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BRANDKATASTROPHEN TÖDLICHE FEUERSÄULEN


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 4/2020 vom 21.03.2020

Feuertornados sind zwar sehr selten, aber extrem zerstörerisch und praktisch nicht vorherzusagen. Um die Phänomene besser zu verstehen, bilden Forscher sie im Labor nach und analysieren die wenigen bekannten Fälle. Vielleicht können sie eines Tages rechtzeitig vor ihnen warnen.


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Bei einem Laborversuch am Missoula Fire Sciences Laboratory bildet sich ein Feuerwirbel durch rotierende Luftmassen, die in eine Pfanne mit brennendem Alkohol strömen.


FOTO: SPENCER LOWELL

Jason M. Forthofer bekämpft als Feuerwehrmann seit mehr als 20 Jahren Großbrände. Am Fire Sciences Laboratory in Missoula in Montana versucht ...

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Jason M. Forthofer bekämpft als Feuerwehrmann seit mehr als 20 Jahren Großbrände. Am Fire Sciences Laboratory in Missoula in Montana versucht er, deren Verhalten und Ausbreitung besser zu verstehen.

►► spektrum.de/artikel/1706918

Als wir zur Landung auf Medford im US-Bundesstaat Oregon ansetzten, wurden wir plötzlich von einer Rauchdecke eingehüllt, die den Südwesten Oregons und den Norden Kaliforniens bedeckte. Es war Ende Juli 2018, und überall in der Region wüteten große Brände. Ich war unterwegs, um mit einem Team des California Department of Forestry and Fire Protection einen tödlichen Unfall zu untersuchen, der sich zwei Tage vorher ereignet hatte. »Ein Feuerwehrmann ist in einem Feuertornado ums Leben gekommen«, berichtete mir der Gruppenleiter am Telefon – eine Nachricht, die mir einen eisigen Schauer über den Rücken jagte.

Vielleicht hatte ich mehr als jeder andere geahnt, dass dies eines Tages passieren würde. Etwa zehn Jahre zuvor hatte ich zum ersten Mal den Blick auf die Verwüstungen eines Feuertornados geworfen. Aus dem als »Indians Fire« bekannten Flächenbrand in Kalifornien hatte sich ein solcher mit einem Durchmesser von fast 300 Metern gelöst und war über eine Gruppe von Feuerwehrleuten hinweggefegt. Gegen den starken Wind anzurennen sei gewesen, wie durch brusthohes Wasser zu waten, sagte mir einer der Überlebenden. Die Männer hatten das Glück, dass sie zu dem Zeitpunkt auf einer asphaltierten Straße standen; hätten sie sich wenige Meter weiter inmitten von Gras und Bäumen befunden, wären sie alle tot. Als ich an der Stelle ankam, lagen überall riesige Eichenäste herum, und der Boden war mit Steinen übersät.

Der Vorfall hinterließ einen bleibenden Eindruck bei mir, und ich war tief beunruhigt. Die Geschichte war knapp ausgegangen. Viele von uns hatten bereits Feuerwirbel gesehen – sich drehende Feuersäulen, etwa so groß wie Staubhosen. Sie gelten nicht als sonderlich gefährlich. Feuertornados hingegen vereinen die zerstörerische Kraft der Flammen mit der Windstärke echter Tornados. Sie treten so selten auf, dass sie lange eher als Mythos galten. Ich bin seit 1996 aktiver Feuerwehrmann und forsche seit acht Jahren zum Verhalten von Feuer, und selbst ich hatte bis dahin bloß von einem Fall aus der Erzählung eines ehemaligen Feuerwehrmanns gehört.

