Wetterkunde Folge 2: So entstehen Hochs und Tiefs

• Teil 1: Die Grundlagen. Wind, Luftdruck, Temperatur, Feuchte und mehr. Welche Veränderungen diese Parameter im Zusammenspiel bewirken
• Teil 2: Von Hochs und Tiefs. Welchen Einfluss die Druckgebilde auf die Windentwicklung nehmen, wie sie entstehen und welche Konstellationen Seglern unter Umständen gefährlich werden
• Teil 3: Wetter-Risiken. Ob Nebel oder Gewitter, Hagel oder Hurrikans: Woran Segler frühzeitig erkennen, dass Ungemach droht. Plus: Wie lokale Effekte das Wetter vor Ort beeinflussen
• Teil 4: Routenplanung. Mit Wetterinformationen, speziellen Diensten und Apps den eigenen Törn optimal vorbereiten – wie das geht und worauf man dabei tunlichst achten sollte

Teil 2: Unter Druck – von Hochs und Tiefs

von Sebastian Wache

Nach den Grundlagen im ersten Teil denken wir nun ein paar Dimensionen größer: In diesem Text soll es um die Drucksysteme in der Atmosphäre gehen. Doch bevor wir die durchleuchten, müssen wir zunächst darauf schauen, wie, wo und warum sie überhaupt entstehen. Dazu heben wir gedanklich einmal von der Erde ab und stellen uns vor, dass wir von der Raumstation ISS auf unseren Heimatplaneten hinabschauen. Neben dem großen blauen Anteil der Meere und den dunklen Landflächen fallen die vielen und großen weißen Flecken sofort ins Auge: die Wolken.

Genauer betrachtet lassen sich sogar eindeutige Muster erkennen. Auf Höhe des Äquators findet sich beispielsweise ein regelrechtes Wolkenband, das sich einmal um den gesamten Erdball spannt. In diesem Band wirken die Wolken oft richtig grellweiß. Das liegt daran, dass sie in der Äquatorialregion sehr hoch – bis in den Eisbereich – wachsen können. Dabei bilden sie die höchste Form von Kumuluswolken. Dazu später mehr, wenn es um die Kaltfront geht. Wenden wir den Blick aus dem All erst einmal ein bisschen weiter gen Norden. Dabei fallen meist ein paar kleinere, oft lockere Quellwolken ins Auge, bis wir bei zirka 30 Grad nördlicher Breite angekommen sind. Dort entdeckt man häufig einen riesig großen wolkenfreien Bereich. Lediglich über den Wasserflächen ist der Himmel dort nicht immer gänzlich frei von Wolken.

Die Ursache dieses Phänomens: Um 30 Grad Nord findet in der Atmosphäre ein Absinken statt: Luft fällt von oben nach unten, dabei erwärmt sie sich, sodass sich in der Folge Wolken auflösen können. Wir erinnern uns an den ersten Teil der Wetter-Serie: Mehr Druck erzeugt Wärme, Stichwort Luftpumpe. Auf der geografischen Breite liegt ein weiträumiger Hochdruckgürtel, zum Beispiel das Azorenhoch.

Da Luftmassen jedoch, wenn sie von oben kommen, später am Boden auch irgendwo hinmüssen, fließen sie aus dem Zentrum des Hochs heraus. Diesbezüglich hatten wir gelernt, dass Luft immer vom hohen zum tiefen Druck weht. Somit wandert die Luft ausgehend von 30 Grad Nord und dem Hoch dorthin zurück, wo sie herkam: Richtung Äquator und der dortigen Tiefdruckrinne. Die bezeichnet man auch als innertropische Konvergenzzone.

Die Luftbewegungen dorthin sind nichts anderes als die berühmt-berüchtigten Passatwinde. Da sie infolge der Erddrehung nach rechts abgelenkt werden, kommen die Winde nicht direkt aus dem Norden, sondern eher aus dem Nordosten. Am Äquator treffen sich dann die Passatwinde der Nord- und der Südhalbkugel.

Wind und Wolkenbildung

Neben der starken Sonne, die die Luft direkt und damit sehr stark erwärmt, fördern gleichzeitig die zusammenlaufenden Winde die Wolkenbildung. Auch heben sich die Winde gegenseitig auf, sodass es in den sogenannten Doldrums (siehe unten) nahe dem Äquator sehr flau zugeht. Diese Zirkulation am Boden von 30 Grad Nord beziehungsweise Süd hin zum Äquator und umgekehrt in der Höhe von etwa 18 Kilometern vom Äquator bis nach 30 Grad Nord und Süd nennt man Hadley-Zelle.

