Turbulenz

 

 

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Turbulenz

Grenzschicht

Der Strmungszustand der Luft ist entweder laminar oder turbulent. Eine laminare Strmung sind dadurch gekennzeichnet, da die ungestrten Bahnen der Luftteilchen parallel und ohne Wirbel oder Vermischung nebeneinander verlaufen. Dabei knnen benachbarte Teilchen sogar eine unterschiedliche Geschwindigkeit haben, so da Geschwindigkeitsscherungen auftreten. Erst ab einer bestimmten, kritischen Geschwindigkeit wird die Strmung turbulent. Ein Luftstrom wird turbulent, wenn seine natrliche Viskositt die Druckkrfte, die sich ergeben, wenn Luft an Hindernissen vorbei oder ber/um gebogene Grenzen strmt sowie durch Temperaturgradienten, nicht mehr dmpfen oder ausgleichen kann.

Strmung am Flgel

Turbulenz ist also gekennzeichnet durch zufllige, ungeordnete Strmungsbahnen der Luft, wobei sich Wirbel bilden und wieder zerfallen. In der Atmosphre herrschen stets turbulente Strmungen. Sie bewirken den Ausgleich von Gegenstzen bezglich Lufttemperatur oder -druck.

Turbulenz bezeichnet insoweit mikroskalige atmosphrische Phnomene, die nur Minuten oder Stunden statt Tage dauern und sich rumlich nur ber wenige Meter oder Kilometer und nicht Hunderte von Kilometern erstrecken. Diese Phnomene erscheinen nicht auf Wetterkarten und werden auch in Wettervorhersagen nicht erwhnt. Trotzdem sind sie fr Segelflieger als Quelle fr Aufwinde von Bedeutung. Andererseits knnen sie Windscherungen und heftige Turbulenzen fr alle Luftfahrzeuge verursachen, die in der Grenzschicht unterwegs sind. Einige dieser Phnomene knnen auch als mesoskalige Systeme klassifiziert werden.

Kleinrumige atmosphrische Turbulenzen wirken stndig strend auf Luftfahrzeuge im Flug ein, aber die Stabilitt dreiachsgesteuerter (anstatt gewichtsgesteuert) Flugzeuge gleicht normalerweise solche Ereignisse ohne Eingreifen des Piloten aus. Es gibt jedoch Windscherungen und Turbulenzen, die - abhngig von der Hhe, in der sie auftreten - sehr gefhrlich sein knnen. Solche Ereignisse knnen im leichteren Fall zum vorbergehenden Verlust der Kontrolle ber das Flugzeug, aber auch zu strukturelle Schden fhren, besonders an sehr leichten Luftfahrzeugen. Gleitschirme und Motorgleitschirme erfordern insoweit beispielsweise eine relativ ruhige Luft fr den normalen Betrieb. Weil diese Erscheinungen unverhofft auftreten knnen, ist die Kenntnis ihrer Ursachen umso wichtiger.

 

Die Arten und Ursachen von Turbulenz sind unterschiedlich:

  • Dynamische Turbulenz entsteht bei Vernderungen der Windgeschwindigkeit zwischen zwei ber- oder nebeneinander liegenden Luftschichten (Windgeschwindigkeitsscherung) oder bei Reibung der bewegten Luft an der Erdoberflche, wobei Art und Ma der Bebauung und Bepflanzung eine wichtige Rolle spielt. Die Gr秤enordnung der Turbulenz reicht dabei von wenigen Zentimetern (z.B ber laminaren Profilen) bis zu einigen 100 Metern.
  • Reibungsbedingte Turbulenz tritt besonders in der Grenzschicht der Atmosphre bis ca. 2 km Hhe auf. Sie ist im wesentlichen auf die Rauhigkeit der Oberflche und die damit verbundene Zunahme und Drehung des Windes mit der Hhe (Windscherung) zurckzufhren. Sie ist, wie eben ausgefhrt, definitionsgem癌 eine Unterkategorie der dynamischen Turbulenz.
  • Der Begriff der Grenzschicht (planetarische Grenzschicht) bezeichnet in der Meteorologie die unterste Schicht der Troposphre, in welcher der Einflu der Erdoberflche auf die Luftbewegung durch Reibung und Oberflchentemperatur bedeutsam wird. Sie ist tagsber ca. 1.000 - 5.000 ft mchtig und nimmt nachts ab. Der Begriff "Oberflchengrenzschicht" bezeichnet dagegen nur einen dnnen Teil dieser planetaren Grenzschicht, nmlich die ca. 50 m dicke Schicht direkt ber der Erdoberflche, in der die Reibungseffekte mehr oder weniger konstant, die Auswirkungen der Erwrmung am Tage und die nchtliche Abkhlung dagegen maximal sind.

