De Föhn – warm en turbulent

Föhn, nieuwe theorieën

De Föhn is een van de bekendste weersverschijnselen in de Alpen, maar beperkt zich niet alleen tot deze regio. Föhn-verschijnselen komen over de hele wereld voor als water over bergen stroomt. Föhn is warm, turbulent en meestal droog. Sommigen zijn blij met de aangename temperaturen, anderen klagen over hoofdpijn. Onderzoek naar de oorsprong van milde wind kent een lange traditie in de Alpenlanden. Maar hoe komt het tot stand? 

THERMODYNAMISCHE FOEHN-THEORIE

Het is de bekendste theorie en is te vinden in vrijwel elk schoolboek of populaire vakliteratuur. Het richt zich vooral op de vraag waarom de Föhnwind warmer en droger is in de luwte van de bergen. De föhn wordt uitsluitend veroorzaakt door het verschillende gedrag van de lucht aan de loef- en lijzijde. Volgens deze theorie zit de lucht vast in de loefrichting (de kant die naar de wind is gericht) en wordt hij gedwongen te stijgen. Hierdoor koelt de lucht af met 1 graad/100 meter ( droge adiabatische temperatuurgradiënt ). Op een gegeven moment wordt het dauwpunt bereikt (100% luchtvochtigheid), begint de voorheen gasvormige waterdamp te condenseren - er vormen zich wolken en neerslag. Bij condensatie komt energie vrij die voorheen voor verdamping moest worden gebruikt. Deze condensatiewarmte zorgt er nu voor dat de lucht die blijft stijgen minder afkoelt, namelijk slechts rond de 0,6 graden/100 meter hoogte ( vochtige adiabatische temperatuurgradiënt ). In de luwte zakt de lucht en warmt weer op met 1 graad/100 meter hoogte. Door de regen met de wind mee is de lucht nu droger en dus warmer dan voordat de overstroming begon. Deze theorie wordt ook wel het Zwitserse föhn-type genoemd , omdat het bij de zuidelijke föhn aan de zuidkant van de Alpen juist vaak regent ( files ). 

Fig. 1: Schematische weergave van de föhn, in dit geval met neerslag in de loefrichting van de bergen; Bron: MeteoNews

Nu zijn er ook föhnwinden zonder neerslag , en in sommige gevallen zelfs helemaal zonder bewolking. De echte Föhn-hoofdstad van de Alpen is Innsbruck , en hier valt er geen regen in meer dan 50% van de Föhn-watervallen ten zuiden van de Brennerpas. Bovendien verklaart deze theorie de hoge windsnelheden en het turbulente gedrag van de stroming niet. Er is ook geen verklaring voor het harde optreden in de valleien. Föhn wordt ook vaak een warme neerwaartse beweging genoemd, maar vanuit fysiek oogpunt is dat niet correct. Omdat hier niets valt. De warme lucht is feitelijk op een stabiele manier gestratificeerd ( warm = lichter, koud = zwaarder ); vanuit temperatuurperspectief is er geen reden voor de neerwaartse beweging.

HYDRAULISCHE FOEHN-THEORIE

Dit wordt ook wel het Oostenrijkse Föhn-type genoemd . De term “ hydraulisch ” komt voort uit het feit dat lucht onder bepaalde omstandigheden als een vloeistof kan worden beschouwd . Wiskundig wordt dit beschreven met behulp van de ondiepwatervergelijking , maar slechts terloops - we beperken ons hier tot een zeer vereenvoudigde beschrijving. Het grote verschil hierbij is dat de lucht niet gedwongen wordt te stijgen of slechts in zeer geringe mate in de luwte wordt gedwongen te stijgen. Er is veel meer sprake van een koude/koele en vooral tamelijk statische luchtmassa (geblokkeerd) onder het niveau van de nok. En als de föhn in Innsbruck plaatsvindt, kun je in veel gevallen boven Zuid-Tirol en de Povlakte hoge mistachtige wolken zien - en geen neerslag. Door de lagere luchtdruk aan de noordkant van de Alpen ‘stroomt’ de lucht hoofdzakelijk over passen en bergruggen. Je kunt je dit voorstellen als de stroming over een stuw.  

