Datum 05.08.2026
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).