    Hinter einem orographischen oder knstlichen Hindernis sinkt die Windgeschwindigkeit ab, whrend die mechanische Turbulenz zunimmt. Ein Teil der Geschwindigkeitsenergie wird in Turbulenzenergie umgewandelt, die im Lee von Hgeln, Bergketten, Graten, aber auch von gr秤eren Gebuden deutlich sprbar ist. Turbulenzen knnen jede Form annehmen, wie z,B. Wirbel, Verwirbelungen, Aufwinde, Abwinde, die zudem in allen Ebenen ausgerichtet sein knnen. Turbulenz nimmt mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit zu. Eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit l癌t die Druckkrfte und somit die Turbulenzen um den Faktor 4 ansteigen. Solche mechanische Turbulenzen wirken auf die Struktur des Flugzeuges, welches in solche Turbulenzen hineinfliegt und knnen diese sogar berlasten. Die abwrts gerichteten Komponenten von Verwirbelungen und Ben knnen dazu fhren, da ein Flugzeug zu schnell absinkt. Fliegt ein Flugzeug in Bodennhe in solche Turbulenzen ein, insbesondere bei Start und Landung, kann es in gefhrliche, mglicherweise sogar unkorrigierbare Situationen geraten.

    Insbesondere Hindernisse am Boden knnen den Wind beeinflussen und zur unsichtbaren Gefahr fr Flugzeuge werden. Natrliche Hindernisse wie Berge, Berggrate, Tler, Bume, Waldrnder oder Baumreihen, aber auch groe Gebude, wie z.B. Hangare, knnen die Strmung des Windes brechen und Windben und Verwirbelungen verursachen, die sich rasch in Richtung und Geschwindigkeit verndern. Es ist daher bei Start oder Landung bei entsprechenden Windverhltnissen stets besonders darauf zu achten, ob sich auf der Luvseite der Piste derlei groe Gebude oder natrliche Hindernisse befinden.

Turbulenz an Gebuden

 

 

 

 

 

 

 

Leeseitige Turbulenz am Berg

  • Thermische Turbulenz umfat insbesondere die Thermik, d.h. aufsteigende Warmluftblasen, die bei ausreichender Feuchte zu grorumiger Konvektion mit der Bildung von Schauer- und Gewitterwolken fhren knnen. Bei labiler Schichtung der Atmosphre entsteht sie ber erhitzten Flchen durch das Aufsteigen von Warmluftblasen, die durch ihre geringere Dichte Auftrieb erhalten. Zugleich sinken in khleren Bereichen andere Luftpakete ab. Dabei kann eine stabile Schichtung reibungsbedingte Turbulenz auch abschwchen oder sogar unterdrcken, weshalb die Turbulenz bei gleicher mittlerer Windgeschwindigkeit in frischer Kaltluft strker ist als in stabil geschichteter Warmluft.
  • Thermische Turbulenz fhrt an Strahlungstagen zu unruhigen Flgen, dem typischen "Kopfsteinpflaster-Flug". Die Bereiche turbulenter Strmung 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 frhen Nachmittag, auf.

