Tornados: Die Wissenschaft hinter der Zerstörungskraft

Wie genau Tornados entstehen und sich wieder auflösen, ist bis heute nicht vollständig geklärt. Aber jene Wissenschaftler, die das stürmische Mysterium erforschen und Frühwarnsysteme verbessern wollen, konnten bereits diverse ausschlaggebende Schlüsselfaktoren ausmachen.

Ein Tornado – auch als Windhose bezeichnet – ist ein Luftwirbel, der von der Erdoberfläche bis hinauf in eine Wolke reicht, für gewöhnlich eine Gewitterwolke. Die meisten Tornados haben eine Lebensdauer von weniger als zehn Minuten, sagt Harold Brooks, ein Forscher und Meteorologe, der für das National Severe Storms Laboratory (NSSL) der NOAA in Norman, Oklahoma arbeitet.

Sehr große Tornados bestehen hingegen länger, manchmal bis zu 30 Minuten, wie er erklärt. Die stärksten Windhosen bringen es auf Windgeschwindigkeiten von bis zu 483 Kilometern pro Stunde und können ganze Häuser von ihren Fundamenten reißen. Ihr Durchmesser kann mehr als drei Kilometer betragen und sie wälzen sich Dutzende Kilometer weit über den Boden.

Die meisten Tornados weisen jedoch Windgeschwindigkeiten von unter 177 Kilometern pro Stunde auf, haben einen Durchmesser von etwa 75 Metern und legen nur ein paar Kilometer zurück, bevor sie sich auflösen.

In den USA fordern diese Wetterphänomene pro Jahr im Schnitt 60 Todesopfer, die zumeist durch umherfliegende Trümmer sterben, wie die NOAA berichtet. Die Hälfte dieser Todesfälle geht auf das Konto der heftigsten Stürme, die nur etwa ein Prozent ausmachen, so Brooks.

Wie entstehen Tornados?

Die stärksten Tornados bilden sich aus sogenannten Superzellen-Gewittern. Damit eine solche Superzelle entstehen kann, benötigt man zuerst „die Zutaten für ein normales Gewitter“, erklärt Brooks.

Das wären feuchtwarme Luft in Bodennähe und relativ kühle, trockene Luft darüber. „Die warme Luft steigt wie ein Heißluftballon auf“, sagt Brooks.

Für eine Superzelle braucht es aber noch mehr: Wind, der an Stärke zunimmt und mit der Höhe auch die Richtung ändert. „Der Aufwind neigt dazu zu rotieren, und so entsteht dann eine Superzelle“, erklärt Brooks.

Die Superzelle türmt sich hoch in der Atmosphäre auf und in 30 Prozent aller Fälle resultiert der wirbelnde Wind in der Entstehung eines Tornados unterhalb der Zelle. Das geschieht, wenn Wind, der von der Gewitterzelle aus gen Boden weht, in Bodennähe zu rotieren beginnt.

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Aber selbst dann „wissen wir trotzdem nicht, warum manche Gewitter Tornados erzeugen und andere nicht“, sagte der Tornadojäger Tim Samaras Anfang 2013. Samaras war ein von National Geographic geförderter Wissenschaftler, der am 31. Mai 2013 durch einen Tornado in El Reno, Oklahoma, ums Leben kam.

Zudem muss die Luft kühl genug sein – aber nicht zu kühl. Im Idealfall ist sie ein paar Grad kälter als die umgebende Luft, erklärt Brooks. „Wir wissen auch nicht, wie sich Tornados wieder auflösen“, fügt er hinzu. „Irgendwann wird die Luft zu kalt und dadurch wird der Zustrom neuer Luft in den Sturm unterbrochen. Aber die Details kennen wir nicht.“

Wann und wo schlägt der Tornado zu?

Bislang wurden Tornados auf jedem Kontinent außer der Antarktis gesichtet. Die meisten dokumentierten Fälle gibt es in Nordamerika, wo sich pro Jahr circa 1.200 Tornados in den USA bilden. Aber auch in anderen Ländern treten sie regelmäßig auf.