Neben dieser Zelle gibt es zwei weitere: Die Polarzelle produziert eine Windströmung vom Pol bis etwa 60 Grad Nord am Boden und in der Höhe zurück. Dieses polare Kältehoch kann somit kühlere Luftmassen in den wärmeren Süden verfrachten. Zwischen ihr und der Hadley-Zelle, also zwischen 30 und 60 Grad Nord, existiert ferner die Ferrel-Zelle. Sie wird von den anderen beiden fremdgesteuert und ist daher eine passive Zelle. Dennoch ist sie für unser Wetter maßgeblich verantwortlich: Sie ist es, die uns des Öfteren warme Luftmassen von dem Hochdruckgürtel, bei uns meist dem Azorenhoch, schickt. Allerdings: Genau auf Höhe von Nord- und Ostsee gibt es ein kleines Problem: Hier trifft die Ferrel- auf die Polarzelle. Das heißt, dass hier warme Luft aus dem Süden direkt auf kalte Luft aus dem Norden trifft. Zwar sind die Luftmassen zunächst durch eine natürliche Barriere voneinander getrennt. Wir nennen das Luftmassengrenze beziehungsweise Polarfront.

Doch warme Luft ist leichter und kann sich auch weiter ausdehnen. Kalte Luft verhält sich genau gegenteilig. Gehen wir nun in der Atmosphäre ein paar Etagen nach oben, sehen wir, dass zum Beispiel die Bereiche, in denen wir nur noch 500 hPa Luftdruck messen – oder auch 300 hPa –, in den beiden Luftmassen sehr unterschiedlich hoch liegen. Über Europa liegen die Bereiche mit einem Luftdruck von 300 hPa nahe der Luftmassengrenze auf der warmen Seite etwa in 10,2 Kilometer Höhe, auf der kalten Seite hingegen in nur 9,7 Kilometer Höhe. Und das sehr nahe beieinander. Es gibt somit einen markanten Sprung im Druckniveau in der Höhe. Der möchte ebenfalls ausgeglichen werden.

Der Jetstream

Zuständig dafür ist ein starker Wind: der sogenannte Jetstream. Nun kann man sich gut vorstellen, dass dieses Windband, welches sich gleichfalls einmal um die gesamte Erde schlängelt, stärker wird, wenn die Temperaturunterschiede größer sind. Dann ist auch die Ausdehnung der Luftsäule nach oben hin stärker und damit die Höhe der Druckniveaus auf kleinem Raum.

Unterhalb des Jetstream ist also auch immer die Polarfront zu finden. Nun kommt ein weiterer Faktor hinzu, denn noch sind die Luftmassen an der Front strikt getrennt, und es würde nicht viel geschehen. Wenn etwas passieren soll, sprich Wetteraktivität, dann muss sich diese Polarfront bewegen. Dies geschieht ebenfalls über das Starkwindband in der Höhe: Im Normalzustand bewegt sich der Wind in diesem Band von West nach Ost. Da aber die gesamte Luftsäule miteinander in Verbindung steht, wirken sich Um- oder Überströmungen von Hindernissen am Boden – zum Beispiel die Rocky Mountains, Grönland oder das norwegische Gebirge – auf das gesamte System aus. Die Hindernisse auf der Erde verändern somit zugleich das Strömungsverhalten des Starkwindbandes in der Höhe; der Jetstream beginnt zu mäandrieren, das heißt, er erhält seine gewellte Form.

Kalte Luft kann dabei weiter nach Süden in wärmere Gefilde vordringen und warme Luft weiter gen Norden, wo es kälter ist. Zusätzlich machen die Luftmassen bei diesem Strömungsverhalten Kurven und verwirbeln. Oft sehen wir dies nahe Island: Ein typisches Islandtief bildet sich.

