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Dieser Artikel behandelt die meteorologische Erscheinung „Föhn“; zum Haartrockner siehe ebenda. |
Der Föhn oder Föhnwind ist ein warmer, trockener Fallwind, der – hangabwärts gerichtet – häufig auf der Leeseite von größeren Gebirgen auftritt. Er entsteht meist großräumig (Föhnwetterlage) und kann stetig wehen, aber auch böig sein.
Die Bezeichnung wird vor allem für Winde im Alpenraum verwendet, worauf der Artikel Alpenföhn näher eingeht. Es gibt jedoch zahlreiche regional unterschiedliche Namen. Charakteristisch ist die deutliche Erwärmung und Trocknung der herabströmenden Luft, die zu gesundheitlichen Beschwerden führen kann, sowie die ausgeprägte Fernsicht aufgrund der aerosolarmen Luftmassen.
Zu unterscheiden ist der echte Föhn von der ähnlich warm-trockenen „föhnigen“ Höhenströmung, und anderen, etwa durch Druckgradienten bei Sturmtiefs induzierten, föhnähnlichen Fallwinden.
Inhaltsverzeichnis |
Der Föhn entsteht aus einer synoptischen Windströmung (oder einem horizontalen Druckgradienten) über dem Gebirge und ist auf dessen Luvseite oft mit Steigungsregen verbunden, die zu relativ warmer Höhenluft führen. Neben dieser feuchtadiabatisch aufsteigenden Luft vor dem Gebirge gibt es aber noch andere Ursachen, denn Föhnwinde treten als physikalisches Wetterphänomen weltweit auf. Kaum ein Gebirge hat nicht seinen eigenen, lokalen Fallwind.
Typisch für die Föhnlage ist eine markante Wolkenwand – die Föhnmauer – vor fast blauem Himmel, dem Föhnfenster. Beim Auftreten sehr hoher Windgeschwindigkeiten, dem Föhnsturm, kann die Föhnmauer jedoch auch auf die Leeseite hereinbrechen und dort zu Niederschlägen führen.
Die Bezeichnung Föhn ging vom lateinischen favonius (ein lauer Westwind), wohl über das Rätoromanische (favuogn, dialektale Kurzform fuogn), in das Althochdeutsche (phōnno) ein und wurde aus dem Deutschen die in den Alpenländern vorherrschende Bezeichnung, die sich auch als meteorologischer Überbegriff für diese Windereignisse im allgemeinen durchgesetzt hat.
Daneben sind Bezeichnungen für regionale Föhnlagen entstanden:
Weitere Beispiele sind:
Weitere lokale Bezeichnungen sind unter anderem: Afghan, Oroshi, Kata kaze, Papagayos, Tehuantepecers, Norte oder Northers, Kachchab, Laoswind, Bohorok, Sarma und Kachchan.
Ein ähnlicher, jedoch katabatischer Fallwind ist die Bora an der kroatischen und montenegrinischen Adriaküste.
Föhn und Bora sind die typbestimmenden warmen bzw. kalten Fallwinde, die so oder ähnlich auch weltweit beobachtet werden können. Durch divergente bioklimatische Wirkung und gegensätzliche landschaftsprägende Folgen ist eine Separierung von föhn- und boragenen Typen zwangsläufig sinnvoll. Phänomenologisch lassen sie sich einfach unterscheiden:
Bezüglich der Bora ist Yoshino missverständlich. Der Wind der Bora ist kalt, weil die Ausgangsluft kalte Polarluft ist, die trotz der trockenadiabatischen Erwärmung beim Herunterwehen sich nur so wenig erwärmt, dass sie immer noch als kalt empfunden wird
Die Definition der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) lautet:
Darum ist jeder Wind, der diese Umstände erfüllt, ein Föhnwind, ohne Bezug auf den lokalen Namen.
