Wetterblog – Einige Gedanken zur Hagelabwehr

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Das verheerende Hagelunwetter am 28.07.13 im Südwesten mit Schäden deutlich über 2 Mrd. Euro sorgte für eine deutliche Sensibilisierung der betroffenen Bevölkerung für das Thema Hagel. Natürlich kam dabei auch die Frage auf, ob – und wenn ja was – man denn gegen solche massiven Hagelunwetter unternehmen kann. Die verbreitetste, wenn auch umstrittene Methode bei der Hagelabwehr ist der Einsatz von sog. Hagelfliegern. Über diese Thematik wurde nun kürzlich auch im Kreistag Reutlingen gesprochen. Konkret geht es um die Frage, ob für die Region Reutlingen ein Hagelflieger angeschafft werden soll (Kosten ca. 150.000 Euro/Jahr). Dabei käme eine Kooperation mit der bereits bestehenden Hagelfliegerflotte von Stuttgart/dem Rems-Murr-Kreis in Frage. Da es wissenschaftlich gesehen quasi keine Beweise für oder gegen die Wirksamkeit dieser Abwehrmethode gibt, ist eine Diskussion darüber auch sehr schwierig und in aller Regel ziemlich mühselig. Auch ich kann weder stichhaltige Beweise für, noch gegen die Hagelfliegerei aufbringen. Trotzdem will ich ein paar Gedanken zu diesem Thema äußern.

Funktionsprinzip
Die Grundidee hinter dem Konzept der Hagelabwehr ist im Grunde recht trivial. In jedem Gewitter kondensiert die Feuchtigkeit der Luft in Form von kleinen Tröpfchen aus, es bilden sich  dadurch Wolken. Dabei kondensiert das Wasser an sog. Kondensationskeimen. Es handelt sich hierbei um sehr kleine Partikel, welche in der Luft schweben (Rußpartikel, Staub, „Dreck“, Aerosole etc.). Durch die Kondensation der Feuchtigkeit entstehen nun also kleine Tröpfchen um diese winzigen Keime. Diese können weiter wachsen und bei den tiefen Temperaturen in der Höhe zu Eiskristallen/-klumpen gefrieren. Letztlich können diese Eispartikel durch weitere Anlagerung von Feuchtigkeit/Eis ziemlich groß werden. Der Wachstumsprozess ist zwar bis heute nicht vollständig geklärt, klar ist aber, dass auf diese Art und Weise Hagel entsteht. Abhängig davon wie stark/schnell der Aufwind der Gewitterwolke ist, wachsen die Körner auf eine bestimmte Größe an, bevor sie nicht mehr in der Schwebe gehalten werden können und dann zum Boden fallen.

Die Hagelabwehr setzt nun bei den Kondensationskeimen an. Man versucht die Anzahl der Keime deutlich zu erhöhen. Dadurch erhofft man sich, dass sich die auskondensierende Feuchtigkeit auf mehr zur Verfügung stehende Partikel verteilt, welche dadurch automatisch kleiner sein sollten (Konkurrenzprinzip). Man hat dadurch dann zwar mehr Hagelbrocken, diese besitzen dafür einen kleineren Durchmesser. Haben die Eispartikel einen genügend kleinen Durchmesser, so können sie beim Fall zum Boden sogar ganz aufschmelzen und dort nur noch für großtropfigen Regen sorgen.

In der Praxis verwendet man als künstlich ausgebrachte Kondensationskeime kleine Partikel aus Silberiodid (AgI). Dies hat den Hintergrund, dass die Kristallstruktur von AgI der des Wassers recht ähnlich ist. Die Anlagerung von Eis soll dadurch erleichtert werden, was den Prozess überhaupt erst effektiv machen kann. Um das Silberiodid in eine so fein verteilte Form zu bringen, werden an den Tragflächen der sog. Hagelflieger Brenner angebracht, in denen eine ca. 5 %ige AgI Lösung in Aceton verbrannt wird. Bei diesem Verbrennungsprozess entstehen sehr feine Partikel. Als Flugzeuge kommen i.d.R. kleinere und wendige Maschinen wie beispielsweise Cessna‘s zum Einsatz.

