Turbulenz

 

 

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Turbulenz

Grenzschicht

Der Strömungszustand der Luft ist entweder laminar oder turbulent. Eine laminare Strömung sind dadurch gekennzeichnet, daß die ungestörten Bahnen der Luftteilchen parallel und ohne Wirbel oder Vermischung nebeneinander verlaufen. Dabei können benachbarte Teilchen sogar eine unterschiedliche Geschwindigkeit haben, so daß Geschwindigkeitsscherungen auftreten. Erst ab einer bestimmten, kritischen Geschwindigkeit wird die Strömung turbulent. Ein Luftstrom wird turbulent, wenn seine natürliche Viskosität die Druckkräfte, die sich ergeben, wenn Luft an Hindernissen vorbei oder über/um gebogene Grenzen strömt sowie durch Temperaturgradienten, nicht mehr dämpfen oder ausgleichen kann.

Strömung am Flügel

Turbulenz ist also gekennzeichnet durch zufällige, ungeordnete Strömungsbahnen der Luft, wobei sich Wirbel bilden und wieder zerfallen. In der Atmosphäre herrschen stets turbulente Strömungen. Sie bewirken den Ausgleich von Gegensätzen bezüglich Lufttemperatur oder -druck.

Turbulenz bezeichnet insoweit mikroskalige atmosphärische Phänomene, die nur Minuten oder Stunden statt Tage dauern und sich räumlich nur über wenige Meter oder Kilometer und nicht Hunderte von Kilometern erstrecken. Diese Phänomene erscheinen nicht auf Wetterkarten und werden auch in Wettervorhersagen nicht erwähnt. Trotzdem sind sie für Segelflieger als Quelle für Aufwinde von Bedeutung. Andererseits können sie Windscherungen und heftige Turbulenzen für alle Luftfahrzeuge verursachen, die in der Grenzschicht unterwegs sind. Einige dieser Phänomene können auch als mesoskalige Systeme klassifiziert werden.

Kleinräumige atmosphärische Turbulenzen wirken ständig störend auf Luftfahrzeuge im Flug ein, aber die Stabilität dreiachsgesteuerter (anstatt gewichtsgesteuert) Flugzeuge gleicht normalerweise solche Ereignisse ohne Eingreifen des Piloten aus. Es gibt jedoch Windscherungen und Turbulenzen, die - abhängig von der Höhe, in der sie auftreten - sehr gefährlich sein können. Solche Ereignisse können im leichteren Fall zum vorübergehenden Verlust der Kontrolle über das Flugzeug, aber auch zu strukturelle Schäden führen, besonders an sehr leichten Luftfahrzeugen. Gleitschirme und Motorgleitschirme erfordern insoweit beispielsweise eine relativ ruhige Luft für den normalen Betrieb. Weil diese Erscheinungen unverhofft auftreten können, ist die Kenntnis ihrer Ursachen umso wichtiger.

 

Die Arten und Ursachen von Turbulenz sind unterschiedlich:

  • Dynamische Turbulenz entsteht bei Veränderungen der Windgeschwindigkeit zwischen zwei über- oder nebeneinander liegenden Luftschichten (Windgeschwindigkeitsscherung) oder bei Reibung der bewegten Luft an der Erdoberfläche, wobei Art und Maß der Bebauung und Bepflanzung eine wichtige Rolle spielt. Die Größenordnung der Turbulenz reicht dabei von wenigen Zentimetern (z.B über laminaren Profilen) bis zu einigen 100 Metern.
  • Reibungsbedingte Turbulenz tritt besonders in der Grenzschicht der Atmosphäre bis ca. 2 km Höhe auf. Sie ist im wesentlichen auf die Rauhigkeit der Oberfläche und die damit verbundene Zunahme und Drehung des Windes mit der Höhe (Windscherung) zurückzuführen. Sie ist, wie eben ausgeführt, definitionsgemäß eine Unterkategorie der dynamischen Turbulenz.
  • Der Begriff der Grenzschicht (planetarische Grenzschicht) bezeichnet in der Meteorologie die unterste Schicht der Troposphäre, in welcher der Einfluß der Erdoberfläche auf die Luftbewegung durch Reibung und Oberflächentemperatur bedeutsam wird. Sie ist tagsüber ca. 1.000 - 5.000 ft mächtig und nimmt nachts ab. Der Begriff "Oberflächengrenzschicht" bezeichnet dagegen nur einen dünnen Teil dieser planetaren Grenzschicht, nämlich die ca. 50 m dicke Schicht direkt über der Erdoberfläche, in der die Reibungseffekte mehr oder weniger konstant, die Auswirkungen der Erwärmung am Tage und die nächtliche Abkühlung dagegen maximal sind.