Zurück am Fire Sciences Laboratory (Labor für Feuerforschung) in Missoula im Bundesstaat Montana, hatte ich mich damals direkt auf die Suche nach Literatur zu dem Thema begeben. Ich fand einige unterschiedlich alte Berichte über Feuertornados weltweit, die meisten davon eher vage. Die Informationen waren so spärlich, dass die Fachwelt nicht einmal eine einheitliche Definition für das Phänomen hatte. Bei massiven Waldbränden können sich in großer Höhe beispielsweise so genannte Pyrocumulonimbuswolken (pyroCb-Wolken, siehe »Gefährliche Feuerwolken «, S. 54) bilden. Das war auch bei den verheerenden Buschbränden der Fall, die bis Anfang 2020 Australien in Atem hielten: Die Feuer erzeugen dadurch quasi ihr eigenes Wetter. Dabei handelt es sich um eisbedeckte Gewitterwolken, die entstehen, wenn die durch das Feuer freigesetzte Feuchtigkeit kondensiert. Das Wasser stammt von den verbrennenden Pflanzen, aus der Atmosphäre und entsteht außerdem als Nebenprodukt bei der Verbrennung selbst. Einige Wissenschaftler waren der Ansicht, dass ausschließlich solche brennenden Wirbel, die mit pyroCb-Wolken in Verbindung stehen, echte Feuertornados sind. Nach dieser Definition wäre bislang nur ein einziger dokumentiert worden, und zwar 2003 bei einer Feuersbrunst in der Nähe der australischen Hauptstadt Canberra. Er hinterließ eine mehr als 20 Kilometer lange Schneise der Verwüstung.

Solch eine restriktive Einordnung war in meinen Augen wenig nützlich für Feuerwehrleute. Daher hatten mein Kollege Bret Butler und ich ausgehend von der allgemeineren Definition, dass ein Feuertornado ein Feuerwirbel mit tornadoähnlichen Windgeschwindigkeiten ist, sämtliche Dokumentationen zusammengesucht, die wir finden konnten. Auf dieser Grundlage hatten wir Empfehlungen für Trainings und Kurse erstellt. Und nun fuhr ich also in Richtung der Ortschaft Redding in Kalifornien, um zu untersuchen, warum ein Feuerwehrmann in einem Feuertornado ums Leben gekommen war.

Ein Tornado mit Temperaturen bis zu 1500 Grad Celsius

Die Stelle, an der der Tornado gewütet hatte, sah aus wie ein Schlachtfeld. Weder der berühmte Tornadoforscher Joshua Wurman, der mich begleitete, noch ich hatten jemals etwas Vergleichbares gesehen. Ganze Häuserblocks waren dem Erdboden gleich, allein die Fundamente waren übrig. Dachbedeckungen und anderer Schutt lagen kreuz und quer herum. Bäume waren entwurzelt oder abgebrochen und durch herumfliegende Sand- und Steinpartikel entrindet. Drei etwa 30 Meter hohe Hochspannungsmasten aus Metallgitter waren umgefegt worden, einer von ihnen war über 300 Meter weit durch die Luft geflogen. Ein zwölf Meter langer Seefrachtcontainer war völlig zerfetzt, und um umgeknickte Strommasten wickelte sich ein Stahlrohr.

Wir schätzten, dass der Wind Geschwindigkeiten von rund 265 Stundenkilometern erreicht haben könnte, das entspricht etwa einem Tornado der Stufe 3 auf der »verbesserten Fujita-Skala« (der stärkste jemals aufgezeichnete Tornado erreichte Stufe 5). In Kalifornien waren bis dahin nur zwei reguläre Tornados dieser Kategorie aufgetreten. Die brennenden Gase im Innern der Feuersäule könnten nach unseren Berechnungen Spitzentemperaturen von fast 1500 Grad Celsius erreicht haben. Der Feuertornado hatte an seiner Basis einen Durchmesser von mehr als 300 Metern und reichte Radarmessungen zufolge etwa 4800 Meter in die Höhe. Mindestens 40 Minuten lang wütete er, bewegte sich dabei langsam über den Boden und hinterließ eine rund eineinhalb Kilometer lange Spur der Zerstörung.

Wir befragten Augenzeugen und sammelten Videomaterial, in der Hoffnung, aus dem Ereignis lernen zu können. Der Feuertornado bildete sich am Abend des 26. Juli 2018 während eines Großfeuers nördlich von Redding, das sich zu diesem Zeitpunkt bereits über 11 640 Hektar erstreckte (der Brand wütete bis Ende August und ist unter dem Namen »Carr Fire« als siebtgrößter kalifornischer Waldbrand bekannt). Das Feuer war so heftig und riesig, dass es pyroCb-Wolken in etwa fünf Kilometer Höhe hervorrief. Gegen 17.30 Uhr rasten die Flammen plötzlich gen Osten und töteten den Bulldozerfahrer Don Smith sowie einen Bewohner in seinem Haus. Als sich das Feuer dem Stadtrand näherte, lösten sich einige Feuerwirbel und schleuderten glühende Asche mehr als eineinhalb Kilometer vor die Feuerwand und über den Fluss Sacramento. Dies setzte mehrere kleinere, isolierte Brände in der Nähe zweier Wohngebiete am Ende einer Sackgasse in Gang. Es entwickelten sich chaotische Szenen, als Feuerwehrleute versuchten, die Bewohner zu evakuieren, während ihnen der Fluchtweg abgeschnitten wurde. Die Menschen rannten um ihr Leben.

