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Video 1: «Sommer der Unwetter in der Schweiz»: Hagelereignisse im Sommer 2021 mit vielen Schäden in der gesamten Schweiz.
Beitrag SRF 10 vor 10 nach dem Extremereignis vom 28. Juni 2021 (4:22 Minuten). ©SRF
In den vergangenen Jahren wurden das Wissen und die Datenverfügbarkeit rund um Hagel in der Schweiz stark weiterentwickelt. Unter anderem hat das Mobiliar Lab für Naturrisiken an der Universität Bern einen Forschungsschwerpunkt zum Thema Hagel gesetzt. Die vorliegenden Lernmodule für die Sekundarstufe II basieren auf dem aktuellen Stand (2023) des Forschungs- und Praxiswissens rund um Hagel und können unabhängig voneinander bearbeitet werden.
Hagel tritt vorwiegend im Sommerhalbjahr gemeinsam mit Gewittern auf. Damit Hagel entstehen kann, sind starke Aufwinde innerhalb der Gewitterwolke nötig.
Eine wichtige Voraussetzung für die Bildung von Gewittern ist eine sogenannt potenziell instabile Schichtung (Änderung der Temperatur mit der Höhe) der Atmosphäre. Potenzielle Instabilität besteht oft dann, wenn eine warme und feuchte Luftschicht unter einer relativ kalten und trockenen Luftschicht lagert. Wird die untere Luftschicht genügend angehoben, z. B. wenn sie an einem Gebirge aufsteigt, so sind die aufsteigenden Luftmassen wärmer und somit von geringerer Dichte als die Umgebungsluft. Dadurch erhalten die warmen Luftmassen Auftrieb. Beim Aufstieg der warmen und feuchten Luftschicht, kühlt diese ab und der in der Luft enthaltene Wasserdampf beginnt zu kondensieren. Die bei der Kondensation freigesetzte (Wärme-)Energie verstärkt das Aufsteigen der Luftmassen. Es entsteht Konvektion. Grosse Gewitterwolken erreichen in den mittleren Breiten eine Höhe von bis zu 12 km und es bilden sich Aufwinde mit Geschwindigkeiten von bis zu 150 km/h.
Bei hoher potenzieller Instabilität in der Atmosphäre kann es bei der Konvektion zu Gewittern mit starken Aufwinden kommen. Diese sind nötig, damit Wasser und Eiskörner in der Wolke über eine genügend lange Zeitdauer in der Luft gehalten werden und sich somit Hagel bilden kann. Der Prozess der Hagelbildung ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Aufsteigende feuchte Luftmassen kühlen sich ab und erreichen ab einer bestimmten Höhe das Kondensationsniveau, wo der Wasserdampf zu kondensieren beginnt und sich kleine Wassertröpfchen bilden (Ziffer 1 in Abb. 2). Die Wassertröpfchen werden durch die Aufwinde in die Höhe getragen. Erreichen sie eine Höhe oberhalb des Gefrierpunkts, sprich der 0 °C-Grenze, gefriert ein Teil der aufsteigenden Wassertröpfchen zu Eiskörnern und bildet die Hagelembrios. Das restliche Wasser bleibt auch bei Minustemperaturen flüssig, dies nennt man «unterkühltes Wasser». Durch die Kollision der Hagelembrios mit unterkühltem Wasser oder Eiskristallen wachsen Hagelkörner heran. Von einem Hagelkorn spricht man ab einer Grösse von 5 mm.
Je länger ein Hagelkorn in der Luft gehalten wird und sich weiter unterkühltes Wasser anlagern kann, desto grösser wird es. Wird es schwer genug, fällt das Hagelkorn nach unten (Ziffer 2 zu 3 in Abb. 2). Beim Fallen wächst das Korn weiter an durch die Kollision mit Eiskristallen, unterkühltem Wasser und – weiter unten in der Wolke – mit Wassertröpfchen. Wird das Hagelkorn erneut von genügend starken Aufwinden erfasst, wird es wieder aufsteigen und wachsen, bis es erneut nicht mehr von den Aufwinden getragen werden kann (Ziffer 3 zu 4 in Abb. 2). Dieser Prozess kann sich mehrere Male wiederholen.
Durch das Auf- und Absteigen innerhalb der Wolke erhalten Hagelkörner einen zwiebelförmigen Aufbau mit erkennbar unterschiedlichen Schichten (vgl. Abb. 3). Die Schichten entstehen durch zwei verschiedene Wachstumsprozesse. In den unteren, wärmeren Schichten kollidieren Hagelkörner mit Wassertröpfchen oder unterkühltem Wasser, wobei sich eine dünne flüssige Hülle um das Korn bildet. Diese gefriert zu einer klaren, durchsichtigen Eisschicht. In den oberen Zonen der Wolke, wo die Temperatur um die -40 °C ist, gefriert das unterkühlte Wasser zu Eiskristallen, welche bei einer Kollision direkt ans Hagelkorn gebunden werden. Dadurch entstehen Lufteinschlüsse oder Luftblasen und es bildet sich eine trübe, undurchsichtige Eisschicht.
Sind die Aufwinde zu schwach, um die wachsenden Eiskörner zu tragen, fallen diese aus der Wolke auf die Erdoberfläche (Ziffer 6 zu 7 in Abb. 2). Während des Falls durch die wärmere Luft beginnen die Hagelkörner zu schmelzen. Schmilzt ein Hagelkorn auf dem Weg zum Boden komplett, wird es zu einem Regentropfen. Andernfalls erreicht es den Boden als Hagelkorn.
