Im April 1912 stach das damals größte Schiff der Welt, die RMS TITANIC, in See. Auf ihrer Jungfernfahrt von Southampton nach New York ereilte sie jedoch eine schicksalsreiche Katastrophe. Das Schiff rammte etwa 300 Seemeilen südöstlich von Neufundland einen Eisberg und sank innerhalb weniger Stunden auf den Grund des Meeresbodens. Über 1500 Menschen verloren in den eiskalten Wassermassen ihr Leben. Kate Winslet war eine der glücklichen Überlebenden, zumindest in ihrer Filmrolle, während Leonardo DiCaprio unterging. Diese Geschichte ist wohl den meisten bekannt, doch die wenigsten haben sich vermutlich größere Gedanken über das Wettergeschehen gemacht.

Der Morgen des 14. Aprils 1912 begann in Bezug auf das Wetter über dem Nordatlantik unspektakulär. Bei starker Stratocumulusbewölkung und Temperaturen zwischen 13 und 15 Grad blies ein frischer Wind aus südlichen Richtungen. Im Laufe des Vormittags durchquerte die RMS TITANIC eine Kaltfront. Es kam vereinzelt zu leichten Schauern. Rückseitig der Front nahm der Wind vorübergehend noch etwas zu und drehte dabei auf Nordwest. Gleichzeitig sank die Lufttemperatur auf etwa 10 Grad ab. In der Unglücksnacht weitete sich ein Hoch über dem Nordosten Kanadas weiter ostwärts aus. Die RMS TITANIC kam dabei am Abend des 14. Aprils in dessen Einflussbereich. Der Himmel klarte auf. Es herrschte eine sternenklare Nacht ohne Mondschein vor. Die Temperaturen nahmen nochmals signifikant ab und lagen nun um den Gefrierpunkt. Auch die Wassertemperaturen sanken auf etwa 0 Grad ab. Es herrschte absolute Windstille vor.

Kurz vor Mitternacht wurde dann in geringer Entfernung zum Schiff ein Eisberg gesichtet, obwohl die RMS TITANIC der damals empfohlenen südlicheren Route bei der Überfahrt folgte. Der Winter und auch das Frühjahr 1912 waren im Nordatlantik sehr kalt. Im Vergleich zu den Jahren davor konnten somit einige Eisberge im Labradorstrom rund um Neufundland in südlichere Breiten vordringen. Die RMS TITANIC startete ein Ausweichmanöver, doch konnte die Kollision nicht mehr verhindert werden, da die Schiffsgeschwindigkeit zu hoch war und der Eisberg schon zu nahe. Der Eisberg rammte mehrere Lecks in den Schiffsrumpf. Innerhalb der ersten Stunde gelangten zwischen 22000 und 25000 Tonnen Wasser in das Schiffsinnere. Die Besatzung versuchte noch über zwei Stunden die einströmenden Wassermassen zu kontrollieren bevor das Schiff schließlich sank.

So harmlos die Wetterlage auch klingen mag, ganz ohne Sturm, Gewitter oder plötzlich auftretenden Monsterwellen, so birgt sie auch einige Tücken. Es stellt sich die Frage, warum der Eisberg erst so spät gesichtet wurde. Vor über 100 Jahren gab es noch kein Eisradar wie es heutzutage auf modernen Schiffen gibt. Nach den Überlieferungen gab es an Bord der RMS TITANIC auch keine Ferngläser, sodass die reine Augenbeobachtung für Sicherheit sorgte. Die Nacht war sehr dunkel, da der Mondzyklus in der Neumondphase lag. Zum anderen herrschte durch den Hochdruckeinfluss und die damit verbundene Windstille spiegelglatte See vor. Es konnten also keine brechenden Wellen an Eisbergen gesehen werden, was die Sichtbarkeit zusätzlich verschlechterte. Eine weitere Theorie, die das Erkennen von Eisbergen erschweren würde, ist die sogenannte Super-Refraktion. Dieses Phänomen tritt bei Inversionswetterlagen auf, bei der eine wärmere Luftmasse über einer kälteren Luftmasse liegt. Die besonderen Verhältnisse beeinflussen die Brechung des Lichts und können den Eindruck eines doppelten Horizonts erzeugen. Der echte Horizont verschwimmt dabei unter dem doppelten Horizont. Ob es in der Nacht zum 15. April im Bereich des Unglücksortes zu einer Super-Refraktion gekommen ist, lässt sich heute nicht mehr eindeutig beweisen.