Als Jeremy Stoke, ein Feuerwehrmann aus Redding, gegen 19.30 Uhr dort ankam, formierte sich der Feuertornado über der Straße und kesselte Bewohner sowie Einsatzkräfte ein. Offensichtlich erwischte er Stoke auf der Straße. Dieser setzte noch einen Notruf ab, bevor die starken Winde seinen Truck mehrmals umdrehten, so dass er hunderte Meter entfernt an einen Baum liegen blieb. Stunden später wurde Stoke tot aufgefunden, seinen Verletzungen erlegen.

Die Scheiben der zwei Feuerwehrfahrzeuge, die zu diesem Zeitpunkt die Straße herunterfuhren, wurden herausgeschleudert und von Trümmerteilen zerschmettert. Seltsamerweise wurde der eine Wagen hauptsächlich auf der Fahrerseite beschädigt, der andere auf der Beifahrerseite – obwohl sie im Abstand von weniger als 50 Metern in dieselbe Richtung fuhren. Auch daran sieht man, dass die Luftmassen rotieren.

Wann können Brände die verheerenden Feuertornados erzeugen?

Was lässt sich aus einem derartigen Ereignis lernen? Können wir vorhersagen, wo und wann ein Feuertornado auftreten wird, und Bewohner und Feuerwehrleute evakuieren? Wie entsteht das Phänomen überhaupt? Um diese Fragen zu beantworten, hilft zuerst einmal ein Blick in die Geschichte. 1871 wurde eine Stadt in Wisconsin verwüstet, der riesigen Menge an umhergeworfenem Schutt nach zu urteilen höchstwahrscheinlich durch einen Feuertornado. 1964 brachte das »Polo Fire« in Kalifornien einen solchen hervor, der vier Menschen verletzte und Verwüstungen mit sich brachte. Einer der verheerendsten bildete sich 1943 während des Bombenangriffs der Alliierten auf Hamburg: Der aus dem Bombardement resultierende Feuersturm brachte einen gigantischen Feuertornado hervor, der laut dem Geografen Charles Ebert drei Kilometer im Durchmesser betrug und sich fünf Kilometer hoch erstreckte. Mehr als 40 000 Zivilisten starben in dem Großfeuer.

Noch weiter in der Vergangenheit, 1923, löste in Tokio ein größeres Erdbeben einen Brand aus. Während sich dieser von Haus zu Haus ausbreitete, retteten sich die Anwohner auf eine offene Fläche zwischen den Gebäuden. Über diesem Platz bildete sich ein großer Feuertornado und tötete innerhalb einer Viertelstunde schätzungsweise 38 000 Menschen. Mehr als 50 Jahre lang erklärte man dieses schreckliche Ereignis damit, dass zufällig zur gleichen Zeit und am selben Ort ein regulärer Tornado entstand. Doch in den 1980er und 1990er Jahren bauten die Ingenieure Seiji Soma und Kozo Saito, der heute an der University of Kentucky forscht, mit Hilfe historischer Aufzeichnungen ein Modell des Feuers in kleinem Maßstab nach, das dessen Geometrie und die Umgebungswinde detailgetreu wiedergab. Ihr Laborfeuer erzeugte von selbst einen Feuerwirbel. Das sprach dafür, dass auch der echte Feuertornado durch den Brand selbst verursacht wurde.

