Hurrikan Katrina

Hurrikane – die Wärmekraftmaschinen der Tropen

Die Energie und die Zerstörungskraft eines Orkans ist beeindruckend. Doch die Natur ruft noch weitaus kräftigere Windströmungen auf der Erde hervor: die Hurrikane. So heißen die ausgewachsenen Exemplare der tropischen Wirbelstürme im Atlantik und im Ostpazifik. Katrina, die 2005 New Orleans unter Wasser setzte, war ein besonders kräftiger Hurrikan.

Satellitenbild. Eine Wolkenspirale, die sich an einer Küste zum Teil über dem Ozean, zum Teil über dem Land befindet.
Hurrikan Katrina über New Orleans

Das Vorläuferphänomen der Hurrikane – der tropische Sturm (engl. „tropical storm“) - weist Windgeschwindigkeiten zwischen 50 und 120 Kilometer pro Stunde auf. In einem Hurrikan dagegen strömt die Luft schneller als 120 Kilometer pro Stunde. Hierzulande spricht man ab dieser Windgeschwindigkeit von einem Orkan. Sehr viel heftiger werden die Winde an der Nordseeküste nicht. Hurrikane hingegen können Windgeschwindigkeiten von mehr als 250 Kilometern pro Stunde hervorrufen. Auf der fünfteiligen Saffir-Simpson-Skala zur Einstufung der Intensität entspricht das der höchsten Kategorie.

Diese Wirbelstürme heißen nicht überall Hurrikane. Über dem Westpazifik wirbeln „Taifune“ und über dem Indischen Ozean „tropische Zyklone“. Charakteristisch für diese tropischen Wirbelstürme ist, dass sie über warmem Meerwasser entstehen: Sie bilden sich ab einer Badewassertemperatur von etwa 26,5 Grad Celsius. In der Umgebung von Europa wird das Meer großflächig nie so warm – darum gibt es hier keine Hurrikane. Die Temperatur ist allerdings nicht die einzige Bedingung für die Entwicklung eines Hurrikans. Drei weitere Faktoren müssen hinzukommen: wenig Wind, Gewitterwolken und der passende Breitengrad.

Weht über dem Meer schon starker Wind, der Passat zum Beispiel, dann können sich nicht einmal die Vorläufer der Hurrikane bilden. Alle Wolkentürme werden einfach umgeblasen. Auch transportiert der Passat manchmal sehr trockene Luft aus Westafrika auf den Atlantik, die ebenso nicht förderlich für die Entstehung eines Hurrikans ist. Herrscht aber Flaute oder existiert bereits ein schwacher Windwirbel in der Höhe, dann steht womöglich die Geburt eines tropischen Wirbelsturms bevor. Das erkennen Meteorologen auf Satellitenbildern schon früh daran, dass sich über den tropischen Gewässern Gewitterwolken zu Gruppen zusammenballen, so genannten „Clustern“.

Weltkarte, Kontinente in schwarz. Meeresfläche von violett für kalt um die Pole herum bis zu rot für warm am Äquator eingefärbt. Wärmste Regionen sind indischer und pazifischer Ozean.
Entstehungsgebiete der tropischen Wirbelstürme

Aus der Sicht der Thermodynamik sind tropische Wirbelstürme riesige Wärmekraftmaschinen. Der Kreislauf sieht folgendermaßen aus: In den Gewitterwolken des Wirbelsturms steigt die warme, feuchte Luft auf; das verdunstete Wasser kondensiert und die Kondensationswärme treibt die Luft noch stärker nach oben, bis in eine Höhe von ungefähr 15 Kilometern. Dabei verliert sie durch Regen an Feuchtigkeit. Außerhalb des Wirbelsturms sinkt die trockene Luft ab und strömt direkt oder über einen Umweg in sein Zentrum zurück.

Damit sich aus dem ungeordneten Gewittercluster ein Wirbelsturm bildet, muss er sich in einem Abstand von mindestens 5 Breitengraden zum Äquator befinden. Denn nur dann ist die Corioliskraft, die die Luft ablenkt und in Rotation versetzt, groß genug, Sie entsteht durch die Erddrehung: Wenn man sich vom Nord- oder Südpol entlang eines Längengrads Richtung Äquator bewegt, dann wird die Rotationsgeschwindigkeit bezüglich der Erdachse immer größer. Darum wird der Wind abgelenkt – auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. Am Äquator ist die Corioliskraft praktisch Null, am Nord- und Südpol erreicht sie ihre maximale Ausprägung. In einem tropischen Wirbelsturm wirkt natürlich nicht nur die Corioliskraft auf die Luftmassen ein. Zusätzlich übt der geringe Luftdruck im Zentrum einen Sog nach innen aus, während die Zentrifugalkraft die Luft nach außen treibt. Zusammen mit der Corioliskraft bestimmt also ein Gleichgewicht dreier Kräfte, wie stark die Luftmassen eines Hurrikans rotieren.

