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Auge des Hurrikans Isabel der Kategorie 4 von der Internationalen Raumstation aus gesehen am 15. September 2003
Das Auge ist eine Region mit meist ruhigem Wetter, die sich im Zentrum starker tropischer Wirbelstürme befindet. Das Auge eines Sturms ist normalerweise kreisförmig und hat typischerweise einen Durchmesser von 25-40 Meilen (40-65 km). Es ist von der Augenwand umgeben, in der das schwerste Wetter eines Zyklons auftritt. Der niedrigste barometrische Druck des Zyklons tritt im Auge auf und kann bis zu 15 % niedriger sein als der atmosphärische Druck außerhalb des Sturms.
Grundlegende Definitionen
Ein Blick aus dem Inneren des Auges von Hurricane Betsy. Auf diesem Foto, das von Hurricane Hunters in einem Flugzeug in der Mitte des Auges aufgenommen wurde, sieht man niedrige Wolken, die den Ozean im Vordergrund bedecken, während die Augenwand im Hintergrund kilometerhoch aufragt.
Das Auge ist möglicherweise das erkennbarste Merkmal tropischer Wirbelstürme. Umgeben von einer vertikalen Wand aus Gewitterstürmen (der Augenwand), ist das Auge ein etwa kreisförmiger Bereich im Zentrum der Zirkulation des Zyklons. Bei starken tropischen Wirbelstürmen ist das Auge durch leichte Winde und klaren Himmel gekennzeichnet und von allen Seiten von einer hoch aufragenden, symmetrischen Augenwand umgeben. Bei schwächeren tropischen Wirbelstürmen ist das Auge weniger gut definiert und kann von der zentralen dichten Bewölkung bedeckt sein, einem Bereich mit hohen, dichten Wolken, die auf Satellitenbildern hell erscheinen. Schwächere oder unorganisierte Stürme können auch eine Augenwand aufweisen, die das Auge nicht vollständig umschließt, oder ein Auge mit starkem Regen haben. Bei allen Stürmen ist das Auge jedoch der Ort des minimalen barometrischen Drucks des Sturms: der Bereich, in dem der atmosphärische Druck auf Meereshöhe am niedrigsten ist.
Ein Querschnittsdiagramm eines reifen tropischen Zyklons, mit Pfeilen, die die Luftströmung in und um das Auge anzeigen.
Struktur
Ein typischer tropischer Wirbelsturm hat ein Auge mit einem Durchmesser von etwa 40 km, das sich normalerweise im geometrischen Zentrum des Sturms befindet. Das Auge kann klar sein oder fleckige niedrige Wolken haben (ein klares Auge), es kann mit niedrigen und mittleren Wolken gefüllt sein (ein gefülltes Auge), oder es kann durch die zentrale dichte Bewölkung verdeckt sein. Es gibt jedoch sehr wenig Wind und Regen, besonders in der Nähe des Zentrums. Dies steht in krassem Gegensatz zu den Bedingungen in der Augenwand, die die stärksten Winde des Sturms enthält.
Während die Augen normalerweise recht symmetrisch sind, können sie auch länglich und unregelmäßig sein, besonders bei sich abschwächenden Stürmen. Ein großes, zerklüftetes Auge ist ein nicht kreisförmiges Auge, das zersplittert erscheint, und ist ein Indikator für einen schwachen oder sich abschwächenden tropischen Wirbelsturm. Ein offenes Auge ist ein Auge, das kreisförmig sein kann, aber die Augenwand umschließt das Auge nicht vollständig, was ebenfalls auf einen schwächelnden, feuchtigkeitsarmen Wirbelsturm hinweist.
Hurrikan Nate, wie in diesem Bild am 6. September 2005 zu sehen, präsentiert ein wolkengefülltes Auge.
Während typische reife Stürme Augen mit einem Durchmesser von einigen Dutzend Kilometern haben, können sich schnell verstärkende Stürme ein extrem kleines, klares und kreisförmiges Auge entwickeln, das als „pinhole eye“ bezeichnet wird. Stürme mit Lochaugen neigen zu großen Intensitätsschwankungen und bereiten den Meteorologen Schwierigkeiten und Frustrationen.