Diese Arbeiten basierten auf bahnbrechenden Laborversuchen, die zwei Jahrzehnte vorher gemacht worden waren. George Barym und Robert Martin erzeugten damals in ihrem Labor an der US Forest Service Southern Research Station kleine rotierende Feuer. Ihr Versuchsaufbau bestand aus einer runden Schüssel mit brennendem Alkohol, die von kreisförmig aufgebauten Wänden mit vertikalen Schlitzen umgeben war. Durch die Schlitze wurde Luft rotierend in das Feuer gesogen. Die maßgebliche Erkenntnis der beiden Wissenschaftler: In dem daraus entstehenden Feuerwirbel verbrannte die Flüssigkeit bis zu dreimal schneller und setzte damit auch seine Energie dreimal so rasch frei wie in einem nicht rotierenden Feuer. Vermutlich beschleunigte der Wir- bel die Verbrennung, indem er die Flammen nach unten in Richtung der Alkoholoberfläche drückte und diese damit aufheizte. Weitere Forschung hat gezeigt, dass solche sich drehenden Feuer ihre Energie sogar bis zu siebenmal schneller freisetzen können als gewöhnliche. Etwas Ähnliches geschieht, wenn sich bei Waldbränden Feuerwirbel und Feuertornados bilden: Ein erhitztes Stück Holz setzt Hunderte verschiedener brennbarer Gase frei, die sich entzünden. Wenn die starken horizontalen, rotierenden Winde im Feuertornado die Flammen nach unten in die Vegetation drücken, brennt diese noch intensiver.

Bei diesem Laborversuch sind drei brennende Planken so angeordnet, dass Luft in ihre Mitte strömt. Dort bündelt ein Brandherd die wirbelnden Luftmassen zu einer Säule aus Feuer. Solche Konstellationen können auch bei echten Bränden entstehen.


1976 stellten Howard Emmons und Shuh-Jing Ying an der Harvard University rings um ein stationäres Laborfeuer ein zylindrisches Drahtgeflecht auf, das sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen konnte, um der hineinströmenden Luft eine Rotation zu verleihen. Die Wissenschaftler maßen die Windgeschwindigkeit sowie die Temperaturverteilung im so erzeugten Feuer und erhielten dadurch einen Einblick in sein Innenleben. Sie fanden heraus, dass neben dem Feuer selbst eine Quelle für Rotation sowie ein verstärkender Mechanismus vonnöten sind, um einen solchen Wirbel zu erzeugen.

Ein Feuertornado besitzt im Grunde dieselben Strömungseigenschaften. In der Atmosphäre bilden sich oft zahlreiche Wirbel – durch den Wind, der um Berge weht oder über den Boden zieht, oder durch Schwankungen von Dichte und Druck. Das Feuer selbst erfüllt zwei weitere wichtige Funktionen: Es bündelt die Rotation und erhält sie zudem aufrecht, so dass sich schließlich eine schmale Luftsäule um eine vertikale Achse dreht.

Die aus dem Feuer aufsteigende heiße Luft sorgt erstens dafür, dass weitere Luft in die Basis des Feuers gesogen wird, um die aufsteigende zu ersetzen. So zieht das Feuer wirbelnde Luftmassen aus der Umgebung an. Anfangs kann sich der Wirbel noch um eine horizontale Achse drehen, doch sobald die Luft in die Brandfahne gesogen wird, bewirkt der heiße, aufsteigende Strom, dass sich die Achse aufrichtet. Zweitens heizt sich die Luft, die zunächst langsam vom Boden aus in die Höhe steigt, beim Verbrennen der in ihr enthaltenen Gase auf. Der Luftdruck rund um den Wirbel zwingt die heiße, leichte Luft im Kern des Wirbels nach oben. Die immer schneller hochströmende Luft in der Brandfahne streckt den Feuertornado oder Feuerwirbel vertikal entlang seiner Achse, so dass er in die Höhe wächst und gleichzeitig dünner wird – so, wie man aus einer Kugel Teig eine lange Schlange formt. Durch den verkleinerten Durchmesser rotiert die Luft immer schneller, um ihren Drehimpuls beizubehalten. Diesen Effekt kann man auch beobachten, wenn Eiskunstläufer bei einer Pirouette ihre Arme anlegen.