Hagelkörner können innerhalb der Wolke die Grösse eines Fussballs erreichen, wobei sie im gesamten Abwärtsflug bis auf die Hälfte schmelzen. In der Schweiz sind in den letzten Jahrzehnten extreme Hagelkorngrössen von bis zu 10 cm Durchmesser beobachtet worden. Historische Quellen eines Hagelsturms im Jahr 1927 sprechen gar von Hagelkörnern mit 13 cm Durchmesser. Das vermutlich grösste je beobachte Hagelkorn weltweit hatte einen Durchmesser von über 20 cm (severe-weather.eu, 2020).
Korosec, M. (2020). World’s largest hail record may be challenged by exceptionally large 20+ cm (8 inches) hailstones hit the capital of Libya on Tuesday, Oct 27th. In: Severe Weather Europe. URL: https://www.severe-weather.eu/global-weather/large-giant-hail-libya-mk/, eingesehen: 26.01.2023.
Lohmann, U., Lüönd, F., & Mahrt, F. (2016). An introduction to clouds: From the microscale to climate. Cambridge University Press.
Die vier Lernmodule können unabhängig voneinander im Unterricht eingesetzt werden. Verweise zwischen den Modulen verdeutlichen bestehende Zusammenhänge. Grundsätzlich ist vorgesehen, dass vor dem Bearbeiten einzelner Module die Einstiegsseite mit der kurzen Einführung zur Entstehung von Hagel vertieft wird.
Die Module haben folgenden Aufbau:
Hinführung, Fragestellung und Aufgabenstellung
Kurze Einführung und direkter Übergang zur Frage- und Aufgabenstellung
Lösungsvorschlag
Der Lösungsvorschlag wird kurz und stichwortartig präsentiert mit Links zu weiterführenden Quellen. Im Unterkapitel «Hintergründe zum Lösungsvorschlag» werden relevante Aspekte zum Modul und zur Fragestellung vertieft erläutert.
Weiterführende Aufgabenstellung
Die zweite Aufgabestellung dient dem vertieften Verständnis des Themas und ermöglicht die Anwendung des Gelernten.
Lösungsvorschlag weiterführende Aufgabenstellung
Der kurze, stichwortartige Lösungsvorschlag dient der Sicherung der Ergebnisse und enthält teilweise weiterführende Hintergrundinformationen.
Weiterführende Informationen, Quellen
Allfällige weiterführende Informationen zum Thema des Lernmoduls, welche über die konkrete Fragestellung hinausgehen.
Angabe der für das Modul verwendeten Quellen.
Deutscher Wetterdienst (2022). Wetter- und Klimalexikon. URL: https://www.dwd.de/lexikon, Eingesehen: 23.01.2023
Foote GB, Krauss TW, & Makitov V. (2005). Hail metrics using convectional radar. In Proceedings of 16th Conference on Planned and Inadvertent Weather Modification, 10–13 January 2005. San Diego, CA: 1–6. American Meteorological Society: Boston.
Joe P, Burgess D, Potts R, Keenan T, Stumpf G, & Treloar A. (2004). The S2K severe weather detection algorithms and their performance. Weather and Forecasting 19: 43–63.
MeteoSchweiz (2023). Hagelklimatologie. Glossar – Begriffe rund um den Hagel. URL: https://www.meteoschweiz.admin.ch/klima/klima-der-schweiz/hagelklimatologie.html. Eingesehen: 23.01.2023
Treloar ABA. (1998). Vertically integrated radar reflectivity as an indicator of hail size in the Greater Sydney region of Australia. In Proceedings of 19th Conference on Severe Local Storms, 14–18 September 1998. Minneapolis, MN: 48–51. American Meteorological Society: Boston.
Waldvogel, A., Federer, B., & Grimm, P. (1979). Criteria for the detection of hail cells. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 18(12), 1521-1525.
Die Lernmodule Hagel wurden durch das Mobiliar Lab für Naturrisiken der Universität Bern erstellt. Das Projekt wurde didaktisch und fachlich von Expertinnen und Experten begleitet.
Autorin und Autor:
Tamara Baumann, Mobiliar Lab für Naturrisiken, Universität Bern
Dr. Matthias Probst, Geographisches Institut, Universität Bern; PH Bern; Gymnasium Burgdorf
Projektleitung:
Tamara Baumann, Mobiliar Lab für Naturrisiken, Universität Bern
Projektmanagement:
Prof. Dr. Olivia Romppainen-Martius, Mobiliar Lab für Naturrisiken und Geographisches Institut, Universität Bern
Rouven Sturny, Mobiliar Lab für Naturrisiken, Universität Bern
Begleitgruppe:
Dr. Cornelia Schwierz, Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz
Dr. Benno Staub, Vereinigung Kantonaler Gebäudeversicherungen VKG
Prof. Dr. Olivia Romppainen-Martius, Mobiliar Lab für Naturrisiken und Geographisches Institut, Universität Bern
Kontakt:
Universität Bern
Geographisches Institut, Mobiliar Lab
Hallerstrasse 12
CH-3012 Bern
Tel: +41 31 684 88 39
E-Mail: <email-pii>