Leewellen

 

 

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Leewellen

Leewellen

Die Grundlagen zum Verständnis der Leewellen sind im Kapitel Föhn dargestellt.

Wellenförmige Schwingungen der Luft treten bei höheren Windgeschwindigkeiten recht häufig auf. Sie entstehen durch Störungen einer ausgedehnten horizontalen Luftströmung. Dabei befindet sich die Luft zunächst noch im hydrostatischen Gleichgewicht, d.h. im Gleichgewicht zwischen der vertikal nach oben wirkenden Druckgradientkraft und der nach unten wirkenden Schwerkraft. Wird dann in einer stabil geschichteten Luftströmung die Luft durch eine Störung nach oben gezwungen, entsteht eine Rückstellkraft, welche die Luft wieder in seine Ausgangslage und -höhe zurückführt. Aufgrund ihrer Trägheit bewegt sich die ausgelenkte Luft dann aber über ihre ursprüngliche Gleichgewichtslage hinaus. Das führt zu einer periodischen Wiederholung dieses Vorgangs. Diesen Rückführungseffekt zeigt die Animation.

Aus diesem Schwingungsvorgang heraus entsteht in der Luftströmung schließlich ein Wellensystem. Als Ursachen für die Störung kommen z.B. auslenkende Kräfte eines thermischen Aufwinds oder orographische Hindernisse in Betracht. Das Resultat sind im ersten Fall Konvektionswellen, im zweiten Fall Leewellen.

Leewelten sind anhand besonderer Wolkenformationen, die bereits optisch eine wellenförmige Luftbewegung andeuten, meist leicht zu erkennen:

  • Lenticulariswolken (altocumulus lenticularis) bilden sich im Bereich der jeweiligen Amplitudenmaxima. Sie haben linsenförmige Gestalt und sind oftmals nach oben geschichtet mit klaren Luftschichten dazwischen.
  • Cumulus- oder Stratocumuluswolken, die sehr instabil sind, bilden sich im unteren Bereich. Sie kennzeichnen den oberen Bereich eines Rotors mit horizontaler Achse. Im Rotor herrschen teils extreme Turbulenzen.
  • Föhnmauer aus mächtigen Stratuswolken über dem Gebirgsrücken, die durch den starken Wind auf die Leeseite der Gebirgsformation gedrückt werden und dort abrupt wie abgeschmirgelt enden.

Leewellen sind für den Segelflug von besonderer Bedeutung. So flog Klaus Ohlmann am 21. Januar 2003 in den Leewellen der Anden mit 3.000 km die bisher längste Strecke im Segelflug.

 

Eigenschaften von Leewellen

Ist das Strömungshindernis ein langgestreckter Höhenzug, wie zum Beispiel die Alpen, ist regelmäßig nur eine Überströmung möglich. Ist die überströmende Luftmasse stabil geschichtet, bildet sich über dem Hindernis und in seinem Lee eine bis in große Höhen reichende stationäre wellenförmige Strömung und Wirbel mit horizontaler Achse. Diese sog. stehenden Wellen können sich bis zur Tropopause und noch in die Stratosphäre hinein fortsetzen und dort die Bildung von Perlmutterwolken bewirken. Die stärksten Wellen treten im Lee von Gebirgen auf. Die Wellen werden als "Gebirgswellen" oder "Leewellen" (englisch: "mountain waves"), die Wirbel als Rotoren und die Überströmung der Alpen als Föhn bezeichnet.

Leewellen können grundsätzlich von jedem Gebirgszug (z.B. Riesengebirge, Schwarzwald, Schwäbische Alb, Thüringer Wald, Harz usw.) erzeugt werden. Sie haben meist Wellenlängen von 3 - 20 km. Sie können noch weit leeseitig des Gebirges vorhanden sein. So wurden sie in den Anden noch in Entfernungen von bis zu 500 NM festgestellt. Üblich sind allerdings eher Entfernungen von 50 - 100 NM.

Die Schwingungen bilden an der Unterseite einen Trog und einen Rücken bzw. Kamm an der Oberseite. Der Abstand von Trog zu Trog oder von Kamm zu Kamm bezeichnet die Wellenlänge. Die Wellenlänge ist proportional zum Wind und umgekehrt-proportional zur Stabilität. Im Bereich vom Trog zum Kamm liegt ein Aufwindbereich, im Bereich vom Kamm bis zum Trog sind überwiegend Abwinde anzutreffen. Die Wellenlänge von Leewellen beträgt durchschnittlich ca. 5 NM. Nach einer einfachen Faustregel liegt die Wellenlänge bei rund 1/7 der mittleren Windgeschwindigkeit, d.h. bei einer Windgeschwindigkeit von 35 kt beträgt die Wellenlänge ca. 5 NM. Die Wellenlänge ist aber nicht in allen Höhen konstant, vielmehr nimmt die Wellenlänge in der Regel mit der Höhe zu.