Während sich ein Feuerwirbel oder Feuertornado über eine brennende Fläche hinwegbewegt, streckt er sich bis in eine beträchtliche Höhe und dreht sich schnell um eine schmale Achse. Trifft er hingegen auf ein Gebiet, das kein brennbares Material bietet, wird er breiter und langsamer, bis nur noch ein diffuser Rauchzylinder übrig ist. Manchmal ist das rotierende Objekt so breit und langsam, dass Feuer wehrleute es nicht einmal als solches erkennen. In welche Richtung sich der Wirbel bewegt, hängt von den Umgebungswinden und der Beschaffenheit der Landschaft ab; wie genau, ist bis heute nicht verstanden.

Unberechenbare Ungetüme

Feuertornados sind rotierende Säulen aus Feuer und Rauch, die ähnliche Windgeschwindigkeiten aufweisen wie echte Tornados. Sie sind selten, aber extrem zerstörerisch und bemerkenswert langlebig. Dass sie sich aus dem Hauptfeuer lösen können, macht sie besonders gefährlich. Indem sie Trümmer wie etwa brennende Holzscheite einsaugen und hoch oben wieder herausschleudern, entfachen sie an vorher nicht absehbaren Orten neue Brände. Obwohl man die Physik der Feuertornados heute recht gut versteht, ist es nach wie vor schwierig vorherzusagen, wo und wann sich einer bildet.

Der Feuertornado aus dem »Carr Fire«

Am 26. Juli 2018 brachte die als »Carr Fire« bekannte Feuersbrunst nordwestlich der kalifornischen Stadt Redding einen Feuertornado hervor, der vier Menschen tötete und zahlreiche weitere verletzte. Damit solch ein Phänomen überhaupt entstehen kann, müssen neben dem Feuer selbst rotierende Luftmassen vorliegen. In diesem Fall wurden diese vermutlich von kalten Winden erzeugt, die vom Pazifik her über die Berge hinein ins Sacramento-Tal wehten. Die schnell strömende Luft traf dort auf sich langsam bewegende Luftmassen, wodurch sich eine brechende Welle sowie Turbulenzen ausbildeten – ähnlich, wie wenn Wasser den Überlauf eines Staudamms hinunterschießt und unten auf ruhendes Wasser trifft. Laut dem Autor brachte diese rotierende Luftmasse zahlreiche Feuerwirbel in der Größe von Staubhosen hervor und generierte letztendlich den tödlichen Feuertornado.

Unter Laborbedingungen

Künstlich erzeugte kleine brennende Wirbel erlauben Einblicke in die Physik der Feuertornados. Die so hervorgerufenen rotierenden Feuer verzehren einen Brennstoff einige Male schneller als gewöhnliche. Außerdem verlieren sie sehr wenig Energie und sind dadurch ausgesprochen stabil.

Ein Tornado nimmt Fahrt auf

BRYAN CHRISTIE DESIGN / SCIENTIFIC AMERICAN DEZEMBER 2019

Die Rotation der Luft, die sich in einem Feuertornado sammelt, kann von verschiedenen Quellen stammen, beispielsweise von Windströmungen in Bodennähe. So bilden sich zunächst Wirbel, die sich um eine horizontale Achse drehen. Doch weil die heiße Luft, die die Feuersbrunst erzeugt, nach oben strömt, richtet sich die Achse des Wirbels auf. Die brennenden Gase in der Rauchfahne erhitzen die Luft weiter, so dass sie nach oben hin beschleunigt. So streckt sich der kleine Wirbel zu einer langen, dünnen Röhre. Beim Dünnerwerden dreht sich diese immer schneller um sich selbst, ähnlich wie ein Eiskunstläufer, der bei einer Pirouette die Arme anlegt. Auf diese Weise entsteht schließlich eine große, schnell rotierende Feuersäule.

Das »Corona Fire« erzeugte im November 2008 in Kalifornien einen brennenden Wirbel –möglicherweise einen Feuertornado.


