Wasser ist, rein wissenschaftlich betrachtet, eine chemische Verbindung aus den Elementen Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Die chemische Formel des sogenannten Wassermoleküls lautet H₂O. Fachsprachlich korrekt ausgedrückt würde man Wasser auch als Dihydrogenmonoxid bezeichnen, nach der sogenannten IUPAC-Nomenklatur als Oxidan. Es ist klar, farb- und geruchlos. Sein Siedepunkt liegt bei 100 Grad Celsius, sein Schmelzpunkt bei 0 Grad Celsius Klingt erst einmal recht langweilig, ist es aber nicht.

Wasser ist viel spannender, als es auf den ersten Blick erscheint. Es umgibt uns tagtäglich und stellt die Grundlage unseres Lebens dar. Beim Duschen, Kochen oder Eisessen nimmt man seine Besonderheiten meist gar nicht mehr wahr. Doch in seinen unterschiedlichen Formen verursacht das vielfältige Molekül eindrückliche Phänomene.

Es kommt gasförmig in der Luft in Form von unsichtbarem Wasserdampf vor. Seine flüssige Form ist auf der Erde allgegenwärtig: rund 70% unserer Erde sind von Ozeanen, Flüssen und Seen bedeckt. In seiner festen Form tritt Wasser als Eis, Schnee, Hagel und Graupel oder Reif auf. Es kommt also in allen drei Aggregatzuständen auf der Erde vor. Dies mag vielleicht nicht einzigartig sein, aber dennoch gibt es keinen anderen Stoff, der uns in allen drei Zuständen so präsent ist.

Ein weiteres, seltsam anmutendes Phänomen ist die sogenannte „Dichteanomalie“. Diese sorgt dafür, dass gefrorenes Wasser auf seinen flüssigen Nachbarmolekülen schwimmt. In der Regel nimmt die Dichte der meisten Stoffe mit zunehmender Temperatur ab – unabhängig vom Aggregatszustand. Anders ist es beim Wasser: Die höchste Dichte besitzt Wasser bei etwa 4 Grad Celsius unter Normaldruck. Dann wiegt ein Liter Wasser ein Kilogramm. Wird das Wasser nun erhitzt, dehnt es sich aus und wird in der Folge leichter. Die besondere Eigenschaft des Wassers: Sinkt die Temperatur unter 4 Grad, wird Wasser ebenfalls wieder leichter und dehnt sich aus – selbst beim Wechsel in den festen Aggregatszustand. Der Grund für diese Besonderheit liegt in der Verkettung der Sauerstoff- und Wasserstoffatome benachbarter Wassermoleküle, also in den Kräften, die die verschiedenen Wassermoleküle untereinander zusammenhalten. Diese werden, ohne hier zu ausführlich in die Tiefen der Chemie eintauchen zu wollen, als sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet. Nur so viel sei gesagt: Ohne diese Wasserstoffbrückenbindungen würde Wasser in seiner uns bekannten Form auf der Erde nicht existieren. Und ohne diese besondere Eigenschaft hätte sich folglich kein Leben auf der Erde entwickelt.

Eine eher paradoxe Eigenschaft des Wassers stellt der sogenannte Mpemba-Effekt dar. Dieser beschreibt ein Phänomen, bei dem heißes Wasser unter geeigneten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser. Dies widerspricht ein Stück weit der eigenen Intuition. Einen ausführlichen Artikel meines Kollegen Sebastian Altnau vom 19. Februar 2021 zu diesem außergewöhnlichen Effekt finden Sie im Tagesthemen-Archiv

Wasser besitzt darüber hinaus eine hohe spezifische Wärmekapazität. Oder einfacher ausgedrückt: Wasser kann viel Energie aufnehmen, d.h. um Wasser zu erhitzen wird viel Energie benötigt. Insgesamt sind für die Erwärmung eines Kilogramms um 1 Grad 4200 Joule an thermischer Energie notwendig. Um beispielsweise die Temperatur des gesamten Bodensees um 10 Grad zu erhöhen – immerhin besteht dieser aus 48 Billionen Litern Wasser – wären mehr als 2 Trillionen Joule (entspricht circa 558 Terrawattstunden) notwendig. Wie groß diese Energiemenge ist, zeigt sich im Vergleich zum Stromverbrauch in Deutschland, der im Jahr 2021 bei 508 Terrawattstunden lag. Die Energie, die für die Erwärmung des Bodensees notwendig wäre, könnte Deutschland also für mehr als ein ganzes Jahr (sofern sich der Autor in den Potenzen nicht verrechnet hat) mit Strom versorgen.

