Wetter

Föhn, dynamische Wärme durch Badewanneneffekt

von Holger Westermann

Der warme Fallwind weht noch einmal spätsommerliches Wetter ins Alpenvorland. Blauer Himmel, garniert mit Wolkenkeksen oder mächtiger weißen Wänden, Sonnenschein und kräftiger Wind erwärmen Körper und Gemüt. Doch einige Menschen klagen bei Föhn auch über unangenehme innere Unruhe, Konzentrationsprobleme, Herz-Kreislauf-Belastung oder sogar Migräne. Dabei ist durchaus umstritten, wie diese Wetterlage überhaupt entsteht.

Ursprünglich galt die Bezeichnung Föhn nur für die an den Alpen auftretenden Fallwinde. Inzwischen kennt man den Föhneffekt aber auch von anderen Gebirgen, die vereinzelt deutlich niedriger sind als das mächtige mitteleuropäische Faltengebirge*. Deshalb haben Meteorologen zur genauen Bezeichnung den Begriff "Alpenföhn" eingeführt. Für die Entstehung des Föhns im Allgemeinen und des Alpenföhns im Speziellen gibt es mehrere meteorologische Theorien.

Thermodynamische Föhntheorie:
Ein Tiefdruckgebiet nördlich der Alpen und ein Hochdruckgebiet südlich dieser orographischen Barriere streben nach Druckausgleich. Luft strömt vom Hoch zum Tief, in diesem Fall über die Bergkette hinweg. Dabei kühlt sich die feuchte Warmluft während ihres Aufstiegs an der Alpensüdseite (Luv, windzugewandte Seite) sukzessive ab. Je 100 Höhenmeter wird sie um 1°C kälter (trockenadiabatisch) und je kälter die Luft wird, desto weniger Wasserdampf kann sie tragen. Irgendwann ist die Luft gesättigt, die Luftfeuchte beträgt 100 % und es beginnt zu regnen. Danach kühlt die aufsteigende Luft zwar weiterhin ab, aber nur noch etwa halb so stark (0,5 bis 0,6°C pro 100 Höhenmeter, feuchtadiabatisch) wie vor der Wolkenbildung. Das liegt daran, dass bei der Kondensation der Regentropfen Wärme frei wird, die das weitere Abkühlen bremst.
Die Regenwolken werden mit der aufsteigenden Luft über den Alpenkamm hinaus gehoben und sind dann von der Nordseite aus als „Föhnmauer“ zu sehen. Die inzwischen recht trockene Luft fließt nun auf der Leeseite (windabgewandte Seite) zu Tal und erwärmt sich dabei, bis zur Wolkenunterkante zunächst trockenadiabatisch, dann feuchtadiabatisch. Die Temperatur eines Luftpakets, das sich im Föhn von Bozen (300m üNN) nach Garmisch-Partenkirchen (700m üNN) bewegt, beschreibt eine interessante Wärmekurve: 10°C Starttemperatur, bei -2°C setzt nach trockenadiabatischem Aufstieg bis 1500m üNN an der Alpensüdseite die Wolkenbildung ein, -9,5°C auf Kammhöhe bei 3000m üNN nach feuchtadiabatischem Aufstieg, -8,5°C nach 200m feuchtadiabatischem Absacken zur Wolkenunterkante in Lee der Alpen, +12,5°C durch trockenadiabatisches Erwärmen bis Garmisch-Partenkirchen (700m üNN). Läge Garmisch-Partenkirchen auf gleicher Meereshöhe wie Bozen (300m üNN) läge die Temperatur bei +16,5°C. Der thermodynamische Föhneffekt erwärmt die Luft bei ihrem Weg über die Alpen potentiell um +6,5°C.

Doch gelegentlich wird auch Föhn beobachtet, ohne dass sich in Luv am Alpensüdhang Wolken bilden. Zudem wird nicht in jedem Fall der Alpenkamm überströmt. Föhn kann auch auftreten, wenn sich der Wind nicht aus südtiroler Luft speist.


Dynamische Föhntheorie:
Dieser Erklärungsansatz geht davon aus, dass sich Luftmassen unter bestimmten Voraussetzungen wie Flüssigkeiten verhalten. In einem gleichmäßig strömenden Fluss bewirken Hindernisse, dass sich Wellen und Wirbel bilden. Vor dem Hindernis staut sich das Wasser, es bildet sich sogar ein kleiner Wellenberg (das gestaute Wasser wölbt sich über die normale Wasseroberfläche). Hinter dem Hindernis entstehen Turbulenzen und ein kleines Wellental (das Niveau liegt unter der normalen Wasseroberfläche). Je schneller das Wasser strömt, um so deutlicher ist der Effekt zu sehen.
In vergleichbarer Weise sprechen Meteorologen vom mountain-wave-Konzept der Föhnentstehung. Mountain waves (Bergwellen) können überall dort auftreten, wo eine starke Strömung auf eine orographische Barriere trifft, beispielsweise der ausgleichende Luftstrom zwischen einem mediterranen Hochdruckgebiet und einem Tief über Südwestdeutschland, der die Alpen überqueren muss. Dabei staut sich ein Luftpaket am luvseitigen Alpenhang (Totluft). Für die in größerer Höhe heranströmende Warmluft wirkt die Totluft wie eine Rampe zum Überqueren der Alpen. Vor dem Hindernis „Alpen“ staut sich die Luft ein wenig an, es entsteht ein Wellenberg; hinter dem Hindernis bildet sich ein Tal, die Luft sinkt ab.
Physikalisch betrachtet, sind solche Bergwellen stehende Wellen im Luftstrom. Das bedeutet, dass die Welle am Hindernis ortsstabil bleibt, während die Luft hindurch strömt (Im Gegensatz zur Meereswelle, dort bleibt das Wasser an Ort und Stelle, aber die Welle bewegt sich vorwärts). Nicht die in Luv gestaute Luft fließt über die Alpen, sondern die Höhenluft ergießt sich aus 2000 bis 3000m wie eine Wasserfall (oder eine überlaufende Badewanne) über die Alpenkante, da die Totluft den Luftmassenspiegel angehoben hat und das Tiefdruckgebiet im Norden Luft ansaugt.
So richtig in Schwung bekommt die Wellenwirkung durch die Lücken- oder Düseneffekte (gab dynamic) zwischen den Berggipfeln. Hier klaffen Scharten im Badewannenrand, durch die die Luft zuerst hindurchfließt. Stiegt der Luftspiegel weiter an, erhöht sich dort der Druck und somit die Durchflussgeschwindigkeit, bis der komplette Alpenkamm überströmt wird. Dann verliert sich der Effekt wieder.
Die an sich leichtere Warmluft kann ins Tal absinken und die schwere Kaltluft verdrängen, weil das Tiefdruckgebiet die bodennahe Luft absaugt, sobald die Föhn-Luftmassen nachdrängen (horizontale Aspirationstheorie). Unterstützt wird der Effekt durch das Wellental und die Wirbel nach dem Überströmen der Alpen (Leewellentheorie). Zu beobachten ist diese Leewelle auch an den typischen Föhnwolken (Föhnfische), die sich entlang solcher Wellen gruppieren.


Weniger bekannt, in der Praxis aber recht verbreitet, sind schwächere Föhneffekte im Lee von niedrigeren Geländestufen und Mittelgebirgszügen. Typischerweise treten solche Föhnlagen in den Wintermonaten bei starker Warmluftadvektion (Warmlufteinstrom) auf. Die Warmluft bleibt auf der kalten Luft am Boden liegen, da die Sonneneinstrahlung (beispielsweise wegen Nebel) die bodennahe Luft nicht hinreichend erwärmen kann, dass eine Durchmischung stattfindet. So kann eine nur wenige 100m flache, aber starke Temperaturinversion (oben warm, unten kalt) auftreten. Verlagert sich die Kaltluft von einer Hochfläche oder einem Mittelgebirgszug in Richtung Tiefebene, so fließt die wärmere und trockenere Luft aus höheren Luftschichten nach. Dabei lösen sich die Nebel auf, die Sicht wird besser, die Temperatur steigt spürbar an. Diese Effekte treten großräumiger auf, sie sind nicht auf einzelne Täler begrenzt und können sich noch relativ weit von der Geländeschwelle entfernt bemerkbar machen. Die Windgeschwindigkeit nimmt nur unwesentlich zu. Dennoch handelt es sich auch dabei um Föhn.




(*das ist kein kosmetischer Effekt, sondern ein geologischer und zwar ein vergleichsweise junger. Faltengebirge entstehen, wenn sich Platten der Erdkruste übereinander schieben. In der „Knautschzone“ wird der Plattenrand aufgefaltet, es entstehen Gebirge. In Europa beispielsweise die Alpen, der Jura, die Kapaten, der Kaukasus (Grenze zu Asien) oder die Pyrenäen; in Amerika die Anden und Rocky Mountains, in Asien der Himalaya und der Hindukusch, in Afrika das Atlasgebirge. Fast alle dieser Faltengebirge sind geologisch jung, sie sind in den letzten 20 bis 40 Millionen Jahren entstanden.)

Quellen:

M.Sc. Met. Stefan Bach: Föhn. Thema des Tages, Newsletter des Deutschen Wetterdienstes (DWD) vom 24.10.2013

Welzenbach, F. (2011): Grundlagen zum Föhn - eine Einführung. Online veröffentlicht am 16.11.2011

Erstellt am 24. Oktober 2013
Zuletzt aktualisiert am 24. Oktober 2013