Das Ziel ist, die erzeugten Partikel direkt in die Gewitterwolke zu bringen. Eine Gewitterwolke stellt quasi eine Art Staubsauger dar, welcher die feucht-warme Luft der Umgebung in den Aufwindbereich hinein saugt. Damit ist auch klar, wo die Partikel ausgebracht werden müssen: Die Flugzeuge fliegen etwas unterhalb der Wolkenunterseite des Aufwindbereichs der Gewitterwolke. Der Aufwind saugt die erzeugten Partikel dann ein und befördert sie weiter nach oben in die Wolke, wo sie sich weiter verteilen.

Es sei erwähnt, dass es auch andere Strategien gibt: In der Schweiz beispielsweise wird AgI teilweise mit Hilfe von Raketen in den Himmel geschossen. In den USA verwendet man hingegen auch Trockeneis (festes Kohlenstoffdioxid; CO2), welches von oben aus Flugzeugen in die Wolken abgeworfen wird.

Ist Silberiodid gefährlich?
Gleich vorne weg sei gesagt, dass beim geschilderten Einsatz keine Probleme mit der Toxizität von Silberiodid auftreten! Als Chemiker ist mir dieses Fachgebiet nicht ganz fremd. Wer sich über die Substanz (AgI) informiert, der wird sicherlich die Information finden, dass es sich dabei nicht gerade um ein gesundes Metallsalz handelt. Silberionen (Ag+) sind prinzipiell recht toxisch, sowohl für Mikroorganismen (-> Verwendung von Silberbesteck), als auch für höhere Lebewesen. Doch speziell aufgrund der hohen Umweltgefährdungsklasse (Kat. 3; Sehr giftig für Wasserorganismen) ruft der Einsatz von AgI immer wieder Gegner auf den Plan.

Bei einem durchschnittlichen Flug werden nur wenige Kilogramm AgI ausgebracht. Das klingt viel, ist jedoch bezogen auf die Wassermenge in einer Gewitterwolke geradezu ein Witz! Eine Gewitterwolke hat schnell deutlich über 500.000 Tonnen Wasser an Bord. Die wenigen Kilogramm Silberiodid verteilen sich in der darüber hinaus sehr dynamischen Wassermasse so stark, dass man mit keiner Gefährdung rechnen muss  (vermutlich nehmen Sie durch das Tragen von Silberschmuck ein Vielfaches dieser Menge an Silberionen auf).

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Hagel bis zu 9 cm Durchmesser am 30.06.2012 bei Crailsheim.

Also alles gut?!
Der Ansatz klingt soweit also zunächst völlig logisch und ist in der Theorie unter gewissen Randbedingungen (!!!) auch bestätigt. Tatsächlich kann das Ausbringen von AgI-Keimen dafür genutzt werden bestimmte Wolken zum „Abregnen“ zu bringen, selbst wenn diese ohne das sog. Impfen, wie man das Procedere auch nennt, keinen Niederschlag produziert hätten. So kann man beispielsweise dafür sorgen, dass in sehr niederschlagsarmen Regionen zumindest etwas Niederschlag fällt.

Doch kommen wir zurück zum Einsatz speziell gegen den Hagel bei schweren Gewittern. Die Hagelabwehr mit Flugzeugen und Silberiodid wird in Deutschland und seinen Nachbarländern bereits in mehreren Gebieten betrieben:

Stuttgart/Rems-Murr-Kreis; Schwarzwald-Baar-Kreis mit Villingen-Schwenningen/Tuttlingen; Vorder-/Südpfalz; Region Rosenheim in Bayern; Region Ostschweiz; Steiermark/AT.

