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
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