Wie entsteht ein Tornado?

Tornados werden in zwei Typen unterschieden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die klassischen Typ I (mesozyklonale) Tornados, zu welchen fast alle starken Tornados gehören. Für Typ II (nicht-mesozyklonale) Tornados wie die typischen Wasserhosen ist unten ein Artikel verlinkt. Tornados entstehen nicht aus dem Nichts, sondern sind das Resultat komplexer strömungsdynamischer Prozesse innerhalb schwerer Gewitter. Folgende Mechanismen sind wissenschaftlich gut belegt.

Was wir aktuell wissen: Die Superzelle als Brutkasten

Die Mesozyklone sorgt für bodennahe Beschleunigung: Alles beginnt mit der sogenannten Windscherung. Wenn der Wind in Bodennähe aus einer anderen Richtung weht und schwächer ist als in den höheren Luftschichten, gerät die Luft unsichtbar ins Rollen – wie ein horizontaler Zylinder. Der extrem starke Aufwind des Gewitters saugt diese horizontal rotierende Luftrolle an und kippt sie in die Senkrechte. Nun rotiert die gesamte aufsteigende Luft (die sogenannte Mesozyklone). Die Mesozyklone ist deutlich größer und nicht identisch zum eventuellen Tornado. Sie ist jedoch entscheidend für die Tornadogenese, da sie zu einem Druckminimum im Inneren des Aufwindes führt, wodurch die Luft unterhalb der Mesozyklone stark nach oben beschleunigt wird. Dieses “Einsaugen” der bodennahen Luft scheint der entscheidende Faktor zu sein um Wirbel am Boden wie im folgenden beschrieben zu einem Tornado zu verstärken.

© Jannick Fischer von zur Gathen

Die Abwinde erzeugen den initialen Wirbel am Boden: Ein weiterer Grund warum Superzellen ideale Bedingungen für Tornados liefern ist, dass der Abwind (vor allem im Rear Flank Downdraft / RFD) stetig wirbelhafte Luft in den Bereich unterhalb der Mesozyklone transportiert, wo diese durch die oben beschriebenen Prozesse schnell aufsteigt (siehe Bildfolge). Dieser Bereich aufsteigender Kaltluft ist oft durch eine niedrigere Wolkenbasis, die wall-cloud, zu erkennen. Die diversen Wirbelstrukturen im Abwind (vorticity patches/rivers) können hier konzentriert und durch die vertikale Beschleunigung verstärkt werden (Wirbelstreckung). So entsteht eine senkrechte Säule mit intensiver Rotation vom Boden bis in die Wolke, der Tornado.

© Alex Schueth

Die Höhe der Wolkenuntergrenze: Neben starker Windscherung ist ein möglichst niedriges Kondensationsniveau (Lifting Condensation Level / LCL) die wichtigste Bedingung für Tornados. Ist die Wolke zu hoch, liegt zum einen auch die Mesozyklone höher und bewirkt weniger Beschleunigung der bodennahen Wirbel, zum anderen verdunstet mehr Niederschlag auf dem Weg nach unten und erzeugt so kältere Abwinde welche den Tornado abschwächen und abschneiden können.

Was wir noch nicht genau wissen: Die offene Forschungsfront

Trotz hochauflösender Radardaten, Computer-Simulationen, Feldkampagnen, und Dokumentation von Tornados wie durch TOREX stehen Meteorologen oft vor einem Rätsel: Warum produziert eine perfekt rotierende Superzelle einen verheerenden Tornado, während eine Gewitterzelle nur wenige Kilometer weiter völlig harmlos bleibt? Die aktuelle Forschung beschäftigt sich intensiv mit diesen Mechanismen auf den letzten Metern über dem Boden:

  • Der Vorderseiten-Abwind (FFD) und die „Flüsse der Rotation“: Der Niederschlagsbereich auf der Vorderseite des Gewitters (Forward-Flank Downdraft / FFD) rückt immer mehr in den Fokus. Die kühle Regenluft dieses Abwinds reibt sich an der warmen Umgebungsluft. Durch diesen Temperaturgegensatz entsteht extrem starke, rollende Rotation direkt am Erdboden. Genau hier, entlang dieser Temperatur-Grenze, bilden sich sogenannte Streamwise Vorticity Currents (SVCs) – unsichtbare „Flüsse der Rotation“. Sie fließen in den Aufwind und können zur Tornadogenese beitragen.
  • Die Rolle der Bodenreibung und Turbulenz: Neben Rotation im Abwind können vermutlich auch turbulente Wirbel in der warmen, einströmenden Luft zu Tornados verstärkt werden (vorticity worms/coherent turbulent structures). Bodenreibung und damit Bodenbeschaffenheit haben so möglicherweise einen Einfluss auf Tornadoentstehung und -struktur.
  • QLCS Tornados: Rotierende Aufwinde kommen auch in anderen Gewittern als Superzellen vor. Solche Mesovortices in linearen konvektiven Systemen (QLCS) können auch wie oben beschrieben bodennahe Rotation zu Tornados verstärken. Aktuelle Forschung beschäftigt sich mit den verschiedenen Mechanismen wie diese oft kurzlebigen Mesovortices entstehen.
  • Die Grenzen der Vorhersagbarkeit: Die Wissenschaft diskutiert intensiv, ob es bei der Tornadogenese eine natürliche Grenze der Vorhersagbarkeit gibt. Selbst mit perfekten Wettermodellen könnten schlichtweg unberechenbare kleine Turbulenzen in den entscheidenden Minuten den Ausschlag geben, ob sich ein Tornado bildet oder nicht.

Zusammenfassend: Wir verstehen die großräumigen Zutaten und die Gewitterstrukturen, die Tornados hervorbringen, heute sehr genau. Die exakten Prozesse am Erdboden – insbesondere durch das Zusammenspiel kleiner Wirbel und Temperaturschwankungen und lokaler Strömungsflüsse (SVCs) – bleiben jedoch eines der spannendsten Forschungsfelder der modernen Meteorologie.

Weiterführende Links und Quellen: