Luftdrucksysteme

Fronten zu den kühleren Klimazonen und die große Räume einnehmenden Hoch- und Tiefdrucksysteme sollen oft bis in große Höhen reichen bis an den Rand der feuchtigkeitshaltenden Troposphäre. Sie können aber offenbar auch in voneinander unabhängiger Schichtung auftreten.

Von großer Bedeutung für das Wettergeschehen und die Windrichtung ist, dass Tiefs durch Luftströmungen gegen den Uhrzeigersinn gekennzeichnet sind, Hochs aber durch Luftströmungen im Uhrzeigersinn (in der Nordhemisphäre). Auch diese Strömungen können sich je nach Höhe in der Troposphäre stark unterscheiden.

Die klimaökologische Aufgabe von Tiefdruckgebieten ist gewissermaßen, warme Luftmassen in die kalte Luft höherer Luftschichten und polarer Herkunft einzumischen.
Am Boden wird Warmluft durch die schwerere Kaltluft eingeengt und in die Höhe geschoben, wodurch nach Kondensation durch Abkühlung Niederschläge entstehen.
Vermischung und Temperaturausgleich auch durch die Niederschläge ist gerade das Wesen und Ziel von Luftströmungen, sowohl großräumig zwischen den Klimazonen als auch regional zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten.

Erwärmte Luft kann sich nicht seitlich in Räume mit hohem Luftdruck ausdehnen; daher führt sie in größerer Höhe zu einem Anstieg des Luftdrucks.
Umgekehrt führt Abkühlung in größerer Höhe durch Zusammenziehen des Luftkörpers dort zu niedrigerem Luftdruck, in Bodennähe aber zu Hochdruck; diese bodennahe Kaltluft wird in den Tiefdruck erwärmter Luftmassen hereingezogen. [Bahrenberg 1975]

Die Gesetze der Physik lassen darauf schließen, dass Luftmassen mit geringer Ausdehnung (Kaltluft) in der Höhe einen Trog hervorrufen, Luftmassen mit großer Ausdehnung (Warmluft) aber in der Höhe einen Keil oder Rücken.

Dieser Warmluft-Keil verursacht dann in den Westwindzonen der Mittleren Breiten auch das rotierende Drucksystem eines dynamischen Tiefs mit in Bodennähe aufeinanderfolgenden Fronten. Dass sich in unserem Klima Schlechtwetter-Zyklonen durch Fronten unterschiedlicher Lufttemperatur in der Abfolge Warmfront, Kaltfront, Okklusion konsolidieren, wurde seit langem beobachtet [Harms Erdkunde 1964].

Die schneckenförmigen Wirbel von Tiefdruckgebieten auf Satellitenfotos stellen bereits deren Okklusion und damit Auflösung dar, während das eigentliche Wettergeschehen an dem aus den Wetterkarten bekannten keilförmigen Frontengebilde weiter im Süden oder Westen stattfindet, an der Vorderseite des Tiefs [Häckel 2021].

Nach allgemeiner Auffassung werden im Klima der Mittelbreiten die Hochs und Tiefs weniger durch Temperaturunterschiede, sondern überwiegend dynamisch durch die Strömungskonvergenzen oder -divergenzen subpolarer und subtropischer Luftmassen in der oberen Troposphäre hervorgerufen. [Nolzen 1988]
Solche dynamischen Hochs und Tiefs sollen mit einem Höhen-Jetstream "in östliche Richtungen" wandern, bringen aber nicht unbedingt ganz spezifische Witterungsbedingungen hervor.

Tiefdruckgebiete und die mit ihnen verbundenen Niederschläge sind in den Mittleren Breiten noch mit weiteren Faktoren neben den dynamischen Höhenwinden verknüpft.
Frontenbildung, die vornehmlich in Bodennähe wegen der sich dort manifestierenden Temperaturunterschiede stattfindet, wird zumeist für die wichtigste Ursache gehalten.
Die Entstehung eines Tiefs an diesen Fronten ist mit Scherkräften in größerer Höhe verbunden: durch die Erdrotation (Coriolis-Kraft) wird arktische Luft nach Westen, mediterrane Luft nach Osten gelenkt.

Klimatische und meteorologische Fronten

Auf beiden Hemisphären ungefähr zwischen den 35. und 65. Breitengraden erstrecken sich zwischen Subtropen- und Polarfronten der warmen und kalten Luftmassen bekanntlich die Mittleren Breiten. Diese werden in der Meteorologie 'Planetarische Frontalzonen' genannt.

Hier sind sowohl die bodennahen, durch Reibung abgelenkten Luftrömungen als auch die von der Rotation der Erde abgelenkten Höhen-Strahlströme (Jetstreams) Westwinde.

Eine großräumige Front wird der Theorie nach in diesem Raum durch kalte Polarluft erzeugt (Klimafront), die häufig Niederschläge und Unwetter durch sich wirbelartig bewegende Teilfronten in Bodennähe hervorbringt.

Eine meteorologische Front ist einfach die Grenze oder Übergangszone zwischen zwei Luftmassen unterschiedlichen Drucks oder unterschiedlicher Temperatur.
Kaltfronten bewegen sich in Europa natürlich vorzugsweise in südlicher, Warmfronten in nördlicher Richtung.
Infolge der überwiegend isobarenparallel verlaufenden Luftströmungen stellen sich Fronten zumeist quer zu den Luftdruck-Isobaren.

