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Föhn
Der Föhn oder Föhnwind ist ein warmer trockener Fallwind, der häufig auf der der Windrichtung abgewandten Seite – der Leeseite – von größeren Gebirgen …
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Was Föhn ist
Föhn oder Föhnwind ist ein warmer, trockener Fallwind auf der windabgewandten Seite eines größeren Gebirges, der Leeseite. Er entsteht meist bei Wetterlagen mit einem Druckgradienten quer zum Gebirge. Er kann gleichmäßig oder böig wehen. Wichtig ist die Abgrenzung zum nur ähnlich warm-trockenen „föhnigen“ Höhenwind und zu anderen föhnähnlichen Fallwinden, die etwa durch Druckgradienten bei Sturmtiefs ausgelöst werden.
Nach der Definition von Yoshino (1976) steigt beim Föhn die Temperatur am leeseitigen Berghang. Die Bora ist ebenfalls ein Fallwind im Gebirgslee, lässt dort aber die Temperatur sinken. Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) definiert Föhn als einen in der Regel auf der Leeseite eines Gebirges wehenden Wind, der beim Abstieg wärmer und trockener wird. Antrieb sind synoptische Strömungen, also großräumige Wetterströmungen, oder ein Druckgradient über dem Gebirge; katabatische Effekte zählen nach dieser Definition nicht dazu.
Typische Folgen sind sehr gute Fernsicht durch aerosolärmere Luft und mögliche gesundheitliche Beschwerden, die als Föhnkrankheit bezeichnet werden. Nicht jeder Föhn ist gleich warm: Besonders in den Ostalpen können Föhnwinde auch ohne Ausregnen der Luftfeuchtigkeit entstehen. Dann wird weniger Wärme erzeugt.
Thermodynamische Erklärung und ihre Grenzen
Die verbreitete thermodynamische Föhntheorie erklärt Föhn mit dem Aufsteigen feuchter Luft auf der Luvseite und dem Absinken auf der Leeseite. Zunächst kühlt aufsteigende Luft trockenadiabatisch, also ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, um 1,0 °C je 100 m ab. Erreicht sie bei 100 % relativer Luftfeuchte den Taupunkt, kondensiert Wasserdampf zu Tröpfchen. Beim weiteren Aufstieg beträgt die feuchtadiabatische Abkühlung etwa 0,6 °C je 100 m.
Dabei entstehen Wolken und meist Steigungsregen, in großen Höhen auch Schnee. Bei der Kondensation werden 2257 kJ/kg spezifische Kondensationsenthalpie frei; beim Gefrieren kommt die Kristallisationsenthalpie von 333,5 kJ/kg hinzu. Auf der Leeseite sinkt die nun wasserärmere Luft ab und erwärmt sich wieder trockenadiabatisch mit 1 °C je 100 m. Das Ausregnen und die schnellere Erwärmung beim Absinken erklären in diesem Modell die hohe Temperatur und geringe relative Feuchte des Föhnwinds.
Diese Theorie wird wegen ihrer Anschaulichkeit weiterhin in Lehrbüchern verwendet, gilt aber heute nur noch als historisch bedeutsam und nicht als vollständige Erklärung. Föhn kann auch ohne Bewölkung im Luv oder am Alpenhauptkamm vorkommen. Außerdem muss die im Luv gestaute Luft nicht über das Gebirge strömen: Sie kann stagnieren oder sich sogar entgegengesetzt bewegen; Beispiele dafür wurden schon 1920 von Lammerts gemessen. Die Theorie erklärt weder hydraulische Sprünge noch Gebirgswellen und Rotoren ausreichend.
Dynamische Entstehung
Heute stehen strömungsdynamische Erklärungen im Vordergrund. Die Atmosphäre kann sich bei solchen Vorgängen ähnlich wie eine Flüssigkeit verhalten. Wenn stabile Luft auf ein Gebirge trifft, können mountain waves, also Gebirgswellen, entstehen. Zur Beschreibung wird die Froude-Zahl F verwendet. Sie stellt vereinfacht das Verhältnis von kinetischer Energie der Strömung zu potenzieller Energie durch Stabilität der Luft und Gebirgshöhe dar.
Bei F = 1 ist die Strömung kritisch; bei einem Wert gleich oder etwas größer als 1 sind mountain waves wahrscheinlich. Bei F < 1 ist die Strömung zu schwach, um das Hindernis zu überqueren, und wird blockiert. Bei F > 1 überströmt die Luft das Hindernis; ist F sehr groß, geschieht dies ohne starke Schwingungen. In der hydraulischen Analogie heißt eine Strömung unterhalb der Grundwellengeschwindigkeit „fließend“, oberhalb davon „schießend“.
