Warum Wind nicht gleichmäßig weht – die Entstehung von Windböen

Wer an einem windigen Herbsttag ins Freie geht, bemerkt schnell, dass der Wind selten mit gleichbleibender Geschwindigkeit weht. Manchmal ist kaum eine Luftbewegung zu spüren, wenige Sekunden später rauscht eine kräftige Böe durch die Bäume. Äste biegen sich, Blätter wirbeln auf und anschließend lässt der Wind wieder nach.

Diese kurzfristigen Schwankungen sind kein Zufall. Sie entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel aus Luftdruckunterschieden, Reibung, Turbulenzen und vertikalen Luftbewegungen.

Für Meteorologen sind Windböen besonders interessant, weil sie häufig größere Auswirkungen haben als die durchschnittliche Windgeschwindigkeit. Ein mäßig windiger Tag kann durchaus einzelne kräftige Böen hervorbringen, die Äste abbrechen oder Gegenstände umwerfen.

Kernaussagen

Wind entsteht grundsätzlich durch Luftdruckunterschiede. Luft wird durch die Druckgradientkraft von Bereichen höheren Drucks in Richtung niedrigerer Druckwerte beschleunigt. Die Erdrotation und die Reibung an der Erdoberfläche verändern anschließend Richtung und Geschwindigkeit dieser Bewegung.

In Bodennähe ist der Wind selten gleichmäßig. Gebäude, Bäume, Hügel und andere Hindernisse bremsen die Strömung ab und erzeugen Wirbel.

Diese turbulenten Luftbewegungen führen dazu, dass sich Windgeschwindigkeit und Windrichtung innerhalb weniger Sekunden deutlich verändern können.

Eine Windböe ist eine kurzzeitige Verstärkung der Windgeschwindigkeit gegenüber dem mittleren Wind.

Besonders kräftige Böen entstehen häufig bei starken Luftdruckgegensätzen, an Wetterfronten oder in Verbindung mit Schauern und Gewittern.

Im Herbst nehmen die großräumigen Temperaturgegensätze zwischen den Luftmassen häufig zu. Dadurch können sich kräftige Tiefdruckgebiete entwickeln, die für windiges und stürmisches Wetter sorgen.

Meteorologischer Hintergrund

Um die Entstehung von Windböen zu verstehen, muss man zunächst zwischen dem mittleren Wind und der momentanen Windgeschwindigkeit unterscheiden.

An meteorologischen Wetterstationen wird die mittlere Windgeschwindigkeit üblicherweise über einen Zeitraum von zehn Minuten bestimmt.

Eine Böe beschreibt dagegen eine kurzzeitige Geschwindigkeitsspitze. In der meteorologischen Praxis werden dafür häufig Mittelwerte über drei Sekunden verwendet.

Deshalb können sich beide Messwerte erheblich unterscheiden.

Ein Beispiel: Während der mittlere Wind mit 25 Kilometern pro Stunde weht, können einzelne Böen durchaus 50 Kilometer pro Stunde erreichen.

Der Grund dafür liegt vor allem in der turbulenten Struktur der bodennahen Atmosphäre.

In größeren Höhen wird die Luftbewegung weniger durch Hindernisse beeinflusst. Dort kann der Wind deutlich stärker und gleichmäßiger sein.

In Bodennähe bremsen dagegen Bäume, Gebäude und die Geländeoberfläche die Strömung.

Zwischen den unterschiedlich schnell strömenden Luftschichten entstehen Geschwindigkeitsunterschiede.

Meteorologen sprechen von Windscherung.

Diese Windscherung kann turbulente Wirbel erzeugen.

Solche Wirbel transportieren Luft aus unterschiedlichen Höhen nach oben oder unten.

Gelangt beispielsweise ein Luftpaket aus einer höheren, schneller strömenden Schicht bis in Bodennähe, kann die Windgeschwindigkeit dort plötzlich deutlich zunehmen.

Eine Böe entsteht.

Kurz darauf erreicht wieder langsamere Luft den Messpunkt und die Windgeschwindigkeit sinkt.

Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.

Eine wichtige Rolle spielt außerdem die Sonneneinstrahlung.

An sonnigen Tagen erwärmt sich der Boden. Dadurch entstehen aufsteigende Warmluftblasen, sogenannte Thermik.

Diese vertikalen Luftbewegungen können die Durchmischung der unteren Atmosphäre verstärken.

Wenn in einigen hundert Metern Höhe kräftiger Wind weht, kann durch diese Durchmischung ein Teil seines Impulses bis zum Boden transportiert werden.

Deshalb kann der Wind tagsüber böiger sein als nachts, obwohl sich die großräumige Wetterlage kaum verändert.