Infografik. Ein Wolkenwirbel über dem Meer, im Querschnitt. Pfeile über der Meeresoberfläche zum Zentrum hin. Ein Pfeil an der Wolkenoberkante aus dem Zentrum heraus. Das Zentrum: ein senkrecht stehender Schlauch.
Das Innenleben eines tropischen Wirbelsturms

In dessen Zentrum tut sich bald nach der Entstehung des Hurrikans ein windstilles, wolkenfreies Gebiet auf: das Auge. Es wird nach außen von der Augenwand (engl. eyewall) begrenzt, einem rotierenden Kreis aus Gewittern, in dem die höchsten Windgeschwindigkeiten des Hurrikans auftreten. Rings um das Auge steigt die Luft auf, in seinem Innern aber sinkt sie langsam ab und erwärmt sich durch Verdichtung. Der Durchmesser des Wolkenlochs beträgt zwischen 4 und mehr als 100 Kilometern. Handelsübliche Barometer zeigen den Luftdruck nicht mehr an – so niedrig ist er. Der Hurrikan Wilma zum Beispiel erreichte im Oktober 2005 einen neuen Rekord für den Atlantik: 882 Hektopascal. Ein starkes Orkantief bei Island erreicht typischerweise Werte um 950 Hektopascal. Der normale Luftdruck liegt bei 1013 Hektopascal (hPa), früher wurde dieser noch in Millibar (mbar) angegeben (1 hPa = 1 mbar).

Während Hurrikane über das Meer ziehen, schwankt ihre Intensität. Das hat innere und äußere Ursachen. Einer der wichtigsten externen Faktoren ist die Windscherung: Wenn mit der Höhe der Wind stark zunimmt, behindert das die Entwicklung des Wirbelsturms. Denn nicht nur die Einströmung warmer Luft an der Meeresoberfläche ist für ihn lebenswichtig, sondern auch das Ausfließen in circa 15 Kilometer Höhe. Zu viel externer Wind kann dieses Ausfließen der Luft stören. Auf der Nordhalbkugel dreht sich diese Luftströmung wegen der Corioliskraft im Uhrzeigersinn, also genau entgegengesetzt zu dem Wirbel ganz unten.

Ein anderer, äußerer Faktor ist die Meerestemperatur – und zwar nicht nur die an der Oberfläche. Auch die Wassertemperatur in 50 Meter Tiefe ist wichtig, denn die extremen Hurrikanwinde wühlen das Meer bis in diese Schicht hinein auf. Das meist kühlere Wasser, das so nach oben gelangt, schwächt den Hurrikan ab. In der Hauptsaison aber findet sich zum Beispiel in der Karibik oft lauwarmes Wasser bis in eine Tiefe von 100 Meter und mehr. Unter diesen Bedingungen können Hurrikane geradezu explodieren.

X: Datum. Y: Anzahl. Die Zahl der Hurrikane steigt im Laufe des Jahres auf 50 im September an und sinkt dann wieder auf 0. Zählt man die tropischen Stürme zu den Hurrikanen hinzu, dann wandern im September etwa 90 Wirbelstürme über den Atlantik
Wann entstehen die Hurrikane im Atlantik?

Doch die Wirbelstürme können sich auch selbst vorübergehend abschwächen. Meist ist dann ein so genannter „eyewall replacement cycle“ im Gange – die Augenwand wird durch eine neue ersetzt. Dabei füllen die zusammenfallenden Wolken der alten Begrenzung das Zentrum, während sich weiter außen die neue Wand bildet. Derweil sinkt die Windgeschwindigkeit um ein paar Prozent. Nach einigen Stunden öffnet sich das Auge wieder und der Hurrikan gewinnt erneut an Schwung.

Die Zuggeschwindigkeit eines Hurrikans als Ganzes ist recht gering. Meist wird er nicht schneller als ein gut trainierter Radfahrer. Manchmal hält er auch inne oder beschleunigt auf 20 bis 30 Kilometer pro Stunde. Die Gefahr eines Hurrikans geht also nicht von seiner Zuggeschwindigkeit aus, sondern von anderen Begleiterscheinungen.

Der Wellengang tropischer Wirbelstürme etwa kann gewaltig sein – mit Hilfe von Drucksonden am Meeresboden wurden im Golf von Mexiko Wogen mit einer Höhe von knapp 30 Meter zwischen Wellental und Wellenkamm gemessen. Solche Kaventsmänner können zum Beispiel Ölplattformen schwer beschädigen.

