesetzt wird.
Eine Thermikblase wird solange aufsteigen, bis die die Eigentemperatur
kleiner – gleich der Umgebungstemperatur ist. Beachte, da es eine
Trockenkonvektion ist, spielt Kondensationswärme keine Rolle. Unterhalb
der aufsteigenden Warmluftblase entsteht ein gewisser Unterdruck, es
entsteht eine Art kleines Tiefdruckgebiet. Um den so entstandenen
Druckunterschied auszugleichen, strömt (heiße) Luft aus der Umgebung in
den Bereich niedrigeren Luftdrucks nach. Umso stärker der plötzliche
Aufwind, umso stärker beschleunigt auch der zuströmende Wind.
Da die Luft nicht nur aus einer Richtung nachströmt, sondern im Idealfall
aus allen Richtungen zur selben Zeit, bilden sie am Druckzentrum eine
tangentiale Strömungskomponente. Es entsteht somit eine Windscherung die
um das Druckzentrum einen Drehimpuls auslöst. Die einströmende Luft wird
diesbezüglich um das Druckzentrum rotierend nach oben beschleunigt. Ein
Wirbelwind entsteht.
Nach demselben Prinzip funktioniert die Entstehung bei einem dynamischen
Trigger. Eine Windböe, je nach Lage kann dies auch ein sehr leichter
Windstoss sein, etwa ausgelöst durch ein fahrendes Auto, durchmischt die
ruhend labile Luftschicht dementsprechend. Folgend kann die Grenzschicht
von der heißen Luftmasse in diesem Bereich sofort überwunden werden und
steigt als Warmluftblase empor. Erneut entstehen dieselben Bedingungen wie
oben beschrieben, und es kann sich eventuell ein Wirbelwind bilden. Diese
Vorgehensweise ist wohl der häufigere Grund für die Entstehung eines Dust
Devils. Windbewegungen die solch einen Auslöser darstellen, bilden sich
oft durch so genannte Hotspots. Hotspots sind lokale Bereiche auf der
Erdoberfläche, die sich, etwa durch einen dunkleren Farbton wie eine
geteerte Strasse, dunkler Sand, kahle Grasflächen etc., schneller und
intensiver erhitzen können als die Oberfläche in der Umgebung. Durch den
dadurch entstehenden horizontalen Temperaturunterschied, bilden sich
kleinräumige Windsysteme. Aufgrund der lokalen Überhitzung können sich
über solchen Hotspots besonders gut Thermikblasen bilden.
Wie oben beschrieben, kann der Drehimpuls durch ein konvergentes
Zusammenströmen (tangentiale Strömungskomponente) entstehen. Ein anderer
Weg ist eine lokale Windscherung, die durch großflächige Windböen oder
durch bodennahe Windsysteme, ausgehend von den Hotspots, zustande kommt.
Dabei weht der horizontale Wind in einigen Meter bis einige hundert Meter
Höhe über dem Erdboden stärker als am Boden. Es entsteht eine
signifikante, vertikale Geschwindigkeitsscherung. Folgend daraus bildet
sich eine horizontal rotierende Walze. Trifft diese auf ein überhitztes
Warmluftpaket, und wird gleichzeitig dadurch ein Hebungsprozess in Gange
gesetzt, kann die horizontale Walze in die Vertikale gestreckt werden. Es
entsteht ein Unterdruck der wiederum dazu führt das heiße Umgebungsluft
zuströmen wird. Der Drehimpuls ist durch die Vorticity der rotierenden
Walze schon gegeben, somit entsteht folgend nach gleichem Prinzip wie oben
beschrieben, ein Wirbelwind.
Nachhaltig wirkt der Effekt der Drehimpulserhaltung. Gegeben ist die
Rotationsgeschwindigkeit und die Rotationsfläche, gemessen am Radius.
Durch das Strecken der rotierenden Luftsäule, das z.B. durch den
aufsteigenden Wind in Zusammenhang steht, verringert sich die
Rotationsfläche, bzw. der Radius. Durch die Drehimpulserhaltung erhöhen
sich nun folgend die Rotationsgeschwindigkeit und somit auch die
Geschwindigkeit der einströmenden Luft.
Ist die Windgeschwindigkeit nun so hoch, das sie in der Lage ist Staub,
Sand oder anderes Material aufzuwirbeln, wird der Wirbelwind sichtbar und
ein typischer Dust Devil entsteht.
Je größer die Fläche der zuvor entstandenen Rotationsfläche, und umso
größer die Fläche der einströmenden Luft (Horizontalwerte)), umso stärker
kann sich die Kleintrombe ausbilden. Wichtig scheint zudem auch die Stärke
der hochreichenden Labilisierung (Vertikalwerte). Dies ergibt: Je stärker
der Aufwind, desto größer ist das Potatial für starke Dust Devils – je
stärker und großflächiger die Windscherung, desto größer ist die
Ausbreitung eines Dust Devils.
