"Big whirls have little whirls,
That feed on their velocity;
And little whirls have lesser whirls,
And so on to viscosity."
So lautet das – zumindest in der Meteorologie – berühmte Zitat des britischen Meteorologen Lewis Fry Richardson. Richardson beschäftigte sich unter anderem ausgiebig mit dem Phänomen der Turbulenz, worauf sich auch das obige Zitat bezieht. Frei übersetzt beschreibt das Gedicht das Konzept turbulenten Zerfalls atmosphärischer Strömungen aufgrund von Instabilitäten. Dabei übertragen zunächst große Wirbel ihre Bewegungsenergie auf immer kleinere Wirbel. Dieser Prozess setzt sich über eine Vielzahl von Größenskalen fort und wird als Energiekaskade bezeichnet. Erst auf den kleinsten Skalen, auf denen die viskosen Kräfte dominieren, wird die ursprünglich geordnete Bewegungsenergie der Strömung durch molekulare Reibung schlussendlich in innere Energie, sprich Wärme umgewandelt.
Für das Auftreten atmosphärischer Turbulenz gibt es eine Vielzahl bekannter und mathematisch beschriebener Instabilitäten. Das Konzept der Instabilität beschreibt dabei eine Zusammensetzung von Strömungsparametern, in denen eine kleine Störung in der Strömung - beispielsweise die Auslenkung einer Luftmasse in der Vertikalen oder in der Horizontalen - immer weiter anwächst, anstatt durch rückstellende Kräfte wieder in seine Ausgangslage zurückzukehren. Ein Beispiel für eine solche Instabilität, mit dem wir es dieser Tage häufig zu tun haben, ist die Grundlage für das Auftreten von Gewittern: die statische Instabilität. Im Kontext des oben genannten Konzepts lohnt sich erst eine Betrachtung des Gegenbeispiels, nämlich einer stabilen Ausgangslage. Eine Luftmasse in Bodennähe wird vertikal ausgelenkt, etwa durch das Überströmen eines Berges. Dabei kühlt sich die Luft entsprechend der Abnahme des Luftdrucks und der resultieren Expansion mit der Höhe mit etwa 1 °C pro 100 Meter Aufstieg ab. Kühlt sich die Luftmasse dabei mit der Höhe schneller ab als ihre Umgebungsluft, erfährt sie aufgrund ihrer höheren Dichte einen negativen Auftrieb. Die Schwerkraft wirkt dann als rückstellende Kraft, sodass die Luftmasse wieder in Richtung ihrer ursprünglichen Höhe absinkt – die Luft ist statisch stabil geschichtet. Bei Konvektion und Gewittern ist das Gegenteil der Fall, die ausgelenkte Luftmasse bleibt trotz Abkühlung mit 1 °C pro 100 Metern wärmer als ihre Umgebung. Sie erfährt einen Auftrieb aufgrund der geringeren Dichte und steigt immer weiter auf - die Luft ist statisch instabil geschichtet. Mit dem Erreichen von Wasserdampfsättigung infolge der Abkühlung und der anschließenden Kondensation von Wasserdampf in Wassertröpfchen – also der Wolkenbildung - wird latente Energie freigesetzt und das Aufrechterhalten der statischen Instabilität weiter begünstigt.
Quasi als Äquivalent zur statischen Instabilität in der Vertikalen mit der Dichte als maßgebende Größe kann in der Horizontalen die sogenannte Trägheitsinstabilität gesehen werden, mit dem absoluten Drehimpuls als maßgebende Größe. Denn ebenso wie hierbei Luftmassen mit dem "richtigen" Impuls bei Auslenkung in der Horizontalen aus der zwischen Druckunterschieden und Corioliskraft balancierten großskaligen Strömung eine rückstellende Kraft erfahren, so gilt für Luftmassen mit dem "falschen" Impuls erneut das oben genannte Konzept der Instabilität. Interessanterweise existiert auch eine faszinierende Kombination aus statischer und Trägheitsinstabilität. Dabei weisen Luftmassen für sich genommen sowohl statische Stabilität in der Vertikalen als auch Trägheitsstabilität in der Horizontalen auf. Erfolgt eine Auslenkung jedoch entlang einer geneigten Bahn, kann die Störung dennoch anwachsen. Diese Form der Instabilität wird als symmetrische Instabilität bezeichnet und spielt insbesondere in Frontensystemen eine wichtige Rolle. Sie ist der physikalische Mechanismus hinter der sogenannten geneigten Konvektion (slantwise convection).
