Föhn

Der Föhn ist ein warmer, trockener und meist böiger Wind, der - hangabwärts gerichtet - an der dem Wind abgekehrten Seite von Gebirgen auftritt. Die Bezeichnung wird vor allem für Winde im Alpenraum verwendet, es gibt jedoch auch zahlreiche regional unterschiedliche Namen. In den Alpen kann der Föhn zu starken Stürmen mit Spitzengeschwindigkeiten von 150 km/h führen, weshalb er oft beträchtliche Schäden an Gebäuden und Wäldern anrichtet.

Ein Föhn- oder Fallwind (engl. downslope wind) entsteht aus einer atmosphärischen Störung und ist ein Wetterphänomen physikalischer Natur, dass weltweit auftritt. Kaum ein Gebirge hat nicht seinen eigenen, lokalen Fallwind, wobei Föhn, Chinook und Bora nur die bekanntesten von ihnen darstellen.

Etymologie und Regionalnamen

Die Bezeichnung Föhn ging vom lateinischen favonius (ein lauer Westwind), vielleicht über das Alpenromanische, in das Althochdeutsche (phōnno) ein und wurde aus dem Deutschen heraus die in den Alpenländern vorherrschende Bezeichnung, die sich auch als Überbegriff durchgesetzt hat. Daneben sind Bezeichnungen für regionale Föhnlagen entstanden: Im Süden Chiles wird der Andenföhn Puelche genannt, in Argentinien hingegen Zonda. Weitere Beispiele sind, der Chinook an der Ostseite der Rocky-Mountains, die Santa Ana in Südkalifornien, der Chanduy in Mexiko, der Halny wiatr in Polen, der Aspr im französischen Zentralmassiv und der Canterbury Northwester in den neuseeländischen Alpen. Auch in den deutschen Mittelgebirgen, zum Beispiel im Erzgebirge, kann es zu kurzzeitigen Föhnlagen kommen. In Kärnten wird der Südföhn als Jauk bezeichnet, abgeleitet von jug (Slowenisch: Süden).

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 zum Beispiel die Bora an der kroatischen und montenegrinischen Adriaküste.

Definition

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:

The föhn is a fall wind on the leeward side of a mountain range. When it blows the air temperature on the leeward slope becomes higher than before. On the other hand, the bora is also a fall wind on the leeward side of a mountain range, but when it begins, the air temperature on the leeward slope becomes lower than before. (Yoshino 1976)

Übersetzung: Der Föhn ist ein Fallwind auf der Lee-Seite eines Gebirgszuges. Wenn er weht, steigt die Temperatur auf der Lee-Seite an. Demgegenüber ist die Bora zwar ebenfalls ein Fallwind auf der Lee-Seite des Gebirges, jedoch sinkt die Temperatur nach ihrem einsetzen.

Alle Fallwinde resultieren aus einer mountain wave, die bei der Blockierung einer atmosphärischen Strömung an einem orografischen Hindernis entsteht. Für die Etablierung einer solchen ist die synoptische Strömung orthogonal zur Gebirgsbarriere in einer stabil geschichteten Atmosphäre notwendig. Dabei bestimmt die Art des atmosphärischen Aktionszentrums die Zuordnung zum Typ. Es bedarf, damit ein Fallwind entsteht, aber gewisser physikalischer bzw. strömungsdynamischer Voraussetzungen. Auf der Leeseite des Gebirges verhalten sich Fallwinde dann wie eine Wasserströmung, die sich oft mit Orkanstärke durch bestimmte Korridore (sog. gaps) als herabstürzende Fallwinde einen Weg bahnen.

Definition nach World Meteorological Organization:

„Ein Föhn ist in der Regel ein Wind auf der Leeseite eines Gebirge, der beim Abstieg eine Erwärmung und Trocknung erfährt. Die treibende Kraft sind entweder synoptische Strömungen oder ein Druckgradient über dem Gebirge, aber keine katabatischen Effekte.“

Darum ist jeder Wind, der diesen Kontext erfüllt, ein Föhnwind, ohne Bezug auf den lokalen Namen.