Kleine Augen (mit einem Durchmesser von weniger als 10 nmi) lösen oft Zyklen der Augenwandablösung aus, bei denen sich eine neue Augenwand außerhalb der ursprünglichen Augenwand zu bilden beginnt. Dies kann irgendwo zwischen zehn und einigen hundert Meilen (fünfzehn bis hunderte von Kilometern) außerhalb des inneren Auges stattfinden. Dies führt dazu, dass der Sturm zwei konzentrische Augenwälle hat, oder ein „Auge im Auge“. In den meisten Fällen zieht sich die äußere Augenwand bald nach ihrer Entstehung zusammen, erstickt das innere Auge und bildet ein viel größeres, aber stabiles Auge. Während dieser Prozess die Stürme tendenziell schwächt, kann sich die neue Augenwand ziemlich schnell zusammenziehen, nachdem sich die alte Augenwand aufgelöst hat, wodurch der Sturm wieder stärker wird und sich der Prozess wiederholt. Die kontrahierte neue Augenwand kann einen weiteren Zyklus der Augenwanderneuerung auslösen.
Augen können eine Größe von 320 km (Taifun Carmen) bis zu einem Durchmesser von nur 3 km (Hurrikan Wilma) haben. Es ist zwar sehr ungewöhnlich, dass Stürme mit großen Augen sehr intensiv werden, aber es kommt vor, besonders bei ringförmigen Hurrikanen. Hurrikan Isabel war der elftstärkste atlantische Hurrikan aller Zeiten und hatte mehrere Tage lang ein großes, 65-80 km breites Auge.
Entstehung
Tropische Wirbelstürme bilden sich typischerweise aus großen, unorganisierten Gebieten mit gestörtem Wetter in tropischen Regionen. Wenn sich mehr Gewitter bilden und sammeln, entwickelt der Sturm Regenbänder, die um ein gemeinsames Zentrum zu rotieren beginnen. Wenn der Sturm an Stärke gewinnt, bildet sich in einer gewissen Entfernung vom Rotationszentrum des sich entwickelnden Sturms ein Ring aus stärkerer Konvektion. Da stärkere Gewitter und heftigerer Regen Gebiete mit stärkeren Aufwinden markieren, beginnt der Luftdruck an der Oberfläche zu sinken, und in den oberen Schichten des Wirbelsturms beginnt sich Luft zu stauen. Dies führt zur Bildung eines Antizyklons in der oberen Ebene, d. h. eines Gebiets mit hohem Luftdruck über der zentralen dichten Wolkendecke. Infolgedessen strömt der größte Teil dieser aufgestauten Luft antizyklonal über dem tropischen Wirbelsturm nach außen.
Ozonmessungen über dem Hurrikan Erin am 12. September 2001. In der Augenwand (Ring aus Blau und Violett) steigt die Luft schnell von der Erdoberfläche auf, wo fast kein Ozon vorhanden ist. Im Auge (grüner und gelber Kreis) sinkt Luft aus der ozonreichen Stratosphäre ab, so dass mehr Ozon vorhanden ist.
Ein kleiner Teil der aufgestauten Luft strömt jedoch nicht nach außen, sondern nach innen zum Zentrum des Sturms. Dadurch baut sich der Luftdruck noch weiter auf, bis zu dem Punkt, an dem das Gewicht der Luft der Stärke der Aufwinde im Zentrum des Sturms entgegenwirkt. Die Luft beginnt im Zentrum des Sturms abzusinken, wodurch ein weitgehend regenfreies Gebiet entsteht; ein neu gebildetes Auge.
Es gibt viele Aspekte dieses Prozesses, die ein Rätsel bleiben. Die Wissenschaftler wissen nicht, warum sich ein Konvektionsring um das Zentrum der Zirkulation bildet und nicht darüber, oder warum das Antizyklon der oberen Ebene nur einen Teil der überschüssigen Luft über dem Sturm ausstößt. Es gibt Hunderte von Theorien über den genauen Prozess, durch den sich das Auge bildet: Sicher ist nur, dass das Auge für tropische Wirbelstürme notwendig ist, um hohe Windgeschwindigkeiten zu erreichen.
