Hurrikan Simon hat nicht nur das Meer und die Küste Mexikos in Bewegung versetzt. Eine nächtliche Satellitenaufnahme zeigt weit oberhalb seiner Wolken halbkreisförmige Wellen im schwachen Leuchten der Atmosphäre. Das Muster entsteht durch Energie, die aus dem Sturm nach oben gelangt. Sichtbar wird damit ein Teil seiner Wirkung, der auf gewöhnlichen Wetterbildern leicht verborgen bleibt.
Unter dem Satelliten liegen ein mächtiger Wolkenwirbel, dunkles Meer und die Lichter mexikanischer Städte. Darüber zeichnet sich ein anderes Muster ab: Mehrere helle und dunkle Bögen breiten sich vom Gebiet des Hurrikans aus. Die Auswertung des NASA Earth Observatory zu Hurrikan Simon ordnet diese Strukturen als atmosphärische Schwerewellen ein. Der Sensor VIIRS an Bord von NOAA-21 erfasste sie über das Nachtleuchten in der Mesosphäre. Gemeint sind weder hohe Meereswellen noch ringförmig angeordnete neue Gewitterzellen. Die Aufnahme verbindet vielmehr Signale aus unterschiedlichen Höhen. Gerade deshalb ist sie ungewöhnlich: Der sichtbare Sturm und sein Einfluss auf weit darüberliegende Luftschichten erscheinen gleichzeitig in einem Bild. Was wie ein Muster neben den Wolken aussieht, gehört physikalisch zu einer anderen Ebene der Atmosphäre und lässt sich erst durch diese Unterscheidung richtig verstehen.
Ein Hurrikan ist nicht auf die horizontale Drehbewegung begrenzt, die auf Satellitenaufnahmen besonders auffällt. In seinem Inneren steigt feuchte Luft auf, Wasser kondensiert, und dabei wird Wärme frei. Diese Prozesse verbinden den Ozean mit einem großen vertikalen Luftkreislauf. Die sichtbaren Wolken markieren dabei nicht das Ende aller Auswirkungen. Eine Bewegung in einer Luftschicht kann benachbarte Schichten anregen, ohne dass dasselbe Luftpaket den gesamten Weg zurücklegen muss. Das ist ein grundlegender Unterschied zwischen dem Transport von Materie und der Ausbreitung einer Welle. Auch eine sichtbare Wellenfront besteht nicht aus Luft, die geschlossen wie eine feste Wand über den Himmel läuft. Viele Teilbereiche reagieren nacheinander auf eine Störung. Im Fall von Simon wird diese normalerweise schwer erkennbare Verbindung durch die empfindliche Nachtbeobachtung nachvollziehbar. Der Sturm wirkt dadurch über den Bereich hinaus, in dem seine dichtesten Wolken liegen.
Besonders kräftige Aufwinde entwickeln sich im Bereich der Augenwand, dem Ring hoher Gewitterwolken um das Sturmzentrum. Wenn dort Wasserdampf kondensiert, wird zuvor bei der Verdunstung aufgenommene Energie als Wärme frei. Die erwärmte Luft kann weiter aufsteigen und ihre Umgebung verdrängen. Der entscheidende Übergang beginnt dort, wo diese Bewegung auf anders geschichtete Luft trifft. Eine nach oben gerichtete Störung kann dann Schwingungen auslösen, die sich weiter ausbreiten. Das gleicht nicht einem Loch, durch das der Hurrikan einfach in eine höhere Etage fließt. Die Energie wird vielmehr durch wechselnde Druck- und Dichteverhältnisse weitergegeben. Eine anschauliche Analogie ist eine angestoßene Reihe verbundener beweglicher Körper: Die Anregung kann weit wandern, obwohl jeder einzelne Körper nur in seinem eigenen Bereich schwingt. Die Atmosphäre ist wesentlich komplexer als dieses Gedankenmodell, doch die Unterscheidung bleibt hilfreich. Sie erklärt, weshalb ein begrenzter Entstehungsbereich ein viel größeres Wellenmuster anregen kann.
In einer stabil geschichteten Atmosphäre wirkt auf ein ausgelenktes Luftpaket eine rückstellende Kraft. Wird es angehoben, verändern sich Druck und Temperatur. Ist es danach dichter als die Luft seiner neuen Umgebung, wird es wieder nach unten beschleunigt. Es kann über seine Ausgangslage hinausschwingen und erneut zurückbewegt werden. Auftrieb und Schwerkraft ermöglichen damit eine Schwingung. Daraus leitet sich die Bezeichnung Schwerewelle ab. Sie darf nicht mit den Gravitationswellen verwechselt werden, die etwa bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher entstehen. Dort verändert sich die Raumzeit, hier bewegen sich Luftmassen innerhalb der Erdatmosphäre. Auch der Vergleich mit Wasserwellen ist nur begrenzt passend: Er veranschaulicht eine wandernde Störung, beschreibt aber nicht sämtliche Eigenschaften einer dreidimensional geschichteten Luftsäule. Die sichtbaren Bögen sind zudem keine Messung der maximalen Auslenkung einzelner Luftpakete. Ihre weiträumige Anordnung und ihre vertikale Bewegung sind verschiedene Größen, die nicht aus demselben Bildeindruck abgelesen werden können.