Wie bereits zu Beginn erwähnt, ist der Effekt dieser Methode jedoch bis heute weder bewiesen, noch wiederlegt. Das liegt speziell daran, dass man als Untersuchungsmedium für Studien (quasi das Labor) nur die von der Natur erzeugten Gewitterwolken hat. Da keine Wolke der anderen gleicht und jedes Gewitter anders ist und sich unter anderen Randbedingungen bildet, kann man keine vernünftige Statistik über die (Un-)Wirksamkeit erstellen.

Jetzt könnte man natürlich auf die Idee kommen und diesen „Strohhalm“ einfach ergreifen. Es ist ja quasi die einzig plausible Möglichkeit der Menschheit, um aktiv etwas gegen Hagelschlag zu unternehmen. Ganz nach dem Motto: „Schaden kann es ja nicht“ wäre dies – abgesehen von den anfallenden Kosten, welche je nach Gebiet/Anz. Flieger etc. bei ungefähr 150 – 300.000 Euro pro Jahr liegen, auch okay.

Warum dieser Ansatz nicht nur meiner persönlichen Ansicht wiederspricht, sondern auch gefährlich sein könnte, werde ich im nun folgenden Teil erläutern.

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Hagel mit teilweise über 7 cm am 06.08.2013 am Albtrauf.

Folgende Kernpunkte sollte man bedenken:

  • Wirksamkein überhaupt gegeben?
  • Logistik sinnvoll umsetzbar?
  • Kontraproduktive Effekte möglich?
  • Moralische Aspekte
Zunächst zu den Randbedingungen, welche stimmen müssen, selbst wenn man der Methode überhaupt Wirksamkeit unterstellen würde. Hier geht es speziell um Probleme logistischer Art:
Das Impfen sollte sehr früh im Entwicklungsstadium der Gewitterzelle geschehen, darüber ist man sich auch unter den Befürwortern einig. Das sagt sich recht leicht, die Einhaltung ist aber in der Praxis nicht ganz so einfach. Zwar hat die Crew der Hagelflieger an gewitterträchtigen Tagen permanent Bereitschaftsdienst, die Flugzeuge starten jedoch nur bei Bedarf. D.h. der Flieger hebt nur dann ab, wenn sich bereits eine Gewitterwolke gebildet hat, welche auf dem Radar ein gewisses Intensitätslevel überschritten hat. Von der kurzen Einsatzbesprechung, dem Start inkl. einer Startfreigabe auf dem zuständigen Flughafen, bis zur Ankunft des Flugzeugs am Zielort vergeht in aller Regel zu viel Zeit.
Das frühzeitige Impfen ist speziell dann wichtig, wenn es sich um dynamische und organisierte Gewitterzellen handelt. Denn sobald diese erst einmal einen gewissen Grad an Eigenorganisation entwickelt haben, was teilweise nur etwas mehr wie ein Zyklus dauert (ca. 20-30 min.), sind sie nur noch schwer zu bremsen. Doch genau diese gut organisierten Gewitter wie die sog. Superzellen sind sehr häufig für die schweren Hagelunwetter hierzulande verantwortlich.