Nachweis
Die Bildung eines Auges ist fast immer ein Indikator für die zunehmende Organisation und Stärke eines tropischen Wirbelsturms. Aus diesem Grund beobachten Meteorologen die sich entwickelnden Stürme genau auf Anzeichen der Augenbildung.
Bei Stürmen mit einem klaren Auge ist die Erkennung des Auges so einfach wie das Betrachten von Bildern eines Wettersatelliten. Bei Stürmen mit einem gefüllten Auge oder einem Auge, das vollständig von der zentralen dichten Wolkendecke bedeckt ist, müssen jedoch andere Erkennungsmethoden eingesetzt werden. Beobachtungen von Schiffen und Hurricane Hunters können ein Auge visuell lokalisieren, indem sie auf einen Rückgang der Windgeschwindigkeit oder fehlenden Niederschlag im Zentrum des Sturms achten. In den Vereinigten Staaten kann ein Netzwerk von NEXRAD-Doppler-Radarstationen Augen in Küstennähe erkennen. Wettersatelliten tragen ebenfalls Geräte zur Messung des atmosphärischen Wasserdampfes und der Wolkentemperaturen, die zur Erkennung eines sich bildenden Auges verwendet werden können. Darüber hinaus haben Wissenschaftler vor kurzem entdeckt, dass die Ozonmenge im Auge viel höher ist als die Menge in der Augenwand, was auf das Absinken der Luft aus der ozonreichen Stratosphäre zurückzuführen ist.
Assoziierte Phänomene
Augenwand-Austauschzyklen
Augenwand-Austauschzyklen, auch konzentrische Augenwand-Zyklen genannt, treten natürlicherweise bei intensiven tropischen Wirbelstürmen auf, im Allgemeinen mit Winden von mehr als 185 km/h (115 mph), oder bei schweren Hurrikanen (Kat. 3 oder höher). Wenn tropische Wirbelstürme diese Intensitätsschwelle erreichen und die Augenwand sich zusammenzieht oder bereits ausreichend klein ist (siehe oben), können sich einige der äußeren Regenbänder verstärken und zu einem Ring von Gewittern organisieren – eine äußere Augenwand -, die sich langsam nach innen bewegt und der inneren Augenwand die benötigte Feuchtigkeit und den Drehimpuls raubt. Da sich die stärksten Winde in der Augenwand eines Wirbelsturms befinden, schwächt sich der tropische Wirbelsturm in dieser Phase normalerweise ab, da die innere Wand durch die äußere Wand „erstickt“ wird. Schließlich verdrängt die äußere Augenwand die innere vollständig, und der Sturm kann sich wieder verstärken.
Die Entdeckung dieses Prozesses war mitverantwortlich für das Ende des Hurrikan-Modifikations-Experiments Project Stormfury der US-Regierung. Bei diesem Projekt ging es darum, Wolken außerhalb der Augenwand zu säen, wodurch sich eine neue Augenwand bildete und der Sturm geschwächt wurde. Als sich herausstellte, dass dies ein natürlicher Prozess aufgrund der Hurrikan-Dynamik war, wurde das Projekt schnell wieder aufgegeben.
Nahezu jeder intensive Hurrikan durchläuft während seiner Existenz mindestens einen dieser Zyklen. Hurrikan Allen (1980) durchlief mehrere Zyklen des Augenwandwechsels und schwankte mehrmals zwischen Kategorie 5 und Kategorie 3 auf der Saffir-Simpson-Skala. Hurrikan Juliette (2001) war ein seltener dokumentierter Fall von dreifachen Augenwänden.
