Der Wind und die Böen

Neben der Richtung und der mittleren Geschwindigkeit zählt auch die Böigkeit zu den Eigenschaften des Windes. Als Böe oder Bö bezeichnet man einen kräftigen Windstoß, der zum Teil auch mit einer Variation der Windrichtung verbunden sein kann. Böen können sehr überraschend auftreten, obwohl es kurz zuvor fast windstill war. Im unteren Windgeschwindigkeitsbereich ist die Böigkeit vor allem für Segler und Flugsportler relevant, bei Gewittern, Böenwalzen und großräumigen Stürmen ist sie aber für das Schadenpotential entscheidend. Die zu erwartenden Schäden nehmen im Kubik mit der Windgeschwindigkeit zu!

Mittelwind und Windböen

Der mittlere Wind ist der Durchschnitt über ein gewisses Zeitintervall, in der Regel sind das 10 Minuten. Bei einer Böe muss nun per Definition diese mittlere Windgeschwindigkeit um mindesten 5 m/s überschritten werden (das sind 18 km/h oder auch 10 Knoten) – und dies für mindestens 3 und höchstens 20 Sekunden (Definition nach deutschem Wetterdienst). Man kann den Wind in unterschiedlichen Einheiten angeben, besonders oft werden Knoten, Stundenkilometer und Beaufort verwendet. Hier gibt es mehr Infos zur: Die Beaufortskala.

Windverlauf am Säntis, 4.1.2022, schwarze Linie: Böen, blaue Linie: Mittelwind. Graphik: Meteonews

Reibung und Turbulenz

Warum ist der Wind nicht konstant, sondern variabel? Das hat mehrere Ursachen. In der freien Atmosphäre ist die Strömung typischerweise ziemlich gleichmäßig und wenig turbulent. Sie verläuft in Schichten (parallele Stromlinien), die sich nicht miteinander vermischen. Man nennt dieses Eigenschaft laminar. In den unteren Luftschichten nimmt aber der Einfluss des Erdbodens und damit die Reibung zu, die Strömung wird turbulenter. Die Turbulenz an sich ist ein dreidimensionaler und chaotischer Prozess. Man kann sich das auch als Verwirbelung vorstellen. Dabei gibt es eine Kaskade von großen Wirbeln hin zu immer kleineren Strukturen (bis hinunter zur Reibung und Bewegungsenergie der Luftteilchen, und damit letzten Endes Wärme).

Falschfarbenbild einer turbulenten Strömung, Quelle: Wikipedia

Die Luft verhält sich quasi wie Wasser. In einem großen Fluss oder Kanal fließt das Wasser wesentlich ruhiger und glatter als beispielsweise in einem Wildbach. Je komplizierter die Orographie und die Strukturen an der Oberfläche sind, umso turbulenter und umso unberechenbarer wird die Strömung (Meeresoberfläche vergleichsweise glatt, Hügel und bebautes Terrain rau).

Zunahme mit der Höhe

Die Windgeschwindigkeit nimmt in der Regel mit der Höhe rasch zu, die größte Änderung gibt es in der Grund- oder Grenzschicht. Das sind die untersten 1 bis 2 Kilometer der Atmosphäre. Für fachlich interessierte Leser – auch hier kann man noch einmal in drei Regionen unterscheiden. Die untersten Millimeter, wo sich Atmosphäre und Erboden berühren, nennt man die viskose Unterschicht. Hier gibt es typischerweise wenig Turbulenz, Prozesse auf molekularer Ebene sind entscheidend. Für den Alltag und die Böigkeit wichtiger ist die darüber liegende Prandtl-Schicht. Sie erstreckt sich bis in eine Höhe von rund 100 Metern. Hier gibt es bereits viel Turbulenz, die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe rasch zu, die Windrichtung ist aber noch nahezu konstant. In der darüber anschließenden Ekman-Schicht steigen die Windgeschwindigkeiten weiter an, aber auch die Windrichtung beginnt zu drehen.

Durchmischung

Die stärkeren Winde in der Höhe können unter gewissen Voraussetzung heruntergemischt werden, dabei spielt die thermische Schichtung eine große Rolle. Ist die Schichtung stabil (keine großen Temperaturunterschiede in der Höhe, im Extremfall auch Kaltluftseen), so passiert dies weniger effektiv. Im umgekehrten Fall, nämlich bei labiler Schichtung oder guter thermischer Durchmischung, funktioniert das wesentlich besser. Wirbelstrukturen können bis zum Erdboden durchgreifen und hier für einen sprunghaften Anstieg der Windgeschwindigkeiten sorgen.

Und dieses sprunghafte Ansteigen, der abrupte Wechsel, ist im Hinblick auf das Schadenspotential entscheidend! Hohe, aber konstante Windgeschwindigkeiten sind weniger problematisch als eine starke Änderung derselben. Bildlich kann man sich einen Baum vorstellen, der sich im Wind biegt. Solange der Wind sich nicht ändert, passiert zunächst nicht viel. Variiert nun aber die Geschwindigkeit und/oder die Richtung, dann kann das den Baum entwurzeln, den Stamm knicken oder durch Torsion zerstören. Ähnlich verhält es sich auch bei Gebäuden.

Sturmschaden - umgestürzter Baum