Wellen in der Atmosphäre: die Kelvin-Helmholtz Instabilität!

Wellen kennt wohl jeder vom Meer, dem See oder dem Wellenbecken im Schwimmbad. Doch grundsätzlich können Wellen an jedem Übergang zweier Fluide (Gas oder Flüssigkeiten) auftreten. In der Atmosphäre nennt man dieses Phänomen Kelvin-Helmholtz Instabilität.

Kelvin-Helmholtz Instabilität, Wolken
Kelvin-Helmholtz Wellen entstehen am Übergang zweier Luftschichten mit verschiedener Strömungsgeschwindigkeit. Nur in wenigen Fällen sind sie sichtbar.


Wenn von Wellen gesprochen wird, denkt man üblicherweise an das Zusammenspiel von Wasser und Wind, an eine wiederholte Häufung von Krankheitsfällen oder auch an die Ausbreitung von Schall. Doch auch in der Atmosphäre kann es ohne die Anwesenheit von flüssigem Wasser zur Wellenbildung kommen. Die sogenannten Kelvin-Helmholtz Wellen beschreiben ein wellenartiges Wetterphänomen, das entlang des Übergangs zweier möglichst getrennter Luftschichten auftreten kann.

Zwei Luftschichten?

Wie kann es in der Atmosphäre getrennte Luftschichten geben? Vermischt sich das nicht sofort? Die Dichte von Luft hängt maßgeblich von der Temperatur ab. Kalte Luft hat eine hohe Dichte, ist also sehr schwer. Für warme Luft gilt das Gegenteil. Befindet sich kalte (schwere) Luft vertikal betrachtet oberhalb von warmer (leichter) Luft, so vermischen sich beide Luftschichten, um den energetisch günstigsten Zustand einzunehmen. In der gegenteiligen Situation (leichte Luft über schwerer Luft) findet keine Vermischung statt, weil dieser Zustand energetisch schon optimal ist. So kann es sich eine durchaus markante Trennung zwischen den beiden Luftschichten ausbilden. Diese Trennung kann im Winter für eisig kalte Temperaturen in der Niederungen sorgen, während auf Berggipfeln milde Temperaturen herrschen.

In der Anwesenheit zweier getrennten Luftschichten erfolgt die Bildung von Wellen analog zur Bildung von Wasserwellen. Notwendige Bedingungen ist ein sprunghafter Unterschied in der Windgeschwindigkeit oder -richtung, häufig herrscht in der oberen Schicht eine deutlich höhere Windgeschwindigkeit als in der unteren Schicht. So wird Luft aus der unteren Schicht nach oben eingewirbelt.

Die Wellenbildung alleine reicht jedoch nicht aus, um das Naturphänomen auch sehen zu können. Nur bei ausreichender Feuchtigkeit bzw. Unterkühlung kommt es auch zur Wolkenbildung. Doch ähnlich wie bei Mischungsnebel können auch aus aus zwei wolkenlosen Luftschichten sichtbare Kelvin-Helmholtz Wellen entstehen.

Die Wellen können grundsätzlich bei vielen verschiedenen Rahmenbedingungen entstehen. Häufig kommt es durch Überströmung von Berggipfeln zur Störung der Strömung und dadurch zur Bildung von Wellen.

Doch auch über flachem Terrain kann starke vertikale Windscherung die Wellenbildung erzwingen. Selbst rund um Gewitterzellen kann das stark variable Windfeld zur Bildung von Kelvin-Helmholtz Wellen beitragen.