GETTY IMAGES / DAVID MCNEW

Emmons und Ying fanden auch heraus, dass Feuerwirbel ihre Rotationsenergie sehr effizient aufrechterhalten, was sie (leider) relativ langlebig macht. Der anfangs beschriebene Feuertornado aus dem »Indians Fire« beispielsweise wütete eine ganze Stunde lang. Während sich ein Feuertornado aufbaut, verstärken sich zwei entgegengesetzte Kräfte: einerseits die Zentrifugalkraft, die rotierende Luft aus dem Wirbel zieht, und andererseits ein Unterdruck im Kern des Wirbels, der sie nach innen zieht. Weil beide Kräfte im Gleichgewicht stehen, bewegt sich die Luft kaum in radialer Richtung, und die Feuersäule verliert wenig Energie durch Verwirbelung. Nicht rotierende Feuer tauschen etwa zehnmal so viel Energie mit der umgebenden Atmosphäre aus. Durch diesen Effekt reichen die rotierenden Feuer höher und haben einen geringeren Durchmesser, denn da praktisch nur an der Basis Luft eingesaugt wird, steht weniger Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung. Einige der brennbaren Gase steigen also erst hoch in der Feuersäule auf, bis sie auf genügend Sauerstoff treffen und in Flammen aufgehen.

Ebenso gefährlich ist, dass die hoch aufragende Säule aus heißen Gasen einen Unterdruck am Fuß des Wirbels erzeugt. Die resultierenden bodennahen Luftströme verlangsamen die Drehung, und die Zentrifugalkraft, die die Luft nach außen zwingt, nimmt ab. Weil aber die nach innen gerichtete Kraft durch den Luftdruck gleich bleibt, wird der Wind in Bodennähe in den Feuertornado gesogen. Wie ein gigantischer Staubsauger zieht dieser Luft und oft auch brennende Trümmer in seine Basis hinein, schleudert sie mit extremen Geschwindigkeiten senkrecht in die Höhe und spuckt sie oben wieder aus, so dass sie in völlig unvorhersagbarer Weise neue Brände entfachen.

Obwohl wir all das über die Physik der Feuertornados wissen, können wir immer noch nicht voraussagen, wo und wann sie auftreten. Klar ist lediglich, dass eine starke Quelle für Rotation vorhanden sein muss.

Aus Fallstudien wissen wir etwa, dass sich Feuertornados am wahrscheinlichsten an der windabgewandten Seite (der Lee-Seite) eines Bergs bilden. Wenn Wind um einen Berg weht, entstehen auf dieser Bergseite Luftverwirbelungen – ähnlich, wie wenn Wasser um einen großen Stein in einem Fluss fließt. Ein Feuer auf der Lee-Seite kann diese Rotation bündeln und zu einem Feuertornado anwachsen lassen. Doch tatsächlich ist die Sache komplizierter: Denn Feuerwirbel können auch in ebenem Gelände und bei ruhiger Luft entstehen. So wurde ein großer Feuerwirbel in Kansas vermutlich durch eine Kaltfront verursacht, die mit warmer Umgebungsluft zusammenstieß, als sie über ein Feuer auf einem Feld zog. Und 2007 zeigten Rui Zhou und Zi-Niu Wu von der Tsinghua-Universität in Peking, dass mehrere gleichzeitig brennende Feuer sogar von sich aus rotierende Luftmassen erzeugen können (Foto S. 55). Denn befinden sich die Brandherde in bestimmten Anordnungen zueinander, entstehen zwischen ihnen bodennahe Luftströme. Solche Konstellationen können sich beispielsweise bei einem Feuer ergeben, das glühende Asche versprüht und dadurch ringsherum weitere Brände entfacht.

Verheerende Wetterlage

Wo also kam die Rotationsenergie her, die den tödlichen Feuertornado während des »Carr Fire« hervorgebracht hat? Betrachtet man die zahlreichen Feuerwirbel, die in der Gegend bereits existierten, dann war die Luft sicherlich ungewöhnlich stark verwirbelt. Natalie Wagenbrenner, eine Kollegin am Missoula Fire Sciences Laboratory, stellte mit Hilfe spezieller Computersimulationen das Wetter nach, das an dem Tag herrschte. Ihre Analysen zeigen, dass kühle, dichte Luft vom Pazifik aus nach Osten und über eine Gebirgskette westlich von Redding gedrückt wurde. Diese kühle Luft war sehr viel schwerer als die heiße Luft im Sacramento-Tal: Der Flughafen von Redding zeichnete an jenem Tag Rekordtemperaturen von bis zu 45 Grad Celsius auf. Durch die Schwerkraft beschleunigte die kalte Luft auf ihrem Weg hinab ins Tal, ähnlich wie herabfließendes Wasser. Seltsamerweise kamen die starken Oberflächenwinde abrupt zu einem Halt – genau dort, wo sich der Feuertornado bildete.