Faustregel für Tiefdruckgebiete

Legen Sie nun bitte einmal eine leicht geöffnete Faust so vor sich hin, dass Sie noch eine Flasche halten könnten und gleichzeitig der Daumen nach oben gerichtet ist. Die sogenannte rechte Handregel zeigt, wie die Luft um ein Tief bei uns weht und wohin die Luft im inneren des Tiefkerns fließt. Die gegen den Uhrzeigersinn laufenden Winde treffen sich in der Mitte und steigen nach oben. Doch stoßen die Luftmassen zunächst nicht direkt aufeinander, sondern sie sind noch immer aufgrund ihrer Dichte- und Temperaturunterschiede voneinander getrennt. Bewegt sich so ein Tief nun etwa von Island in Richtung Ostsee, so weht der Wind auf seiner Ostflanke aus südlicher Richtung. Warme Luft wird dabei nach Norden transportiert. Sie gleitet dabei zunächst langsam auf der kalten Luft vor ihr auf. Und sie bringt etwas mehr Feuchtigkeit mit. Dadurch bilden sich Wolken in der Höhe. Typische Vorboten einer Warmfront sind daher Zirruswolken. Da die warme Luft nach und nach die kalte auch am Boden ersetzen wird, setzt sich der Vorgang des Aufgleitens bis nach unten fort. Dies bedeutet: Nach den Eiswolken in der Höhe schichten sich weitere sogenannte Stratuswolken auf, bis die Wolkendecke auch im unteren Bereich von rund zwei Kilometer Höhe geschlossen ist. Anschließend wird es dann am Boden meist merklich wärmer: Wir befinden uns im sogenannten Warmsektor.

Je nach Ausdehnung des Sektors kann es dann auch länger warm und sonnig sein. Doch folgt früher mit demselben oder vielleicht später mit einem anderen Tief eine Kaltfront. Denn diese Tiefdruckverwirbelung bringt auf seiner Rückseite eben auch kalte Luftmassen aus dem Norden mit. Und das sind meist die spektakulärsten Ereignisse in unserem Wetter. Wir wissen ja, dass wärmere Luft mehr Feuchtigkeit speichern kann. Nun stelle man sich vor, wir hätten einen heißen Sommertag mit 30 Grad Celsius oder mehr. Ist nun auch noch ein gewisser Feuchtigkeitsgehalt in der Luft, dann fühlt sich diese nicht nur schwül an, sondern es liegt sprichwörtlich „ein Gewitter in der Luft“.

Wenn eine Kaltfront auf warme Luft trifft

Wir haben also ordentlich Energie in der Atmosphäre. Nun brauchen wir quasi nur ein Zündholz, um die „Explosion“ zu starten. Ist die Kaltfront zügig von Westen aufgezogen, geht es meist ganz schnell. Denn die kalte Luft, die hinter dieser Front folgt, schiebt sich nicht nur am Boden herein. Vielmehr ist die gesamte Luftsäule kalt. Wie ein Schneepflug wälzt sich die Kaltfront in die warme, feuchte Luft hinein. Dabei bremst die Reibung am Boden die Front dort etwas ab. Und so überholt die kalte Luft sich selbst in der Höhe und läuft ihr dort etwas voraus.

An diesem Punkt haben wir es mit einer sogenannten labilen Schichtung in der Höhe zu tun. Plötzlich liegt die kalte Luft über der noch warmen am Boden. Das will die Natur einmal mehr ausgleichen und macht das auch, und zwar schlagartig! Die Kälte sinkt runter und verdrängt die Wärme, die rasend schnell nach oben getrieben wird. Dabei kühlt sie sich ab, lässt Wasserdampf raus, Wolken entstehen. Da alles so schnell geht, schießen die Wolken quellartig in die Höhe bis in den Eisbereich der Atmosphäre. Im Gegensatz zur Warmfront, in der sich Wolken langsam aufschichten. Bei diesem vertikalen Anwachsen der Wolken, auch Konvektion genannt, wird zusätzliche Energie aus dem Luftpaket frei. Die wird wiederum genutzt, sodass sich in unseren Breiten im Sommer die Wolken schließlich bis auf zwölf Kilometer Höhe auftürmen können.

Dann ist aber Schluss. Denn ab dieser Höhe beginnt die Stratosphäre, in der das natürliche Ozon sehr viel Sonnenstrahlung abfängt. Hier liegt also eine warme Schicht über kalter. Das ist stabil, damit wird weiteres Wolkenwachstum unterbunden. Schon ab etwa sieben Kilometer Höhe liegen wir im Eisbereich. Dort fasern die gefrorenen Kumulonimbuswolken zu allen Seiten aus. Es bildet sich ein regelrechter Wolkenamboss, den man aus dem Lehrbuch kennt. Dieses Gebilde ist es auch, das Starkregen, Hagel und Gewitter mitbringt.

Doch noch einmal zurück zum Bild des Schneepflugs: Wenn die Luft in der Höhe der am Boden vorausläuft, wird verständlich, dass dabei auch eine gewisse Rotation entstehen kann. Eine Situation, die eine sogenannte Böenwalze, die Arcus-Wolke, begünstigt. Das ist eine sehr markante Erscheinung, die sich oft über die gesamte Breite erstreckt und dabei von der dunklen Unwetterwand abhebt.

