Die Zugbahnen von Hoch- und Tiefdruckgebieten

In diesem Beitrag wird der Frage nachgegangen, warum Hoch- und Tiefdruckgebiete nach deren Entstehung bestimmte Zugbahnen bevorzugen und was das mit dem Prinzip von Le Chatelier zu tun hat

Wenn man den Blick auf die großräumige Verteilung von Hoch- und Tiefdruckgebieten in unseren, also den so genannten mittleren Breiten wirft (diese liegen etwa zwischen dem vierzigsten und sechzigsten Breitengrad auf der Nordhalbkugel), dann kann man nach einiger Zeit periodisch wiederkehrende Muster in Bezug auf deren Zugbahnen erkennen. Muster in dem Sinne, wie diese einmal entstandenen Druckgebilde in der bei uns vorherrschend zonal geprägten Strömung (von West nach Ost) im Laufe ihres Lebenszyklus ziehen.

Was sind die wesentlichen Antriebsfaktoren bei der Verlagerung der Druckgebilde? Durch grob gesagt hohen Luftdruck im Süden (hier Azorenhoch) und tiefem Luftdruck im Norden (hier Islandtief) sowie die ablenkende kraft der Erdrotation entsteht in den mittleren Breiten eine westliche Grundströmung, die in der Höhe meist noch stärker ausgeprägt ist, da die horizontalen Druck- und Temperaturgegensätze in der Regel mit der Höhe zunehmen.

Na gut, demnach würden sich die Hochs und Tiefs eben von West nach Ost bewegen. Das lässt sich relativ leicht nachvollziehen. Aber warum sind dann die Trajektorien (Zugbahnen) insgesamt eher etwas gekrümmt? Und zwar haben die Tiefdruckgebiete einen leichten Linksdrall in Bewegungsrichtung und die Hochdruckgebiete umgekehrt einen leichten Rechtsdrall. Das bedeutet, dass sich Tiefdruckgebiete bei genauem Hinsehen im Mittel nicht nur von West nach Ost bewegen, sondern auch eine leichte Nordkomponente besitzen. Die Hochdruckgebiete haben hingegen zusätzlich zu ihrer grundsätzlichen West-Ost-Bewegung auch eine leichte südliche Bewegungskomponente. Wie gesagt, wir sprechen hier über (zonal gemittelte) Verhältnisse für die mittleren Breiten. Zonal gemittelt deshalb, weil es um einen bestimmten Breitengradbereich (hier 40 bis 60 Grad Nord) rund um den Globus (sämtliche Längengrade) geht.

Woher kommen nun die zusätzlichen Bewegungskomponenten? Eine Ursache stellt die inhomogene Verteilung der Orografie, also der Gebirgszüge zum Beispiel innerhalb Europas dar. Für die Bewegung von Tiefdruckgebieten lässt sich festhalten, dass sie lieber in Richtung abnehmender Orografie salopp gesagt hangabwärts. Die Ursache dafür liegt in den dynamischen Eigenschaften eines Gebirges als Widerstand. Wenn nämlich Luft ein Gebirge anströmt, steigt der Luftdruck am und auf dem Gebirge (Staueffekt). Das würde unsere Tiefs mit der Zeit auflösen. Zudem verursacht ein Gebirge mehr Reibung als flaches Land, was Ähnliches bewirkt, nämlich das Auffüllen des Tiefs.

Umgekehrt verhält es sich bei Hochs, die sich aufgrund des Staueffekts der Luft am Gebirge lieber hangaufwärts bewegen und sich auch dort aufhalten.

Wenn wir uns jetzt wieder zonal gemittelt die Verteilung der Gebirge in den mittleren Breiten anschauen, kommen wir zu dem Schluss, dass die Orografie von Nord nach Süd insgesamt zunimmt. Dies ist also ein Faktor für die nördlichere Verlagerung von Tiefs und die entsprechend südlichere von Hochs.

Ein zweiter Faktor sind thermische Inhomogenitäten in der so genannten atmosphärischen Grenzschicht, also vom Erdboden bis in rund 1500 m Höhe. Inhomogenität sagt hier etwas aus über die Stabilität der atmosphärischen Schichtung. Stabil ist die Schichtung dann, wenn sie mit der Höhe ihren Wärmeinhalt beibehält, also in der Vertikalen weder zu stark noch zu schwach abkühlt. Ein Maß dafür ist die so genannte potentielle Temperatur, die bei dieser neutralen Schichtung mit der Höhe konstant bleibt.

Wenn die potentielle Temperatur allerdings mit der Höhe abnimmt, dann wird die Schichtung labil und Luftteilchen können ungehindert aufsteigen. Wenn die potentielle Temperatur mit der Höhe zunimmt, existiert eine Inversion in höheren Luftschichten, die den vertikalen Luftaustausch verhindert.

Nach diesem theoretischen Exkurs wieder zurück zu unseren Druckgebilden. Es zeigt sich insgesamt, dass Tiefdruckgebiete im Verlauf dahinziehen, wo die Luftmasse vertikal stabiler geschichtet ist, also die potentielle Temperatur mit der Höhe (vor allem innerhalb der Grenzschicht) zunimmt. Das ist der Fall in nördlichen Gefilden, denn Kaltluft ist in der Höhe stabil geschichtet. Hochdruckgebiete hingegen ziehen im Verlauf dorthin, wo die Luftmasse labiler geschichtet ist, also die potentielle Temperaturmit mit der Höhe (bevorzugt innerhalb der Grenzschicht) abnimmt. Warmluft ist labil geschichtet, da die vertikale Temperaturabnahme größer ist als bei Kaltluft. Das ist in südlichen Breitengraden gegeben, da dort durch die stärkere Sonneneinstrahlung der Erdboden viel stärker aufgeheizt wird.

Damit gibt es auch beim zweiten Faktor (Stabilität der Schichtung) Übereinstimmung mit den beobachteten Zugbahnen von Hoch- und Tiefdruckgebieten.

Nichtsdestotrotz mag das Ergebnis paradox klingen, da Tiefdruckgebiete normalerweise mit großräumiger Hebung und Hochdruckgebiete mit Absinken verbunden sind. Hier haben wir es jedoch mit dem Ausgleichsprinzip in der Natur zu tun, wonach diese bestrebt ist, Gegensätze mit der Zeit abzubauen.

Gegensätze sind in der Meteorologie mit horizontalen Temperatur- und Druckunterschieden verbunden, die auch auf diese Art und Weise mit der Zeit indirekt ausgeglichen werden.

Dieses grundlegende Naturprinzip hatte Le Chatelier bereits zum Ende des 19.Jahrhunderts erkannt, in dem er das Prinzip des kleinsten Zwangs bei chemischen Reaktionen oder auch bei Zustandsänderungen postulierte und damit meinte, dass Auslenkungen aus Gleichgewichtszuständen (z.B. durch einen äußeren Zwang wie Wärmezufuhr) durch Gegenreaktionen des Systems selbst minimiert werden, siehe auch:
https://de.wikipedia.org/wiki/Prinzip_vom_kleinsten_Zwang.

Dr. rer. nat. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 07.07.2019