Windscherung

Windscherung

Windscherungen sind abrupte, fast übergangslose Änderungen der Windrichtung und/oder der Windgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten der Erdatmosphäre, die durch das Aneinandervorbeiströmen von zwei unmittelbar benachbarten Luftschichten mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften hervorgerufen werden. Ihre Energie beziehen sie aus großen Luftdruckunterschieden, bei denen die als Scherwind bezeichnete Windbewegung für den Ausgleich der Druckunterschiede zwischen diesen Punkten sorgt.

Während der Begriff der Windscherung also den Vorgang des Zusammentreffens unterschiedlicher Winde bezeichnet, betrifft der Begriff Scherwind den daraus resultierende Wind selbst. Ein Scherwind ist somit ein starker Wind, der in einem kleinen geografischen Gebiet auftritt, während in dessen Umgebung nur schwache oder anders gerichtete Winde vorherrschen.

In der Abbildung rechts herrscht

• Wind aus Südost in Bodennähe,
• Wind aus Südwest auf der 700 hPa-Druckfläche und
• Wind aus West auf der 300 hPa-Druckfläche.

Wie die Windvektoren (Pfeilelängen) zeigen, variiert der Wind mit der Höhe nicht nur in der Richtung, sondern auch in der Windstärke.

Windscherungen können u.a. durch folgende Faktoren ausgelöst werden:

• Gewitter
• Temperaturinversion
• Jetstream (Strahlstrom)
• Frontalzone.

Besonders ausgeprägte Schereffekte zeigen sich in Gewittern oder bei den Jetstreams.

Je nachdem, ob sich diese fraglichen Druckunterschiede auf unterschiedlichen Höhen oder unterschiedlichen geographischen Positionen befinden, wird von einer vertikalen oder horizontalen Windscherung gesprochen.

• Horizontale Windscherungen treten auf, wenn sich zwei parallel zueinander liegende Luftströmungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbei bewegen, wobei diese Luftströmungen sogar in entgegengesetzter Richtung wehen können. Die Trennlinie zwischen beiden Luftströmungen wird als "Scherungslinie" bezeichnet. Ein Beispiel für eine Scherungslinie ist die quasistationäre Bodenfront. Starke horizontale Windscherungen treten innerhalb von scharf ausgeprägten Frontalzonen auf. Im Extremfall kann sich die Windrichtung um 180 ° umkehren.
• Vertikale Windscherungen treten bei unterschiedlichen Luftströmungen an den Grenzflächen unmittelbar übereinander befindlicher Luftschichten auf. Sie können sowohl durch verschiedene Windrichtungen als auch durch unterschiedliche Windgeschwindigkeiten hervorgerufen werden. Vertikale Windscherungen treten z.B. durch Advektion unterschiedlicher Luftmassen in verschiedenen Höhen auf.

In Gebieten mit starker horizontaler Windscherung treten häufig zugleich auch vertikale Windscherungen auf, z.B. im Bereich der Jetstreams.

Windscherungen stellen eine immense Gefahr für den Flugverkehr dar, insbesondere wenn sie ein Flugzeug während der besonders heiklen Start- oder Landephase treffen. Gebiete mit starken Windscherungen sind zudem Gebiete, in denen für die Fliegerei gefährliche Clear Air Turbulence (CAT) auftreten kann.

Windscherungen können Turbulenzen hervorrufen, welche für die Luftfahrt eine ernste Gefahr sind. Bei einem in der Luft befindlichen Flugzeug kann eine Windscherung, je nach Windrichtung, auf die Tragflächen wie ein zusätzlicher Auftrieb bzw. Auftriebsverlust durch zu- bzw. abnehmende Anströmung des Profils einwirken. Solche Turbulenzen können zur strukturellen Überlastung führen oder ein heftiges Durchsacken oder Hochsteigen des Flugzeugs bewirken. Das ist insbesondere bei Start und Landung zu beachten. Windscherungen müssen daher rechtzeitig erkannt werden, um Flugunfälle zu vermeiden. Hierzu gibt es an besonders gefährdeten Flugplätzen spezielle Böen- und Windscherungs-Warnsysteme, deren Sensoren großflächig die Start- und Landebereiche abdecken. Mit solchen Systemen kann z.B. die Intensität und Verlagerungsrichtung von Gewitterzellen verfolgt werden, um Piloten rechtzeitig warnen zu können.

Turbulenz

Turbulenz bezeichnet den Strömungszustand von Flüssigkeiten und Gasen, der durch die Bildung und den Zerfall von Wirbeln gekennzeichnet ist. Sie entsteht z.B. durch Reibung an rauhen Grenzflächen, wobei schon kleinste Unebenheiten Wirbel erzeugen können, oder die Überschreitung von kritischen Geschwindigkeiten. In der Atmosphäre herrschen stets turbulente Strömungen. Sie bewirken den Ausgleich von Gegensätzen bezüglich Lufttemperatur oder -druck.

Man unterscheidet dabei zwischen thermischer und dynamischer Turbulenz:

• Thermische Turbulenz umfaßt insbesondere die Thermik, d.h. die über erhitzten Flächen aufsteigenden Warmluftblasen, die bei ausreichender Feuchte zu großräumiger Konvektion mit der Bildung von Schauer- und Gewitterwolken führen können.
• 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 bis zu einigen 10 Metern.

Windscherungen in der Luftfahrt

Der Begriff der Windscherung wird häufig in Zusammenhang mit dem Begriff Microburst verwendet. Flugunfalluntersuchungen haben nämlich ergeben, daß wetterbedingte Flugunfälle oft auf solche Windscherungen zurückzuführen waren.