Wasser besitzt noch viele weitere physikalische Eigenschaften, die einiges an Spannung bieten, wie dem kühlenden Effekt beim Schwitzen oder seiner besonders starken Oberflächenspannung. Suchen Sie doch einfach mal in den Weiten des Internets. Dort werden Sie sicherlich fündig. Wie wichtig Wasser für unser Wetter ist, wird in einem weiteren Thema des Tages in den nächsten Wochen thematisiert.

MSc.-Met. Sebastian Schappert
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 19.09.2022
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Das Klima im Südpazifik wird durch den Wechsel zwischen El Niño, La Niña und den normalen Zwischenjahren geprägt. Dieser Wechsel der drei Zustände wird mit der El Niño Südliche Oszillation (ENSO) beschrieben. Ein negativer ENSO-Wert kennzeichnet dabei ein La Niña Jahr, ein positiver Wert ein El Niño-Jahr. Treiber des Ganzen ist dabei die sogenannte Hadley-Zirkulation.

Durch den hohen Sonnenstand über dem Äquator heizt sich die Luftmasse dort verstärkt auf und steigt somit in größere Höhen auf. In der Höhe wird die Luft dann polwärts geführt. Auf dem Weg kühlt diese ab und sinkt allmählich zu Boden. Es entsteht bodennah ein Hochdruckgürtel, der sich etwa entlang des südlichen Wendekreises über den gesamten Südpazifik erstreckt. Am Boden wird die Luft dann als Südost Passat wieder in Richtung Äquator geführt und trifft dort innerhalb der Äquatorialen Konvergenzzone auf den Nordost Passat von der Nordhalbkugel. Im englischen heißt der Wind auch Trade-Wind, da die konstante Luftströmung aus derselben Richtung von den großen Handelsschiffen genutzt wurde um möglichst effizient über die Ozeane zu segeln. Der anhaltende Südostwind über dem Pazifik führt dazu, dass die Oberflächenströmung des Ozeans in der Regel von Ost nach West verläuft. Das Abtreiben des Oberflächenwassers vor der südamerikanischen Küste führt dort zum Aufsteigen kälteren Wassers aus der Tiefe. Das in der Regel kalte Oberflächenwasser hat zur Folge, dass an der südamerikanischen Seite des Pazifiks nur wenig Niederschlag fällt. Auf der Westseite des Pazifiks sammelt sich hingegen warmes Meerwasser an der Oberfläche und es kann hier zu ergiebigem Regen kommen.

Am heutigen Donnerstag sorgen Hoch STEFAN und Tief QUEENIE dafür, dass eine Luftmassengrenze über der südlichen Mitte Deutschlands mit schauerartigem Regen als Kaltfront allmählich südwärts vorankommt und in der Nacht zum Freitag dann die Alpen überquert. Bereits am gestrigen Mittwoch brachte die Luftmassengrenze in der Mitte verbreitet Regen. Südlich davon haben sich in der sehr feuchten und warmen Luft teils unwetterartige Gewitter gebildet.

Schauerartiger Regen und einige Gewitter bleiben in den Regionen südlich des Mains also auch heute ein Thema. Dabei besteht weiterhin örtlich Starkregengefahr bis in den Unwetterbereich. In den übrigen Regionen zeigt sich neben vielen Wolken hin und wieder mal die Sonne. Lediglich in Küstennähe bringt eine zweite Kaltfront einige kurze Schauer.

Zwischen dem Hoch STEFAN bei Island und dem Tief QUEENIE bei Stockholm wird nun in den nächsten Tagen staffelweise mit einer nördlichen Strömung kühle Meeresluft polaren Ursprungs nach Deutschland herangeführt. Am gestrigen Mittwoch wurden im Süden noch mal sommerliche Temperaturen von 25 Grad und mehr (Piding 28,1 Grad) erreicht. Diese dürfte in diesem Jahr endgültig vorbei sein. Stattdessen klopft voll der Herbst an die Tür.

Heute liegen die Höchstwerte noch zwischen 17 und 20, im Süden zwischen 20 und 23 Grad. Für die nächsten vier bis fünf Tage bleibt die Temperatur dann verbreitet unter der 20-Grad-Marke. Am Alpenrand werden sogar am Wochenende kaum 10 Grad erreicht.

Am Freitag und über das gesamte Wochenende stellt sich zudem bei wechselnder bis starker Bewölkung teils windiges Schauerwetter ein. Vereinzelt sind auch kurze Gewitter möglich und an den Alpen gibt es oberhalb von 1500 bis 2000 m den ersten nennenswerten Schnee von einigen Zentimetern.

Dipl.-Met. Marco Manitta
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 15.09.2022

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Wettersatelliten blicken kontinuierlich von oben auf unsere Erde und liefern uns beeindruckende Bilder von der Verteilung und Struktur der Wolken sowie von großräumigen Strömungsmustern wie beispielsweise die gigantischen Wolkenspiralen von Tiefdruckgebieten. Gerade die sogenannten polarumlaufenden Satelliten ermöglichen uns besonders hochaufgelöste Aufnahmen und nehmen bei ihren Überflügen mitunter faszinierende Wolkenformationen auf. Sie umkreisen die Erde in nur etwa 850 Kilometern Höhe auf sonnensynchronen polarumlaufenden Bahnen (siehe auch Thema des Tages vom 19.03.2021).

