Feuerteufel (Wirbel)

Flächenbrand mit Feuerteufel

Experiment im phæno

Feuerteufel sind Kleintromben, die über oder in der Nähe von Bränden entstehen. Feuerteufel werden manchmal auch fälschlicher Weise als Feuertornados bezeichnet, welche Großtromben sind. In Extremfällen kann sich ein Feuerteufel aber zu einem Feuertornado entwickeln. Ausgelöst werden sie durch starke, vom Brand verursachte Aufwinde vermischt mit bereits existierenden Luftverwirbelungen. Diese werden dann zu einer Säule rotierender Luft konzentriert und verstärkt. Ihr Ausmaß reicht dabei von Wirbeln mit einem Durchmesser von weniger als einem Meter und Windgeschwindigkeiten von 10 m/s bis zu Wirbeln mit 3 km Durchmesser und Windgeschwindigkeiten von 50 m/s. Kleinere Feuerteufel treten recht häufig über Flächenbränden auf, größere sind hingegen selten.

Entstehung

Für die Entstehung eines Feuerteufels müssen starke Aufwinde über einem Brand zusammen mit bereits rotierende Luft existieren. Es gibt viele verschiedene Mechanismen, die die Luft zum rotieren bringen können. Die wichtigsten sind dabei vertikale Windscherung und Baroklinität. Die so entstehenden Wirbel müssen nicht wie der Feuerteufel selbst um eine vertikale Achse rotieren, sondern können aus der Horizontalen Aufgerichtet werden. Über dem Feuer entwickeln sich starke Aufwinde. Um die aufgestiegene Luft zu ersetzen, strömt von den Seiten neue Luft mit samt den Wirbeln ein. Dort wird die Luft von den Aufwinden erfasst. Dabei wird die Drehachse der Luft mit nach oben gezogen und immer weiter aufgerichtet, bis sie komplett vertikal ist.

Durch die Aufwinde wird die Luft im Wirbel stark beschleunigt und dadurch streckt. Dabei zieht er sich zusammen und aufgrund der Drehimpulserhaltung tritt dabei der Pirouetteneffekt auf und die Rotationsgeschwindigkeit nimmt zu.

Struktur

Feuerteufel entwickeln sich um einen aufsteigenden und rotierenden Kern aus brennstoffreichen Gasen. Innerhalb dieses Kerns verhält sich die Luft so ähnlich wie ein rotierender Festkörper. Die Winkelgeschwindigkeit bleibt konstant, die Tangentialgeschwindigkeit nimmt mit dem Abstand von der Drehachse zu. Außerhalb dieses Kerns verhält sich die Luft eher wie in einem Potentialwirbel. Die Tagentialgeschwindigkeit ist damit antiproportional und nimmt mit dem Abstande von der Drehachse ab. Zusammengefasst kann man das gesamte System als Rankine-Wirbel approximieren.

Innerhalb des Kerns führt die Rotation der Luft außerdem zu einer stark verringerten Turbulenz. Dieser Effekt kommt zu Stande, weil die Druckgradientkraft als Zentripetalkraft wirkt, indem sie alle Luftpartikel in Richtung Zentrum beschleunigt und so die meisten Luftpartikel fest auf ihrer Kreisbahn hält. Wenn sich Rotationsgeschwindigkeit erhöht sich auch die Zentripetalbeschleunigung, die nötig ist, um ein Teilchen auf seiner Kreisbahn zu halten. Gleichzeitig verringert sich aber auch der Luftdruck im Inneren, was wiederum die Druckgradientkraft verstärkt, sodass die Kreisbahn der Teilchen aufrechterhalten werden kann. Insgesamt führt dies zu einer annähernd zyklostrophische Strömung. Als Folge gibt es einen stark reduzierten Luftaustausch zwischen dem Kern und seiner Umgebung und der Wirbel kann einen großen Teil seines Impulses behalten und wird weniger abgebremst. Auch Brennstoff und Sauerstoff werden im Kern behalten. Die geringe Turbulenz ist einer der wichtigsten Effekte, die den Feuerteufel stabilisieren und ihm damit Langlebigkeit und hohe Rotationsgeschwindigkeiten ermöglichen.

Geringe Turbulenzen, gibt es allerdings nur in ausreichend großem Abstand zum Boden. In der Nähe des Bodens wird das Gleichgewicht der Kräfte durch Reibung gestört, was neuer Luft ermöglicht ins Zentrum zu strömen. Reibung und zu umströmende Hindernisse können gepaart mit der hohen Windgeschwindigkeit starke Turbulenzen in Bodennähe verursachen. Wenn die zuströmende Luft bereits rotiert, wird auch diese Rotation in den Wirbel transportiert und kann ihn verstärken. Mit dem Luftstrom werden auch neue Brennmaterialien mit ins Zentrum gesogen und helfen, den Brand aufrecht zu erhalten. In der Mitte wird die Luft dann stark erhitzt und vertikal beschleunigt.

Erst in der Höhe, wenn sich die aufsteigende Luft durch Reibung genug verlangsamt hat oder wenn sie auf eine stabile atmosphärische Schichtung trifft kann die zyklostrophische Strömung nicht mehr aufrecht erhalten werden. Der Druckgradient im Kern nimmt ab, der Radius des Wirbels nimmt zu und der gesamte Wirbel verlangsamt sich bis zur Auflösung.

Auswirkungen

Innerhalb eines Feuerwirbels gibt es deutlich erhöhte Verbrennungsraten, was das gesamte Feuer verstärkt. In Laborexperimenten konnten je nach Art des künstlich erzeugten Wirbels eine 2- bis 7-fache Erhöhung festgestellt werden. Wahrscheinlich lässt sich dieser Effekt auf eine bessere Durchmischung von Luft und Brennstoff und erhöhte Wärmeübertragung zurückführen. Welcher Mechanismus der Wärmeübertragung die Verbrennungsraten erhöht ist noch nicht abschließend geklärt, allerdings vermuten die meisten Forscher, dass konvektive Wärmeübertragung, verursacht durch starke Turbulenzen in Bodennähe, die Hauptursache ist.

Durch die starken Winde, die im Zentrum entstehen, können brennende Gegenstände in die Luft geschleudert werden und weiter entfernt vom Feuer wieder auf den Boden fallen. So ist es möglich, dass Brandschneisen überwunden werden und neue Brandherde entstehen.

Die in Extremfällen kann die Windgeschwindigkeit der eines normalen Tornados gleichkommen, was zur Folge hat, dass die meisten vom Feuerteufel erfassten Objekte zerstört werden.

Obwohl der Grundlegende Mechanismus der Entstehung bekannt ist, ist noch nicht möglich die Entstehung von Feuerteufeln vorherzusagen. Es kann nur bestimmt werden, welche Situationen anfällig für eine Entstehung sind. Dies bringt Schwierigkeiten bei der Brandbekämpfung mit sich und gefährdet Löschkräfte, welche sich im Einsatz befinden.

Feuertornados

Über Bränden bilden sich häufig Pyrocumulus oder Pyrocumulonimbus. Verbindet sich ein Feuerteufel mit den mit diesen Wolken verbundenen Aufwinden und wird groß genug um die Wolkenschicht zu erreichen, entsteht aus der Kleintrombe eine Großtrombe/Tornado. Alternativ kann ein Feuertornado direkt durch aus den Winden von Pyrocumulus oder Pyrocumulonimbus entstehen. In diesen Fällen handelt es sich um echte Feuertornados. Echte Feuertornados sind sehr selten.

Beispiele

Carr Fire

Das Carr Fire war ein großer Waldbrand in Kalifornien. Am 26. Juli 2018 erzeugte es nordwestlich der Stadt Redding im Sacramento Valley einen Feuertornado. Dieser erreichte einen Durchmesser von 300 m, eine Höhe von ca. 4,8 km und Windgeschwindigkeiten von bis zu 265 km/h. Obwohl dieser nur ungefähr eine halbe Stunde von 19:30 – 20:00 existierte zerstörte er in diesem Zeitraum einen Strommast, entwurzelte einige Bäume, tötete vier Menschen und verletze einige weiter.

Wettermodelle zeigen für diesen Tag schnelle, kalte Winde, die vom Pazifik aus über die angrenzenden Berge ins Sacramento-Tal strömten. Sie sind die wahrscheinlichste Quelle für die nötigen rotierenden Luftmassen. Nach der Überquerung der Berge sank die kalte, schnell Luft durch die Schwerkraft beschleunigt am Berghang entlang ab (siehe Katabatischer Wind). Unten im Tal traf diese Strömung auf die dortige langsame, warme Luft und bildete mit einer brechenden Welle starke Turbulenzen aus. Zusammen mit starken rotierenden Winden in den entstanden Pyrocumulonimbus bildete sich ein Feuertornado.

Weblinks

• Feuertornado: Naturschauspiel in Australien. Frankfurter Rundschau, 20. September 2012.