Konvektive Turbulenz

Wer einen "holprigen" Flug vermeiden mchte, sollte die Schicht unter den Wolken vermeiden und seinen Flug ber den Wolken durchfhren, falls die das deren Hhenentwicklung zul癌t.

  • Low-level turbulence (LLT) bezeichnet die Turbulenz innerhalb der atmosphrischen Grenzschicht. In dieser Schicht sorgen Erwrmung und Reibung des Bodens fast immer fr turbulente Verhltnisse. Sie umfasst damit die Teilaspekte der reibungsbedingten und der thermischen Turbulenz. Je unterschiedlicher die Bodenbeschaffenheit, je strker der Wind und je krftiger die Erwrmung desto heftiger sind die auftretenden Turbulenzen.

  • Orographische Turbulenz tritt bei der berstrmung von Gebirgen auf und fhrt zur Bildung von Leewellen mit Rotoren, deren Achsen parallel zur Gebirgeausrichtung verlaufen. Leewellen bilden charakteristische Lenticularis-Wolken (Ac lent), die sog. "Fhnfische", die im Windstrom quasi ortsfest bleiben. Die Turbulenz ist am strksten bei hohen und steilen Gebirgszgen und wenn das Windmaximum bei stabiler Schichtung etwa in Kammhhe liegt. Typische Gebiete fr 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 Windstrke herrscht auf der Leeseite mehr oder weniger starkes "Saufen". Wer dort hinein gert, kann nur unter Hinnahme strksten Sinkens sofort schnell gegen den Wind in die luvseitige Steigzone vorfliegen. Jedes Zgern fhrt unweigerlich zu weiterem Hhenverlust. Das gilt auch fr den Rotor, wobei in beiden Fllen die Belastungsgrenzen des Flugzeugs zu beachten sind!

Leewellen

    Im Gebirge sind die turbulenten Wirbel meist strker 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 Hhe geflogen, knnen an den Hngen sehr starke Auf- und Abwinde herrschen. Deshalb der Rat:

    Nach dem Start aus einem Tal erst ber das Niveau der hchsten Gipfel steigen, bevor das Tal verlassen wird. Weit genug von den abwindbehafteten Berghngen wegbleiben.

    Dies sind bei weitem noch nicht alle Unwgbarkeiten, 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 erhltlich.

    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 zugehrigen meteorologischen Erscheinungen wie heftiger Regen, Blitze und mglicherweise Hagel und Vereisung. Die Kombination all dieser Gefahren erhht die Gefahr von Desorientierung und Verlust der Kontrolle ber das Fluggert. Der Einflug in aktive Gewitter war daher schon vielfach Ursache fr Flugzeugabstrze!

    Die Auf- und Abwinde in Gewitter-Wolken knnen 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 strksten Abwinde im Niederschlag erreicht. Unterhalb der Basis der Cb-Wolke wurden ber 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 lebensgefhrlichen Unterfangen!

    Aber auch um eine Gewitterwolke herum knnen starke Turbulenzen auftreten. Normalerweise sinkt die Luft mit 2 m/s oder weniger ab. Gleichwohl wurde auch in der nheren Umgebung von aktiven Cb-Trmen starke Turbulenz festgestellt. Ein Grund dafr ist mglicherweise, da eine aktive Gewitterzelle ein groes Hindernis fr andere grorumige Luftstrmungen bildet. Insoweit wurde auch schon luvseitig vor und auerhalb von groen Wolken von strkeren Aufwinden berichtet. Beim Um- oder berstrmen dieses Hindernisses kommt es anscheinend vereinzelt zu Hebungsvorgngen, wie sie sonst an orographischen Hindernissen wie im Gebirge beobachtet werden. Nicht zu vergessen sind daher auch die damit einhergehenden krftigen Verwirbelungen kommen. Grundstzlich sollten alle Gewitter als gefhrlich angesehen werden. Hat der Cb schon einen deutlichen Ambo ausgebildet, sollte man immer einen sehr groen Bogen um dieses Biest machen.

