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Bild 1 von 2. Vilhelm Bjerknes (1862-1951). Der studierte Mathematiker und Physiker gilt als Pionier der modernen Meteorologie. Er realisierte, die Bewegungen in der Atmosphäre können nur verstanden werden, wenn er Überlegungen aus der Hydrodynamik mit jenen der Thermodynamik vereint. Bildquelle: NOAA.
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Bild 2 von 2. Schematische Darstellung von Bjerknes und Solberg, wie sich ein Tiefdruckgebiet und die Fronten entwickeln. Bildquelle: Originalpaper von Bjerknes und Solberg.
Der erste Weltkrieg spielte eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung von Fronten. So entstanden beispielsweise die Bezeichnungen Front und Polarfront in Anlehnung an den Krieg. Wie sich gegnerische Truppen an der Front bekämpfen, so stellten sich die Forscher rund um Vilhelm Bjerknes vor, bekämpfen sich auch kalte und warme Luftmassen an der Polarfront. Warme, subtropische Luft gegen kalte, polare Luft. In der Not des ersten Weltkrieges fand auch das Forscherteam zusammen, das die Polarfronttheorie beschrieb.
Man muss mit hinreichender Genauigkeit die Gesetze kennen, nach denen sich der eine atmosphärische Zustand aus dem anderen entwickelt.
Assistenten im Krieg
Bodenanalysekarten mit Messwerten, Drucklinien und eingezeichneten Fronten finden noch heute Anwendung in der Meteorologie. Die winzigen Zahlen und Symbole stammen von Messstationen rund um den Globus. Die Bodenanalysekarte gibt dem Meteorologen einen Überblick über das aktuelle Wettergeschehen.
Während Vilhelm Bjerknes noch an der Universität Leipzig lehrte, brach der erste Weltkrieg aus. Bjerknes verlor viele seiner Assistenten an den Krieg, sein damaliges Forscherteam brach zunehmend auseinander. Um seine Forschung fortsetzen zu können, entschloss er sich, die Studenten Jacob Bjerknes und Halvor Solberg von der Universität Kristiania (heutiges Oslo) nach Leipzig zu holen. Jacob Aall Bonnevie Bjerknes, Vilhelm Bjerknes Sohn, und der Schwede Halvor Solberg schrieben letztendlich die Arbeit zur wegleitenden Theorie der Polarfront, im Jahre 1922.
Bergener Schule
Die produktivsten Jahre des Forscherteams spielten sich jedoch nicht in Leipzig, sondern an der Universität Bergen, einer Stadt an der norwegischen Küste, ab. Unter dem Druck des ersten Weltkrieges war Leipzig bald kein sicheres Pflaster mehr. Der Arktisforscher Fridtjof Nansen und der Ozeanographe Bjorn Helland-Hansen boten Vater Bjerknes 1917 die Möglichkeit an der Universität Bergen sein eigenes Institut aufzubauen. Unter seiner Leitung gelangen Jacob Bjerknes und Halvor Solberg ab 1920 einige wissenschaftliche Meilensteine.
Man muss mit hinreichender Genauigkeit den Zustand der Atmosphäre zu einer gewissen Zeit kennen.
Die Theorie
Heute kaum mehr zu glauben, doch die Polarfronttheorie entstand alleine aus Beobachtungsdaten sowie physikalischen Gesetzmässigkeiten und Überlegungen. Bjerknes und Solberg überlegten sich, wie wohl der Wärmeaustausch zwischen dem überhitzen Äquator und den unterkühlten Polen stattfinden musste. Alleine über Wärmeflüsse zwischen Nord und Süd konnte der Austausch nicht stattfinden: Die Coriolisablenkung und die damit verbundenen, unrealistisch hohen Windgeschwindigkeiten sprachen dagegen. Über ihre Polarfronttheorie fliesst nun spiralförmig kalte Luft in die Tropen und warme Luft in Richtung Pol.