Die Wellenamplitude ist definiert als die Hälfte der Distanz zwischen Tal und Gipfel der Welle. Sie ist abhängig von Form und Umfang des Bergkammes (topographischer Effekt) und vom vertikalen Wind- und Temperaturprofil der Luft (meteorologischer Effekt). Generell ist die Amplitude also umso höher, je höher das Gebirge Ist und je stärker der Wind bläst. Sie mißt im Mittel etwa 750 ft (1.500 ft von Berg zu Tal). Typische Steigwerte sind ca. 1.000 ft/min, es sind aber auch schon Werte von 5.000 fl/min gemessen worden. Die größte Amplitude wird im allgemeinen in der stabilen Schicht oberhalb der Berggipfel angetroffen. Mit der notwendigen vertikalen Stabilitätsabnahme wird auch die Amplitude geringer. Je größer die Amplitude ist, desto stärker ist auch das Steigen im Aufwindbereich der Welle.

Auch die Bergform und die -höhe tragen nicht unwesentlich zur Ausprägung der Leewellen bei. Je mehr ein Hindernis der Idealform der in der Luftmasse möglichen Wellen entspricht, desto stärker regt es zur Wellenbildung an. Wenn also die Form eines Berges grob mit der natürlichen Form der Leewelle übereinstimmt, ist die Amplitude größer. Dieser Fakt überwiegt den Effekt der Berghöhe, so daß ein Berg, dessen Profil in die Wellenlänge paßt, eine Wellemit größerer Amplitude erzeugt als ein Berg, der zu groß für die Wellenlänge ist. Mit dieser Einschränkungen gilt außerdem, daß die Amplitude um so größer ist, je höher der Bergkamm aufragt. Stets kommt allerdings der Form des Leeabhangs eine entscheidende Bedeutung zu. Steile Leehänge erzeugen große Amplituden, begünstigen damit aber auch die Ausbildung kräftiger Rotoren. Stehen 2 hintereinanderliegende Bergkämme in Resonanz mit der Wellenlänge, entstehen weitere Resonanzschwingungen. Zudem ist dann auch die Amplitude der Welle über dem 2. Bergkamm und in seinem Lee ist wesentlich größer. Dabei kann die Stärke der zweiten Welle die der ersten sogar noch übertreffen. Sind diese Voraussetzungen gegeben, so bildet sich eine Wellenströmung, die aus einer ersten kräftigen Welle mit mehreren auslaufenden Nachschwingungen besteht

Orographische Turbulenz tritt bei der Überströmung von Gebirgen auf und führt zur Bildung von Leewellen mit Rotoren, deren Achsen parallel zur Gebirgeausrichtung verlaufen. Leewellen bilden charakteristische Lenticularis-Wolken (Ac lent), die sog. "Föhnfische", die im Windstrom quasi ortsfest bleiben. Die Turbulenz ist am stärksten bei hohen und steilen Gebirgszügen und wenn das Windmaximum bei stabiler Schichtung etwa in Kammhöhe liegt. Typische Gebiete für das Auftreten von Leewellen-Turbulenz sind bei uns die Alpen, aber auch der Schwarzwald.

Wie die Abbildung rechts zeigt, ist Aufwind nur luvseitig der Lenticularis-Wolke zu finden. Je nach Windstärke herrscht auf der Leeseite mehr oder weniger starkes "Saufen". Wer dort hinein gerät, kann nur unter Hinnahme stärksten Sinkens sofort schnell gegen den Wind in die luvseitige Steigzone vorfliegen. Jedes Zögern führt unweigerlich zu weiterem Höhenverlust. Das gilt auch für den Rotor, wobei in beidenFällen die Belastungsgrenzen des Flugzeugs zu beachten sind!

Leewellen

 

Arten von Leewellen

Es sind 2 Grundtypen von Leewellen zu unterscheiden:

  • die Ausbreitungswelle (engl.: vertically propagating wave) und
  • die Resonanzwelle (engl.: trapped wave).

Beim 1. Typ geschieht die Umsetzung der kinetischen Energie des auf das Hindernis treffenden Windes überwiegend vertikal nach oben. Bei Typ 2 erfolgt sie dagegen überwiegend horizontal in Strömungsrichtung. Welcher Typ vorherrscht, ist abhängig vom vertikalen Wind- und Temperaturprofil sowie von der Form und der Höhe des Strömungshindernisses.

Die Ausbreitungswelle kann bei entsprechenden Verhältnissen auf Grund ihrer großen Amplitude bis in die Stratosphäre reichen. Sie ist wegen ihrer vorwiegend vertikal nach oben gerichteten Energieausbreitung und fehlender leewärtiger Reflexionsschichten stark gedämpft und hat deshalb leeseitig nur wenige oder überhaupt keine sekundären Wellen. Die Wellenlängen liegen meist zwischen 15 und 30 km, in Einzelfällen können sie aber auch deutlich größer sein. Ausbreitungswellen sind gekennzeichnet durch eine einzelne sehr hohe dachartige Wolke, deren Vorderkante parallel zur Bergkette angeordnet ist. Dieser Wellentyp bietet Segelfliegern die beste Chance auf große Höhenflüge.

Die Resonanzwelle ist gekennzeichnet durch viele hintereinander liegende Wellenschwingungen (bis zu 20 oder mehr). Ihr Wellenlänge beträgt meist nur 5 - 15 km. Resonanzwellen reichen mit 3 - 8 km nicht so hoch wie die Ausbreitungswellen, da sie zwischen dem Erdboden und einem Bereich mit einem Maximum der Windgeschwindigkeit, die beide die Wellenenergie reflektieren, quasi gefangen sind (daher auch die engl. Bezeichnung "trapped waves"). Damit sind sie segelfliegerisch für niedigere Wellenflüge z.B. als Rückenwind- und geschlossene Streckenflüge nutzbar .