Gräben
Ein Graben in einem tropischen Wirbelsturm ist ein deutlicher Ring außerhalb der Augenwand oder zwischen konzentrischen Augenwänden, der durch langsam sinkende Luft, wenig oder keinen Niederschlag und eine dehnungsdominierte Strömung gekennzeichnet ist. Der Graben zwischen den Augenwänden ist nur ein Beispiel für eine schnelle Filamentationszone oder ein Gebiet im Sturm, in dem sich die Rotationsgeschwindigkeit der Luft im Verhältnis zur Entfernung vom Zentrum des Sturms stark ändert. Solche dehnungsdominierten Regionen können potenziell in der Nähe jedes Wirbels von ausreichender Stärke gefunden werden, sind aber in starken tropischen Wirbelstürmen am stärksten ausgeprägt.
Augenwand-Mesowirbel
Ein Bild des Auges von Hurrikan Wilma, aufgenommen um 8:22 Uhr CDT am 19. Oktober 2005 von der Crew der internationalen Raumstation der NASA, 222 Meilen über der Erde. Zu diesem Zeitpunkt war Wilma der stärkste atlantische Hurrikan der Geschichte, mit Windgeschwindigkeiten von fast 280 km/h und einem minimalen Zentraldruck von nur 882 mbar. Dies ist nicht nur ein klassisches Beispiel für ein Lochauge (das kleinste jemals beobachtete Auge mit einem Durchmesser von nur 3 km), sondern auch für den Stadioneffekt, bei dem die Augenwand nach außen und oben abfällt.
Augenwand-Mesovorhänge sind kleinräumige Rotationsmerkmale, die in den Augenwänden intensiver tropischer Wirbelstürme zu finden sind. Sie ähneln im Prinzip den kleinen „Saugwirbeln“, die oft in Tornados mit mehreren Wirbeln beobachtet werden. In diesen Wirbeln kann die Windgeschwindigkeit bis zu 10% höher sein als im Rest der Augenwand. Augenwand-Mesowirbel treten am häufigsten während der Intensivierungsphase tropischer Wirbelstürme auf.
Augenwand-Mesowirbel zeigen oft ein ungewöhnliches Verhalten in tropischen Wirbelstürmen. Normalerweise rotieren sie um das Tiefdruckzentrum, aber manchmal bleiben sie auch stationär. Es wurde sogar dokumentiert, dass Mesovortices das Auge des Sturms durchqueren. Diese Phänomene wurden durch Beobachtungen, Experimente und theoretische Überlegungen dokumentiert.
Augenwand-Mesowirbel sind ein wichtiger Faktor bei der Bildung von Tornados nach dem Landfall eines tropischen Wirbelsturms. Mesowirbel können Rotation in einzelnen Gewittern (eine Mesozyklone) hervorrufen, die zu tornadischer Aktivität führt. Beim Landfall entsteht Reibung zwischen der Zirkulation des tropischen Wirbelsturms und dem Land. Dies kann dazu führen, dass die Mesozyklone auf die Oberfläche herabsinken und große Ausbrüche von Tornados verursachen.
Stadion-Effekt
Der Stadion-Effekt ist ein Phänomen, das gelegentlich bei starken tropischen Zyklonen beobachtet wird. Es ist ein recht häufiges Ereignis, bei dem sich die Wolken der Augenwand mit zunehmender Höhe von der Oberfläche nach außen wölben. Dies verleiht dem Auge ein Aussehen, das aus der Luft einer offenen Kuppel ähnelt, ähnlich wie ein Sportstadion. Ein Auge ist an der Spitze des Sturms immer größer und an der Unterseite des Sturms am kleinsten, weil die aufsteigende Luft in der Augenwand Isolinien mit gleichem Drehimpuls folgt, die ebenfalls mit der Höhe nach außen abfallen. Dieses Phänomen bezieht sich auf die Eigenschaften von tropischen Wirbelstürmen mit sehr kleinen Augen, bei denen das schräge Phänomen viel ausgeprägter ist.