Dabei stellt sich die Frage, wie man heute 111 Jahre nachdem Ereignis überhaupt noch soviel über die Wetterlage wissen kann. Zu diesem Zeitpunkt gab es noch keine Satelliten, kein Wetterradar oder automatische Messungen von Wetterdaten. Es gibt aber Augenzeugen. Etwa 700 Menschen habe die Katastrophe überlebt und ihre Beobachtungen in den unterschiedlichen Untersuchungsausschüssen geschildert. Auch die Beobachtungen der Besatzung der RMS CARPATHIA, die zur Rettung der Schiffbrüchigen am Unglücksort eintraf, konnten herangezogen werden. Wenn auch 1912 noch keine automatische Datenerfassung stattfand, so wurden meteorologische Daten wie beispielsweise Wind, Seegang und Temperaturen in der Schifffahrt bereits systematisch und regelmäßig erfasst. In sogenannten Schiffsjournalen wurden mindestens alle vier Stunden Eintragungen der Messungen und Beobachtungen vorgenommen. Im Archiv des Deutschen Wetterdienstes in Hamburg liegen über 37000 solcher Schiffstagebücher aus den Jahren 1826-1940. Das Journal der RMS TITANIC existiert leider nicht mehr. Im Archiv des Deutschen Wetterdiensten liegen für April 1912 aber insgesamt 34 Schiffstagebücher, die Auskunft über die Situation im Nordatlantik geben können. Dabei berichten sie über eine ungewöhnlich weite Ausdehnung von Eisfeldern und Eisbergen südöstlich von Neufundland. Die Wettersituation wurde zudem von verschiedenen numerischen Modellen reanalysiert. Die Simulationen sowohl vom amerikanischen Wetterdienst (NOAA) als auch vom Europäischen Zentrum für Mittelfristvorhersage (EZMW) zeigen ein ähnliches Bild und stimmen mit den Augenbeobachtungen überein. Bei relativ hohem Luftdruck über dem östlichen Kanada und Neufundland, mit Werten über 1030 hPa im Schwerpunkt des Hochs, herrschten Mitte April 1912 in der Region um den Unglücksort ungewöhnlich kalte Temperaturen vor.

Der Untergang des Luxusschiffs löste in der Bevölkerung einen Schock aus, auch wenn es nicht das erste Schiff war, das in dieser Gegend havarierte. Im Zuge dessen fand im November 1913 die erste internationale SOLAS-Konferenz statt (Safety Of Life At Sea). Dort wurden zum ersten Mal Mindestanforderungen an die Sicherheitsstandards auf Handelsschiffen vertraglich festgehalten. Des Weiteren wurde die Internationale Eis Patrouille 1914 ins Leben gerufen. Bis heute wird im Bereich der Labradorsee die Ausdehnung der Eisberggrenze kontrolliert und an die Unterzeichner des Pakts übermittelt. Auch in den Produkten für die Seeschifffahrt des Deutschen Wetterdienstes taucht diese Eisberggrenze auf und wird unter anderem per Funk an die Schiffe weitergegeben. Heutzutage wären also die Wahrscheinlichkeiten, dass Leonardo DiCaprio die Schiffspassage überleben würde also deutlich höher.

MSc Sonja Stöckle
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 08.02.2023

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Am 19. September des vergangenen Jahres ereilte uns Meteorologen die traurige Nachricht, dass der Wissenschaftler Vernon Francis Dvorak im Alter von 93 Jahren im nordamerikanischen Kalifornien verstarb. Keine Sorge, sollten Sie mit diesem Namen nichts anfangen, dann liegt das vor allem daran, dass sein eigentliches meteorologisches Interesse in den Tropen lag. Viel ist über ihn als Person nicht bekannt, doch umso mehr über seine Arbeit.