Da steckt, oft bevor der Regen kommt, schon richtig viel Druck drin. Doch auch mit dem Regen folgt meist nochmals heftiger Wind, denn innerhalb einer Wolke spielt zusätzlich die sogenannte Verdunstungskälte eine Rolle. Jeder kennt es, wenn er vom Baden aus dem Wasser kommt und ein leichter Wind weht. Einem wird recht schnell kalt, wenn man sich nicht rasch abtrocknet. So passiert es auch im Wolkenturm. Es regnet sich nicht nur ab, sondern kühlt sich auch selbst runter. Kalte Luft aber ist schwerer, und so rauscht sie förmlich aus den weißen Quelltürmen gen Erdboden. Diese Schauerböen sind es, die meist die größte Gefahr ausmachen, wenn man nicht frühzeitig seine Segelfläche reduziert. Das Gute: Aufgrund ihrer Zuggeschwindigkeiten sind Kaltfronten oft schon nach 30 Minuten durch. Dahinter sinkt die Temperatur merklich. Im Sommer kommen auf diese Weise Temperaturunterschiede von 15 Grad Celsius binnen kurzer Zeit am selben Ort zustande.

Okklusion bringt kältere Luft und Schauer

Die dritte Front im Bunde eines Tiefs ist die Okklusion. Das ist eine Mischfront, in der sich bereits Warm- und Kaltfront vereinigt haben. Das Tief hat also kaum noch Temperaturgegensätze, die sich stören – und daher lebt solch ein Tief auch nicht mehr lange.

Doch auch diese Art von Fronten bringen Wetter mit sich. Meist in ähnlicher Weise wie Kaltfronten, denn oft ist die Luft hinter der Front etwas kühler als davor. Auch hier muss eher mit Schauern gerechnet werden als mit länger anhaltendem Landregen.

Und noch eine weitere Linie ist auf Wetterkarten immer mal zu sehen. Meist ist sie schwarz eingezeichnet und erstreckt sich quer zu den Isobaren, den Linien gleichen Luftdrucks. Es sind Rückseitentröge, also Troglinien auf der Rückseite von Tiefs. Auch dort laufen Luftmassen meist zusammen, Hebung findet statt – und das auf der westlichen und damit kalten Seite der Tiefs. Somit sind diese Linien und das Wetter in Verbindung damit nicht zu unterschätzen. Tröge können im Extremfall heftigeres Wetter bringen als eine vorangegangene Kalt- oder Okklusionsfront.

Ob eine Troglage folgt, zeigt uns unter anderem das Barometer an. Steigt es zum Beispiel nach dem Durchzug einer Kaltfront nicht stark genug, sondern fällt womöglich kurze Zeit später wieder, ist mit einem weiteren kräftigen Druckdurchgang zu rechnen. Auch die Windrichtung kann ein Indiz sein: Im Idealfall dreht der Wind hinter einem Tief nach allen Fronten auf Nordwest. Macht er das nicht oder nicht vollständig, sondern dreht sogar auf Südwest zurück, lässt auch dies auf einen Trogdurchzug schließen.

Fassen wir also zusammen: Wir haben im ersten Teil die Grundparameter kennengelernt und hier nun, was Tiefs und Hochs eigentlich ausmachen und wie sie entstehen. Dazu haben wir die Fronten und auch die ersten Wettergefahren insbesondere im Zusammenhang mit der Kaltfront besprochen. Doch das sind nicht die einzigen Wettergefahren, die auf Segler zukommen können. Manche treten sogar auf, wenn es windstill und völlig ruhig zugeht. Andere Gefahren sind lokal begrenzt und dort dann aber auch gerne regelmäßig wiederkehrend. Und noch andere Wettergefahren braucht man nur zu bestimmten Jahreszeiten zu fürchten. Darüber hinaus können selbst Wetterkonstellationen, die Tausende Kilometer von uns entfernt entstanden sind, bis zu uns vordringen und unsere Wettersysteme auf Nord- und Ostsee oder im Binnenland gehörig durcheinanderbringen.