Weiterhin schützen die Hagelflieger keinesfalls alle Regionen vor dem Hagel. Wer bezahlt, der wird angeblich bewahrt. Die Geldgeber sitzen dabei in sog. Schutzgebieten. Damit in diesen Schutzgebieten kein Hagel fällt, muss die Zelle logischerweise vor Erreichen dieser Zone geimpft werden. Wie bereits gesagt, gibt es sogar unter den Befürwortern Stimmen, wonach  eine bereits bestehende und ausgewachsene/ausgereifte Hagelzelle überhaupt nicht mehr effektiv geimpft werden kann. Doch selbst wenn man das annehmen würde hieße dies, dass man die Zelle ca. einen „Zyklus“ vor Erreichen des Schutzgebietes abfangen und impfen sollte. Dann müsste man weiterhin so lange weiter impfen, bis man sicher gehen könnte, dass das Gewitter auch beim Überqueren der Schutzzone keinen/kaum Hagel produziert. Ein Zyklus dauert je nach atmosphärischen Bedingungen ca. 20-30 Minuten. Ein typisches und halbwegs organisiertes Gewitter (der Grad an Organisation korreliert wiederum mit der Hagelwahrscheinlichkeit/-größe) kann ohne weiteres 50 km/h schnell sein. Das heißt: Soll etwa Reutlingen vor Hagel geschützt werden, so müsste eine typische Albkanten-Gewitterzelle irgendwo zwischen Hechingen und Balingen geimpft werden und dann bis ca. Reutlingen begleitet werden. Erfahrungsgemäß bilden sich viele der hagelträchtigen Zellen zwischen Schwarzwald und Alb (Baar). Geht man einmal davon aus, dass eine solche Zelle irgendwo zwischen Villingen-Schwenningen und Balingen den Schwellenwert auf dem Radar erreicht, bei dem die Hagelabwehr aktiv werden muss, so wird es zeitlich sehr schwierig die Zelle rechtzeitig zu erreichen (ggf. kurze Besprechung, Startfreigabe, Start, Anflug).

Sollte sich die Gewitterzelle gar noch näher am Schutzgebiet bilden, so hat man quasi überhaupt keine Chance mehr. Auch dies verdeutlicht der Hagelschlag am 28.07. ganz gut: Die Gewitterzelle bildete sich über dem Schwarzwald, nordöstlich von Freiburg. Die Zeit zwischen den ersten schwachen Radarsignalen und der fast höchsten Niederschlagsintensität betrug dabei nicht einmal 20 Minuten! Bereits kurz nach seiner Bildung sorgte das Gewitter für Hagel um 6 cm im Landkreis Rottweil. Zu diesem Zeitpunkt wären die Hagelflieger im Idealfall gerade am Starten in STR. Die Zelle war nun jedoch bereits voll ausgewachsen und wies massive Dimensionen auf. Man stelle sich also einfach vor, die Gewitterzelle hätte sich nicht weit entfernt von dem zu schützenden Gebiet gebildet: Die Flieger wären in jedem Fall zu spät gekommen, selbst wenn der Flughafen direkt neben an gelegen hätte. Das zeigt auch ein weiteres konkretes Beispiel vom 02.09.2011. Am Nachmittag dieses Tages entwickelte sich über dem Schönbuch eine gefährliche Superzelle, welche speziell im Tübinger Ortsteil Pfrondorf durch starken Hagelschlag für erhebliche Schäden sorgte. Zwischen Bildung und dem Anrichten der Schäden verging nicht viel Zeit. Zudem bildete sich die Zelle recht nah am hypothetischen Schutzgebiet. Die Zelle zog damals weiter in Richtung Reutlingen, schwächte sich dabei aber deutlich ab, sodass es hier quasi keine Schäden mehr gab. Die Flieger wären in diesem Fall Luftlinie nicht weit weg gestanden, hätten die Gewitterzelle aber sehr wahrscheinlich trotzdem nicht rechtzeitig erreichen können. Dazu kommt, dass die Zelle quasi zwischen dem Flughafen und dem Schutzgebiet lag, wobei der anzuvisierende Aufwindbereich im südwestlichen Teil lokalisiert war. Ein direktes Anfliegen von STR wäre so überhaupt nicht möglich gewesen (durch eine solche Gewitterzelle fliegt kein Flugzeug ohne dabei schwerste Beschädigungen zu erleiden).

Es sei hier noch einmal darauf hingewiesen, dass die eben beschriebene Thematik das Grundproblem der Wirksamkeit überhaupt erst gar nicht berücksichtigt.

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Hagel mit 6-8 cm am 28.07.2013 entlang der schwäbischen Alb.