Richtet man sein Augenmerk zum Beispiel auf die Kanarischen Inseln, kann man nicht selten besonders stilvolle und symmetrisch angeordnete Wolkenwirbel südwestlich der Inselgruppe entdecken (Abb. 1+2). Die Rede ist von sogenannten „Kármánschen Wirbelstraßen“. Diese werden nicht nur in der Meteorologie beschrieben, sondern sind ein bekanntes Phänomen der Strömungsmechanik. Die Strömungsmuster wurden nach dem ungarischen Ingenieur und Mathematiker Théodore von Kármán (1881-1963) benannt, der sie erstmals 1910 entdeckte und ein Jahr später veröffentlichte. Grundsätzlich können Kármánsche Wirbelstraßen in allen flüssigen und gasförmigen Stoffen (Fluiden) auftreten, also beispielsweise auch im Wasser oder eben in der aus Luft und Wasserdampf bestehenden Atmosphäre der Erde. Diese Wirbelschleppen formieren sich unter bestimmen Voraussetzungen beim Umströmen eines Hindernisses auf der stromabgewandten Seite.

Das Verhalten des Fluids beim Umströmen des Hindernisses hängt neben den Fließeigenschaften (Viskosität) des Fluids von der Größe und Form des Hindernisses sowie von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Bei einer geringen Geschwindigkeit kommt es zunächst noch zu keinerlei Verwirbelungen (laminare Strömung). Ab einer bestimmten Geschwindigkeit bilden sich hinter dem umströmten Hindernis zunächst ortsfeste Wirbel. Diese kann man zum Beispiel häufig an Brückenpfeilern in Flüssen beobachten. Mit etwas Geschick können Sie diese auch selbst erzeugen, wenn Sie einen Finger oder ein Lineal mit der passenden Geschwindigkeit durch eine gefüllte Badewanne auf einer geraden Linie bewegen. Bei noch höherer Geschwindigkeit lösen sich schließlich die Wirbel vom Hindernis ab und driften in Strömungsrichtung. Immer wenn sich ein Wirbel abgelöst hat, bildet sich ein neuer Wirbel mit entgegengesetztem Drehsinn. Die sich ablösenden Wirbel reihen sich hintereinander und so entsteht ein regelmäßiges Muster aus zwei versetzten Reihen mit gegenläufigen Wirbeln.

In der Atmosphäre können Kármánsche Wirbelstraßen im Kleinen hinter Flugzeugen oder im Großen hinter Inseln beobachtet werden, die hoch aus dem Meer ragen. Damit wären wir wieder bei den Kanarischen Inseln. Die zu Spanien gehörenden Kanaren sind eine Inselgruppe vulkanischen Ursprungs westlich von Marokko zwischen dem 27. und 29. nördlichen Breitegrad. Als Hindernisse dienen ihre hohen Vulkankegel wie beispielsweise der 3718 m hohe Pico del Teide auf Teneriffa, der höchste Berg Spaniens. Aufgrund der südlichen Lage werden die Kanaren vom Nordostpassat beeinflusst, der nicht selten genau die richtige Strömungsgeschwindigkeit besitzt, um im Windschatten der Vulkankegel südwestlich der Inseln beeindruckende und teils bis zu 1000 Kilometer lange Wirbelstraßen erzeugt. Sie werden aber erst durch die charakteristischen Wolkenfelder sichtbar, die durch die Turbulenzen der Wirbel ihre stilvolle Form erhalten. Im Luv der Vulkankegel entsteht zudem häufig eine Art Bugwelle ähnlich die eines fahrenden Schiffs (Abb. 2). Sie hält die nähere Umgebung der Inseln von der mit den Passatwinden mitgeführten dichten Stratokumulus-Bewölkung (nordöstlich der Kanaren) fern und beschert somit den dortigen Inseln sonniges Wetter.

Neben den Kanaren gibt es noch weitere Inseln und Inselketten, die Kármánsche Wirbelstraßen entstehen lassen. Beispiele hierfür sind Guadeloupe vor der Westküste Mexikos mit dem 1298 m hohen Monte Augusta, die Insel Jeju südlich von Südkorea (Abb. 3) mit dem 1950 m hohen Berg Hallasan oder die chilenischen Juan-Fernández-Inseln im südöstlichen Pazifik.

Falls Sie Interesse an diesen Wolkenmustern gefunden haben, brauchen Sie nur ein Archiv der Satellitenbilder von polumlaufenden Satelliten durchsuchen, online frei unter dem Link am Ende des Textes. Sie werden bei oben genannten Inseln rasch fündig werden.