Es dauerte eine Weile, bis ich begriff, was dann mit dem Wind passierte: ungefähr das, was man an einem Staudamm beobachten kann, wenn das Wasser aus dem oberen Reservoir nach unten fällt. An der Stelle, an der das schnell fließende Wasser auf das untere Becken trifft, springt Wasser von der Oberfläche wieder nach oben, und eine sich brechende Welle bildet sich. In diesem Bereich treten intensive Strudelbewegungen auf. Wechselsprung nennt man solch ein Phänomen in der Physik: Das Wasser geht abrupt von einem Zustand sehr schnellen Fließens (»Schießen«) in langsames Fließen über.

Auf quasi die gleiche Art und Weise traf die kalte, dichte Luft, die den Hang hinunterraste, auf das langsame Reservoir warmer Luft im Tal. Das rief höchstwahrscheinlich die starke Rotation hervor, die den Feuertornado entstehen ließ (siehe »Unberechenbare Ungetüme«, S. 56/57). Gleichzeitig türmten sich Pyrocumulonimbuswolken bis in elf Kilometer Höhe am Himmel auf. Neil P. Lareau von der University of Nevada und seine Kollegen vermuteten 2018, dass der Feuertornado erst durch die Feuerwolken zu seiner enormen Größe heranwuchs.

Möglicherweise können wir in Zukunft noch weitere dieser Phänomene so genau untersuchen und durch unsere Erkenntnisse dazu beitragen, solche Tragödien zu verhindern. Ich bin zuversichtlich, dass wir zusammen mit verbesserten Wettervorhersagen und höherer Rechenleistung (siehe »Feuermodellierung und Vorhersage«, oben) bald in der Lage sein werden, rechtzeitig vor ihnen zu warnen und Leben zu retten.

QUELLEN

Dowdy, A. J. et al.: Future changes in extreme weather and pyroconvection risk factors for Australian wildfires. Scientific Reports 9, 2019

Forthofer, J. M., Goodrick, S. L.: Vortices and wildland fire. In: Werth, P. A. et al.: Synthesis of knowledge of extreme fire behavior: Volume 1 for fire managers. USDA, 2011, S. 89–105

Lareau, N. P. et al.: The Carr Fire vortex: A case of pyrotornadogenesis? Geophysical Research Letters 45, 2018

Soma, S., Saito, K.: Reconstruction of fire whirls using scale models. Combustion and Flame 86, 1991

WEBLINKS

www.spektrum.de/news/1695552

Die Brände in Australien und ihre Auswirkungen auf die Tierund Pflanzenwelt

https://tinyurl.com/firelabtour

Eine virtuelle Tour durch das Missoula Fire Sciences Laboratory

https://www.firelab.org/project/fire-whirl-research

Mehr zur Feuertornado-Forschung einschließlich Trainingsvideo mit Jason M. Forthofer

Feuermodellierung und Vorhersage

Im Jahr 1972 entwickelte der US-amerikanische Feuerforscher Richard Rothermel erstmals ein mathematisches Modell, um zu berechnen, wie sich ein Feuer unter verschiedenen Bedingungen ausbreitet. Die Grundlage dafür sind Beschreibungen, wie sich unterschiedliche Materialien beim Verbrennen verhalten. Anhand gemessener Daten wie beispielsweise Windrichtung und -geschwindigkeit lässt sich damit abschätzen, wohin sich ein Feuer wie schnell ausbreiten und wie sich seine Intensität verändern wird.

Im Lauf der Zeit wurde das Modell mit zahlreichen Ergänzungen versehen, die mathematischen Grundlagen bilden jedoch immer noch die Basis für zahlreiche Programme, die den Verlauf von Waldbränden vorhersagen. Weil sie stark vereinfacht sind, können die Berechnungen zwar schnell erfolgen, allerdings geben sie nur grobe Trends wieder. Ursprünglich war es auch nicht die Absicht des Modells, das Verhalten bestehender Brände vorherzusagen, wie Rothermel schrieb: Sein Werkzeug sei hauptsächlich ein Planungstool. Mit ihm könnten Verantwortliche etwa einschätzen, ob es sinnvoll oder gar notwendig ist, in einem von Feuer bedrohten Gebiet gezielt Flächen abzubrennen oder mit anderen Mitteln die Vegetation auszudünnen. Um Aussagen über bereits lodernde Waldbrände zu machen, sei sein Modell zu ungenau, da man noch zu wenig über das tatsächliche Verhalten der unterschiedlichen Materialien wisse.