    Hinter einem orographischen oder künstlichen Hindernis sinkt die Windgeschwindigkeit ab, während die mechanische Turbulenz zunimmt. Ein Teil der Geschwindigkeitsenergie wird in Turbulenzenergie umgewandelt, die im Lee von Hügeln, Bergketten, Graten, aber auch von größeren Gebäuden deutlich spürbar ist. Turbulenzen können jede Form annehmen, wie z,B. Wirbel, Verwirbelungen, Aufwinde, Abwinde, die zudem in allen Ebenen ausgerichtet sein können. Turbulenz nimmt mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit zu. Eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit läßt die Druckkräfte und somit die Turbulenzen um den Faktor 4 ansteigen. Solche mechanische Turbulenzen wirken auf die Struktur des Flugzeuges, welches in solche Turbulenzen hineinfliegt und können diese sogar überlasten. Die abwärts gerichteten Komponenten von Verwirbelungen und Böen können dazu führen, daß ein Flugzeug zu schnell absinkt. Fliegt ein Flugzeug in Bodennähe in solche Turbulenzen ein, insbesondere bei Start und Landung, kann es in gefährliche, möglicherweise sogar unkorrigierbare Situationen geraten.

    Insbesondere Hindernisse am Boden können den Wind beeinflussen und zur unsichtbaren Gefahr für Flugzeuge werden. Natürliche Hindernisse wie Berge, Berggrate, Täler, Bäume, Waldränder oder Baumreihen, aber auch große Gebäude, wie z.B. Hangare, können die Strömung des Windes brechen und Windböen und Verwirbelungen verursachen, die sich rasch in Richtung und Geschwindigkeit verändern. Es ist daher bei Start oder Landung bei entsprechenden Windverhältnissen stets besonders darauf zu achten, ob sich auf der Luvseite der Piste derlei große Gebäude oder natürliche Hindernisse befinden.

Turbulenz an Gebäuden

 

 

 

 

 

 

 

Leeseitige Turbulenz am Berg

  • Thermische Turbulenz umfaßt insbesondere die Thermik, d.h. aufsteigende Warmluftblasen, die bei ausreichender Feuchte zu großräumiger Konvektion mit der Bildung von Schauer- und Gewitterwolken führen können. Bei labiler Schichtung der Atmosphäre entsteht sie über erhitzten Flächen durch das Aufsteigen von Warmluftblasen, die durch ihre geringere Dichte Auftrieb erhalten. Zugleich sinken in kühleren Bereichen andere Luftpakete ab. Dabei kann eine stabile Schichtung reibungsbedingte Turbulenz auch abschwächen oder sogar unterdrücken, weshalb die Turbulenz bei gleicher mittlerer Windgeschwindigkeit in frischer Kaltluft stärker ist als in stabil geschichteter Warmluft.
  • Thermische Turbulenz führt an Strahlungstagen zu unruhigen Flügen, dem typischen "Kopfsteinpflaster-Flug". Die Bereiche turbulenter Strömung erreichen dabei 0,5 - 2 km horizontal und 2 - 5 km vertikal. Die Turbulenz ist in den Quellwolken durch das Freiwerden latenter Kondensationsenergie am heftigsten. Sie weist entsprechend der Sonneneinstrahlung dabei einen Jahresgang mit dem Maximum im Sommer und einen Tagesgang, beginnend ca. 2 Stunden nach Sonnenaufgang und dem Maximum am frühen Nachmittag, auf.

Konvektive Turbulenz

Wer einen "holprigen" Flug vermeiden möchte, sollte die Schicht unter den Wolken vermeiden und seinen Flug über den Wolken durchführen, falls die das deren Höhenentwicklung zuläßt.

  • Low-level turbulence (LLT) bezeichnet die Turbulenz innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. In dieser Schicht sorgen Erwärmung und Reibung des Bodens fast immer für turbulente Verhältnisse. Sie umfasst damit die Teilaspekte der reibungsbedingten und der thermischen Turbulenz. Je unterschiedlicher die Bodenbeschaffenheit, je stärker der Wind und je kräftiger die Erwärmung desto heftiger sind die auftretenden Turbulenzen.