Über einem Hindernis kann eine zunächst subkritische Strömung in eine superkritische übergehen. Im Lee beschleunigt sie dann den Hang hinab und erzeugt starke Fallwinde. Durch einen hydraulischen Sprung passt sie sich wieder der Umgebung an. Die starke Turbulenz von Rotoren, also Wirbeln im Lee, gilt als Hinweis auf überkritisch strömende Luft. Der Vergleich mit Wasser ist jedoch nicht vollständig: Die beim Wassersprung durch Turbulenz erzeugte Wärme geht für den hydraulischen Vorgang verloren, beim entsprechenden gasdynamischen Prozess bleibt sie als innere Energie erhalten.
Pässe, Täler und Temperatur
Die gap dynamic betont, dass Täler, Schluchten und Pässe die Strömung entscheidend verändern. Ist die Froude-Zahl an einer Gebirgsbarriere niedrig, kann die Luft eher durch solche Lücken als über den Kamm strömen. An Pässen steigert eine Düsenwirkung die Geschwindigkeit besonders stark.
Nach diesem Modell liegt zunächst häufig eine nahezu horizontale Temperaturinversion vor: Über kalter, stagnierender Luft in Tälern oder im Vorland befindet sich wärmere Luft. Ein heranziehendes Tief saugt die Kaltluft durch den Kanal zwischen Boden und Inversionsgrenze ab. Wird die Strömung an einem Pass kritisch, wird die Inversion im Lee nach unten gezogen und darunter überkritisch. Der Föhn beginnt am Pass, breitet sich ins Tal aus und erfasst schließlich bei weiterem Luftbedarf des Tiefs den ganzen Gebirgszug.
Ob Föhn gegenüber der zuvor vorhandenen Luft tatsächlich wärmer ist, hängt von der Luftschichtung ab. Bei einer tiefen, gut durchmischten Grenzschicht und superadiabatischen Gradienten nahe dem Boden, besonders im Sommer, kann Föhn kühler sein als die verdrängte Luft. Die Erwärmung beim Absinken darf daher nicht mit einer stets höheren Temperatur gegenüber der vorherigen Luftmasse gleichgesetzt werden. Für Südföhn in Innsbruck zeigen Statistiken im Sommer deutlich erhöhte Temperaturmaxima. Auf der Alpensüdseite wird der Effekt des Nordföhns dagegen durch Kaltluftadvektion überlagert.
Wolken, Niederschlag und weitere Wirkungen
Eine typische Föhnlage zeigt eine Föhnmauer, eine markante Wolkenwand am Gebirgskamm, und das Föhnfenster, eine durch trockene Luft ausgeblasene Schönwetterzone im Lee. Bei hohen Windgeschwindigkeiten spricht man von Föhnsturm. Die Föhnmauer kann auf die Leeseite übergreifen und dort Niederschlag bringen. Beim Ende der Föhnlage rückt häufig eine zweite Föhnmauer an der Kaltfront des auslösenden Tiefs rasch vor; das Föhnfenster verschwindet.
Stauniederschlag ist kein notwendiges Merkmal. Nach Fliri (1984) liegt die Niederschlagswahrscheinlichkeit bei Südföhn am östlichen Alpensüdrand bei etwa 70 %, im Westen bei 80 % und im Tessin maximal bei 90 %. Während des ALPEX-Programms wurde auf der Alpensüdseite ein Kaltluft-Pool bestätigt: Die untere Luftschicht ist dort gefangen, überquert den Alpenhauptkamm nicht und wird deshalb Totluft genannt.
Leewellen können bei ausreichender Feuchte linsenförmige Wolken bilden, die Föhnlinsen oder Altocumulus lenticularis (Ac lent). Die Welle bleibt dabei im Wesentlichen ortsfest, während Luft durch sie hindurchströmt. Segelflugzeuge können in ihrem Aufwindbereich über 10.000 m steigen; die Turbulenz ist aber für Luftfahrzeuge wie Gleitschirme und Drachen gefährlich.
Schwächere Föhneffekte treten auch im Lee niedriger Geländestufen und Mittelgebirge auf, besonders bei Warmluftadvektion im Winter. Bodennah verdrängte Kaltluft wird durch wärmere, trockenere Höhenluft ersetzt; tiefe Wolken lösen sich auf, Sicht und Temperatur verbessern sich, ohne dass die Windgeschwindigkeit stark steigen muss. Der Artikel beschreibt außerdem einen optischen Vergrößerungseffekt durch Lichtbrechung in der mit der Höhe dünneren Luft; dieser Abschnitt ist jedoch ausdrücklich als nicht hinreichend belegt gekennzeichnet.