Präziser kann man die Ausbreitung eines Feuers mit Hilfe numerischer Strömungssimulationen (kurz CFD für »computational fluid dynamics «) vorhersagen. Diese Berechnungen benötigen aber Tage und sind daher nicht schnell genug, um bei akuten Waldbränden zu helfen.

Die Wissenschaftler um Jason Forthofer am Missoula Fire Lab arbeiten an einem neuen Programm, das zuverlässige Vorhersagen liefern soll. Dazu wollen sie die zahlreichen physikalischen Prozesse, die bei einem Brand eine Rolle spielen, zunächst richtig verstehen und sie dann in einem Modell verankern. Zum einen erwarten sie dadurch bessere Ergebnisse. Zum anderen hoffen sie, dass eine neue Software, die auf einem grundlegenden Verständnis der beteiligten Prozesse beruht, auf große Akzeptanz bei den Einsatzkräften stößt.

In der Praxis

Bei riesigen Flächenbränden, etwa in den USA, beschäftigen sich je nach Ausmaß ganze Teams allein mit der Vorhersage zum Einsatzverlauf. Dazu gehört, wohin sich ein Brand in welchem Zeitraum als Nächstes ausbreiten und wo er am intensivsten verlaufen wird. Anhand der Daten entscheiden die Einsatzkräfte beispielsweise, auf welche Gebiete sie sich konzentrieren, wenn sie versuchen, das Feuer einzudämmen.

Waldbrände in Deutschland treten bislang in viel kleinerem Maßstab und auch in geringerer Intensität auf. Die deutschen Feuerwehren arbeiten laut Ulrich Cimolino, dem Vorsitzenden des Arbeitskreises Waldbrand im Deutschen Feuerwehrverband, normalerweise nicht mit Simulationssoftware in diesem Bereich. Spezialisierte Experten wenden allerdings teils das so genannte Campbell Prediction System (CPS) an, ein Vorhersagemodell, das auf Erfahrungswerten basiert. Dabei werden etwa Vegetation, Temperatur, Windrichtung, Hangneigung und andere Faktoren berücksichtigt, um einzuschätzen, wie sich der Brand ausbreitet.

AUF EINEN BLICK FEUERTORNADOS AUF DER SPUR

1 Feuertornados sind kilometerhohe brennende Säulen mit Windstärken, wie sie bei echten Tornados herrschen. Sie können etwa bei Großbränden entstehen.

2 Dank Laborversuchen versteht man heute grundsätzlich, wie sich die Phänomene bilden. Trotzdem sind sie bislang unmöglich vorherzusagen.

3 Um das zu ändern, analysieren Forscher und Feuerwehrleute vergangene Ereignisse und stellen Feuersäulen im Labor nach.

Gefährliche Feuerwolken

Bei Flächenbränden können Pyrocumulonimbuswolken, kurz pyroCb-Wolken, entstehen. Sie reichen oft viele Kilometer hoch und sind extrem gefährlich, weil sie weitere Brände entfachen können. Daher nennt man sie auch »Flammagenitus «. Sie bilden sich, wenn Großbrände große Mengen an Feuchtigkeit freisetzen, die dann durch die Hitze in die Höhe gerissen werden. Laut Feuerwehrleuten sind Brände, die durch Flammagenitus- Wolken angefacht werden, nicht mehr kontrollierbar. Bei den australischen Buschbränden, die Anfang 2020 wüteten, machten sie die Arbeit der Einsatzkräfte immer wieder sehr gefährlich. Künftig könnten wir pyroCb-Wolken häufiger antreffen: Wissenschaftler warnten 2019, dass durch den Klimawandel regional verstärkt atmosphärische Bedingungen auftreten könnten, die ihre Entstehung begünstigen.

Feuer Wissen auf Spektrum.de

GILITUKHA / STOCK.ADOBE.COM

Unser Online-Dossier zum Thema finden Sie unter
spektrum.de/t/feueroekologie


BRYAN CHRISTIE DESIGN / SCIENTIFIC AMERICAN DEZEMBER 2019