Wissenschaftliche Diskussion der Föhntheorie

Die in Textbüchern am weitesten Verbreitete Erklärung des Föhns, ist mit Ficker & De Rudders thermodynamischem Konzept aus dem Jahr 1943 verbunden. Ihre Deutung hat, nach heutigen Verständnis, aber nur noch historische Bedeutung. Die in dem Konzept obligaten Voraussetzungen, wie Niederschlag im Luv, wärmere und trockenere Verhältnisse im Lee, Fallwindcharakter am Leehang und eine mountain wave im Lee, reichen nicht als Merkmale für eine generelle Definition von Föhn aus. Neue und objektivere Kriterien sind daher aktuelle Forschungsfelder der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt.

Thermodynamische Föhntheorie

Schema der Föhn-Entstehung auf der Nordseite der Alpen

Ein Föhn entsteht nach der thermodynamischen Föhntheorie wie alle Winde durch die Wirkung einer Druckgradientkraft und im speziellen durch den Luftdruckausgleich zwischen einem Hochdruckgebiet auf der Luv- und einem Tiefdruckgebiet auf der Lee-Seite eines Gebirges. Beim Aufsteigen der relativ feuchten Luft an der Luv-Seite des Gebirges kühlt sich diese zunächst solange trockenadiabatisch mit einem Grad Celsius pro 100m Höhenanstieg ab, bis die relative Luftfeuchte 100 % beträgt. Dies liegt daran, dass die Wasserdampfkapazität der Luft mit der Temperatur sinkt und es beim Erreichen des Taupunktes zur Sättigung kommt. Steigt die Luft weiter an, so folgt eine feuchtadiabatische Abkühlung mit durchschnittlich nur noch 0,6 K/100m. Bei dieser Abkühlung bleibt die relative Luftfeuchte mit 100 % konstant, allerdings kann die Luft das Wasser nicht mehr halten und es kommt daher zur Kondensation. Die hieraus resultierende Wolkenbildung hält an, bis die Luft auf dem Bergkamm angekommen ist und führt bis zu diesem Punkt auch zu teils heftigen Niederschlägen, welche man als Steigungsregen bezeichnet. In großen Höhen kann dieser auch in Schneefall übergehen. Typisch für die Föhnlage ist dabei das Auftreten einer Wolkenwand, der Föhnmauer, vor fast blauem Himmel, dem Föhnfenster. Mit dem Auftreten von sehr hohen Windgeschwindigkeiten, dem Föhnsturm, kann die Föhnmauer jedoch auch auf die Leeseite hereinbrechen und dort zu Niederschlägen führen.

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 nach ihr im Druckunterschied der Luft zwischen den beiden Hängen. Durch das Absinken erwärmt sie sich wieder trockenadiabatisch mit durchgehend 1 K/100m – also viel schneller, als sie sich während des „Aufstiegs“ (in der feuchtadiabatischen Phase) abgekühlt hat. Die beim Aufsteigen der Luft abgeregnete Feuchtigkeit fehlt der Luft nun beim Abfall des Windes auf der Lee-Seite und führt zu einem drastischen Absinken der relativen Luftfeuchte, was die Ursache für die Trockenheit und Wärme des Föhnwindes ist.

Probleme der thermodynamischen Theorie des Föhns

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:

Es gibt auch Föhn ohne Bewölkung im Luv oder am Alpenhauptkamm.
Die im Luv gestaute Luft ist nicht immer an der Überströmung beteiligt, sie kann stagnieren oder sich sogar in entgegengesetzter Richtung bewegen. Dazu haben Lammerts Messungen schon 1920 Beispiele gebracht.

Das 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 eine 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.

Dynamische Föhntheorie

Wellen und Fallwinde als Ursachen der Entstehung des Föhns

Siehe Weblinks Mountain waves and Downslope winds.