Die in Lehrbüchern – auch heute noch – am weitesten verbreitete Erklärung des Föhns ist mit der Darstellung von Ficker & De Rodder aus dem Jahr 1943 verbunden, wird gern thermodynamisch genannt und irrtümlich Julius Hann zugeschrieben. Diese Theorie ist nach heutigem Verständnis nur noch von historischer Bedeutung, obwohl sie wichtige Erscheinungen richtig erklärt. Ihre Charakteristika sind ein Niederschlag im Luv, der als alleinige Erklärung der relativ hohen Temperaturen auf der Lee- im Vergleich zur Luvseite herangezogen wird, sowie eine dem Hangprofil folgende Störung auf beiden Seiten. Dies trifft jedoch in vielen Fällen nicht zu.
Ein Föhn entsteht nach der thermodynamischen Föhntheorie wie alle Winde durch die Wirkung einer Druckgradientkraft mit tieferem Druck auf der Lee-Seite eines Gebirges. Beim Aufsteigen der relativ feuchten Luft an der Luv-Seite des Gebirges kühlt sich diese zunächst so lange trockenadiabatisch mit 1,0° pro 100 m Höhenanstieg ab, bis die relative Luftfeuchte 100 % beträgt. Dies liegt daran, dass die Wasserdampfkapazität der Luft mit der sinkenden Temperatur sinkt, sodass sie beim Erreichen des Taupunktes mit Dampf gesättigt ist und Wassertröpfchen bildet. Steigt die Luft weiter, so kühlt sie sich nur noch feuchtadiabatisch mit etwa 0,6°/100 m ab. Dabei bleibt die relative Luftfeuchte mit 100% konstant: Die Luft kann ihren (unsichtbar) enthaltenen Wasserdampf nicht mehr behalten, und es kommt zu laufender Kondensation und Wolkenbildung. Diese dauert an, bis die Luft am Bergkamm angekommen ist, und führt fast immer zum sogenannten Steigungsregen, der in großen Höhen auch in Schneefall übergehen kann.
Vom Kamm aus beginnt die Luft auf der anderen Seite des Berges hangabwärts zu sinken. Der Föhn ist also – trotz einer stabilen Atmosphärenschichtung – nach der thermodynamischen Föhntheorie ein katabatischer Wind. Die Ursache für das Sinken liegt am Gelände und wird verstärkt, wenn der Wind auf der Föhnseite durch ein Tiefdruckgebiet "angesaugt" wird. Die sinkende Luft erwärmt sich wieder trockenadiabatisch mit durchgehend 1°/100 m – also viel schneller, als sie während des „Aufstiegs“ (in der feuchtadiabatischen Phase) abkühlte: Es fehlt ihr die beim Aufsteigen abgeregnete Wassermenge, die gleichzeitig ihre Kondensationswärme abgab. Die abgeregnete Wassermenge in Verbindung mit dem raschen Wärmerwerden der Luft auf der Leeseite ist die Ursache für die relative Trockenheit und hohe Temperatur des Föhnwindes.
Die thermodynamische Theorie als Erklärung des Föhns basiert auf dem unterschiedlichen Temperaturverhalten der Luft bei vertikalen Bewegungen und ist wegen der didaktischen Klarheit insbesondere in Lehrbüchern weit verbreitet: In vielen Lehrbüchern wurde der Kondensationseffekt als „der thermodynamische Föhneffekt“ hervorgekehrt, als ob sonst keine Gründe für die Temperaturerhöhung bei Föhn vorlägen. Dieser Effekt ist lange Zeit zu sehr betont worden, wohl auch wegen seiner didaktischen Vorzüge. Zwei Beobachtungen zeigen, dass er nicht essentiell zum Föhn gehört:
Dass eine absteigende Warmluft dem archimedischen Prinzip zuwider läuft, ist aber problematisch, dynamische Kriterien fehlen dieser Theorie und weder die Beobachtungen des hydraulic jump noch die mountain waves oder die Rotoren – auf welche im Folgenden eingegangen wird – können mit der Theorie erklärt werden.