An der Küste führt jedoch weniger der Wellengang zu den größten Verwüstungen, sondern die Sturmflut (engl. storm surge). Sie entsteht dadurch, dass der Wirbelsturm ungeheure Wassermassen vor sich hertreibt – und zwar auf seiner rechten Flanke, wo sich Zuggeschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit addieren. Je nach Intensität des Hurrikans und je nach Küstenform kann die Sturmflut mehr als 6 Meter hoch werden. Der geringe Luftdruck im Innern der Windwirbel trägt hingegen kaum zu den Überschwemmungen bei – dieser „Unterdruck“ kann den Meeresspiegel höchstens um einen Meter anheben.

Sobald der Wirbelsturm die Küste überquert hat (engl. landfall), geht ihm im wahrsten Sinne des Wortes die Puste aus: Weil der Energienachschub aus dem warmen Meer fehlt, flaut der Wind binnen weniger Stunden ab und die Wolken lösen sich allmählich auf. Vorher jedoch gehen gewaltige Regenmengen nieder. Sie summieren sich oft zu Hunderten von Litern pro Quadratmeter und lösen dann Überflutungen aus, die alle übrigen Schäden übertreffen. Außerdem bilden sich in den äußeren Gewitterwolken der Hurrikane häufig Tornados – Windrüssel, die von der Unterseite der Wolken bis auf den Boden reichen und auf kleinem Raum äußerst zerstörerisch wirken können. Zu vergleichen sind die beiden meteorologischen Phänomene schon von der Größe her nicht: Tornados haben einen Durchmesser von ein paar Meter bis zu einigen hundert Meter, während sich die gewaltigen Hurrikane über Hunderte von Kilometern erstrecken können. Für gewöhnlich entstehen Tornados in einem anderen Zusammenhang, nämlich aus besonders heftigen Gewittern, vor allem im Mittleren Westen Nordamerikas.

Werden die Hurrikane stärker? 

So viele Wirbelstürme wie 2005 wurden im Atlantik noch nie beobachtet. 28 tropische Stürme durchquirlten das Meer, 13 von ihnen reiften zu Hurrikanen heran. Deshalb und wegen der Überschwemmung von New Orleans im Jahr 2005 diskutieren Fachleute nun lebhaft, ob diese Wirbelstürme häufiger oder intensiver werden.

Schon vor ein paar Jahren hatten manche Meteorologen gewarnt, dass die Aktivität der tropischen Wirbelstürme im Atlantik in natürlichen Zyklen alle 20 bis 30 Jahre ab- und zunimmt und dass eine neuerliche Phase hoher Aktivität bevorstehen könnte. So lag die Wassertemperatur des tropischen Atlantiks im Jahr 2005 deutlich höher als im langjährigen Mittel. Dies hat vermutlich die Wirbelstürme angefacht.

Doch auch die Erwärmung des Erdklimas durch den Menschen könnte sich bereits im Verhalten der Hurrikane abzeichnen. Denn in den vergangenen 50 Jahren hat sich der tropische Ozean weltweit um ungefähr 0,5 Grad Celsius erwärmt, zu einem Teil vermutlich durch den verstärkten Treibhauseffekt. Die Zahl der Stürme wächst darum zwar nicht, unter Experten wird aber diskutiert, ob sich die Intensität der Hurrikane bereits erhöht hat.

In den vergangenen dreißig Jahren sei die Stärke der tropischen Wirbelstürme weltweit deutlich gewachsen, berichten Kerry Emanuel am Massachussetts Institute of Technology und Peter Webster am Georgia Institute of Technology aufgrund von Datenanalysen. Sie vermuten, dass der Treibhauseffekt einen Teil dieses Anstiegs verursacht hat, weil er die Ozeane aufheizt.

Andere Forscher, etwa Christopher Landsea und Robert Tuleya an der National Oceanic and Atmospheric Administration, sehen keinen klaren Zusammenhang zwischen globaler Erwärmung und kräftigeren Hurrikanen. Sie verweisen darauf, dass es auch starke natürliche Faktoren gibt und dass die Schwankungen der Hurrikanaktivität nach wie vor Rätsel aufgeben. Außerdem sei die Datengrundlage dünn. Planmäßige Erkundungsflüge im Atlantik gibt es seit dem Jahr 1944. Und erst seit dem Ende der 1960-er Jahre schwirren Satelliten über unseren Köpfen, um Wirbelstürme von oben zu beobachten. Landsea berichtet, früher sei auf den Satellitenbildern nicht immer die wahre Intensität der Hurrikane und Taifune erkannt worden.

Einiges spricht dafür, dass der Mensch die Hurrikane bereits heute beeinflusst. Doch ob dieser Effekt in den kommenden Jahrzehnten groß genug sein wird, um ihn von natürlichen Schwankungen unterscheiden zu können, ist ungewiss.