Herr Dvorak gilt als Erfinder der Intensitätsabschätzung tropischer Wirbelstürme, die bis heute mehr oder weniger Bestand hat und unter dem Begriff der „Dvorak Analyse“ in Kreisen der Meteorologen Bekanntheit erlangte. Über 30 Jahre lang war und ist dies die wichtigste Grundlage, um die Intensität von tropischen Wirbelstürmen abschätzen zu können. Wie viele Menschenleben durch diese Methode gerettet wurden, kann man schwer sagen, es dürften aber Zehntausende sein, wenn man sich vor Augen führt, wie viele Millionen Menschen weltweit in Regionen leben, die von tropischen Wirbelstürmen Jahr für Jahr heimgesucht werden. Im Grunde kann man sich kaum eine andere meteorologische Innovation vorstellen, die so unbeschadet solch eine lange Zeit überstanden hat.

Für diese Intensitätsanalyse bedarf es Satelliten, die in regelmäßigen Abständen eine Flut von Datensätzen zur Erde schicken und die dort von Meteorologen analysiert werden. In den 60-iger Jahren begann das Zeitalter der meteorologischen Satelliten mit Explorer (der erste Satellit für Wetterbeobachtungen im Jahr 1959), TIROS I (erster erfolgreicher Metsat im Jahr 1960), NIMBUS, TIROS und wie sie alle noch so hießen, die in den 60-igern und 70-iger Jahren ins Weltall geschossen wurden. Mit der Zunahme an Satelliten wurde es immer schwerer für die diensthabenden Meteorologen die Fülle an Informationen zeitnah zu interpretieren und zu verwerten, sodass Dvoraks Intensitätsabschätzung in Folge einer sogenannten „Wolkenmustererkennungstechnik“ genau zur richtigen Zeit kam. Die ersten Erwähnungen dieser Methode der Intensitätsabschätzung tauchten 1972 auf und wurden in der Folge mehrmals u.a. von ihm aktualisiert.

Doch worum handelt es sich bei dieser Analyse eigentlich?

Grundsätzlich geht es darum, anhand der Wolkenstruktur des Sturmes die Intensität abschätzen zu können. Dazu werden vier Eigenschaften berücksichtigt: zwei kinematische und zwei thermodynamische Eigenschaften.

Die kinematischen beschreiben mit der Vorticity (Wirbelstärke einer Strömung) und der vertikalen Windscherung (Windabnahme oder -zunahme mit der Höhe) die dynamischen Komponenten.
Je stärker eine Störung bzw. je kräftiger ein Tropensturm ist, umso größer sind die Werte der Vorticity und umso besser bilden sich bestimmte Wolkenstrukturen aus, die in Bändern um das Zentrum des Sturms angeordnet sind und repräsentativ für die Intensität eines Sturmes sind.
Für die Entstehung eines Tropensturms wird eine schwache Windscherung bevorzugt, da eine zu starke Scherung den Sturm regelrecht auseinanderreißt (bzw. die Vorticity verringert).

Die thermodynamischen Eigenschaften beinhalten die Ausprägung der Konvektion, denn je mehr Konvektion in der Nähe zum Zentrum zu finden ist, umso mehr latente Wärme wird dort freigesetzt, die vereinfacht gesagt den Wirbel antreibt und den Sturm intensiviert.
Die letzte Eigenschaft betrachtet die Temperaturverteilung in Zentrumsnähe, besonders dann, wenn sich ein Auge im Tropensturm ausgebildet hat. Dieses ist durch absinkende Luftmassen geprägt und je kräftiger der Sturm ist, umso wärmer fällt die Temperatur des Auges aus, was man mit Hilfe des Satelliten gut erkennen kann.