Gefahren
Obwohl das Auge bei weitem der ruhigste Teil des Sturms ist, mit keinem Wind in der Mitte und typischerweise klarem Himmel, ist es über dem Ozean möglicherweise der gefährlichste Bereich. In der Augenwand bewegen sich die windgetriebenen Wellen alle in die gleiche Richtung. Im Zentrum des Auges laufen jedoch Wellen aus allen Richtungen zusammen und erzeugen unberechenbare Wellenberge, die aufeinander aufbauen können, wodurch Schurkenwellen entstehen. Die maximale Höhe von Hurrikanwellen ist nicht bekannt, aber neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass typische Hurrikane Wellenhöhen von bis zu 33 m (100 Fuß) haben können.
Ein häufiger Fehler, vor allem in Gegenden, in denen Hurrikane selten sind, ist, dass Anwohner nach draußen gehen, um die Schäden zu begutachten, während das Auge vorbeizieht, und denken, der Sturm sei vorbei. Sie werden dann von den heftigen Winden in der gegenüberliegenden Augenwand völlig überrascht. Der Nationale Wetterdienst rät dringend davon ab, die Unterkunft zu verlassen, während das Auge vorbeizieht.
Andere Stürme
Obwohl nur tropische Wirbelstürme Strukturen haben, die offiziell als „Auge“ bezeichnet werden, gibt es auch andere Stürme, die augenähnliche Strukturen aufweisen können:
Der nordamerikanische Blizzard von 2006, ein außertropischer Sturm, zeigte in seiner höchsten Intensität eine augenähnliche Struktur (hier östlich der Delmarva-Halbinsel).
Polartiefs
Polartiefs sind mesoskalige Wettersysteme (typischerweise kleiner als 600 Meilen oder 1000 km Durchmesser), die in der Nähe der Pole auftreten. Wie tropische Wirbelstürme bilden sie sich über relativ warmem Wasser, können tiefe Konvektion (Gewitter) aufweisen und haben Winde von Orkanstärke oder mehr (> 31 mph, 50 km/h). Im Gegensatz zu Stürmen tropischer Natur gedeihen sie jedoch bei viel kälteren Temperaturen und in viel höheren Breitengraden. Sie sind auch kleiner und halten kürzer an (nur wenige halten länger als einen Tag oder so). Trotz dieser Unterschiede können sie in ihrer Struktur tropischen Wirbelstürmen sehr ähnlich sein, mit einem klaren Auge, das von einer Augenwand und Regen-/Schneebändern umgeben ist.
Außertropische Stürme
Außertropische Stürme sind Tiefdruckgebiete, die an der Grenze verschiedener Luftmassen existieren. Fast alle Stürme, die in den mittleren Breiten auftreten, sind außertropischer Natur, einschließlich der klassischen nordamerikanischen Nor’oster und europäischen Stürme. Die schwersten von ihnen können ein klares „Auge“ am Ort des niedrigsten barometrischen Drucks haben, obwohl es normalerweise von niedrigeren, nicht-konvektiven Wolken umgeben ist und sich in der Nähe des hinteren Endes des Sturms befindet.
Subtropische Stürme
Subtropische Stürme sind Zyklonen, die einige außertropische und einige tropische Eigenschaften haben. Als solche können sie ein Auge haben, sind aber keine echten tropischen Stürme. Subtropische Stürme können sehr gefährlich sein, mit hohen Winden und Seegang, und entwickeln sich oft zu echten tropischen Stürmen. Aus diesem Grund hat das National Hurricane Centre 2002 damit begonnen, subtropische Stürme in ihr Namensschema aufzunehmen.
Tornados
Tornados sind zerstörerische, kleinräumige Stürme, die die schnellsten Winde der Erde erzeugen. Es gibt zwei Haupttypen – Einzelwirbeltornados, die aus einer einzelnen sich drehenden Luftsäule bestehen, und Mehrfachwirbeltornados, die aus kleinen Saugwirbeln bestehen, die selbst Mini-Tornados ähneln und sich alle um ein gemeinsames Zentrum drehen. Beide Arten von Tornados haben der Theorie nach ruhige Zentren, die von einigen Meteorologen als „Augen“ bezeichnet werden. Diese Theorien werden durch Doppler-Radar-Beobachtungen und Augenzeugenberichte unterstützt.