Aber hier wie im Leben gilt nur selten die reine Lehre: Leewellen sind meist als Mischformen der beider Wellentypen anzutreffen.

 

Bedingungen für die Bildung von Leewellen

Voraussetzung für das Auftreten von Leewellen ist ein quer zum Wind stehendes Hindernis, also ein langgestreckter Berg oder eine Bergkette. Eine stabile Luftschichtung bzw. Inversion in oder oberhalb der Kammhöhe des Gebirges ist eine weitere notwendige Bedingung. Der Wind sollte das Strömungshindernis möglichst senkrecht oder zumindest innerhalb eines +/- 30° Sektors anströmen. Die erforderliche Windgeschwindigkeit ist abhängig von der Stabilität der Atmosphäre sowie der Hindernisform und -höhe. Die Erfahrung zeigt, daß für niedrige Hügel und Berge bis zu ca. 1.000 m Höhe bereits eine senkrecht auftreffende Windkomponente von 8 - 10 m/s (15 - 18 kt) und für die Alpen von etwa 10 - 15 m/s (18 - 27 kt) ausreicht, um Lewellen auzulösen. Leewellen können grundsätzlich zu jeder Jahreszeit auftreten, vom späteren Herbst bis ins zeitige Frühjahr ist wegen der in dieser Zeit meist höheren Windgeschwindigkeiten und des günstigeren Stabilitätsverhalten der Atmosphäre ihre Wahrscheinlichkeit aber am größten.

Folgende Bedingungen sind also für die Bildung von Leewellen maßgebend:

  • Starker Wind, der nahezu senkrecht zur Gebirgskette bläst, wobei Abweichungen von bis zu 30° von der Senkrechten noch unerheblich sind.
  • Die Windgeschwindigkeit sollte direkt über dem Gebirgsrücken mehr als 15 kt betragen und mit der Höhe zunehmen.
    Tatsächlich sind häufig Jetstreams der auslösender Faktor für Gebirgswellen.
  • Stabile Luftschichten über der Gebirgskette mit annähernd isothermischen Bedingungen oder eine Inversionslage mit einer weniger stabilen Schichtung direkt oberhalb des Gebirges.

Die beste Jahreszeit für die Bildung von Leewellen ist der Winter. Durch die Schneebedeckung und den dann stärkeren Einfluss des Jetstreams in unseren Breiten kann sich keine Konvektion bilden, welche die stabile Luftschichtung in der Höhe beeinträchtigen könnte. Im Sommer ist wegen der dann noch fehlenden oder sich abschwächenden Konvektion der frühe Morgen oder spätere Nachmittag die beste Tageszeit für die Ausprägung der Leewellen.

Die im rechten Winkel zum Hindernis wirkende Windkomponente muß in Gipfelhöhe bei niedrigen Bergen mindestens 8 m/s (15 kt) und bei hohen Bergen (bis 4000 m) mindestens 12 m/s (22 kt) betragen. Bei geringerer Windgeschwindigkeit folgen die Stromlinien lediglich dem Bergprofil oder es bildet sich leeseitig in Bodennähe ein stehender Wirbel. Die Windgeschwindigkeit sollte mit der Höhe stetig bis auf 20 - 30 m/s zunehmen. Die Windrichtung darf um max. 30° von der Senkrechten zur Hindernislängsachse abweichen und sich insoweit auch in der Höhe um weniger als 20°/1.000 m ändern. Nimmt der Wind oberhalb des Bergrückens wieder ab oder dreht er stärker aus der Richtung, bilden sich lediglich gegeneinander rotierende Wirbel mit entsprechender orographischer Turbulenz, aber keine Wellen.

Eine Wellenströmung als weitgehendst laminare Strömung wird außerdem auch durch hochreichende thermische oder andere turbulente Strömungen zerstört. Damit eine Luftmasse schwingungsfähig ist, muß eine stationäre stabile Schichtung in Gipfelhöhe des überströmten Bergzuges oder knapp darüber vorhanden sein, die zwei Schichten geringerer Stabilität darüber und darunter trennt (siehe Abbildung rechts, "gefangene Schichtung"). Die unterhalb dieser stabilen Schicht (Inversion) liegende Luftmasse wird auch als Totluftmasse bezeichnet, da sie normalerweise keinerlei vertikalem Austausch mit der darüberliegenden Luftmasse unterliegt.

Die Abbildungen rechts zeigen das Strömungsgeschehen bei unterschiedlichen Schichtungsverhältnissen, symbolisiert durch unterschiedlich starke Sprungfedern. Im Bild rechts unten (Abbildung "gefangene Schichtung") liegt die stabile Schicht zwischen 2 labilen Luftschichten ("Sandwich-Schichtung"). Dieses Arrangement macht deutlich, wie eine Atmosphäre mit einer stabilen Schicht zwischen Bereichen mit geringerer Stabilität oder unter einer Höheninversion in Schwingung versetztwerden kann. Nach dem Ausgangsimpuls durch das Strömungshindernis schwingt die stabile Schicht, nachdem sie das Hindernis überquert hat, noch lange weiter auf und ab. Die vertikale Geschwindigkeitskomponenten auf der Luvseite dieser Wellen ist häufig größer als die Sinkgeschwindigkeit eines Segelflugzeuges. Deshalb können Segelflieger im Bereich der aufsteigenden Luft an der Aufwindseite einer solchen Welle Höhe gewinnen. In den quasi-laminaren Wellenströmungen werden sehr ruhige, turbulenzarme Aufwinde angetroffen.