Darum soll es im dritten Teil gehen. Nachdem wir nun das große Ganze betrachtet haben, werden wir – zumindest teilweise – wieder etwas kleinräumiger. Merken sollten wir uns bis dahin: Das Wetter ist immer global zu betrachten. Es wird von drei Zellen auf der Nord- wie auch auf der Südhalbkugel geprägt. In unseren Breiten treffen sich die Polar- und die Ferrel-Zelle. Die Zone, in der sich kalte und warme Luftmassen treffen, nennt man Polarfront; an ihr bilden sich Tiefdruckgebiete, und darüber liegt der weltumspannende Jetstream. Und: Tiefs tragen insbesondere mit ihren Fronten warme und kalte Luft heran.

Die Doldrums

Die sogenannte innertropische Konvergenzzone ist ein Tiefdruckgürtel, der sich auf Höhe des Äquators einmal um die Erde zieht. In diesem Bereich treffen die Passatwinde von Nord- und Südhalbkugel aufeinander. Somit finden sich dort meist nur sehr schwache Winde. Doch diese Zone verschiebt sich mit den Jahreszeiten. Jeweils im Nord- oder Südsommer (s. Grafik) verlagert sich der Gürtel vor allem über Land bis auf teils zehn Grad Nord beziehungsweise Süd. Auch über dem Wasser gibt es Verschiebungen. Dies beeinflusst die Passatwinde. Geraten die Südostpassate auf die Nordhalbkugel, erfahren sie eine Rechtsablenkung und werden so zu Südwestwinden. Die Nordostpassate dagegen können im Südsommer zum Überschreiten des Äquators gezwungen werden und erfahren dort eine Linksablenkungen. Sie wehen dann aus Nordwest.

Vorsicht bei Wind gegen Strom

Bei der Windrichtung sprechen wir immer davon, wo der Wind herkommt. Bei der Wasserströmung dagegen, wo sie hingeht. Sollten also in GRIB-Daten bei Wind und Strom die gleichen Richtungswerte stehen, dann haben wir es hier möglicherweise mit einer für Segler gefährlichen Wind-gegen-Strom-Situation zu tun!

Die Corioliskraft

Sie ist eine sogenannte Scheinkraft. An den Luftmassen an sich zieht ja keiner. Sie werden stattdessen allein von der Erdrotation abgelenkt, da sie nicht mit der Erde direkt verbunden sind. Damit nicht genug, dreht sich die Erde auch unterschiedlich schnell. Am Äquator schneller als an den Polen, wo sich die Drehachse befindet. Man stelle sich vor, man säße auf einem Drehstuhl und hätte jemanden an der Hand. Man selbst dreht sich um die Stuhlachse, und die Person an der Hand rennt im Eiltempo um den Stuhl. Luftmassen, die nun von Norden kommen, sind langsamer als die Erde unter ihr. Somit dreht die Erde sich von der Luft weg, diese wird auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt. Kommt die Luft vom Äquator und strömt nach Norden, so nimmt sie die Geschwindigkeit vom nullten Breitengrad mit und läuft der langsameren Erde etwas voraus, ebenfalls mit einer Rechtsablenkung. Auf der Südhalbkugel geht es dagegen nach links.

Wolkenkunde

Zirruswolken bilden sich nicht nur, wenn die Warmfront aufgleitet und den Eisbereich erreicht, sondern auch, wenn die Quellwolken einer Kaltfront hochreichend gebildet werden und ebenfalls in der Höhe gefrieren. Zirren gelten oft als Vorboten für Warmfronten. Doch sollte nun der etwas stärkere Höhenwind die Zirren einer Cumulonimbuswolke einer Kaltfront so weit voraustragen, dass sie schon aus weiter Entfernung als einzige Wolkenart zu sehen sind, dann gilt: Bei Zirren kann man sich irren! Man weiß also noch nicht, welche der beiden Fronten aufkommt. Es sollte der weitere Wolkenverlauf beobachtet werden. Schichten sich die Wolken weiter auf, bleibt es entspannt, und es könnte regnen. Beginnen sie aber zu quellen, macht es Sinn, sich zügig auf Schlechtwetter oder gar Unwetter einzustellen.

Der Autor: Sebastian Wache

Sebastian Wache ist Diplom-Meteorologe; er arbeitet als Experte für Seewettervorhersagen und professionelles Wetter-Routing sowie als Törn- und Regattaberater bei der Wetterwelt GmbH in Kiel. Regelmäßig gibt er sein Wissen in Seminaren an Segler weiter, zudem präsentiert er gemeinsam mit Dr. Meeno Schrader die tägliche Vorhersage für Schleswig-Holstein im NDR-Fernsehen. Wache ist selbst begeisterter Segler und am liebsten auf Nord- und Ostsee unterwegs.