Es gibt noch weitere Punkte, über die man sich Gedanken machen kann:

Man bedenke, dass die Anzahl der Kondensationskeime für die resultierende Hagelgröße der entscheidende Faktor sein KANN, dies jedoch nicht sein MUSS. Hier kommt wieder die Tatsache ins Spiel, dass jede Gewitterzelle anders ist. Bei Gewittern handelt es sich außerdem um äußerst dynamische Systeme, welche ihren Aufbau, ihre Struktur und ihre Begleiterscheinungen sehr rasch ändern und ggf. an die Randbedingungen anpassen können. Wichtig für die Hagelgröße ist beispielsweise auch die sog. Wasserlast des Systems (wie viel Feuchtigkeit kann die Wolke quasi effektiv aus der aufgesaugten Luft holen) sowie die Geschwindigkeit des Aufwindes. Der Prozess der Hagelbildung ist nicht vollständig verstanden und hängt natürlich ebenfalls wieder vom jeweiligen Gewitter und den Randbedingungen (z.B. Schichtung), in denen es sich bewegt, ab.

Folgendes Gedankenexperiment kann man anstellen: Die Keimzahl wird durch das Impfen erhöht. Falls die Anzahl der Kondensationskeime ausschlaggebend für die Stärke des Aufwindes sein sollte, so kann daraus hypothetisch auch eine Verstärkung des Gewitters resultieren! Das hat folgenden Grund: Das Gewitter bezieht einen Großteil seiner Energie durch die bei der Kondensation von Wasser freiwerdende sog. latenten Wärme. Es benötigt Energie um Wasser zu verdampfen und in die Gasphase zu bringen. Diese Energie wird beim Kondensieren dann wieder frei. Sind nun durch das Impfen mehr Keime vorhanden und ist der Wassergehalt der Luft (PWAT) sehr hoch, so kann das Gewitter mehr Energie aus der Luft gewinnen, sofern die Keimzahl diskriminierend sein sollte. Als Folge würde der Aufwind stärker/schneller werden, was wiederum für extremere Begleiterscheinungen wie größeren Hagel sorgen kann.

Doch selbst wenn man die Stärke des Aufwinds als konstant und durch Impfen als nicht beeinflussbar betrachtet, können sich durch eine höhere Keimzahl Probleme ergeben:

Viele große Hagelbrocken bestehen nicht aus einem einzigen Keim, welcher letztlich bis auf diese Größe angewachsen ist, sondern aus vielen kleineren und verklumpten Hagelkörnern. Erlaubt die Schichtung und der Hageltransport innerhalb der Zelle z.B. das Antauen/Frieren, so kann man sich leicht vorstellen, wie solche Konglomerate entstehen. In einem solchen Fall ist dann auch nicht die Keimzahl, sondern viel eher die Geschwindigkeit des Aufwindes ausschlaggebend dafür, wie groß der Hagel werden kann bzw. wie lange er in der Schwebe gehalten werden kann. Eine Erhöhung der Keime sorgt also ggf. für mehr kleinere Eiskörnchen, diese verklumpen unter bestimmen Bedingungen aber recht einfach und stürzen dann als große Konglomerate zur Erde.

Doch auch selbst wenn die Hagelbrocken nicht verklumpen und die Wasserlast sowie die Aufwindstärke konstant bleiben, gilt es folgendes zu bedenken:

Eine massive Superzelle wie beispielsweise am 06.08.2013, welche für den Rekordhagel mit Durchmessern bis zu 14 cm sorgte, könnte durch ein erfolgreiches Impfen noch verheerender werden. Die 14 cm sind zwar kaum zu überbieten, rein von den Auswirkungen her ist bei Hagelschlag aber nicht nur der Durchmesser entscheidend. Die Hageldichte spielt ebenfalls eine erhebliche Rolle. Mehr Keime sorgen also für eine größere Anzahl an kleineren Hagelsteinen. Aus einem 14 cm Brocken würden mehrere kleinere werden. Sagen wir, die Größe würde auf 5 cm sinken. Was den Durchmesser angeht, so steckt hier der Faktor 2.8 bzw. 1/2.8 dahinter. Das bedeutet aber nicht, dass aus einem 14 cm Brocken dadurch 2.8 Körner mit 5 cm werden. Eine Rechnung offenbart, dass aus einem 14 cm Korn über 22 Körner mit 5 cm werden würden (ideale Kugelform angenommen)! Dies bedeutet also eine Erhöhung der Hageldichte um den Faktor 22! Von den Auswirkungen auf die Landwirtschaft beispielsweise ist Hagelschlag mit 5 cm Durchmesser und einer 22 fachen Intensität deutlich schlimmer als Hagelschlag, bei dem vereinzelt 14 cm Steine vom Himmel fallen.
Natürlich ist dieser Vergleich ein Extremfall, denn es fielen nur vereinzelt Körner mit über 12 cm vom Himmel und der Großteil der Hagelsteine war mit 6-8 cm kleiner. Doch auch eine Reduktion auf 5 cm ist eher als unwahrscheinlich einzustufen. Es geht bei diesem Beispiel auch nur darum, einen weiteren hypothetischen und kontraproduktiven Effekt aufzuzeigen.

Ein weiterer Gedanke meinerseits betrifft sog. „flash floods“. Gemeint sind damit massive Überflutungen, welche innerhalb von kürzester Zeit auftreten und dadurch extrem gefährlich sind. Bei Gewittern kommt es immer wieder zu solchen Ereignissen. Gefährlich ist es dabei speziell dann, wenn die Gewitter langsam ziehen oder gar ortsfest sind und dabei viel Niederschlag produzieren. Als besonders heimtückisch hat sich dabei die Kombination aus Regen und viel kleinkörnigem Hagel erwiesen. Durch das rapide Abschmelzen des kleinen Hagels (1-3 cm), welches durch begleitenden Regen noch beschleunigt wird, kann das im Hagel effektiv gebundene Wasser sehr schnell freigesetzt werden. Zudem schwimmt der Hagel auf dem Schmelzwasser. Die kleinen Körner sind dabei auch besonders effektiv im Verstopfen der Kanalisation bzw. von Abläufen (man beobachtet sogar ab und zu das „Zusammenfrieren“ solcher Hagelteppiche). So kann es an Bach- und Flussläufen, in Tälern und Engstellen anderer Art sehr gefährlich werden. Wie gefährlich zeigt ein tragisches Beispiel aus dem Killertal an der schwäbischen Alb (Zollernalbkreis). Am 02.06.2008 fanden damals eben durch eine solche flash flood drei Menschen den Tod.

Sollte die Hagelabwehr also tatsächlich funktionieren und die Hagelgröße minimieren, die Dichte jedoch erhöhen (s. Beispielrechnung oben), so bestünde aufgrund des Schmelzprozesses auch eine erhöhte Gefahr für solche flash floods (die Geschwindigkeit des Schmelzvorgangs ist dabei proportional zur Oberfläche, welche in kleineren Hagelkörnern relativ gesehen deutlich größer ist). In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass der Albtrauf mit seinen Hängen, Tälern und Schluchten besonders prädestiniert für solche Ereignisse ist!

Es würde mit Sicherheit noch weitere Punkte geben, über die man sich Gedanken machen könnte. Ich belasse es (vorerst) aber bei dieser Auswahl und will diesen Artikel mit meiner persönlichen Meinung beenden:

Der Mensch wird große Naturprozesse nie beeinflussen können. Ob Unwetter, Erdbeben, Vulkanausbrüche oder das Wetter an sich. Und ich finde das auch gut so. Die Natur ermöglicht und gibt uns so viel. Und immer wieder nimmt sie auch etwas. Das ist Geben und Nehmen in seiner ursprünglichsten Form!

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Hagel mit knapp 5 cm Durchmesser am 26.07.2013 bei Pforzheim.

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