Obwohl die Atmosphäre aus Gasen aufgebaut ist, benimmt sie sich in vielen Fällen wie eine Flüssigkeit. Daher treten viele atmosphärische Turbulenzen als Wellen auf. Atmosphärische Wellenstörungen resultieren aus der Interaktion verschiedener Kräfte, darunter Druckgradientkraft, Corioliskraft, Gravitation und Reibung. Lange war die obige thermodynamische Annahme bestimmende Theorie eines Föhnprinzips. Heute stehen allgemeine strömungsdynamische Gesetze bei Prinzipien der Entstehung von Fallwinden im Vordergrund, die zum mountain-wave-Konzept führen.
Siehe Weblinks Mountain waves and Downslope winds.
Am geeignetsten, um Fallwinde in einem dreidimensionalen System zu erklären, sind hydrologische Modelle. Da sie auch für Bewegungsmuster in einem stark reliefierten Gelände mit Tälern und Pässen geeignet sind. Heute wird den topografischen Gegebenheiten noch mit der auf Englisch gap flow dynamic genannten Hypothese Rechnung getragen. Hiernach ist die vertikale Einengung (am Pass) und eine laterale Kontraktion (in einer Lücke – gap) der Luftströmung für Fallwinde wie Föhn und Bora unabdingbar.
Hydraulische Begriffe wie fließendes Wasser, schießendes Wasser, mit kritischer Geschwindigkeit strömendes Wasser und die Froude-Zahl F (ähnlich der Mach-Zahl) werden heute in der Föhntheorie benutzt. Analog der Einteilung der Gasdynamik in Strömungen mit Unter- und Überschallgeschwindigkeit ist die Hydraulik der Strömungen mit freier Oberfläche in Wasserströmung mit Unter- und solche mit Übergrundwellengeschwindigkeit eingeteilt. Wasser, das mit einer Geschwindigkeit strömt, die kleiner ist als die Grundwellengeschwindigkeit, heißt in der Hydraulik fließendes Wasser, Wasser mit einer Strömungsgeschwindigkeit größer als die Grundwellengeschwindigkeit heißt schießendes Wasser. Strömt Wasser genau mit Grundwellengeschwindigkeit, so nennt man es „mit kritischer Geschwindigkeit strömendes Wasser". Die Froudsche Zahl F drückt letztlich das Verhältnis zwischen kinetischer Energie (Windgeschwindigkeit) und potenzieller Energie (Stabilität, Gebirgshöhe) aus.
Das Problem bei der Erklärung ist, das verschiedenartige Verhalten bei Modellversuchen von fließenden und schießendem Wasser beim Überströmen eines Bodenhindernisses analog beim Föhn anzuwenden. Wenn Wasser über ein Hindernis strömt, so wirken im Wesentlichen zwei Kräfte: die Schwerkraft und die Trägheitskraft. Man kann nun zwischen zwei Regimen unterscheiden:
Wenn über dem Hindernis eine genügend starke Beschleunigung erreicht wird und eine genügend große Abnahme der Dicke der Wasserschicht erfolgt (bei großen Hindernissen möglich), kann ein Übergang von subkritischem zu superkritischem Fließen geschehen. Da nun das Wasser am Lee-Hang superkritisch ist, beschleunigt es sich und stürzt den Hang hinunter. Weil auf der ganzen Strecke über dem Hindernis potenzielle Energie in kinetische verwandelt wird, werden starke Fallwinde im Lee produziert. Die Flüssigkeit passt sich auf der Leeseite durch einen hydraulischen Sprung (engl. hydraulic jump) wieder der Umgebung an und wechselt dadurch wieder zu subkritischem Fließen. Hier besteht zur Gasdynamik eine Analogie: wie dort der Übergang einer Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit zu einer mit Überschallgeschwindigkeit stetig erfolgt, der umgekehrte dagegen meist unstetig auf dem Wege über eine Riemannsche Stoßwelle, geht eine fließende Wasserströmung stetig in eine schießende über, eine schießende in ein fließende dagegen meist unstetig auf dem Wege über einen Wassersprung. Damit ist die durch Turbulenzen beim Wassersprung erzeugte Wärme für den hydraulischen Prozess verloren, beim gasdynamischen Prozess bleibt diese aber als innere Energie erhalten, der Luftsprung entspricht damit nicht gänzlich dem Wassersprung. Dass beim Föhn eine Luftströmung mit überkritischer Geschwindigkeit existiert (schießend strömende Luft), wird durch die außergewöhnliche Turbulenz der Rotoren beim Emporschießen bodennaher Luft im Lee unterstrichen.