  • 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 beiden Fällen die Belastungsgrenzen des Flugzeugs zu beachten sind!

Leewellen

    Im Gebirge sind die turbulenten Wirbel meist stärker als im Flachland. Deshalb ist Vorsicht geboten, insbesondere wenn der Pilot keine Erfahrung mit dem Fliegen im Gebirge hat. Wird beispielsweise in einem Tal bei starkem Querwind in der Höhe geflogen, können an den Hängen sehr starke Auf- und Abwinde herrschen. Deshalb der Rat:

    Nach dem Start aus einem Tal erst über das Niveau der höchsten Gipfel steigen, bevor das Tal verlassen wird. Weit genug von den abwindbehafteten Berghängen wegbleiben.

    Dies sind bei weitem noch nicht alle Unwägbarkeiten, die ein Flug in die Alpen mit sich bringen kann. Weitere Hinweise zum Fliegen im Gebirge stehen in der theoretische Abbhandlung
    Fliegen in den Alpen. Sie ist beim Autor erhältlich.

    Eine kurze Darstellung der Vorbereitung eines
    Flugs in die Alpen gibt es hier.

Fliegen in den Alpen
  • Gewitterturbulenz

  • Turbulenz in und bei Gewittern ist insbesondere die Turbulenz, die innerhalb von sich entwickelnden konvektiven Wolken und Gewittern oder in der Umgebung von Gewittern auftritt. Dazu kommen aber noch die anderen zugehörigen meteorologischen Erscheinungen wie heftiger Regen, Blitze und möglicherweise Hagel und Vereisung. Die Kombination all dieser Gefahren erhöht die Gefahr von Desorientierung und Verlust der Kontrolle über das Fluggerät. Der Einflug in aktive Gewitter war daher schon vielfach Ursache für Flugzeugabstürze!

    Die Auf- und Abwinde in Gewitter-Wolken können immense Werte erreichen. Im Reifestadium einer Gewitterwolke (Cumulonimbus) reichen die Aufwinde von 2 - 6 m/s an der Untergrenze bis 20 m/s und mehr im Gleichgewichtsniveau. Es wurden insoweit auch schon Vertikalgeschwindigkeiten von mehr als 50 m/s (!!) gemessen. Wie nicht anders zu erwarten, werden die stärksten Abwinde im Niederschlag erreicht. Unterhalb der Basis der Cb-Wolke wurden über Abwinde mit extremen Werten von 25 m/s berichtet.

    Die ungute Kombination aus Turbulenz, Windscherung, Starkniederschlag, niederer Wolkenuntergrenze und schlechter Sicht machen jeden Flug unter einem aktiven Gewitter zu einem schlicht lebensgefährlichen Unterfangen!

    Aber auch um eine Gewitterwolke herum können starke Turbulenzen auftreten. Normalerweise sinkt die Luft mit 2 m/s oder weniger ab. Gleichwohl wurde auch in der näheren Umgebung von aktiven Cb-Türmen starke Turbulenz festgestellt. Ein Grund dafür ist möglicherweise, daß eine aktive Gewitterzelle ein großes Hindernis für andere großräumige Luftströmungen bildet. Insoweit wurde auch schon luvseitig vor und außerhalb von großen Wolken von stärkeren Aufwinden berichtet. Beim Um- oder Überströmen dieses Hindernisses kommt es anscheinend vereinzelt zu Hebungsvorgängen, wie sie sonst an orographischen Hindernissen wie im Gebirge beobachtet werden. Nicht zu vergessen sind daher auch die damit einhergehenden kräftigen Verwirbelungen kommen. Grundsätzlich sollten alle Gewitter als gefährlich angesehen werden. Hat der Cb schon einen deutlichen Amboß ausgebildet, sollte man immer einen sehr großen Bogen um dieses Biest machen.

    Der beste Rat für Flüge in der Nähe von Gewittern lautet daher schlicht: Bleib weit weg!

    Weitere Einzelheiten stehen im Kapitel Gewitter.