Auch die Bergform und die -höhe tragen nicht unwesentlich zur Ausprägung der Leewellen bei. Je mehr ein Hindernis der Idealform der in der Luftmasse möglichen Wellen entspricht, desto stärker regt es zur Wellenbildung an. Wenn also die Form eines Berges grob mit der natürlichen Form der Leewelle übereinstimmt, ist die Amplitude größer. Dieser Fakt überwiegt den Effekt der Berghöhe, so daß ein Berg, dessen Profil in die Wellenlänge paßt, eine Welle mit größerer Amplitude erzeugt als ein Berg, der zu groß für die Wellenlänge ist. Mit dieser Einschränkungen gilt außerdem, daß die Amplitude um so größer ist, je höher der Bergkamm aufragt. Stets kommt allerdings der Form des Leeabhangs eine entscheidende Bedeutung zu. Steile Leehänge erzeugen große Amplituden, begünstigen damit aber auch die Ausbildung kräftiger Rotoren. Stehen 2 hintereinanderliegende Bergkämme in Resonanz mit der Wellenlänge, entstehen weitere Resonanzschwingungen. Zudem ist dann auch die Amplitude der Welle über dem 2. Bergkamm und in seinem Lee ist wesentlich größer. Dabei kann die Stärke der zweiten Welle die der ersten sogar noch übertreffen.

Sind diese Voraussetzungen gegeben, so bildet sich eine Wellenströmung, die aus einer ersten kräftigen Welle mit mehreren auslaufenden Nachschwingungen besteht

 

Strömung bei Labilität

 

 

 

 

 

 

Strömung bei Stabilität

 

 

 

 

 

Leewellen (trapped waves)

 

Rotor

Leewelle mit Rotor

Eine hohe Bergkette kann bei entsprechender Anströmung auf seiner Leeseite eine wasserfallartige Luftströmung hervorrufen, wobei die vertikalen Amplituden der Stromlinien mehr als 6 km erreichen können. Im Extremfall können solche Abwinde mehr als 50 m/s am Boden erreichen. Unterhalb der quasi-laminaren Wellenströmung bilden sich fast immer walzenförmig rotierende turbulente Luftströmungen, die sog. "Rotoren". Im Bereich dieser Rotoren sind schwere Turbulenzen anzutreffen. Solche Rotoren stellen für Flugzeuge eine erhebliche Gefahr dar.

Rotoren sind stehende Wirbel mit waagrechter Rotationsachse, die sich hauptsächlich in der unteren Luftschicht unterhalb der Wellenkämme formieren. Sie liegen meist unterhalb der Berggipfel, können aber auch weit über den Gipfelbereich hinausreichen. Sie sind regelmäßig mit ungewöhnlich starken Auf- und Abwinden verbunden, d.h. mit stärkster Turbulenz durchsetzt.

Wenn die Luft den Leeabhang wie in einem Wasserfall hinabstürzt, nimmt sie Geschwindigkeit auf, schießt einen Teil des Talgrundes entlang, prallt auf die dort lagernde Luftschicht und wird dadurch erneut zum Aufstieg gezwungen, vergleichbar dem Geschehen bei der Überströmung eines Wasserwehrs. Dabei wird viel von der kinetischen Energie, die beim Herabstürzen gewonnen wurde, in schwere Turbulenz umgewandelt. Beobachtungen deuten darauf hin, daß die auftretende Turbulenz um so stärker ist, je weiter entfernt die Rotorposition vom Abhang ist. Seine Position wird wesentlich durch das Verhältnis der Höhe der luvseitigen Inversion zur Höhe der Bergkette bestimmt. Die kräftigsten Rotoren entstehen häufig unterhalb der ersten Welle direkt am Leeabhang des Berges (siehe Schemabild). Sie sind häufig - aber nicht immer! - durch Rotorwolken gekennzeichnet, die aus einer meist stationären Rolle zerrissener kumulusförmiger Wolken (Cumulus fractus) bestehen. Diese Rotorwolken sind stets ein Anzeichen für die dort herrschende heftige Turbulenz. Damit einher geht im unteren und leeseitigen Bereich des Rotors ein Rücklaufen der Strömung. Das zeigt die Abbildung oben. Diese Turbulenz kann besonders unter der ersten Welle sehr gefährlich sein, wenn z.B. ein Schleppzug den Rotor unterhalb der Rotorbewölkung durchquert, um gegen die Strömungsrichtung den Aufwind der Primärwelle zu erreichen, und dabei möglicherweise sogar noch in die gegenläufige Strömung gerät. Heftige Rotoren, die zur Zerstörung von Flugzeugen führen können, werden meist nur im Lee hoher Berge angetroffen. Sie sind überwiegend mit sehr starken Aufwinden und großen Wellenamplituden verbunden. Auch oberhalb der stabilen Schicht können in den Wellentälern bei sehr großen Amplituden Rotoren entstehen, die jedoch im Gegensatz zu den bodennahen Rotoren linksdrehend sind und keine Rotorwolken erzeugen.