Dr. rer. nat Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 13.09.2022
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Die lange Zeit der trockenen Tage ist vorbei und in der vergangenen Woche gab es fast flächendeckend Regenfälle. Verantwortlich dafür war Tief PEGGY. Die gute Dame schaffte es immer wieder, feuchte Luftmassen nach Mitteleuropa zu schieben, in denen sich häufig Schauer und Gewitter oder teils auch mal etwas länger anhaltende und schauerartig verstärkte Regenfälle bilden konnten. Örtlich war es des Guten zu viel, denn in kräftigen Gewittern fielen auch 30 bis 60 Liter pro Quadratmeter innert ein bis zwei Stunden. Dies war beispielsweise am 07.09.2022 in Weferlingen (Sachsen-Anhalt, 37 Liter pro Quadratmeter in einer Stunde) oder in Marienberg-Rübenau (Sachsen, 60 Liter pro Quadratmeter in zwei Stunden) der Fall. Auch am 06.09.2022 schütte es zum Beispiel in Deidesheim-Niederkirchen (Rheinland-Pfalz) heftig, denn in zwei Stunden kamen 57 Liter Wasser pro Quadratmeter vom Himmel. Dies entspricht deutlich über der Hälfte der Monatssumme. Durch die trockenen und damit quasi versiegelten Böden konnte das Wasser nur oberflächlich abfließen, was lokal zu überschwemmten Wiesen und Flächen sowie vollgelaufenen Kellern geführt hat. Davon abgesehen war der Regen ein willkommener Gast, denn somit wurde die Trockenheit in einigen Regionen zumindest gelindert und auch die Waldbrandgefahr ist erst einmal gebannt. Unter anderem konnte der Katastrophenfall im Harz aufgehoben werden, nachdem dort vor allem am Donnerstag verbreitet 10 bis 20 Liter Regen pro Quadratmeter vom Himmel kamen.

Bereits im Thema des Tages vom 04.09.2022 wurde auf die prognostizierten Niederschläge eingegangen und zwei Modelle verglichen.

Die Schwerpunkte wurden dabei unterschiedlich gesetzt, was der schwer zu prognostizierenden Lage geschuldet war. Die Niederschlagsprognose insbesondere von Schauern und Gewittern erweist sich als schwierig, weil viele kleinräumige Faktoren, wie zum Beispiel lokale Windkonvergenzen, die Feuchteverteilung und so weiter berücksichtigt werden müssen. Radarauswertungen für den Zeitraum vom 03.09.2022 (8:00 Uhr Mitteleuropäischer Zeit) bis 10.09.2022 (8:00 Uhr Mitteleuropäischer Zeit) zeigen die tatsächlich mit dem Radar gemessenen und aufsummierten Niederschläge.

Vergleicht man nun die Prognosen mit dem tatsächlich gefallenen Niederschlag, so fällt auf, dass das europäische Modell (IFS) gegenüber dem deutschen Modell (ICON) die Niederschläge in Mecklenburg-Vorpommern besser vorhergesagt hat. Verbreitet gab es nämlich 20 bis 40, punktuell bis 70 Liter pro Quadratmeter. Der Großteil der Niederschläge fiel mit einer langsam durchschwenkenden Front am 08.09.2022. In der Prognose wurden diese Mengen recht gut getroffen. Anders hingegen zeigt sich das Bild am Oberrhein, im Saarland und in der Pfalz. Dort hat ICON die Nase vorn, denn die flächig gefallenen 20 bis 50 Liter pro Quadratmeter hat IFS teilweise etwas unterschätzt. Dies sind nur zwei Beispiele und es lassen sich noch deutlich mehr Unterschiede erkennen. Auf jeden Fall wird klar, dass die Modelle so lange im Voraus bei solch einer Lage die zu erwartenden Niederschläge nicht perfekt vorhersagen können.

Am gestrigen Samstag und in der vergangenen Nacht gab es gebietsweise nochmals einen ordentlichen Regennachschub. Besonders im Nordosten des Landes schüttete es punktuell wie aus Kübeln (bis zu 60 Liter pro Quadratmeter in wenigen Stunden), während in einem Streifen vom Niederrhein bis zum Bayerischen Wald schauerartig verstärkte Regenfälle teils über mehrere Stunden anhielten und den Charakter von Landregen hatten. Dabei fielen verbreitet 15 bis 30 Liter pro Quadratmeter.

Zum Start in die neue Woche bleiben die Niederschläge zunächst geringer Natur, bevor zur Wochenmitte vor allem in der Landesmitte und Teilen des Südens wahrscheinlich eine Dauerregenlage ansteht.

Dipl.-Met. Marcel Schmid
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 11.09.2022
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst