Beim Sicherheitstraining am Krippenstein war der Föhn allgegenwärtig. Die Trainer beobachteten die Wettersituation ständig um bei Bedarf sofort abzubrechen. Eine Aussage ist mir dabei wie ein Taschentuch-Knoten im Kopf geblieben: „Föhn ist nicht gleich Föhn. Auch auf die Schichtung kommt es an.“ Ich war imponiert, verstanden hatte ich es aber nicht. Ein willkommener Anlass, dem Föhn mal auf den Zahn zu fühlen, nichts ist blöder als beim fliegen Wetterphänomene nicht verstanden zu haben. Wie sich der Zahn anfühlt möchte ich hier zusammenfassend berichten. Die  lange Linkliste der Literaturrecherche befindet sich wie immer am Ende des Beitrags.

Föhnfenster, Aufgenommen vom Loser

Föhnfenster, Aufgenommen vom Loser

Definition Föhn (WMO; 1992): „Föhn ist ein Wind, der – im Allgemeinen – auf der Leeseite von Gebirgen durch Absinken wärmer und relativ trockener wird.“

Die klassische Föhntheorie aus dem Bereich der Thermodynamik, die immer noch oft unterrichtet wird hat sich inzwischen als falsch erwiesen, darin sind sich die Experten einig. Zur Erinnerung, diese Theorie besagt, dass die Luft sich an der Luvseite eines Gebirges (Hindernisses) aufstauen und aufsteigen würde. Dadurch kühle sie sich trocken-adiabatisch (1°/100m) ab bis der Taupunkt erreicht sei, es würden sich Wolken und Niederschlag bilden und die weiter steigende Luft sich feucht-adiabatisch (0,6°/100m) abkühlen bis zum Erreichen des Gebirgskamms. Die nun trockenere Luft würde auf der Leeseite ins Tal fallen und sich sich auf dem gesamten Weg trocken-adiabatisch (1°/100m) erwärmen dadurch käme sie als warmer Wind im Tal an.

Der Kern dieser Theorie ist die postulierte Kondensierung von Wolken und Niederschlag als Grund für die wärmere Luft auf der Lee-Seite. Nun ist es aber so, dass viele Föhn-Erscheinungen ohne die Luvseitige Staubewölkung auftreten. Der leeseitige Wind ist trotzdem warm. Die Theorie ist also offensichtlich falsch – oder zumindest nicht allgemeingültig. Selbst bei vorhandener Staubewölkung trägt die Feucht-Adiabatische Abkühlung nur zu einem geringen Teil zur Gesamterwärmung bei. Die für mich wichtigste Frage bleibt ebenfalls unbeantwortet: Warum sollte warme Luft nach unten fließen, unter die kältere Luft? Das macht sie nie, das würde physikalischen Gesetzen wiedersprechen, z.B. dem archimedischen Prinzip.

Auf die Schichtung kommt es an

Föhnmauer im Süden

Föhnmauer im Süden

Ich möchte kurz auf das Thema „Schichtung“ von Luftmassen eingehen. Luft dehnt sich wie alle Stoffe bei Erwärmung aus. Warme Luft hat demnach eine geringere Dichte als kalte Luft. Umgangssprachlich könnte man sagen, kalte Luft ist schwerer als warme Luft. Nach dem archimedischen Prinzip steigt die warme Luft solange auf, bis sie in einer Luftschicht gleicher Dichte (Temperatur) ankommt, kalte Luft sinkt herunter bis sie in einer Schicht gleicher Dichte (Temperatur) ankommt. Könnte die Luft machen, was sie wollte, würde sich genauso schichten. Unten die kälteste Luft und nach oben immer wärmere Luft, wie es im Winter immer in der Wohnung der Fall ist. Hat die Luft diesen Zustand erreicht hat sie kein bestreben mehr, irgendetwas zu verändern. Der Zustand ist stabil, man spricht von einer stabilen Schichtung. Den umgekehrten Fall nennt man labile Schichtung. Die warme Luft ist unten und nach oben hin die kältere Luft. Hier gibt es ein ausgleichsbestreben. Es entsteht eine Luftströmung. Grundsätzlich ist es so, dass die Luft in der Atmosphäre nach oben hin kälter wird und die Luft labil geschichtet ist. Es finden ständig Durchmischungsvorgänge statt. Wird die Luft nach oben hin in bestimmten Schichten wärmer anstatt kälter spricht man von Inversion (Umkehrung) – hier stoppt der Austauschvorgang. Ist eine Schicht werder stabil noch labil, also genau dazwischen, spricht man von neutraler Schichtung oder adiabatischer Schichtung.  Mehr zum Thema Schichtung gibt es bei [1] und [2] zu lesen.

Was passiert, wenn wir ein Stück Luft nach Oben in eine Inversion, also wärmere Luft, werfen? Die warme Luft schickt die kältere Luft kopfschüttelnd wieder zurück (alles was anders ist hat hier nichts zu suchen). Umgekehrt, wenn wir die Luft nach unten in eine kältere Luftschicht schicken, passiert das gleiche. Genügend Dynamik und eine stabile Schichtung vorausgesetzt kann so eine Wellenbewegung entstehen (Stichworte: Brunt-Väisälä Frequenz [3], lineare Schwerewellentheorie [4]). Dieser Effekt scheint eine wesentliche Rolle beim Föhn zu spielen. Das Thema „Mountain Waves“ behandelt auch [5].

Wenn Luft zu schießen beginnt

Eine weitere Theorie welche eine Rolle spielt (oder sagen wir mal, die mir einleuchtet) ist die der schießenden Strömung aus dem Bereich der Hydraulik. Um diese zu verstehen sollte man sich das Video in der Linkliste [6] anschauen. Schießend nennt man Luft/Wasser wenn sie schneller sind, als sich ihre Störwellen ausbreiten. Bei Überschallgeschwindigkeit „schießt“ beispielsweise der Flieger dem Schall davon, die Schallwellen sind langsamer als der Flieger, wer sich auch nur minimal vor dem Flieger befindet hört ihn nicht, auch das Projektil einer Waffe schießt durch die Luft, man hört es nicht heran fliegen.

Schematisches Bild einer Föhnströmung in einem von Pässen durchsetzten Gebirge. Quelle [9].

Schematisches Bild einer Föhnströmung in einem von Pässen durchsetzten Gebirge. Quelle [9].

Strömung hat die Eigenheit, dass am Übergang von strömend zu schießend der größte Durchsatz herrscht, also genau bei der gleichen Geschwindigkeit mit der sich auch die Störwellen ausbreiten. Schießt Luft/Wasser schneller, passt weniger Volumen pro Zeit durch und strömt Luft/Wasser langsamer passt ebenfalls weniger durch. Wenn es eng hergeht stellt sich daher automatisch diese Übergangsgeschwindigkeit ein. Vor und nach dem Engpass wird mehr Querschnitt benötigt, nach dem Engpass aber erst beim Wechselsprung. Dieser Wechselsprung ist auch in leeseitigen Gebirgstälern oft nachweisbar. Siehe dazu auch [7] und [8].

Voraussetzung für das Entstehen von Föhn ist ein Druckunterschied auf beiden Seiten des Gebirges. Weiterhin benötigt man eine adiabatische Schicht in welcher der Föhnwind wehen kann ohne dass die Luft nach oben oder unten ausweicht – mir ist allerdings nicht klar ob die beobachtbare adiabatische Schicht zur Ursache oder zur Wirkung des Föhnwinds gehört. Eine Inversion stabilisiert das Ganze noch zusätzlich, idealerweise auf Kammhöhe des Gebirges, welche den Druckunterschied aufrechterhält. Oberhalb der Inversionsschicht hat das Gebirge ja keine trennende Funktion mehr, der Druckunterschied gleicht sich sofort aus. Normalerweise lagert unterhalb der für den Föhn relevanten Schicht inaktive Kaltluft bis in unterschiedliche Höhe, auf welche die wärmere Strömung, welche später zum Föhn wird, aufgleitet. Dieser Vorgang kann sich aber bereits hunderte Kilometer vor dem eigentlichen Gebirge vollziehen.

Der Druckunterschied erzeugt nun in der adiabatischen Schicht die Luftströmungen, welche das Gebirge als Engpass überwinden müssen. Kann die Luft über den Gebirgskamm strömen spricht man von hochreichendem Föhn, die Luft wird durch den Grat nach oben gelenkt und von der Inversion wieder nach unten beschleunigt. So werden Wellenbewegungen angestoßen, durch den Engpass wird die Luft außerdem beschleunigt. Kann die Luft nicht über den Gebirgskamm strömen sondern ausschließlich durch die Gebirgseinschnitte und Pässe spricht man von seichtem Föhn. Bei den meisten beobachteten Föhnerscheinungen handelt es sich um seichten Föhn.

Warum aber strömt sie nach unten in die Täler? Es gibt mehrere Erklärungsversuche die vermutlich alle irgendwie ein bisschen zum Gesamteffekt beitragen. Den Hauptanteil hat aber vermutlich die „horizontale Aspirationstheorie“ nach der die vorhandene Kaltluft vom Unterdruck des vorherrschenden Tiefs abgesaugt wird und die Föhnströmung sich nach und nach als Ersatz ausbreitet. Durch das Absinken wird diese natürlich trocken-adiabatisch aufgewärmt und erscheint somit als warmer, trockener Föhnwind. Eine ausführliche Einführung zum Thema Föhn bieten [9], [10], [11] und [12].

Fazit

Föhnbewölkung am Loser

Föhnbewölkung am Loser

Ich habe mich durch die gesammelten Werke des Internets gegraben und hier mal was gelesen und da mal was gelesen. Die Qualität war unterschiedlich. Völlig verstanden hab ich den Föhn nicht, aber mein Eindruck ist, dass es auch den echten Experten so geht. Man beobachtet den Föhn, erfasst Messwerte und kann den Ablauf erklären aber die Kausalität bleibt oft im Dunkeln, also „warum“ macht der Wind was er macht. Das Wetterphänomen „Föhn“ hat so viele unterschiedliche Facetten das kein Föhn dem anderen Gleicht. Da ist es schwierig Gemeinsamkeiten herauszufinden. Nicht umsonst ist die eingangs zitierte Definition des Föhns sehr allgemein gehalten.

Der Sicherheitstrainings-Stefan hatte also Recht. Die Schichtung ist relevant. Eine Südwestwind-Tendenz alleine reicht noch nicht für Föhn, die passende Inversion wird benötigt. Die Wetterdienste bieten Föhndiagramme [13 und 14] als Indikator an bei dem der Druckunterschied zwischen Punkten vor und hinter dem Gebirge prognostiziert wird. Überschreitet der Druckunterschied einen bestimmten Wert ist mit Föhn zu rechnen.

Für mich Flachländler ist das Gesetz. Der Föhn verhält sich in jedem Tal unterschiedlich und jemand, der sein Leben lang den Föhn in einem Tal erfahren hat mag genauere Prognosen machen können (der langgezogene Ort Brand im Brandnertal ist z.B. vom Föhn unterschiedlich betroffen. Während der nördliche Teil heftigste Winde verzeichnet ist es im südlichen Ortsteil nahezu windstill. Siehe [9] Kapitel 1) aber bereits im Nachbartal versagen auch seine Erfahrungen, eine detaillierte Vorhersage durch Wetterdienste ist hingegen nicht möglich. Daher bleibt der Gleitschirm bei Föhnwarnung eingepackt. Zumindest habe ich nun eine Vorstellung, warum das so ist.

Referenzen

[1] Mit den verschiedenen Schichtungstypen der Atmosphäre beschäftigt sich diese Seite als Unterseite einer Gesamteinführung zum Wetter.

[2] Wikipedia-Artikel zur Schichtung der Luft

[3] Der Wikipedia Artikel zur Brunt-Väisälä Frequenz.

[4] Der Wikipedia Artikel zum Thema Wasserwellen und das Unterkapitel zu Schwerewellen.

[5] Mit dem Thema „Mountain Waves“ beschäftigt sich dieses Buchkapitel.

[6] Video auf YouTube: Vorlesung zum Thema „Gerinnehydraulik“ – Der Wechselsprung. Es wird von 0:40 bis 2:30 ein anschaulicher Versuchsaufbau zum Thema der „Schießenden Strömung“ gezeigt.

[7] Der Wikipedia Artikel zum Schießen und Strömen von offenen Gerinnen.

[8] Barbara Chimani erklärt das Phänmen der schießenden Strömung auf Seite 30 ihrer Diplomarbeit etwas ausführlicher am Beispiel eines Gewässers.

[9] Die Fachzeitschrift ProMet widmet sich in ihrer Ausgabe ½ 2006 den Strömungsphänomenen in den Alpen.

[10] Föhn in Innsbruck hat diese ausführliche Seite von Felix Welzenbach zum Thema. hier finden Sich auch ausführliche Analysen einzelner Föhnsituationen von deren Entstehung bis zum Zusammenbruch.

[11] In einem dreiteiligen Forumsbeitrag wird ein konkreter Föhn-Durchlauf analysiert.

[12] Erklärung des „neuen“ Föhnmodells mit Animation.

Nicht referenzierte Links

YouTube-Video Zeitraffer Föhnmauer

Youtube-Video Zeitraffer Föhnwolken

Die Diplomarbeit von David Piper Analysiert warnrelevante Wetter am Bodensee.

Manfred Reiber beschreibt den Föhn im Zusammenhang mit der Fliegerei.

Auf dieser Seite ist die Interpretation von Modellkarten Thema.

Der Karlsruher Wolkenatlas zeigt die verscheidenen Erscheinungsformen von wolken

Online-Kurs der Uni Freiburg zu Atmosphärischer Schichtung

Wettervorhersage Seiten

[13] Föhndiagramm Schweiz

[14] Föhndiagramm Tirol

Eine meiner Lieblingsseiten ist Windtidy – eine Animation der aktuellen und prognostizierten Winde in wählbaren Höhen

Die Wetterkarten suche ich mir bei Wetter Online zusammen, dort gibt es auch verschiedene Temps.

Auf Wetterzentrale.de können ebenfalls aktuelle Karten und Prognosen eingesehen werden.

Wetterstationen und Webcams in Österreich können bei Bergfex.at abgerufen werden.

Written by Florian

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