Die allgemeine Windscherung bestimmt auch die Zugrichtung und
Geschwindigkeit, die der Saubteufel erreichen wird.
Eine großflächige, labile Fläche, erlaubt bei einer großräumigen
dynamischen Auslöse auch mehrere Dust Devils entlang der Böenlinie.
Sobald die nachströmende Luft „abgeschnitten“ wird, oder ein
Druckausgleich stattfindet indem der Dust Devil in eine stabilere
Luftmasse gezogen ist (oder durch den Luftaustausch eine Stabilisierung
stattgefunden hat), schwächt sich die Kleintrombe ab oder verschwindet
ganz.
Schäden
Je nach Stärke und Umgebung, können Dust Devils tatsächlich Schaden
verursachen. Orkanartige Winde können dementsprechend T0 bis T2 Schäden
hervorrufen.
Am 14. September 2000 in Coconino County Fairground bei Flagstaff in
Arizona USA, zerstörte ein Dust Devil mit etwa 120 km/h
Windgeschwindigkeit ein Vorzelt. Teilweise wurden Dächer abgedeckt und
Aluminiumstangen verbogen.
In Utah 1988 wurde ein Wohnmobil durch einen Dustdevil umgeworfen. Auch
aus Arizona sind einige Fälle bekannt, bei denen heftige Staubteufel
Wohnmobile umgeworfen oder fahrende Autos von der Fahrbahn gedrückt haben.
Im Juni 2004
wirbelte ein heftiger Dust Devil in der Reutlinger Innenstadt
(Baden-Württemberg) Kochtöpfe Meter hoch, und schleuderte diese an
parkende Autos.
Auch Kleintiere, wie etwa Wüstenhasen, wurden schon viele Meter hoch in
die Luft geschleudert.
Anhand der theoretischen Windgeschwindigkeiten wären Schäden im Bereich
T3/T4 denkbar.
Forschung
Das ausführlichste Forschungsprojekt über Dust Devils wurde in der
Sonora-Wüste in Arizona, USA durchgeführt. Das Projekt „MATADOR“ (Martian
Atmosphere and Dust in the Optical and Radio)
wurde
vom LPL (Lunar and Planetary Laboratory, Department of Atmospheric
Sciences) der Universität von Arizona in Tucson zusammen mit der NASA ins
Leben gerufen. Beginn der Messreihe war im Juni 2001 (2000-2003).
Hintergrund des Projekt war das Erforschen der erdischen Dust Devils, um
wichtige Informationen zu sammeln für den Bau technischer Geräte für
geplante Mars-Missionen.
Auch auf dem Mars gibt es Dust Devils. Dort erreich sie viel größere
Dimensionen als hier auf der Erde. Sie können Höhen von bis zu 10 km
erreichen und sind bis zu 100 mal größer als unsere Staubteufel auf der
Erde. Der Entstehungsprozess scheint der sebe zu sein.
Ein wichtiger Punkt ist das elektrische Feld das ein Dust Devil erzeugt.
Tatsächlich wurden bei Matador Messungen durchgeführt, die auf elektrische
Felder in einem Staubteufel hindeuten. Diese entstehen durch Reibung der
Staubpartikel. Kleine Staubpartikel laden sich negativ auf, größere
positiv. Der Wind eines Dustdevils wirbelt kleinere Partikel höher in die
uft als größere Partikel. Die dadurch enstehende Gegenpolung erzeugt ein
elektrisches Feld (elektrische Änderung des Erdmagnetfeldes um bis zu 3000
V/m). Neue Messungen ergaben sogar Werte von bis zu 10.000 V/m. Auch
hochfrequente Geräusche werden von Dust Devils erzeugt.
Ein weiterer Punkt des Projekts (2002) war das Testen des Laser-Radars
LIDAR (Light Detection and Ranging) in
marsähnlicher Umgebung. LIDAR ist in der Lage, die Luftdichte (nach Wasser
und Staubgehalt) zu messen, und in einer 3-D Auslösung wiederzugeben.
Staubgehalt, Geschwindigkeit und Zugrichtung eines Dustdevils können so
näher untersucht werden. Wichtige Daten während der Entstehungsphase
wurden somit gesammelt.
Ein Doppler LIDAR benutzt Laserlichtimpulse, um z.B. die Entfernung oder
die Geschwindigkeit eines Objektes zu messen.
Während einer Messreihe gelang es erstmals mittels Doppler-Lidar, einen
(Dust) Devil anhand seiner Wirbelwindgeschwindigkeit zu messen, ohne das
dieser sichtbar (kein aufgewirbeltes Material!) war.
Schlusswort
Fallstudien, Grafiken, Bilder und Videos folgen!
Copyright 2005, Marco Kaschuba
Marco Kaschuba
Meteorologe und Fachberater
m@marcokaschuba.com
www.MarcoKaschuba.com
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