Eine Million Dollar für die Lösung eines großen Rätsels der Meteorologie:Wann kann eine Superzelle einen Tornado bilden?

Ein Team von Wissenschaftlern aus den Vereinigten Staaten wird untersuchen, wie Turbulenzen in den unteren Schichten der Atmosphäre die Entstehung von Tornados beeinflussen. Ziel ist es, herauszufinden, welche Stürme das größte Potenzial zur Entstehung von Tornados haben, und die Warnungen zu verbessern.

Das Endziel besteht darin, dieses Wissen in bessere Kurzfristvorhersagen und wirksamere Wetterwarnungen umzusetzen.

Die Vorhersage eines extremen Sturms reicht nicht immer aus, um zu sagen, ob er letztendlich einen Tornado auslösen wird. Obwohl Meteorologen über immer fortschrittlichere Instrumente verfügen, ist es nach wie vor eine Herausforderung, festzustellen, welche dieser Stürme eines der zerstörerischsten Naturphänomene hervorrufen werden.

Das Projekt wird mit fast 1,1 Millionen Dollar von der National Science Foundation (NSF) der Vereinigten Staaten gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Um in diese Richtung voranzukommen, werden Forscher der Pennsylvania State University in den Vereinigten Staaten untersuchen, wie atmosphärische Turbulenzen die Entstehung von Tornados beeinflussen können.

Die Forschung zielt darauf ab, die Mechanismen, die diese Phänomene auslösen, besser zu verstehen und langfristig dazu beizutragen, präzisere und zeitnahe Warnungen herauszugeben, damit die Bevölkerung mehr Zeit hat, sich in Sicherheit zu bringen.

Turbulenzen – ein entscheidender Faktor bei der Entstehung von Tornados

Das Projekt wird von Paul Markowski geleitet, einem renommierten Professor und Leiter des Fachbereichs für Meteorologie und Atmosphärenwissenschaften der Universität. Seine Arbeit stützt sich auf eine im Jahr 2024 veröffentlichte Studie, in der er numerische Simulationen von Superzellen – intensive Gewitter, die durch rotierende Aufwinde gekennzeichnet sind – durchführte.

Im Gegensatz zu anderen Modellen, die die atmosphärischen Bedingungen vereinfachen, berücksichtigten diese Simulationen realistischere turbulente Umgebungen. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass sich Tornados möglicherweise durch andere Mechanismen bilden könnten als diejenigen, die in früheren Simulationen mit weniger komplexen Atmosphären identifiziert wurden.

Vor kurzem beobachteten Forscher aus Oklahoma bei Feldstudien zu Superzellen ähnliche turbulente Strukturen, was Beobachtungsdaten lieferte, die mit den Ergebnissen von Markowski übereinstimmen.

Es bleibt jedoch noch eine grundlegende Frage zu klären: Begünstigen diese turbulenten Strukturen tatsächlich die Entstehung von Tornados in der Atmosphäre? Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie eine wichtige Rolle spielen könnten, müssen jedoch noch herausfinden, unter welchen Umständen dies geschieht und welchen Einfluss sie tatsächlich haben.

Welche Bedingungen könnten ihre Entwicklung begünstigen?

Um diese Frage zu beantworten, wird das Team numerische Simulationen, Techniken des maschinellen Lernens und Messdaten aus früheren Beobachtungskampagnen kombinieren. Die Forscher werden verschiedene meteorologische Umgebungen analysieren, um zu überprüfen, ob Turbulenzen in allen diesen Umgebungen ein relevanter Faktor sind oder nur unter bestimmten Bedingungen.

Einer der Aspekte, die sie untersuchen werden, ist der Zusammenhang zwischen bestimmten turbulenten Strukturen, dem Wind und der abnehmenden Erwärmung der Atmosphäre ab der Erdoberfläche.

Laut Kevin Bowley, Professor für Meteorologie und Mitglied des Projekts, können diese Strukturen entstehen, wenn die Erwärmung der Erdoberfläche durch Sonneneinstrahlung nachlässt, was in den ersten Abendstunden häufig der Fall ist. Sie können auch bei windigen Wetterbedingungen auftreten.

Sollte sich bestätigen, dass diese Merkmale dabei helfen, Superzellen mit dem größten Tornado-Potenzial zu erkennen, könnten sie zu zusätzlichen Indikatoren für die Meteorologen werden. Allerdings können sich Stürme unter verschiedenen Kombinationen aus atmosphärischer Instabilität und Windänderungen in der Höhe entwickeln, weshalb es notwendig sein wird zu überprüfen, ob der Mechanismus in verschiedenen Szenarien funktioniert.

Supercomputer und Ballons zur Erforschung des Inneren von Stürmen

Ein zentraler Teil der Forschung wird mithilfe hochauflösender Simulationen auf „Roar“, dem Supercomputer der Pennsylvania State University, durchgeführt. Diese Werkzeuge ermöglichen es, die Entwicklung eines Sturms mit einem Detaillierungsgrad darzustellen, der durch direkte Beobachtungen nur schwer zu erreichen ist.

In der Realität können Messgeräte nicht alle Variablen an jedem Punkt der Atmosphäre erfassen, und die Messungen sind mit Fehlern behaftet. Computermodelle hingegen ermöglichen es, große Datenmengen zu analysieren und die Anfangsbedingungen zu variieren, um zu untersuchen, wie das System reagiert.

Die Forschung zielt darauf ab, die Mechanismen, die Tornados auslösen, besser zu verstehen.

Das Team wird außerdem Temperatur- und Druckmessungen auswerten, die zwischen 2017 und 2022 im Rahmen von der NSF finanzierten Feldprojekten erhoben wurden. Um diese Daten zu erheben, setzten Markowski und Professorin Yvette Richardson kleine Ballons ein, die mit Sensoren ausgestattet waren, mit denen sich die Bedingungen im Inneren der Superzellen erfassen ließen.

Die Kombination dieser Beobachtungen mit den neuen Simulationen wird dazu beitragen, die Verteilung von Wind, Temperatur und Luftfeuchtigkeit in verschiedenen Höhen zu rekonstruieren.

Das Endziel besteht darin, dieses Wissen in bessere Kurzfristvorhersagen und wirksamere Wetterwarnungen umzusetzen. Auch wenn der Umfang der Ergebnisse noch überprüft werden muss, könnte das Verständnis dafür, warum manche Stürme Tornados hervorbringen und andere nicht, einen wichtigen Fortschritt bei der Vorhersage dieser Phänomene und der Minderung ihrer Folgen darstellen.