 

Wolken

Wolken der Leewellen

Bei genügender Luftfeuchtigkeit werden von Leewellen 3 typische Wolken hervorgerufen:

  • Föhnmauer
  • Lenticularis-Wolken
  • Rotor-Wolken
  • Perlmutter-Wolken.

Das sind aber 4, werden Sie zurecht einwenden.

Richtig, denn die Perlmutterwolken entstehen nur, wenn der Wellenkamm bis zur Tropopause bzw. sogar in die Stratosphäre reicht. Die Perlmutterwolke ist eine pfannkuchenförmige Wolke, die extrem dünn und nur für kurze Zeit sichtbar ist, besonders nach Sonnenuntergang oder vor Sonnenaufgang, wenn der Himmel noch dunkel ist. Sie ist normalerweise in Breiten über 50° Nord oder über der Antarktis zu beobachten.

Föhnlücke mit Rotorwolke

Die Entstehung der Wolken ist abhängig von der Luftfeuchtigkeit der strömenden Luftmasse und der Wellenamplitude. Wenn die Luft aufsteigt, kühlt sie ab und die Feuchtigkeit kondensiert. Beim Absinken wird die Luft komprimiert und durch die Kompressionswärme erwärmt. Die wärmere Luft absorbiert die Feuchtigkeit und die Wolke trocknet ab.

Wie im Kapitel Föhn ausgeführt, bildet sich auf der Luvseite des Berges durch den Stau eine meist geschlossene Bewölkung, die sog. Föhnmauer. Sie löst sich auf der Leeseite durch die adiabatische Erwärmung der abwärts strömenden Luft auf, es entsteht die typische Föhnlücke. Bei ausreichend hoher Feuchte in allen Luftschichten bildet sie hinter der Föhnlücke wieder eine geschlossene, hochreichende Wolkenbank, die an ihrer Luvkante durch dachartig vorstehende Profilnasen ihren Wellencharakter anzeigt.

Bei sehr geringer Luftfeuchte führt aber selbst die kräftigste Hebung nicht zur Kondensation, so daß sich ein wolkenloses Wellensystem ausbildet.

Gerät die Luft in Schwingungen wiederholt sich der Vorgang der Wolkenbildung und -auflösung bei jeder Schwingung. Im Scheitelpunkt jeder Schwingung bildet sich so die unverwechselbare und charakteristische linsenförmige Wolke, die Lenticularis-Wolke, vorausgesetzt, es ist ausreichend Feuchtigkeit für die Wolkenbildung vorhanden. Lenticulariswolken werden wegen ihres Aussehens mit ihrer glatten konkaven, ebenen oder konvexen Basis auch „Föhnfische“ genannt. Ein weiteres Charakteristikum ist, daß sie trotz des starken Windes von teilweise 50 kt oder mehr fast ortsfest über dem Gelände stehen. Das geschieht dadurch, daß sie sich an ihrer Luvseite ständig neu aufbauen und in der Abwärtsströmung auf ihrer Leeseite auflösen. Sie entstehen am Wellenkamm und wachsen von dort aus symmetrisch zum Luv und Lee hin. Dabei können die einzelnen Schichten auch zusammenwachsen.

Bei hinreichender Luftfeuchtigkeit bilden sich meistens, aber nicht immer, am Fuß der Wellenkämme kompakte walzenförmige Rotorwolken, die sich wie große Zirkulationsräder unter den Lenticulariswolken drehen. An ihrer Luvseite staut sich die schnellere Luftmasse und steigt auf, im unteren Bereich turbulent, weiter oben dann eher laminar. Die Luft, die an der Luvseite des Rotors nach oben gerissen wird, labilisiert sich dabei, steigt somit adiabatisch noch schneller auf, kondensiert und bildet eine Wolke. Bleibt die Wolke klein, kann man manchmal sehen, wie sich die Walze dreht: An der Luvseite der Wolke strömt die Luft hoch und kondensiert, wird in der Wolke leeseits abgetrieben und sinkt unter Wolkenauflösung leeseitig wieder ab. Diese horizontal liegenden, stationären Rotorwolken bestehen aus Cumulus fractus oder einfacher Fracto-Cumulus. Selbst wenn keine Rotorwolke vorhanden ist, heißt das noch lange nicht, daß auch kein Rotor da ist! Wenn Segelflieger vom Rotor-Fliegen sprechen, dann ist damit das Steigen im turbulenten Aufwindteil der Rotorwalze gemeint.

Das Vorhandensein dieser Wolken ist aber nur ein Hinweis auf die Wellenaktivität, nicht auf die Wellenintensität in bestimmten Höhen. Da feuchte Luft weniger vertikale Hebung benötigt, das Kondensationsniveau zu erreichen, als trockenere Luft, zeigt eine linsenförmige Wolke nicht notwendigerweise die Stärke der Auf- oder Abwinde in einer Leewelle an. So kann beispielsweise eine Lenticulariswolke in größerer Höhe auch nur anzeigen, daß die Feuchte erst dort zur Kondensation führt, während die stärksten Auf- und Abwinde bereits in niedrigeren Höhen auftreten. Bei geringer Feuchte kann somit die Wolkenbildung auch gänzlich ausbleiben. Die Wellen mit ihren Auf- und Abwinden sowie den Rotoren sind dann aber trotzdem vorhanden! Daher ist es wichtig, auf die herrschenden Windgeschwindigkeiten zu achten.