Dabei ist klarzustellen, dass die Fronten bildenden Luftmassen unterschiedlicher Temperatur überwiegend in Bodennähe entstehen; das gilt auf jeden Fall für die Warmluft!
Luft kann nicht durch Sonnenlicht erwärmt werden, sondern benötigt dazu die langwellige Rückstrahlung des erwärmten Erdkörpers. Frontensysteme kann es demnach nur in Erdnähe geben.

Erst nach monatelanger Suche konnte ich in einem 60 Jahre alten Schulbuch [Harms Erdkunde 1964] eine klare und plausible Erklärung der Frontentheorie zum mitteleuropäischen Wettergeschehen auffinden.
Tiefdruckgebiete entstehen in unserer Region regelmäßig im Bereich des Kontaktes zwischen Polarluft und subtropischer Luft. Der Widerstreit zwischen diesen Luftmassen führt dazu, dass in der Planetarischen Frontalzone Warm- und Kaltfronten abwechseln. Aus deren Gegensatz entwickeln sich Tiefdruckwirbel durch Ausbreitung von Kaltluft am Boden auf Kosten der nach oben gehobenen Warmluft.

M. Forkel erklärt dies durch die Temperatur-Dynamik der mächtigen Hochdruckgebiete dieser polaren und subtropischen Luftmassen. Auf seiner Webseite wird die Entstehung von Tiefdruckgebieten durch die Zirkularströmungen der polaren und der subtropischen Hochs erklärt, nicht durch die Eigendynamik sich erwärmender Luft. [Forkel 2015]

Die Luft des subtropischen Hochdruckgürtels ist natürlich wärmer als die des polaren Hochdruckgebiets.

Nach diesem Erklärungsmuster würden Warm- und Kaltfronten direkt den Antizyklonen entstammen, also den subtropischen und polaren Hochdrucksystemen, und nicht dem Einfluss von Tiefdruckgebieten. Allerdings entwickeln sich auch Zyklone durch diese Luftmassen zu großräumigen Systemen, es ist also Definitionssache, ob man den Einfluss des niedrigen oder des höheren Luftdrucks für entscheidend hält.

In Bodennähe üben kalte Luftmassen einen größeren Druck aus und bewegen sich schneller vorwärts als aufsteigende warme Luftmassen.

Der Kern eines Tiefdruckgebietes ist gewissermaßen lediglich der Angriffspunkt der aufsteigenden Warmluft. Die kältere Rückseite des Tiefs hebt diese Luft an, was als Okklusion bezeichnet wird, und löst damit die Temperaturgegensätze und das ganze Tief wieder auf.

In Regionen ohne zonale Temperaturgegensätze kann es natürlich keine Fronten geben.
Trotzdem gibt es auch in den Tropen Tiefdruckgebiete. Auch hier werden sie nicht allein durch hohe Temperaturen hervorgerufen, sondern auch durch die Dynamik von Luftströmungen, die beim Zusammenstoß (Konvergenz) zum Aufsteig gezwungen werden.

In den Mittleren Breiten haben Tiefdruckgebiete deshalb eine so große Bedeutung für das Wettergeschehen, weil ihre Zirkulation ganz unterschiedliche Luftmassen aufnehmen (konvergieren) kann, Hochdruckgebiete aber nur relativ homogene Höhenluft divergieren.

Ein mitteleuropäischer Tiefdruck-Wirbel transportiert auf seiner Süd- und Ostseite subtropische Luftmassen, auf seiner Nord- und Westseite aber polare Luftmassen, die jeweils mit Warm- bzw. Kaltfronten verbunden sind.

Von Süden heranziehende Warmluft und ihre vorauseilende Aufgleitfront mit Niederschlägen sorgen für fallenden Luftdruck. Daraufhin folgt die eigentliche Warmluftmasse, aber schon bald auch die in diese aus Nordwesten mit "böigem Wind" und einer Wolkenwalze einbrechende Kaltfront. Diese erzeugt wieder hohen Luftdruck. [Harms Erdkunde 1964]
Nach Durchzug der Kaltfront bessert sich in 80 % der Fälle das Wetter mit Sonne, guter Sicht und frischer Luft [Wiedersich 2003, S.173].

Der zu beobachtende Abfall des Luftdrucks beim Durchzug einer Warmfront und in besonderem Maße vor Ankunft einer Kaltfront verdeutlicht, dass Luftmassen unterschiedlichen Drucks in den Mittleren Breiten normalerweise nicht stationär, sondern in Bewegung sind.

Die nachfolgende Kaltfront der 'Planetarischen Frontalzone' ist praktisch ein Ausläufer des allgemeinen polaren Kältehochs und führt daher mit ihrem Durchzug sogar zu einem schlagartigen Anstieg des vorher sinkenden Luftdrucks [Häckel 2021, Abb. S.239; die Abbildungen in Wiedersich 2003, S.173 ff sind hingegen irreführend].

Fronten sind eigentlich mehr als 100 km breit; daher darf man einzelne Wettererscheinungen (Wolkenwalzen) nicht schon als den Durchzug einer Front verstehen.