Kelvin-Helmholtz-Wellen

brooks-martnerKelvin-Helmholtz-Wellen werden in der Atmosphäre zwar selten beobachtet, aber wenn Wolkenluft beteiligt ist, sieht man sie doch. Nachfolgend werden ein paar Fallbeispiele vorgestellt. Die Aufnahme in der Vorschau stammt von Brooks Martner.

Voraussetzung:

  • vertikale Windscherung
  • wärmere Luft über kalter Luft (stabile Schichtung)

Sie treten in verschiedenen Varianten in der Atmosphäre auf:

4. Februar 2011: Während Westföhn am Alpenostrand aus Altocumulus

4feb11

Zur Orientierung: fotografiert vom 20. Bezirk Wien, rechts ist der Turm der Kirche am Steinhof (14.Bezirk) zu sehen, mittig liegt Hütteldorf, links Kaltbründlberg (13. Bezirk). Gemäß Sondenaufstieg von 5.2., 00 UTC, befand sich der Altocumulus in rund 4,8 km Höhe.

7. Juni 2011: Als Begleiterscheinung einer Gewitterwolke über dem Wiener Becken

7jun11

Zur Orientierung: fotografiert im 20. Bezirk mit Blickrichtung Südost, das Gewitter befand sich zu diesem Zeitpunkt (17.00 MESZ) über der Parndorfer Platte zwischen Burgenland und Niederösterreich. Die Kelvin-Helmholtz-Wellen entstanden an einer stabilen Schichtung (Absinkinversion) vermutlich oberhalb 3-4 km Höhe, angesichts des optisch viel niedrigeren Cumulus humilis im Vordergrund.

17. November 2009: Im Bodennebel über Innsbruck durch Südföhn über kalter Luft

khw

Zur Orientierung: Die Webcam ist auf der Seegrube (1905m) nördlich von Innsbruck aufgestellt und schaut nach Süden. Links befindet sich der Patscherkofel als nördlichster Ausläufer der Tuxer Alpen, im Hintergrund schauen die Zillertaler Alpen hervor, mit der Amthorspitze (2749m) knapp südlich vom Brennerpass. Das Wipptal trennt Zillertaler und Stubaier Alpen.

Hier: Der Föhn ist seicht und strömt über den Brenner (Hochnebelwolken im Hintergrund sichtbar) ins Wipptal. Beim Abstieg erwärmt sich die Luft trockenadiabatisch. Gleichzeitig sorgt die nächtliche Ausstrahlung bei wolkenlosem Himmel für Abkühlung im Oberinntal und Talauswind. Bei Innsbruck gelangt die warme Föhnluft ins Inntal, wird nach Nordosten abgelenkt und streicht über den kalten Talauswind. Da der Föhnwind an der Mündung des Wipptals beschleunigt (Bernoulli-Effekt), sind beide Voraussetzungen für Kelvin-Helmholtz-Wellen gegeben.

Kelvin-Helmholtz-Wellen werden auch als Auslöser für Kopfschmerzen und Migräne während einer Föhnwetterlage vermutet, siehe dazu auch Kapitel 10 in den Föhn-Grundlagen.

30. November 2011: Nieselregen bei Absinkinversion

kuemmersbruck

Der Radiosondenaufstieg vom 30.11.11, 00 UTC, Kümmersbruck (Ostbayern) zeigt bodennahen Südostwind mit 5 Knoten und eine scharfe Temperaturinversion, die gesättigt-kalte Luft (418m: -1°C) von trocken-warmer Absinkluft (868m: +8°C) trennt. Über der Inversion verstärkt sich der Westwind auf 25 bis 30 Knoten.

Durch die warme Nase mit positiver Lufttemperatur wird unterkühltes Flüssigwasser produziert. Da die Frostluft nur wenige Dekameter dick ist, gelangen die unterkühlten Regentropfen in flüssiger Form auf den gefrorenen Boden und produzieren Glatteisregen.

Problem: Die gesättigte Luftschicht ist nur rund 400 m dick.

Bei Niederschlagsbildung durch Koagulation muss nämlich eine genügend große

  • kolloide Labilität vorhanden sein, d.h. Wolkenluft, deren Tröpfchenspektrum auch große Tropfen (d > 3, 6 * 10-3 cm 1) umfasst. Erst diese unterscheiden sich in ihrer Sinkgeschwindigkeiten bei Wolken ohne Aufwind (bzw. Steiggeschwindigkeit bei Wolken mit Aufwind) so deutlich von der Vielzahl kleinerer Tröpfchen, dass bei Bewegungen innerhalb der Wolke die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße groß genug ist, sodass ein genügend großer Tropfen entsteht, der die Verdunstung beim Fallen bis zum Erdboden überlebt.
  • Koagulationsstrecke vorhanden sein, d.h. die Wolkenschicht vertikal mächtig genug, mindestens 1000 m 1, damit die größeren Tröpfchen beim Sinken mit genügend kleineren Wolkentröpfchen zusammenstoßen.

Lösung: Kelvin-Helmholtz-Wellen am Oberrand der Absinkinversion sorgen in sonst aufwindlosen Schichtwolken für kleinskalige Vertikalbewegungen, durch die vermehrt Wolkentröpfchen zusammenstoßen und anwachsen können, bis sie schwer genug sind, um aus der Nebelwolke auszufallen. Dadurch kann es auch bei vertikal kaum mächtigen Schichtwolken soweit messbaren Niederschlag geben, dass Glatteisgefahr besteht.

16. Dezember 2011: Kelvin-Helmholtz-Wellen in Birmingham, Alabama (USA)

 

Das Video wurde um die Mittagszeit (ca. 19 UTC) aufgenommen und zeigt gigantische Kelvin-Helmholtz-Wellen nur wenige Meter über Grund, die sich aus tiefen Fractuswolken entwickelt haben.Zum Glück gibt es auch einen Radiosondenaufstieg, wobei der um 00 UTC des Folgetages die Bedingungen am besten wiedergibt:

birmingham

BMX Shelby County Airport ist dabei der Flughafen

von Birmingham, Alabama.

Man sieht eine sehr feuchte Bodenschicht, die Wolkenbildung und damit die Visualisierung der Wellen erlaubt.

Die Inversion befindet sich in rund 800 m, was auch zum optischen Eindruck der Wolkenobergrenze passt.

Vom Boden bis über die Inversion hinaus nimmt der Wind um etwa 15 Knoten zu, d.h. eine vertikale Windscherung, wenn auch nicht sehr stark, ist gegeben.

Möglicherweise waren die Bedingungen zwischen 19 und 00 UTC noch etwas günstiger.

In jedem Fall hätte ich nie gedacht, dass Kelvin-Helmholtz-Wellen a) so nahe am Grund entstehen und b) derartige Dimensionen erreichen können.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1: Wolfgang Weischet, Einführung in die allgemeine Klimatologie, Studienbücher der Geographie, 6. überarbeitete Auflage, Stuttgart 2002

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