 

Konvektionswellen

Eine Abart der Leewellen bilden thermisch induzierte Wellen. Derartige Konvektionswellen können sowohl von Thermik als auch von Cumuluswolken ausgelöst werden. Voraussetzung ist positive Geschwindigkeitsscherung (Windzunahme) mit der Höhe. Thermik- oder Cumuluswellen können willkürlich verteilt oder in walzenförmigen Wirbeln, d.h. in Aufwind- oder Wolkenstraßen organisiert sein. Bei letzteren muß die vertikale Windscherung so ausgerichtet sein, daß die obere Strömung senkrecht oder nahezu senkrecht zur Wolkenstraße verläuft. In beiden Fällen ist die Bildung von Wolken für das Vorhandensen aber nicht notwendig.

Cumuluswellen

Cumuluswelle mit Windprofil links

Eine einzelne Quellwolke, die in eine Höhe mit größerer Windgeschwindigkeit aufsteigt, wird zuerst die horizontale Bewegung, die sie durch den Wind in den unteren Luftschichten angenommen hat, beibehalten. In der Höhe stellt diese "langsame" Cumuluswolke mit den darin ablaufenden vertikalen Luftbewegungen nun für den schnelleren horizontalen Wind ein Hindernis dar, so daß er bei hinreichender Größe der Quellwolke diese um- oder überströmen muß. Vor der Wolke bildet sich so eine Luvwelle, die sich bei einer schwingungsfähigen Luftmasse in mehreren Nachschwingungen fortsetzen kann. In den Aufwindbereichen dieser Nachschwingungen ordnen sich durch die dort verstärkte Konvektion dann ebenfalls wieder Quellwolken an, während sie sich in den Abwindbereichen auflösen. Dadurch entstehen neue Resonanzeffekte, die schließlich zur Ausbildung eines Wellensystems führen. Im Gegensatz zu den stationären Leewellen wird dieses Wellensystem jedoch etwa in Höhe des Kondensationsniveaus mit dem Wind verlagert. Bilden sich die kräftigen Cumuluswolken bei entsprechender Thermik über festen Quellen, können davon ausgehend in Windrichtung angeordnete, wellenartig verformte Quellwolkenstraßen entstehen.

Damit dieses Wellensystem für den Segelflug nutzbar wird, ist eine vertikale Scherung der Windgeschwindigkeit von mehr als 3 m/s (5 kt) pro 1.000 m ohne nennenswerte Änderung der Windrichtung nötig. Ist die auslösende Cumuluswolke zu klein, tritt der luvseitige Aufwind nur an ihr auf und es handelt sich eher um "Hangaufwind" am einzelnen Cumulus.

 

Wolkenstraßenwellen

Wolkenstraßen

 

Ist die Grundschicht durch eine Inversion in 1.500 - 2.500 m Höhe nach oben begrenzt und in ihr eine besondere Windverteilung vorhanden, können sich parallel zur unteren Luftströmung Quellwolkenstraßen bilden. Sie können sich über mehrere hundert Kilometer erstrecken und sind auf Satellitenbildern gut zu erkennen.

Die Entstehung von Wolkenstraßen ist im Kapitel Cumulus näher beschrieben.

Die stabile Grundschichtinversion trennt die unter und über ihr liegenden labilen Luftmassen voneinander. Liegen mehrere Wolkenstraßen nebeneinander, stellen sie für den oberhalb der Grundschichtinversion quer dazu wehenden Luftstrom eine Reihe gleichmäßig angeordneter, langgestreckten Hindernisse dar. Weht dieser Wind mit ausreichender Stärke senkrecht zu diesen Wolkenstraßen, sind die bereits oben beschriebenen Voraussetzungen für die Bildung von Wellenerscheinungen gegeben.

Wolkenstraßenwelle (Schema)

Segelfliegerisch ist dieses Wellensystem jedoch nur dann nutzbar, wenn die Windgeschwindigkeit der oberen Luftströmung so groß ist, daß die sich bildenden Schwingungen in Resonanz mit den Wolkenstraßenabständen kommen.

 

Gefahren für die Luftfahrt

Wie schon beschrieben, sind die Aufwindbereiche der Wellen für Segelflugzeuge eine herausragende Möglichkeit, Höhe zu gewinnen. Für alle andere Luftfahrzeuge wie Ballone, Hängegleiter und Gleitschirme stellen Leewellen eher eine erhebliche Gefährdung dar. Der Wellenaufwind kann bis in die Stratosphäre, also mehr als 10 km MSL reichen. Ein Überfliegen des Wellengebiets ist deshalb mit den üblichen Flugzeugen der Allgemeinen Luftfahrt nicht möglich. Im laminaren, aufwärts gerichteten Strömungsbereich der Wellen sind die Flugbedingungen gleichmäßig und ruhig. Das fliegerische Risiko liegt vor allem im Einflug in die Abwindbereiche und heftigen Auf- und Abwinde bzw. die Turbulenzen des Rotors. Normalerweise liegt die Rotor-Wolke unterhalb der Lenticulariswolke, irgendwo zwischen Grund und Höhe der Berggipfel. Rotorturbulenzen werden aber selten in Höhen von mehr als 2.000 - 3.000 ft über dem Berggipfeln beobachtet. Die Rotoren der Leewellen sind mit schwersten Turbulenzen durchsetzt und somit auch für Verkehrsflugzeuge ein Gefahr. Aber auch im Lee der Berge und im Gipfelbereich herrschen oft heftigste Abwinde und Turbulenzen, die beim Anflug auf einen Bergkamm oder -einschnitt wie z.B. eine Paßhöhe nicht sichtbar sind. Die Lenticulariswolken bestehen normalerweise aus Eiskristalen. Im Einzelfall können aber auch unterkühlte Wassertröpfchen vorhanden sein, die dann zu sofortiger schwerster Vereisung führen.