Die obere Atmosphäre sendet selbst schwaches Licht aus. Sonnenstrahlung regt dort Atome und Moleküle an oder trennt Teilchen, die später wieder miteinander reagieren. Bei der Rückkehr in energieärmere Zustände kann Licht entstehen. Die NASA-Erklärung zum Airglow genannten Nachtleuchten beschreibt diesen Vorgang als Informationsquelle über hohe Luftschichten. Er unterscheidet sich von einem Polarlicht, das durch eintreffende geladene Teilchen angeregt wird. Eine atmosphärische Welle verändert die Bedingungen innerhalb der leuchtenden Schicht. Dadurch können Bereiche heller oder dunkler erscheinen. Der Satellit sieht also nicht die Luftbewegung selbst wie einen festen Gegenstand, sondern deren Wirkung auf das ausgesandte Licht. Das ist vergleichbar mit einer Messung, bei der ein sichtbares Signal einen unsichtbaren Zustand erschließt. Die Interpretation verbindet deshalb die Helligkeitsstruktur mit dem bekannten physikalischen Entstehungsprozess. Ohne diese Einordnung wären die Bögen zunächst nur Unterschiede zwischen benachbarten Bildbereichen.
Das Nachtband des VIIRS-Instruments ist empfindlich genug, sehr schwache Lichtsignale zu erfassen. Es registriert allerdings nicht ausschließlich das Leuchten der hohen Atmosphäre. Auch reflektiertes Mondlicht kann zum gemessenen Signal beitragen und schwächere Strukturen überdecken. Bei der Beobachtung von Simon half die geringe Mondbeleuchtung, die Wellen deutlicher hervortreten zu lassen. Zugleich müssen die Wellen die leuchtende Schicht überhaupt erreichen. Winde und andere Bedingungen entlang ihres Weges können ihre Ausbreitung verändern oder dazu beitragen, dass sie vorher Energie verlieren. Ein fehlendes Muster beweist deshalb nicht, dass ein Sturm keine solchen Wellen erzeugt. Umgekehrt bedeutet ein besonders klarer Bogen nicht automatisch, dass darunter der gefährlichste aller Stürme liegt. Für die Sichtbarkeit wirken Entstehung, Ausbreitung und Beobachtungsbedingungen zusammen. Das Bild ist somit das Ergebnis einer ganzen Kette. Erst wenn mehrere Voraussetzungen gleichzeitig erfüllt sind, zeichnet sich die Bewegung hoch über dem eigentlichen Wetter so deutlich ab.
Dass solche Signale wissenschaftlich mehr als einen ungewöhnlichen Anblick bieten, zeigt eine frühere Fachuntersuchung mit Beteiligung des Forschungszentrums Jülich anhand einer langen Beobachtungsreihe. Lars Hoffmann und seine Kollegen verglichen Infrarotmessungen mit Informationen über tropische Wirbelstürme aus mehr als 13 Jahren. Starke Schwerewellenereignisse traten in der Stratosphäre ungefähr doppelt so häufig bei sich verstärkenden wie bei schwächer werdenden Stürmen auf. Diese Auswertung betrifft andere Messungen und ist keine nachträgliche Einzelanalyse von Simon. Sie stützt aber den Zusammenhang zwischen kräftiger vertikaler Bewegung und der Entwicklung eines Wirbelsturms. Eine sichere Vorhersage für jeden einzelnen Fall folgt daraus nicht. Zwei Gruppen können sich statistisch unterscheiden und trotzdem viele überlappende Fälle enthalten. Für eine Prognose müssten zusätzliche Eigenschaften berücksichtigt werden. Gerade deshalb sind längerfristige Messreihen wichtig: Sie unterscheiden einen auffälligen Einzelanblick von einem Zusammenhang, der unter verschiedenen Bedingungen wiederholt beobachtet wird.
Die Aufnahme von Hurrikan Simon zeigt einen Moment in einem räumlich und zeitlich veränderlichen System. Aus einem solchen Moment lässt sich die gesamte Bewegung nicht wie aus einem Film zurückrechnen. Dazu wären weitere Messungen nötig, etwa zu Temperatur, Wind und der zeitlichen Verschiebung der Bögen. Schon die gemeinsame Beobachtung verschiedener Höhen erweitert jedoch den Blick auf einen Sturm. Die vertraute Spirale der Wolken beschreibt nur einen Teil seiner Aktivität. Ein anderer Teil wird als Wellenenergie weitergegeben und beeinflusst Luftschichten, die selbst keine tropischen Gewitterwolken enthalten. Diese Verbindung erklärt, weshalb die obere Atmosphäre nicht ausschließlich von Vorgängen aus dem Weltraum geprägt wird. Auch Prozesse weit unterhalb können dort Spuren hinterlassen. Die halbkreisförmigen Lichtmuster sind deshalb ein sichtbarer Hinweis auf den Energieaustausch zwischen verschiedenen Bereichen derselben Lufthülle. Sie machen verständlich, warum das Ende einer Wolke noch lange nicht das Ende der Wirkung eines Hurrikans sein muss.
Geophysical Research Letters, Satellite Observations of Stratospheric Gravity Waves Associated With the Intensification of Tropical Cyclones; doi:10.1002/2017GL076123