Die Durchführung dieser Intensitätsbestimmung ist ein sehr komplexes Verfahren, das u.a. durch die immer besseren Satellitendaten (vom sichtbaren Bereich bis in den Mikrowellenbereich) wiederholt angepasst und ausgebaut wurde.

Die grundsätzliche Herangehensweise lautet:

Finde das Zentrum der tropischen Störung, erstelle zwei Intensitätsabschätzungen, wähle die am besten passende Intensität aus und wende die vorhandenen Regeln an. Diese Regeln beschreiben z.B. wie schnell sich ein tropischer Sturm über Land abschwächen darf, oder wie schnell er sich intensivieren darf. Diese Regeln sollten in den meisten Fällen nicht gebrochen werden, was aber nicht immer klappt (z.B. bei sich rasant intensivierenden tropischen Stürmen). Das endgültige Resultat ist eine Nummerierung, die von 1.0 bis 8.0 geht, wobei 8.0 den perfekten Sturm darstellt. Der Supertaifun Haiyan, der im Jahr 2013 auf die Philippinen traf, erhielt diese höchste Einstufung und war letztendlich für mehr als 6350 Todesopfer und historische Schäden verantwortlich und auch der Hurrikan Patricia erreichte im Ostpazifik im Jahr 2015 diesen Wert.

Zum besseren Verständnis wenden wir die Analyse stark vereinfacht an einem Beispiel aus dem Jahr 2020 an: Hurrikan EPSILON im Nordatlantik.

Beschrieben wird die Entwicklung des Hurrikans EPSILON im Jahr 2020 über dem offenen Nordatlantik. In Bild 1 vom 18.10.2020 erkennt man eine gut ausgebildete Wolkenspirale/Bodenzirkulation, die mit einem roten Pfeil hervorgehoben wurde. Die eigentliche hochreichende und beständige Konvektion (gelb umrandet) ist noch sehr weit abseits dieses Zentrums zu finden. Wie bereits kurz erläutert ist es aber notwendig, dass eben diese Konvektion zentrumsnah entsteht, damit sie u.a. durch Freisetzung latenter Wärme den Wirbel intensivieren kann. Häufig ist diese Art der Konvektionsverteilung Folge starker Windscherung oder zeigt ein frühes Entwicklungsstadium des Systems an. Zu diesem Zeitpunkt wurde diese Störung von den Meteorologen genau beobachtet, es gab aber noch keine Warnaktivität. Das erste Bild zeigt bereits wunderschön, wie sich die Konvektion in Art Spiralen um das Zentrum windet. Grundsätzlich intensiviert sich das System, je weiter sich die Konvektion entlang dieser Bänder nach Außen voran arbeitet (und natürlich zentrumsnah vorhanden ist).

Daher kommt für dieses Analyseverfahren eine logarithmische Spirale zur Geltung, die in Bild 2 exemplarisch über das System gelegt wurde. Das Zentrum der Spirale liegt deckungsgleich über dem Zentrum des Sturmes. Die Konvektionsbänder sind entlang der logarithmischen Spirale angeordnet. Je mehr Bereiche der Spirale von den Konvektionsbändern eingenommen werden, umso kräftiger ist das System entwickelt. Eine detaillierte Beschreibung würde den Umfang des Tagesthemas jedoch sprengen.

Nur einen Tag später, am 19. Oktober, hat sich das Bild der Störung dramatisch verändert (siehe Bild 3). Die Konvektion hat sich deutlich näher ans Zentrum herangearbeitet und im nördlichen und östlichen Quadranten des Systems konnte sich verbreitet langlebige und intensive Konvektion in Form hochreichender Gewitter- und Schauerwolken entwickeln. Die Störung war nun auf jeden Fall in der Entwicklungsphase und im Tagesverlauf wurden die ersten Warnungen herausgegeben. Die Störung erhielt offiziell den Namen EPSILON.