So gleichen die kleineren atmosphärischen Wellenstörungen, die durch orografische Hindernisse gebildet werden, einer Gravitationswelle, wie man sie von den Küsten der Erde kennt. Während sich nun eine Ozeanwelle weiterbewegt und das Wasser still steht, ist es mit mountain waves genau anders herum: Während die Welle essentiell stationär bleibt, bewegt sich die Luft durch sie hindurch. Solche Wellen heißen dann stehende Wellen. Mountain waves können überall dort auftreten, wo eine starke Strömung, in einer stabilen Atmosphäre, auf eine topografische Barriere trifft. Charakteristisch für diese stehenden Wellen ist die damit verbundene Entstehung von Altocumulus Lenticularis Wolken, welche die Wellenbewewung der Luft erahnen lassen.
Praktisch Anwendung finden die Wellen im Segelflug. Im Aufwindbereich können große Höhen ohne Motorkraft erreicht werden.
Zu einem wesentlichen Element der Föhn-Hypothese gehört die gap dynamic. Der Grundgedanke besteht darin, dass eine orthogonale Strömung, die gegen eine Gebirgsbarriere fließt, zuerst ein zweidimensionales Problem darstellt, dass aber, wenn aber so genannte gaps (Täler, Pässe) vorhanden sind, die Dimensionalität des Problems verändert wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Froude-Zahl der Luft an einer Gebirgsbarriere niedriger ist und diese einen Weg durch Schluchten, Täler und Pässe anstelle einer Passage über das Hindernis nimmt. Dadurch, dass viele Gebirge bestimmte Windgassen aufweisen, wird diese Idee bestärkt. Beispiele sind die „Stampede Gap“ in der Kaskadenkette in Washington (Cascade Windstorm), die Trockentäler des Himalaya, das Wipptal am Brenner zwischen Inn und Etsch (Föhn), der Vratnik-Pass über Senj im Velebit (Bora) oder der Einschnitt der Bucht von Kotor in Montenegro als Korridor der Risaner Bora.
Folgendes Bild für den Mechanismus des Föhns ergibt sich heute: Im Ausgangszustand lagert über einem Gebirgsrelief und seiner weiteren Umgebung eine ausgedehnte, nahezu horizontale Temperaturinversion, in den Gebirgstälern und vielleicht auch im Vorland eine stagnierende kalte Luftschicht. Ein heranziehendes Tief beginnt die Luft durch den Kanal zwischen der Oberfläche der Kaltluft und der über dem Gebirge gelegenen Inversion abzusaugen. Die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Kanal nimmt ständig zu. Ist die Absaugwirkung des Tiefs genügend stark, so wird irgendwann längs einer zunächst schmalen Teilstrecke des Gebirgszuges die Strömung zuerst kritisch werden. Bevorzugt dazu ist ein Pass, weil dort wegen der Düsenwirkung die Strömungsgeschwindigkeit besonders gesteigert wird. Längs dieser Strecke ist damit die maximale Förderleistung des Kanals erreicht. Die Inversion wird im Lee dieser Teilstrecke herabgezogen, und dieses Herabziehen der Inversion schreitet in Richtung der Grundströmung weiter fort, während darunter die Strömung überkritisch wird. Der Föhn hat am Pass begonnen und setzt sich in das Tal hinein fort, wobei er auch die Kaltluft am Boden des Kanals mit in seinen Bereich einbezieht. Während dieser Vorgang im Gange ist, kann die Luft zu beiden Seiten unserer Gebirgsteilstrecke noch ungehindert nachströmen, da dort die kritische Geschwindigkeit noch nicht erreicht ist. Das ansaugende Tief fordert aber weiteren Luftnachschub, so dass auch seitlich unserer Strecke die Strömungsgeschwindigkeiten weiterhin zunehmen müssen, bis nach und nach längs des ganzen Gebirgsrückens überall die kritischen Werte überschritten sind. In der gesamten Erstreckung des Gebirges hat damit der Föhn eingesetzt.