Wie läßt sich der Einflug in derartige Situationen vermeiden?

  • Kein Flug ins Gebirge ohne gründliche Wetterinformation.
    Holen Sie für die geplante Flugzeit entlang der vorgesehenen Flugroute eine persönliche Wetterberatung ein!
  • Bei föhnverdächtigen Wetterlagen muß nicht unbedingt ins Gebirge geflogen werden!
    Bestes Gegenmittel ist eine gründliche meteorologische Flugvorbereitung; auch die persönliche Flugwetterberatung wird auf Föhnlagen hinweisen.
  • Fliegen Sie nicht, wenn das Wetter zweifelhaft oder schlecht ist oder brechen Sie ggf. einen Flug im oder ins Gebirge ab
    • bei Föhnlagen,
    • bei Vorliegen der Wettermeldung "Berge in Wolken",
    • bei beobachteter Gewitterbildung,
    • bei Schauertätigkeit (auch im Sommer) und
    • bei zu tiefer Wolkenbasis über den Pässen.
  • Versuchen Sie keinen Sichtflug im Gebirge, wenn nicht wenigstens gute Sichtflugbedingungen herrschen.
    Bereits bei der GAFOR-Einstufung D (= difficult) sollten Sie ohne besondere Erfahrung und Ortskenntnis besser nicht fliegen. Die Hauptwolkenuntergrenze bezieht sich auf Höhe über Grund. In den Bergen liegen die Wetterstationen zumeist im Tal, die umgebenden Berge und Pässe können daher bereits in Wolken sein.
  • Fliegen Sie nicht, wenn die Windstärke in Ihrer geplanten Flughöhe mehr als 20 kt beträgt.
    Seien Sie an Gebirgspässen und -kämmen auf Wind von doppelter oder noch größerer Stärke gefaßt als möglicherweise für nahegelegene Bereiche vorhergesagt.
  • Vergegenwärtigen Sie sich zu jeder Zeit die Hauptwindrichtung.
    Gehen Sie grundsätzlich davon aus, daß der Wind wegen der Berge und Täler ständig und abrupt in Richtung und Stärke wechselt. Der einmal festgestellte Wind gilt daher nur an Ort und Stelle. Vergleichen Sie den Wind mit Wasser und stellen Sie sich bildhaft vor, wie es die Gebirgshindernisse hinaufströmt, überströmt, umfließt oder hinabfließt und dabei Wellenberge und -täler, Strudel, Wirbel und schwallartige Sturzbäche bildet. Übrigens: Oberhalb von 10.000 ft herrschen in Mitteleuropa vorwiegend westliche Winde.
  • Fliegen Sie Gebirgspässe und -kämme immer mit der größtmöglichen Überhöhung an.
  • Mit Abwinden von mehr als 1.500 - 2.000 ft/min auf der Leeseite ist stets zu rechnen. Fliegen Sie nicht nahe an oder über zerklüftetem Gelände, Gebirgskämmen und - graten. Dort kann gefährlichste Turbulenz lauern, insbesondere bei stärkerem Wind. An windigen Tagen ist eine Bodenfreiheit von mindestens 1.500 - 2.000 ft einzuhalten.

  • Fliegen Sie nie in ein Tal ein, wenn Sie nicht bereits am Taleingang eine Höhe von wenigstens 1.000 ft über dem am Talende liegenden Paß haben; an windigen Tagen sind 2.000 ft besser.
  • 50%-Plus-Höhe über dem Gelände
    Turbulenz kann in den Bergen in allen fliegerisch nutzbaren Höhen auftreten. Die gefährlichsten Turbulenzen können aber in der Regel vermieden werden, indem von den Bergen ein Höhenabstand von mindestens der halben Berghöhe eingehalten wird. Hat z.B. das vor dem Berg liegende Gelände eine Höhe von 10.000 ft ist und der Berggipfel 14.000 ft hoch, beträgt die Berghöhe selbst nur 4.000 ft. Die Hälfte dieses Werts sind 2.000 ft, so daß eine Flughöhe von 2.000 ft über der Berghöhe, d.h. von 12.000 ft notwendig ist. Allerdings fliegen die meisten kleineren Flugzeuge, wie sie im privaten Bereich verwendet werden (E-, K- oder M-Klasse), in dieser Höhe bereits in ihrer Dienstgipfelhöhe!
  • Fliegen Sie nie in der Talmitte.
    Fliegen Sie immer auf einer, vorzugsweise der rechten Talseite, damit Sie notfalls Platz für eine 180°-Umkehrkurve haben. Halten Sie immer soviel Geländeabstand, daß Abwinde Sie nicht in eine aussichtslose Lage bringen.
  • Verlassen Sie Abwindbereiche bei ausreichender Höhenreserve umgehend im zügigen Singfug.
    Werden Sie im Abwind nicht langsamer. Fliegen Sie den Abwind, halten Sie also genügend Fahrt, indem Sie die Nase des Flugzeugs nach unten nehmen und verlassen Sie die Abwindzone sofort, ggf. mit Vollgas. Achten Sie dabei auf Turbulenzen und bleiben Sie unterhalb der Manövergeschwindigkeit. Wenn Sie ausreichenden Geländeabstand eingehalten haben, wird Ihnen genügend Höhe über Grund bleiben, um das Flugzeug aus der Abwindzone zu bringen. Durch die höhere Fluggeschwindigkeit werden Sie dem Abwind für eine kürzere Zeit ausgesetzt sein und so insgesamt weniger Höhe verlieren. Fliegen Sie nach Möglichkeit dorthin zurück, wo Sie waren, bevor Sie in die Abwindzone geraten sind, zu einer Aufwindzone oder in ruhigere Luft.
  • Paßanflug