Cb bei Mykonos
  • Clear Air Turbulence (CAT) ist Turbulenz in wolkenfreier Luft. Sie kommt vor allem in der oberen Troposphäre in Höhen von 7 - 12 km vor und läßt sich daher in den Höhenwetterkarten erkennen. CAT wird insbesondere nicht durch hochreichende Konvektionswolken verursacht und ist somit nur sehr schwer zu erkennen. Dies Art der Turbulenz bildet sich meist nur in eng begrenzten Gebieten und entsteht durch starke vertikale und horizontale Windscherungen am Rande des Jetstreams (Strahlstrom), insbesondere in scharfen Trögen sowie am kalten Nordrand des Jets bei antizyklonaler Krümmung. CAT gehört zu den fluggefährdenden Wettererscheinungen, da sie im Extremfall zur Überlastung der Flugzeugstruktur führen kann. Daher werden Gebiete mit starker Turbulenz wie beispielsweise Gewitter möglichst umflogen.
CAT an Jetstreams

Bei der Darstellung in entsprechenden Wetterkarten sind folgende Symbole gebräuchlich:

mäßige Turbulenz

starke Turbulenz

 

Wirbelschleppen

Entstehung von Wirbelschleppen

 

 

 

 

 

 

Wirbelschleppen

Wirbelschleppen hinter Flugzeugen

Wirbelschleppen sind zwar kein unmittelbar meteorologisches Phänomen, sollen hier aber wegen des Sachzusammenhangs mit dem Auftreten von Turbulenzen trotzdem kurz abgehandelt werden.

Ein Flugzeug erhält seinen Auftrieb durch die von den Tragflächen nach unten beschleunigten Luftmassen. Die Druckunterschiede auf der Ober- und Unterseite der Fläche gleichen sich über den Randbogen aus, d.h. die auf der Unterseite unter größerem Druck stehende Luft strömt nach oben. Durch die Fahrt werden diese Randwirbel lang gezogen und breiten sich hinter dem Flugzeug aus. Es bilden sich rotierende Luftbewegungen und Verwirbelungen, die charakteristischen Wirbelschleppen. Diese bleiben hinter dem Flugzeug unsichtbar in der Luft und sinken ab, bis sie sich allmählich auflösen. Dies ist aus der Aerodynamik für das Strömungsverhalten der Luft über einer Tragfläche bekannt (siehe Abb. ganz oben und rechts).

Beim Rollen am Boden, selbst beim Startlauf, sind noch keine derartigen Verwirbelungen vorthanden. Sie bilden sich an den Tragflächenenden nach dem Rotieren bzw. Abheben des Bugrads bis zum Aufsetzen bzw. Aufsetzen des Bugrads. Die Randwirbel sind nach unten und nach außen (in Flugrichtung gesehen) gerichtet (siehe Abb. links). Der Bereich unterhalb der Flugbahn eines größeren Flugzeugs ist daher unbedingt zu meiden. Sie bewegen sich mit der Windrichtung. und driften daher auch über die Flugplätze und das sowohl am Boden als auch in der Luft. Ihre Stärke ist proportional zum Gewicht des Flugzeuges. Hinter einem großen und schweren Flugzeug können sie deshalb zur unmittelbaren Gefahr für nachfolgende Luftfahrzeuge werden. Die Verantwortung Wirbelschleppen zu vermeiden liegt grundsätzlich beim Luftfahrzeugführer.

 

Hinweise zur Vermeidung von Wirbelschleppen

  • Hinter dem Aufsetzpunkt eines großen Flugzeugs landen.

  • Vor dem Rotationspunkt eines großen startenden Flugzeugs landen.

  • Vor dem Rotationspunkt eines großen Flugzeugs abheben und über dem Flugweg des vorausfliegenden Flugzeugs bleiben; ggf. früh luvseitig abdrehen.

  • Wirbel bleiben bei schwachem Wind oder Windstille längere Zeit auf der Piste liegen.
  • Liegen parallele Start-und Landebahnen näher als 750 m, auf leeseitig abdriftende Wirbelschleppen achten.
  • Bei kreuzenden Pisten sich den Start - bzw. Landepunkt des größeren Flugzeuge merken. Wenn das größere Flugzeuge an Kreuzung in der Luft ist, nicht unterhalb seiner Flugbahn fliegen.
  • Wenn ein größeres Flugzeug durchstartet, Start oder Landung mindestens 2 Minuten verzögern.
  • Nicht in einem Abstand von weniger als 1.000 ft unter und hinter einem größeren Flugzeug fliegen.
  • Den Flugweg eines querenden großen Flugzeugs nie unterfliegen, möglichst auf gleicher Höhe oder darüber.

Wirbelschleppe Landung

 

 

 

 

 

Wirbelschleppe Start

 

 

Randwirbel Randwirbel Randwirbel auf der Piste

 

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