Die Polarfronttheorie in 5 Schritten
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Bild 1 von 9. Schritt 1. Den Anfang macht eine stationäre Polarfront, die polare Luft im Norden von der subtropischen Luft im Süden trennt. Noch verläuft die Front gerade und bewegt sich kaum, man erkennt sie lediglich durch ein schmales Wolkenband in der Höhe. Bildquelle: NOAA/NWS.
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Bild 2 von 9. Schritt 2. Rund um die Polarfront beginnt der Druck zu fallen, eine Welle entsteht. Auf der Vorderseite der Welle, fliesst allmählich warme Luft nach Norden. Auf der Rückseite drückt kalte Luft nach Süden. Ansätze von Fronten entstehen. Bildquelle: NOAA/NWS.
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Bild 3 von 9. Schritt 3. Der Druck fällt stetig, aus der Welle entsteht ein Bodentief. Entlang der Grenzen zwischen der polaren Kaltluft und der subtropischen Warmluft entstehen eine Warm- und eine Kaltfront. Bildquelle: NOAA/NWS.
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Bild 4 von 9. Schritt 4. Ein ausgewachsenes Tief entsteht. Die Kaltfront bewegt sich schneller als die Warmfront. In der Nähe des Tiefdruckzentrums beginnen sich die Fronten zu vereinigen, eine Mischfront (Okklusion) entsteht. Ähnlich einem Reissverschluss setzt sich der Okklusionsprozess mit der Zeit weiter fort. Bildquelle: NOAA/NWS.
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Bild 5 von 9. Schritt 5. Der Auflösungsprozess beginnt. Kalte Luft flutet das Bodentief, der Druck steigt. Das Tiefdruckgebiet schwächt sich immer weiter ab, am Ende ist kaum noch etwas davon zu erkennen. Der Anfangszustand mit der ungestörten Polarfront ist wiederhergestellt. Bildquelle: NOAA/NWS.
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Bild 6 von 9. Kaltfront. Eine Kaltfront trennt warme Luft vor der Front von kalter Luft hinter der Front. Die kalte, schwere Luft schiebt sich unter die warme, leichte Luft. Der Aufzug einer Kaltfront findet selten ruhig statt. Vor allem im Sommer werden Kaltfronten von kräftigen Gewittern und Wind begleitet. Bildquelle: SRF Meteo.
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Bild 7 von 9. Warmfront. Eine Warmfront trennt kalte Luft vor der Front von warmer Luft hinter der Front. Zieht eine Warmfront auf, gleitet die warme, leichte Luft auf kalter, schwerer Luft auf. Die typische Cirrus-Bewölkung vor Warmfronten erkennt man bereits 500 bis 800 km vor der eigentlichen Front. Bildquelle: SRF Meteo.
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Bild 8 von 9. Okklusionstyp I. Bei Okklusionen, umgangssprachlich Mischfronten genannt, vereinigt sich die schnell ziehende Kaltfront mit der langsameren Warmfront. Im Sommer wird die Okklusion meist von der Kaltfront angetrieben, die sich unter die Warmfront schiebt. Bildquelle: SRF Meteo.
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Bild 9 von 9. Okklusionstyp II. Die Luft vor der Warmfront ist noch etwas kälter und dichter als die Luft hinter der Kaltfront. Bei dieser Art von Okklusion gleitet die Kaltfront auf der Warmfront auf. Typischerweise beobachtet man sie im Winter über kalten Kontinenten. Bildquelle: SRF Meteo.
Quellen
Jacob Bjerknes und Halvor Solberg, 1922: Life Cycle of Cyclones and the Polar Front Theory of Atmospheric Circulation.
Andreas Bott, 2012: Synoptische Meteorologie, Methoden der Wetteranalyse und –prognose.
Karl Heinz Hack, 2009: Flugwetter.
Horst Malberg, 2007: Meteorologie und Klimatologie.
http://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/weather-and-climate-biographies/vilhelm-frimann-koren-bjerknes