Wiederum einen Tag später ist das Zentrum des Systems vollkommen von hochreichender und beständiger Konvektion bedeckt (siehe Bild 4). Im Fachjargon spricht man davon, dass sich ein sogenannter „central dense overcast“ ausgebildet hat. Ins Umgangssprachliche übersetzt bedeutet dieser Begriff, dass ein Batzen hochreichender und langlebiger Konvektion das Zentrum bedeckt. Dies ist ein Anzeichen, dass das System nun immer mehr an Fahrt aufnimmt. Wir sprechen mittlerweile von einem kräftigen Tropensturm mit 1-min gemittelten Windgeschwindigkeiten von 100 km/h. In den Nachtstunden zum 21. Oktober wurde der Sturm dann zu einem Hurrikan der Kategorie 1 auf der fünfteiligen Saffir-Simpson Skala hochgestuft.

Der Hurrikan EPSILON intensivierte sich weiter und es bildete sich das für einen Hurrikan nicht unübliche Auge aus, das sich im Tagesverlauf immer weiter erwärmte (siehe Bild 5). Per Satellit und später auch durch Flugzeugmessungen von den sogenannten „Hurrikanjägern“ bestätigt wurden Temperaturwerte im Auge von +14 und +15 Grad gemessen. Gleichzeitig stießen direkt um das Auge herum hochreichende Gewitter- bzw. Schauerwolken bis in die oberste Troposphäre vor und wiesen Wolkenoberflächentemperaturwerte von teils bis zu -50 Grad auf. Je stärker dieser Temperaturkontrast „Auge – Oberflächentemperatur der Gewitterwolken“ ausgeprägt ist, umso intensiver ist die Dynamik eines Tropensturms und es verwundert nicht, dass EPSILON an diesem Tag zu einem Kategorie 3 Hurrikan mit mittleren Windgeschwindgkeiten von mehr als 180 km/h (Mittelwind!) reifte. Gott sei Dank blieb dieser Sturm über dem offenen Atlantik und schwächte sich später ohne Landgang allmählich wieder ab.

Die Dvorak-Analyse ist deshalb von so großer Bedeutung, da es abseits des Nordatlantiks und östlichen Nordpazifiks keine regelmäßigen Messflüge in Tropenstürme gibt, die Echtzeitdaten über die Intensität des Sturmes liefern. Man ist somit in den meisten Regionen auf eben diese Intensitätsabschätzung angewiesen, um die Bevölkerung rechtzeitig vor sich rasant intensivierenden Tropenstürmen warnen zu können. Mithilfe dieser Analyse ist es somit weltweit möglich, auch auf den entferntesten Weltmeeren die Intensität eines Tropensturms ausreichend gut bestimmen zu können. Spezialisten, die mit dieser Methode durch ihre alltägliche Arbeit vertraut sind, können von daher auch Schiffe und Bewohner auf Inseln sowie ganze Küstenabschnitte frühzeitig bewarnen und helfen dadurch, dass rechtzeitig Evakuierungen durchgeführt werden können. Perfekt ist die Methode sicherlich nicht. Es gibt immer wieder Stürme, die Überraschungen bereithalten, was z.B. auch auf EPSILON zutraf. Dennoch ist die Genauigkeit der Intensitätsbestimmung bei statistischen Auswertungen beeindruckend hoch, sodass dieses Verfahren bis heute nicht aus der Tropenmeteorologie wegzudenken ist.

Dieses Vermächtnis hat Vernon Francis Dvorak der Nachwelt hinterlassen und somit geht dieser unauffällig agierende Wissenschaftler/Meteorologe wohl unsterblich in die Geschichte der Meteorologie ein.

Ein wahres Idol, ein stiller Held – Ruhe in Frieden!

