Besonders vom Satelliten aus kann man die beeindruckenden Strukturen der sogenannten "Kármánschen Wirbelstraßen" gut bestaunen. Aber wie kommt es zu deren Ausbildung? Und wo kann man solche Wirbelstraßen beobachten?

Manche sehen wunderbar flauschig aus, andere können wiederum sehr bedrohlich wirken, alle haben jedoch eines gemeinsam: Sie schweben scheinbar am Himmel. Die Rede ist von Wolken. Gerade beim Blick aus dem Flugzeug wirken sie federleicht. Und selbst große Gewitterwolken geben uns trotz ihres bedrohlichen Aussehens nicht gerade den Eindruck, als seien sie tausende Tonnen schwer. Zudem sind sie im Stande, beispielsweise durch Interaktion mit der Erdoberfläche, besondere Formen anzunehmen. Auf eine dieser Formen werfen wir heute einen genaueren Blick. Es handelt sich dabei um riesige Wolkenwirbel, die in der Meteorologie auch als "Kármánsche Wirbelstraße" bezeichnet werden.

In den vorliegenden Beispielen (siehe Grafik zum Thema des Tages unter https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/11/19.html) wird die Wirbelstraße aufgrund der vorhandenen, flachen Stratocumuluswolken, wie sie häufig im Randbereich der Tropen auftreten, bei der Umströmung von einzelnen, aus dem Meer ragenden Inseln sichtbar. In der linken Abbildung handelt es sich um eine Satellitenaufnahme vom 08. November 2020. Diese zeigt die überwiegend unbewohnte Insel "Alejandro Selkirk", die am weitesten westlich gelegene Insel der Juan-Fernandez-Inseln im Pazifischen Ozean. Zwar ist diese nur etwa 10 km lang und 7 km breit, die höchste Erhebung der Insel ist jedoch immerhin 1650 m hoch und heißt "Cerro de Los Inocentes". Auf der windabgewandten Seite (fachsprachlich als "Lee" bezeichnet) dieser Insel bildete sich an diesem Tag eine Kármánsche Wirbelstraße aus.

Aber nicht nur stromabwärts von Alejandro Selkirk lassen sich die Wirbelstraßen sichten, häufig werden sie auch bei anderen, hoch aus dem Meer ragenden Inselgruppen beobachtet. In der rechten Aufnahme vom 27. Juli dieses Jahres lassen sich Wirbelstraßen auf den windabgewandten Seiten von Madeira und der Kanaren erkennen. Auf Madeira bildet der Berg Pico Ruivo zusammen mit dem Pico do Arieiro, dem Pico das Torres und dem Pico Grande das zentrale Hochgebirge der Insel mit einer Höhe von bis zu 1861 Metern. Die Küste Madeiras fällt zum Meer hin steil ab. Besonders im Lee der westlichen Kanaren La Gomera, La Palma und El Hierro kann man ebenfalls deutliche Wirbelstraßen ausmachen. Immerhin liegt der höchste Punkt von La Palma auf 2426 Metern Höhe. Bei den weiter östlich gelegenen Kanaren ist die Wolkenstraße hingegen etwas schwieriger zu erkennen. Dort fehlen Wolken im unmittelbaren Lee der Inseln, die die Wirbel sichtbar machen. Weiter stromabwärts werden diese jedoch ebenfalls deutlich. Weitere Beispiele für Inseln, in deren Lee sich regelmäßig Kármánsche Wirbelstraßen bilden, sind beispielsweise Tristan da Cunha im südlichen Atlantischen Ozean oder Guadalupe vor der Westküste Mexikos oder Jan Mayen im Nordmeer.

Wie kommen diese Wolkenstraßen denn nun zustande? Bereits 1908 legte Henri Bénard den ersten Grundstein in der Forschung zu dieser faszinierenden Erscheinung, der es dem ungarischen Ingenieur und Mathematiker Théodore von Kármán schließlich 1911 ermöglichte, die Kármánsche Wirbelstraße nachzuweisen und zu berechnen. Dabei handelt es sich um ein Phänomen aus der Strömungsmechanik, das bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit im Windschatten eines Hindernisses, also im Lee, anzutreffen ist. Grob vereinfacht kann man sagen, dass ein Hindernis bei entsprechend geringer Geschwindigkeit des umgebenden Fluids "laminar", also ohne sichtbare Verwirbelungen umströmt wird. Steigt die Strömungsgeschwindigkeit, bilden sich im Lee zunächst stationäre Wirbel, bei weiterer Geschwindigkeitszunahme kommt es schließlich an dem umströmten Körper zu einer alternierenden Wirbelablösung. Diese driften dann mit der Strömung stromabwärts. Somit entsteht, wie in den Abbildungen dargestellt, ein mehr oder weniger regelmäßiges Muster, das aus zwei versetzten Reihen von Wirbeln mit entgegengesetztem Drehsinn besteht und von der Form und Dimension des umströmten Körpers abhängt. Dass dieses Muster als "Straße" bezeichnet wird, liegt übrigens an der Ähnlichkeit zu den gleichmäßig gegeneinander versetzten Fußstapfen von Passanten.

Allerdings ist das Auftreten der Kármánschen Wirbelstraße nicht nur auf Wolken beschränkt. Sie lassen sich vielerorts in der Natur und Technik finden. Grundsätzlich können sie in allen gasförmigen und flüssigen Stoffen nachgewiesen werden und treten recht häufig auf, auch wenn sie nicht immer für das menschliche Auge sichtbar sind. Ein weiteres Beispiel für die Bildung von Wirbelstraßen findet man bei der Umströmung von Brückenpfeilern. Man kann sie übrigens auch selbst erzeugen, in dem man beispielsweise in der Badewanne mit dem Finger durchs Wasser fährt oder ein Räucherstäbchen rasch mit der Hand durch die Luft bewegt. Viel Spaß beim Ausprobieren!

MSc.-Met. Sebastian Schappert

Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 19.11.2020

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