Die berüchtigtste Region in den USA ist die sogenannte Tornado Alley im Mittleren Westen, die sich über die Bundesstaaten Kansas, Nebraska, North und South Dakota sowie Teile von Texas erstreckt. In dieser Region treffen oft Großwetterlagen aufeinander, was die Entstehung von Tornados begünstigt.

Laut der American Meteorological Society ist der US-Bundesstaat mit den meisten Tornados pro Quadratkilometer aber immer noch Florida.

Auch wenn die Wetterphänomene das ganze Jahr über zu jeder Tages- und Nachtzeit auftreten können, häufen sie sich in Deutschland vor allem von Mai bis September. Hierzulande treten pro Jahr schätzungsweise zwischen 30 und 60 Tornados auf.

In vielen Ländern der Welt wird die Stärke der Tornados anhand der Fujita-Skala oder der Enhanced Fujita-Skala bestimmt. Ein Tornado der Stärke 0 auf der Skala kann beispielsweise Bäume beschädigen, während ein Tornado der stärksten Kategorie (F5) ganze Gebäude umreißen kann.

Da die Messung der Windgeschwindigkeit innerhalb eines Tornados enorm schwierig zu bewerkstelligen ist, greifen die Wissenschaftler im Normal auf die entstandenen Schäden zurück, um rückwirkend auf die Geschwindigkeit zu schließen.

Schwierige Vorhersage

Tornados lassen sich deutlich schwerer vorhersagen als beispielsweise Hurrikans, da diese größeren Stürme eine längere Lebensdauer haben. Laut der NOAA beträgt die Zeit zwischen einer Tornadowarnung – also der Sichtung eines Tornados – und der Ankunft der Windhose im Schnitt 13 Minuten.

Das Forschungsprojekt Warn-on-Forecast des US National Severe Weather Laboratory versucht, solche Vorhersagen zu verbessern. Brooks zufolge gestaltet sich die Arbeit aber schwierig.

Das Projekt nutzt leistungsstarke Rechner und Software, um Daten zu Temperatur, Feuchtigkeit und Atmosphärenvariablen zu verarbeiten. Manchmal macht das System „richtig gute Vorhersagen, und manchmal macht es das nicht“, so Brooks.

Aber, so merkt er an, je schneller die Computer und je genauer die Daten werden, desto mehr könnte auch die Genauigkeit der Vorhersagen zunehmen. In der Zwischenzeit kann ein besseres Verständnis für die Prozesse in der Atmosphäre auch dabei helfen, Entscheidungen in anderen Bereichen zu treffen, beispielsweise bei der Standortwahl für Windkraft- und Solaranlagen.

Brooks merkt allerdings an, dass es „völlig unklar ist, ob eine längere Vorwarnzeit für Tornados der Öffentlichkeit nützt, weil wir nicht sicher sind, was die Leute mit der Information anfangen würden.“ Viele Leute ignorieren schon heute Vorwarnmeldungen für eine erhöhte Tornadowahrscheinlichkeit, weil sie die Bedrohung für so unwahrscheinlich halten.

„Aber es gibt vermutlich Zielgruppen, die das zu ihrem Vorteil nutzen können“, gibt Brooks zu, „beispielsweise Notfallmanager und besonders gefährdete Bevölkerungsgruppen, die viel Zeit brauchen, um sich vorzubereiten.“

Auch der Weg, den ein Tornado einschlägt, lässt sich nur schwer vorhersagen. Oft folgen die Windhosen der Richtung, in die auch der Sturm zieht, aber trotzdem kann sie unberechenbar sein, so Brooks.

„Das ist ein bisschen so, wie wenn man mit einem Hund Gassi geht“, findet er. „Man läuft die Straße runter und irgendwo in der Mitte läuft er plötzlich vor und zurück.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.