Verschiedene Missdeutungen bei der Temperaturerhöhung gerade des Südföhns verlangen eine genaue Analyse. Grundsätzlich hängt die adiabatische Erwärmung der Luft davon ab, dass die Atmosphäre zwischen der Talstation und dem Gebirgsgrat stabil stratifiziert ist. Vor allem an Sommertagen mit einer tiefen und gut durchmischten Grenzschicht und superadiabatischen Gradienten in der Nähe des Bodens ist der Föhn kühler als die Luft die er verdrängt. Daher wird die grundsätzliche Erwärmung und Trocknung der Föhn Luft aufgrund des Abstiegs auf der Lee Seite eines Gebirges mit der Tatsache verwechselt, dass Föhn Luft wärmer und trockener als die Luftmasse ist, die dieser auswechselt. Dies belegen Statistiken, die bei Südföhn in Innsbruck einen deutlichen erhöhten Trend der Temperaturmaxima in den Sommermonaten belegen. Für die Alpensüdseite ist der Effekt von Nordföhn aber durch die Kaltluftadvektion überschattet. Dagegen ist die Südströmung bei Südföhnlagen für den Bereich der Ostalpen im Raum von Tirol mit der Wirkung des Föhns als Südwind immer durch eine entsprechende Erhöhung der Temperaturmaxima charakterisiert.
Dass implizierte Stauniederschläge kein Muss bei Föhn sind, geht aus der Statistik von Fliri (1984) eindeutig hervor. Bei Südföhn ist nur ca. 70 % Niederschlagswahrscheinlichkeit am östlichen Alpensüdrand, 80 % im westlichen Teil mit Maxima von 90 % im Tessin, wo die Niederschlagsintensitäten auch größer sind. Dass der Fall aber nicht ganz einfach ist und ein thermodynamischer Effekt mit Aufsteigen von Bodenluft aus dem Po-Becken unter Umständen eine Rolle spielt, wenn auch lokal beschränkt, konnte in einem partiellen Widerspruch zu bisherigen Ergebnissen gezeigt werden. Für Teile der Westalpen kann daher die feuchtadiabatische Komponente eine Rolle spielen. Während des ALPEX-Programms wurde die Existenz eines Kaltluft-Pools an der Alpensüdseite bestätigt. Damit setzte sich die nicht ganz neue Theorie von Hann (1866) gegenüber der von Ficker und De Rudder (1943) durch. Hier ist die Luft der unteren Schichten im Pool gefangen und tritt nicht über den Alpenhauptkamm.
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Föhn bis zum Donautal bei Regensburg |
Bei einer Föhnwetterlage kommt es immer wieder zu einem vermehrten Auftreten von Herz- und Kreislaufproblemen, aber auch anderen Beschwerden wie Kopfschmerzen, welche man unter dem Begriff der Föhnkrankheit zusammenfasst.
Winde und Windsysteme, Leewellen, Bise, Lenticularis
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