Hydrologisch/Hydraulische Analogie der Föhnströmung

Am geeignetsten Fallwinde in einem dreidimensionalen System zu erklären sind hydrologische Modelle. Da sie auch für Bewegungsmuster in einem stark reliefvierten Gelände mit Tälern und Pässen geeignet sind. Heute wird den topographischen Gegebenheiten noch mit der 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 zur Analogie der Machschen Zahl benutze Froudsche Zahl F, 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 drückt letztlich die Ratio zwischen kinetischer Energie (Windgeschwindigkeit) und potenzieller Energie (Stabilität, Gebirgshöhe) aus.

F=1 entspricht kritisch strömendem Wasser. Wenn die Zahl gleich oder etwas größer als eins ist, dann ist die Wahrscheinlichkeit von mountain waves groß.
F<1 entspricht fließendem Wasser. Ist die Zahl kleiner als eins, ist die Strömung ungenügend um über das Hindernis zu kommen, die Zirkulation ist blockiert.
F>1 entspricht schießendem Wasser. Ist die Zahl viel größer als eins, dann strömt die Luft ohne größere Oszillationen über das Hindernis.

Das Problem bei der Erklärung ist, daß verschiedenartige Verhalten bei Modellversuchen von fließenden und schießendem Wasser beim Überströmen eines Boden-hindernisses 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:

Beim superkritischen Fließen ist die Trägheitskraft dominierend. Kinetische Energie wird am Hindernis in potenzielle Energie umgewandelt (das heißt Wasser strömt langsamer, hat aber am Gipfel potenzielle Energie, die es befähigen, hinunter zu stürzen und schneller zu fließen, also nach dem Hindernis mehr kinetische Energie zu haben).
Beim subkritischen Fließen dominiert die Schwerkraft. Über dem Hindernis fließt das Wasser schneller, potenzielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt, die Dicke der Wasserschicht wird kleiner. Nach dem Hindernis wird die kinetische Energie zurück in potenzielle Energie verwandelt.

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 (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 eine 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.

Stehende Welle

So gleichen die kleineren atmosphärischen Wellenstörungen die durch orographische Hindernisse gebildet werden, einer Gravitationswelle, wie wir sie von den Küsten der Erde kennen. Wohingegen sich 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 Welle. Mountain waves können überall dort auftreten, wo eine starke Strömung, in einer stabilen Atmosphäre, auf eine topographische Barriere trifft.

Gap dynamic

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, wenn aber sogenannte gaps (Täler, Pässe) vorhanden sind, die Dimensionalität des Problems verändert wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Froude Zahl der Luft an einer Gebirgsbarriere niedrige ist und diese einen Weg durch Schluchten, Täler und Pässe anstelle einer Passage über das Hindernisses nimmt. Dadurch, daß viele Gebirge bestimmte Windgassen aufweisen, wird diese Idee bestärkt. Beispiele sind die „Stampede Gap“ im 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.

Stauniederschläge

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 thermodynamische Effekt mit Aufsteigen von Bodenluft aus dem Pobecken unter umständen eine Rolle spielt, wenn auch lokal beschränkt, konnte in einem partiellen Wiederspruch 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 Kaltluftpools an der Alpensüdseite bestätigt. Damit setzte sich die nicht ganz neue Theorie von Hann (1866) gegenüber der von Ficker & De Rudder (1943) durch. Hier ist die Luft der unteren Schichten im Pool gefangen und tritt nicht über den Alpenhauptkamm.

Auswirkungen auf den Menschen

Bei einer Föhnwetterlage kommt es immer wieder zu einem vermehrten Auftreten von Herz- und Kreislaufproblemen, aber auch anderen Beschwerden, welche man unter dem Begriff der Föhnkrankheit zusammenfasst.

Literatur

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Ficker, H., De Rudder, B. (1943): Föhn und Föhnwirkungen – Der gegenwärtige Stand der Frage. - Akad. Verlagsg. Becker & Erler, Leipzig.
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Yoshino, M. M. (edt., 1976): Local wind Bora. - University of Tokio press, Tokio.

Siehe auch

Winde und Windsysteme, Leewellen, Bise

Weblinks