Dipl. Met Helge Tuschy
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 04.02.2023
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Von Permafrost (oder Dauerfrost) wird gesprochen, wenn die Temperatur des Bodens in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Jahren ununterbrochen unter null Grad Celsius liegt. Der Untergrund kann dabei aus Gestein, Sedimenten oder Erde bestehen und unterschiedlich große Eismengen enthalten. Meist reicht der Permafrost einige hundert Meter tief ins Erdinnere, im nordöstlichen Sibirien sogar bis zu einer Tiefe von circa 1,6 Kilometer. Grundvoraussetzung für eine solch mächtige Schicht sind eine geringe isolierende Schneedecke und eine fehlende Vereisung. Durch die gute Isolationswirkung tritt Permafrost auch unter Moor und Wald auf. Teilweise erreicht er dort sogar seine größte Mächtigkeit.

Bereits im Jahr 2019 schrieb meine Kollegin Magdalena Bertelmann ein Thema des Tages über die möglichen Auswirkungen, die ein Auftauen der Permafrostböden zur Folge haben könnten (siehe ). Wussten Sie aber, dass es selbst in Deutschland Permafrost gibt?

Nun ist es sicherlich kein Geheimnis, dass es auf der Zugspitze alpinen Permafrost gibt. Allerdings findet man in einer Geröllhalde am Südhang des Berges Dornburg nördlich von Limburg an der Lahn im Westerwald in Hessen ebenfalls „ewiges Eis“. Dabei handelt es sich um ein recht seltenes Phänomen. Dabei wirkt die Geröllhalde wärmeisolierend. In einer Tiefe von etwa 50 Zentimeter bis zu zwei Meter findet man sodann massives Eis. Das darunterliegende Erdreich ist sogar bis zu acht Metern Tiefe gefroren. Natürlich schmilzt das Eis im Sommer ab und der gefrorene Erdboden taut bis zu einer Tiefe von rund zweieinhalb Metern auf. Im Winter bildet sich das Eis jedoch neu und auch der Boden friert wieder vollständig zu.

Aber wie erklärt sich dieser Effekt?
Prinzipiell lässt es sich mit der Neigung der Halde und den Basaltsteinen recht gut erklären. Durch die Steilheit der Halde entsteht ein sogenannter Kamineffekt. Die Steine besitzen hingegen große Lücken, wodurch ein stetiger Luftzug ermöglicht wird. Zudem isolieren sie die Halde nach außen hin. Aufgrund dieser Isolation ist die Luft im Innern der Halde wärmer als die Außenluft und steigt deshalb auf (wärmere Luft ist leichter als kältere). Entsprechend muss von außen kalte und feuchte Luft nachströmen. Diese kühlt wiederum die Steine ab und es bildet sich aufgrund des Wasserdampfgehaltes Eis. Dabei wird erneut Wärme frei (sogenannte latente Wärme), die ebenfalls aufsteigt und der Prozess wiederholt sich.

Im Sommer kehrt sich der Prozess dann um. Die Luft innerhalb der Halde ist aufgrund des kühlenden Eises kälter als die Außenluft. Entsprechend sinkt die Luft ab und tritt am Fuße aus der Halde heraus, wodurch dort dann ein eisiger Luftzug spürbar wird. Von oben strömt nun wärmere Außenluft nach, die in der Folge vom bestehenden Eis ebenfalls abgekühlt wird. Die in der Außenluft enthaltene Feuchte kann dann selbst im Sommer gefrieren und ersetzt so zumindest einen Teil des geschmolzenen Eises.

Seit 1927 ist die Halde Teil des „Naturschutzgebiets Dornburg“. Davor hatte sich eine Brauerei in der Nähe niedergelassen, um diese als Kältequelle zu nutzen. Aber der Westerwald ist nicht der einzige Ort im Bereich der Mittelgebirge, wo sich ewiges Eis hält. Neben dem Harz und der Rhön findet man dieses auch im Thüringer Wald, im Schwarzwald sowie im Böhmischen Mittelgebirge im Norden von Tschechien. Dass diese Blockhalden besonders sind, sieht man nicht nur an ihrem Eis. Es haben auch bestimmte Tierarten seit der Eiszeit dort überdauern können, die sonst nur an Gletscherrändern vorkommen (z.B. Alpenspitzmaus).

MSc.-Met. Sebastian Schappert
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 03.02.2023
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