Fig. 2: Water dat over een stuw stroomt. Rustig en langzaam vóór het obstakel, veel sneller na de stuw; 

Voor het obstakel stroomt het water rustig en langzaam; op iets grotere diepte beweegt het nauwelijks. In het gebied van de rand wordt de verticale omvang van de stroming dunner en versnelt. Dit heet ‘ shooting flow ’ (als je dieper wilt gaan, wordt dit beschreven in termen van vloeistofdynamica met het Froudegetal ). De stroming versnelt in de lijwaartse richting en interageert daar met de topografie van de valleien. Hier spelen verdere effecten een rol, omdat de betreffende vallei smaller of breder kan worden of op een gegeven moment in een andere vallei kan uitmonden. Dit zijn het tweedimensionale Venturi-effect en het driedimensionale Bernoulli-effect . Ook hier willen we niet te diep op ingaan. In ieder geval kan de stroming niet voor langere tijd in deze versnelde (schietende) toestand blijven. Op een gegeven moment vindt er een “ hydraulische sprong ” plaats waarbij de kinetische bewegingsenergie op turbulente wijze (via turbulentie) wordt verminderd . Dat klinkt ingewikkeld, maar ook hier kun je een foto van water gebruiken om het duidelijker te maken. In de illustratie van de stuw hierboven zou de hydraulische sprong de borrelende en turbulente waterrol zijn. De volgende afbeelding nodigt je uit om thuis een experiment te doen:

Fig. 3: Stroming en de watersprong eromheen in een cirkel in een gootsteen schieten; Bron: Wikipedia

WAAROM STIJGT DE FOEHN DE VALLEIEN IN?

Voordat de föhn doorbreekt, is het in het dal meestal koeler en is de relatieve luchtvochtigheid hoger. Waarom slaagt de föhn erin de zwaardere (want koudere) lucht in de vallei te verdringen? Er zijn verschillende benaderingen hiervoor, die elk een min of meer belangrijke rol kunnen spelen - afhankelijk van de weersomstandigheden en de topografie. Elke Föhnvallei heeft zijn eigen, zeer lokale kenmerken, en geen enkel Föhn-geval is precies hetzelfde. De namen van deze theorieën lijken misschien eng, maar ook hier houden we het zo simpel mogelijk:

• Verticale aspiratietheorie : De snelle Föhn-stroom graaft zich van bovenaf in het koudeluchtmeer en tilt het in feite stap voor stap op. 
• Horizontale aspiratietheorie : De koude/koelere lucht wordt door de dalende luchtdruk uit de vallei gezogen, waardoor het pad vrijkomt voor de föhn. 
• Lee-golftheorie : Wanneer de lucht over een berg stroomt, wordt de lucht soms min of meer verticaal afgebogen - hij begint in golven te oscilleren . Je kunt je het beste een steen in een beek voorstellen, waarbij de golfbewegingen ver achter het obstakel doorgaan. Deze golven planten zich verticaal en stroomafwaarts voort. Typisch worden de golftoppen zichtbaar in de vorm van de typische lensvormige Föhnwolken ( altocumulus lenticularis ).
• Watervaltheorie : De lucht in de Föhnmuur is kouder en zwaarder, dus dit zou een echte neerwaartse beweging zijn (de technische term is katabatische neerwaartse beweging - de gletsjerwind zou een ander voorbeeld van dit proces zijn).
• Hydraulische theorie (analoog aan hierboven)
• Solenoïdetheorie (zou hier te ver gaan)

EN WAT IS NU WAAR?

Alles tot op zekere hoogte! Elk van deze benaderingen is een grove vereenvoudiging; de natuur is ingewikkelder – vooral de terreinstructuren. Hoewel de thermodynamische theorie de bekendste en meest populaire is, verklaart deze feitelijk slechts een klein deel van de opwarming. Ook in Zwitserland overheerst doorgaans het hydraulische aspect. Zoals reeds vermeld is Innsbruck de eigenlijke hoofdstad van Föhn in de Alpen, en hier komen een aantal bijzondere kenmerken samen. Het ligt aan de samenvloeiing van het Wipptal en het Inntal, met de Brennerpas in het zuiden. Het is de diepste noord-zuidalpenpas; de lucht stroomt zelfs bij kleine drukverschillen noordwaarts door het Wipptal. Boven nokniveau kan een geheel andere stromingsrichting heersen. Dit wordt " ondiepe föhn of seichten Föhn" genoemd, de stroming uitsluitend door een pas wordt " gapflow " genoemd. In Zwitserland zijn de noord-zuidverbindingen over het algemeen hoger; hier is op grote hoogte vaak een ondersteunende zuidwest-, zuid- of zuidooststroom nodig (" hoogreikende föhn "). Dit artikel is alleen bedoeld om dit onderwerp aan te raken, maar vanaf hier kan het geïnteresseerde lezerspubliek verdere en diepgaandere informatie verkrijgen. Hier is een overzicht van de vele Föhndalen in Zwitserland:

Fig. 4: Föhnvalleien (zuidelijke en noordelijke Föhn) in Zwitserland en het naburige Vorarlberg; Bron: 

Bron: MeteoNews AG