    Der beste Rat fr Flge in der Nhe 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 Troposphre in Hhen von 7 - 12 km vor und l癌t sich daher in den Hhenwetterkarten 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 Trgen sowie am kalten Nordrand des Jets bei antizyklonaler Krmmung. CAT gehrt zu den fluggefhrdenden Wettererscheinungen, da sie im Extremfall zur berlastung der Flugzeugstruktur fhren kann. Daher werden Gebiete mit starker Turbulenz wie beispielsweise Gewitter mglichst umflogen.
CAT an Jetstreams

Bei der Darstellung in entsprechenden Wetterkarten sind folgende Symbole gebruchlich:

m癌ige Turbulenz

starke Turbulenz

 

Wirbelschleppen

Entstehung von Wirbelschleppen

 

 

 

 

 

 

Wirbelschleppen

Wirbelschleppen hinter Flugzeugen

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

Ein Flugzeug erhlt seinen Auftrieb durch die von den Tragflchen nach unten beschleunigten Luftmassen. Die Druckunterschiede auf der Ober- und Unterseite der Flche gleichen sich ber den Randbogen aus, d.h. die auf der Unterseite unter gr秤erem Druck stehende Luft strmt 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 allmhlich auflsen. Dies ist aus der Aerodynamik fr das Strmungsverhalten der Luft ber einer Tragflche 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 Tragflchenenden nach dem Rotieren bzw. Abheben des Bugrads bis zum Aufsetzen bzw. Aufsetzen des Bugrads. Die Randwirbel sind nach unten und nach auen (in Flugrichtung gesehen) gerichtet (siehe Abb. links). Der Bereich unterhalb der Flugbahn eines gr秤eren Flugzeugs ist daher unbedingt zu meiden. Sie bewegen sich mit der Windrichtung. und driften daher auch ber die Flugpltze und das sowohl am Boden als auch in der Luft. Ihre Strke ist proportional zum Gewicht des Flugzeuges. Hinter einem groen und schweren Flugzeug knnen sie deshalb zur unmittelbaren Gefahr fr nachfolgende Luftfahrzeuge werden. Die Verantwortung Wirbelschleppen zu vermeiden liegt grundstzlich beim Luftfahrzeugfhrer.

 

Hinweise zur Vermeidung von Wirbelschleppen

  • Hinter dem Aufsetzpunkt eines groen Flugzeugs landen.

  • Vor dem Rotationspunkt eines groen startenden Flugzeugs landen.

  • Vor dem Rotationspunkt eines groen Flugzeugs abheben und ber dem Flugweg des vorausfliegenden Flugzeugs bleiben; ggf. frh luvseitig abdrehen.

  • Wirbel bleiben bei schwachem Wind oder Windstille lngere Zeit auf der Piste liegen.
  • Liegen parallele Start-und Landebahnen nher als 750 m, auf leeseitig abdriftende Wirbelschleppen achten.
  • Bei kreuzenden Pisten sich den Start - bzw. Landepunkt des gr秤eren Flugzeuge merken. Wenn das gr秤ere Flugzeuge an Kreuzung in der Luft ist, nicht unterhalb seiner Flugbahn fliegen.
  • Wenn ein gr秤eres Flugzeug durchstartet, Start oder Landung mindestens 2 Minuten verzgern.
  • Nicht in einem Abstand von weniger als 1.000 ft unter und hinter einem gr秤eren Flugzeug fliegen.
  • Den Flugweg eines querenden groen Flugzeugs nie unterfliegen, mglichst auf gleicher Hhe oder darber.

Wirbelschleppe Landung

 

 

 

 

 

Wirbelschleppe Start

 

 

Randwirbel Randwirbel Randwirbel auf der Piste

 

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