Nach Sonnenuntergang kühlt der Boden ab.

Häufig bildet sich dann eine stabile Temperaturschichtung, welche die vertikale Durchmischung einschränkt.

Die bodennahe Luft wird stärker von den darüberliegenden Windströmungen entkoppelt.

Dadurch kann der Wind am Boden deutlich nachlassen, während er in wenigen hundert Metern Höhe weiterhin kräftig weht.

Allerdings gibt es auch Situationen, in denen nachts starke Böen auftreten – insbesondere bei Sturmtiefs oder kräftigen Wetterfronten.

Besonders interessant ist der Einfluss von Hindernissen.

Trifft Wind auf ein Gebäude, muss die Luft ausweichen.

Ein Teil strömt über das Dach, ein anderer um die Seiten.

Dabei können lokale Beschleunigungen entstehen.

Hinter dem Gebäude bildet sich häufig ein turbulenter Bereich mit wechselnden Windrichtungen und zahlreichen Wirbeln.

Ähnliche Effekte treten an Waldrändern, Brücken und Geländekanten auf.

Auch Täler können den Wind beeinflussen.

Wird eine Luftströmung durch eine Engstelle geführt, kann sie sich unter geeigneten Druck- und Strömungsverhältnissen deutlich beschleunigen.

Für eine Wetterstation ist deshalb der Standort des Windmessers entscheidend.

Ein Messgerät unmittelbar neben einem Gebäude oder zwischen Bäumen liefert andere Ergebnisse als ein frei stehender Windmesser in zehn Metern Höhe über offenem Gelände.

Die internationale meteorologische Standardhöhe für Windmessungen beträgt deshalb zehn Meter über dem Boden.

Doch nicht alle Böen entstehen durch Turbulenzen an Hindernissen.

Besonders kräftige Windstöße können auch durch absteigende Luftbewegungen in Schauern und Gewittern verursacht werden.

Innerhalb einer Schauerwolke können Niederschläge fallende Luft mitreißen.

Verdunstet ein Teil des Niederschlags, wird die Luft zusätzlich abgekühlt.

Die kühlere Luft besitzt eine höhere Dichte und kann dadurch beschleunigt absinken.

Erreicht diese Abwärtsströmung den Boden, breitet sie sich seitlich aus.

Dabei können plötzlich starke Windböen entstehen.

Bei besonders ausgeprägten Abwinden spricht man von Downbursts.

Diese können lokal erhebliche Schäden verursachen.

Im Herbst sind außerdem Kaltfronten wichtige Auslöser kräftiger Böen.

An einer Kaltfront treffen unterschiedliche Luftmassen aufeinander.

Die damit verbundenen Temperatur- und Druckgegensätze können starke Windfelder erzeugen.

Hinzu kommen turbulente Durchmischung und gelegentlich kräftige Schauer.

Deshalb treten die stärksten Böen eines Herbststurms nicht zwangsläufig während des stärksten Dauerregens auf.

Sie können auch beim Durchgang einer Front oder innerhalb einzelner Schauer auftreten.

Für Wettervorhersagen werden daher sowohl die mittlere Windgeschwindigkeit als auch die erwarteten Böenspitzen angegeben.

Gerade die Böenspitzen sind entscheidend, wenn es um mögliche Schäden an Bäumen, Dächern oder anderen Gegenständen geht.

Schon gewusst?

Ein Windmesser kann innerhalb weniger Sekunden völlig unterschiedliche Geschwindigkeiten registrieren, obwohl sich die großräumige Wetterlage überhaupt nicht verändert hat.

Der Grund ist, dass die Atmosphäre auch bei scheinbar gleichmäßigem Wind aus zahlreichen unterschiedlich großen Wirbeln besteht.

Einige dieser Wirbel sind nur wenige Zentimeter groß, andere erreichen Ausdehnungen von mehreren hundert Metern.

Besonders anschaulich lässt sich das an Bäumen beobachten.

Während sich ein Baum zunächst nur leicht bewegt, kann eine einzelne Böe plötzlich die gesamte Krone erfassen.

Wenige Sekunden später lässt die Belastung wieder nach.

Interessant ist dabei, dass die Windkraft auf einen Gegenstand näherungsweise mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit zunimmt.

Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, kann sich die aerodynamische Kraft bei ansonsten gleichen Bedingungen ungefähr vervierfachen.

Genau deshalb können kurze, kräftige Windböen wesentlich gefährlicher sein als ein über längere Zeit gleichmäßig wehender Wind.

Auch für die Wetterstation Brachwitz sind deshalb nicht nur die durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten interessant. Erst die zusätzliche Erfassung der maximalen Böen zeigt, wie turbulent die Atmosphäre tatsächlich ist.