Die genaue Ausprägung der Energiekaskade hin zu kleineren Skalen dieser Instabilitäten kann sehr unterschiedlich verlaufen, wir wollen hier nur – um allmählich zum Punkt zu kommen – ein gemeinsames Konzept erläutern: Die Kelvin-Helmholtz Instabilität (KHI). In gewisser Weise ist dies eine durch die genannten Instabilitäten oftmals ausgelöste weitere Instabilität auf kleineren Skalen. Abbildung 1 zeigt eine Aufnahme einer solchen KHI in der Atmosphäre des Saturn, aufgenommen vom Cassini Orbiter der NASA. Die Grundidee ist dabei folgende: Zwei Luftschichten mit 1) unterschiedlicher Dichte und 2) unterschiedlicher horizontaler Windgeschwindigkeit sind dabei derart geschichtet, dass statische Stabilität vorherrscht, und Auslenkungen durch die rückstellende Kraft wellenartig auf und ab schwingen. Die Windscherung zwischen den beiden Schichten führt jedoch zur Verstärkung von Wellen an ihrer Grenzfläche. Durch das Aufsteilen und Überschlagen dieser Wellen wird die Temperatur- und Dichteschichtung lokal so stark verformt, dass statisch instabile Bereiche entstehen. Diese führen schließlich zum turbulenten Zusammenbrechen der ursprünglich geordneten Wellenströmung.
Und jetzt zurück zum Ausgangspunkt: Das Kriterium für das kritische Verhältnis zwischen statischer Stabilität und Windscherung für das Auftreten solcher Kelvin-Helmholtz Instabilitäten, welche letzten Endes in atmosphärischer Turbulenz münden, wird beschrieben durch die sogenannte Richardson-Zahl, benannt nach Lewis Fry Richardson. Zurück zu Ausgangspunkt Nummer 2: Was hat das Ganze mit dem Klimawandel zu tun? Nun, im anfangs erwähnten Thema des Tages vom 28.07.2026 wurde erläutert, dass ein mit der globalen Erwärmung abnehmender Temperaturunterschied zwischen hohen und niedrigen Breiten Auswirkungen auf das Wettergeschehen hat, da dieses in erster Linie auf Ausgleichsströmungen aufgrund der Temperaturunterschiede basiert. Ändern sich die Temperaturgradienten, ändert sich die großskalige Strömung. Die Jetstreams, auf deutsch auch Strahlströme, also jene Starkwindbänder, welche die großskalige Dynamik in unseren Breiten maßgeblich gestalten, liegen diesen Temperaturgegensätzen zugrunde. Nun muss man der Vollständigkeit halber, und um den letzten Bogen in dieser Ausführung zu ziehen, erwähnen, dass der Temperaturgradient nicht unmittelbar eine Windgeschwindigkeit vorgibt. Vielmehr ergibt sich aus den zugrundeliegenden Bewegungsgleichungen der Atmosphärendynamik ein Zusammenhang zwischen der horizontalen Temperaturänderung und der Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe: der Windscherung. Und hier schließt sich der Kreis. Wenn sich aufgrund der globalen Erwärmung der meridionale Temperaturgradient ändert, und dadurch auch die Windscherung, so ändert dies auch die Grundvoraussetzung für das Auftreten von Instabilitäten.
Um zur allgemeinen Verwirrung und Komplexität beizutragen, verhält es sich nun so, dass im Gegensatz zu der unteren Troposphäre der Temperaturgradient in Höhen um 10 km mit der Anpassung der Atmosphäre an die globale Erwärmung nach aktuellem Wissensstand nicht abnimmt, sondern zunimmt. Höherer Temperaturgradient bedeutet höhere Windscherung, was bessere Voraussetzungen für das Auftreten von Scherungsinstabilitäten bedeutet. Dementsprechend zeigen wissenschaftliche Studien eine signifikante Steigerung der Auftrittswahrscheinlichkeit von Turbulenzen mit Fortschreiten des Klimawandels, insbesondere in den atlantischen und pazifischen Flugkorridoren der kommerziellen Luftfahrt. Nach Meinung des Autors des heutigen Thema des Tages sind ungemütlichere oder auch weniger sichere Transkontinentalflüge nicht unbedingt ganz oben einzuordnen in der Prioritätenliste von Auswirkungen des Klimawandels. Deutlich relevanter könnte die Auswirkung von häufiger auftretender Turbulenz auf die Tropopausenregion in eben diesen Höhenbereichen sein. Die Tropopause stellt nämlich konzeptionell eine Transportbarriere zwischen der Troposphäre als erdnächste Atmosphärenschicht und der darüber liegenden Stratosphäre dar. Turbulenz ist ein Prozess der durch das Mischen von Luftmassen und ihrer Eigenschaften diese Transportbarriere durchdringen kann. Ein klassisches Beispiel für die Auswirkung des Eintrags von an der Erdoberfläche emittierten Spurengasen in die Stratosphäre ist die Entstehung des Ozonlochs durch Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Ein weiteres sehr relevantes Thema und Gegenstand aktueller Forschung ist die nicht zu vernachlässigende Auswirkung der Mischung von Spurengasen an der Tropopause auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre - ein potenzieller Rückkopplungseffekt.