  • 45°-Anflug
    Nähern Sie sich Pässen und Gebirgskämmen oder -graten ab einer Entfernung von ca. 0,5 bis 1 km stets im 45°-Winkel, so daß Sie nur um 90° statt um 180° abdrehen müssen, wenn unerwartete Abwinde oder Turbulenzen auftreten oder der Paßüberflug durch Wolken verhindert wird.
  • Unbedingt den Rotor meiden.
    Es können auch mehrere Rotoren gestaffelt auftreten. Die Rotorwolke ist nicht immer vorhanden, der Rotor aber schon!
  • Meiden Sie Bereiche mit irregulär geformten oder zerrissenen Wolken.
    In solchen Bereiche können schwerste Turbulenzen wie im Rotor herrschen.
  • Denken Sie an den Tal- bzw. Bergwind.
    Bei sonstiger Windstille kann beides für beträchtlichen Rücken- bzw. Gegenwind sorgen.

Ein Flug im Gebirge ist nur selten reine Routine - erwarten Sie also stets das Unerwartete.

Seien Sie sich bewußt, daß Sie allein, der Pilot, auf der Grundlage der bestmöglichen Information die volle Verantwortung für die Entscheidung tragen, ob Sie fliegen oder ob Sie nicht fliegen. Lassen Sie nie äußeren Druck oder Zwang an die Stelle von gründlicher Überlegung und Beurteilung treten!

Wer nicht zu 100 % weiß, was er tut und wie er es dann zu tun hat, für den gilt:

  • Bei föhnverdächtigen Wetterlagen muß nicht unbedingt ins Gebirge geflogen werden!
    (meteorologische Flugvorbereitung!, auch die Flugwetterberatung wird darauf hinweisen)
  • Das von Föhnwellen durchsetzte Gebiet sollte soweit als möglich umflogen werden.
    Notfalls muß die Flughöhe mindestens 50 % über der Höhe des auslösenden Gebirgskamms liegen.
  • Unbedingt den Rotor meiden.
    Es können auch mehrere Rotoren gestaffelt auftreten. Die Rotorwolke ist nicht immer vorhanden, der Rotor aber schon!
  • Unbedingt den Bereich leeseitig vor der Föhnmauer mit seinen starken Abwinden meiden.
  • Pässe und Einschnitte nur mit ausreichender Höhenreserve anfliegen.
  • Unbedingt den leeseitigen Bereich von Einschnitten, Talöffnungen oder sonstigen Durchlässen in dem anstauenden Berghindernis meiden.
    Infolge des dadurch bedingten Düseneffekts ist dort mit deutlich höheren Windgeschwindigkeiten, heftigen Turbulenzen und starken Abwinden zu rechnen. Deshalb darf man sich solchen Einschnitten niemals im 90°-Winkel nähern. Das läßt für eine Ausweichkurve im engen Tal keinerlei Möglichkeiten. Richtigerweise nähert man sich solchen Einschnitten leeseits im 45°-Winkel und ausreichender Höhenreserve, so daß man bei den ersten Anzeichen von starken Abwinden oder Turbulenzen leicht abschwenken kann.
  • Abwindbereiche bei ausreichender Höhenreserve im zügigen Singfug möglichst schnell verlassen.
    Der Versuch, in Abwindzonen mit Motorkraft die Höhe halten zu wollen, ist bei einem Fallen von bis zu 5.000 ft pro Minute völlig aussichtslos und daher von vornherein zum Scheitern verurteilt. Längeres Verweilen im Abwind führt regelmäßig zu mehr Höhenverlust als zügiger Sinkflug.
  • Zum Steigen möglichst die Aufwindbereiche nutzen, um schnell Höhe zu gewinnen.
  • Nicht mit hoher Geschwindigkeit in die Welle einfliegen.
    Wegen der stets drohenden Turbulenzen kann sonst schnell das zulässige Lastvielfache überschritten sein.
  • Die Anzeige des Höhenmessers kann wegen der erheblichen Druckabnormalitäten im Bereich der Leewellen Meßfehler bis zu 2.500 ft aufweisen.
  • Parallel zur Welle fliegen.
    Dabei möglichst im Aufwindbereich bleiben. Sich dazu die Wellenlänge bildlich vorstellen hilft.

Mehr zum gesamten Thema steht in der Handreichung "Fliegen im Gebirge".

 

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