!!! Kritische Windscherungen für Flugzeuge treten im kleinräumigen Bereich auf, wo der Pilot keine Chancen mehr hat, sichernde Flugmanöver durchzuführen !!!

Nicht alle durch Niederschlag induzierten Abwinde sind mit kritischen Windscherungen verbunden. Doch gibt es zwei Kategorien von Abwinden, die wegen ihrer Heftigkeit und kleinräumigen Ausdehnung für Flugzeuge besonders gefährlich sind. Prof. Fujita prägte den Begriff downburst für einen konzentrierten, sehr heftigen Abwind, der am Boden zu einem horizontalen Ausfließen mit gefährlichen Winden führt. Außerdem führte er den Begriff microburst ein für einen kleinräumigen Abwind mit einem Durchmesser von 4 km oder weniger. In einzelnen Gewitterzellen können die microbursts gefährlicher sein als in mächtigen Gewittern, da sie schneller entstehen und meist unterschätzt werden.

!!! Lande oder starte nicht bei einem sich nähernden Gewitter !!!

Ein microburst wird durch einen starken Kern von kalter, dichter Luft charakterisiert, der sich von der Wolkenuntergrenze zum Boden erstreckt. Wenn er den Boden erreicht, strömt die Luft als ein Wirbelring (vortex ring) nach allen Seiten, bevorzugt aber in Zugrichtung des Sturmes. Innerhalb des Wirbelringes ändert sich in kürzester Zeit die Windrichtung um 180°! Außerdem reduzieren die starken Abwinde und der heftige Regen im Zentrum des downbursts den Auftrieb. Und dazu kommen dann noch tiefe Untergrenzen und schlechte Sichten!

Die Flugturbulenz wird am einfachsten definiert als Rumpeln oder Holpern während des Fluges. Das sagt aber noch nichts über den Zustand der Atmosphäre. Es gibt 4 Kategorien von Flugturbulenz, wobei drei Kategorien nichts mit Gewittern zu tun haben, der Vollständigkeit halber aber trotzdem hier kurz behandelt werden. Je nachdem, wo die Turbulenz auftritt, welche großräumigen atmosphärischen Zirkulationen vorhanden sind und was die Turbulenz hervorruft, unterscheidet man:

1. Low-level turbulence (LLT)
2. Turbulenz in und bei Gewittern (TNT)
3. Clear-air turbulence (CAT)
4. Mountain wave turbulence (MWT)

Als LLT wird die Turbulenz innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht definiert. In diesen untersten 3.000 bis 15.000 Ft sorgen Erwärmung und Reibung des Bodens fast immer für turbulente Verhältnisse. Je unterschiedlicher die Bodenbeschaffenheit, je stärker der Wind und je kräftiger die Erwärmung umso heftiger die turbulenten Erscheinungen.

!!! Wenn der Bodenwind 20 Knoten überschreitet, schwankt die Fluggeschwindigkeit beim Anflug um 10 bis 20 Knoten. Überschreitet der Bodenwind über flachem Gelände 30 Knoten wird die LLT „moderate“ oder „severe“ !!!

Im Gebirge sind die turbulenten Wirbel meist größer als über flachem Land. Deshalb ist mehr Vorsicht geboten, vor allem wenn der Pilot keine Erfahrung im Gebirge hat. Besonders aufmerksam sollte man sein, wenn in einem Tal geflogen wird mit starkem Querwind in der Höhe. Auf den gegenüber liegenden Hängen können sehr starke Auf- und Abwinde herrschen. Deshalb der Rat:

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

Turbulenz in und bei Gewittern (TNT) ist die Turbulenz, die innerhalb von sich entwickelnden konvektiven Wolken und Gewittern auftritt, in der Umgebung von Gewittern, an der Obergrenze und in den durch die Tops hervorgerufenen Wellen, in downbursts und in Böen Fronten. Dazu kommen aber noch die meteorologischen Bedingungen wie heftiger Regen, Blitze und vielleicht auch Hagel und Vereisung. Die Kombination all dieser Gefahren erhöht die Gefahr von Desorientierung und Verlust der Kontrolle. (Möglicherweise war das auch bei den beiden o.a. Flugzeug-Abstürzen der Fall gewesen!)

Auf- und Abwinde können in Gewitter-Wolken beträchtliche Werte erreichen. Im Reifestadium eines Gewitters reichen die Aufwinde von 2 bis 6 Meter/Sekunde (mps) an der Untergrenze bis 20 mps im Gleichgewichtsniveau. In den stärksten Gewittern wurden Vertikalgeschwindigkeiten von mehr als 50 mps (!!!) gemessen. Wie nicht anders zu erwarten, werden die stärksten Abwinde im Niederschlag erreicht. Unterhalb der Basis des Gewitters wurden über extreme Werte von 25 mps berichtet.

!!! Die Kombination aus Turbulenz, Windscherung, Starkniederschlag, geringe Untergrenze und Sicht machen den Flug unter einem Gewitter zu einem lebensgefährlichen Unterfangen!!!

Aber auch um eine Gewitterwolke (C) herum können starke Turbulenzen auftreten. Normalerweise sinkt in der Umgebung die Luft mit 2 mps oder weniger. Trotzdem wurde über starke Turbulenz berichtet. Die Ursachen sind allerdings nicht bekannt. Ein Grund kann sein, dass eine Gewitterwolke ein riesiges Hindernis für die großräumige Luftströmung darstellt. Beim Um- oder Überströmen dieses Hindernisses kann es zu kräftigen Verwirbelungen kommen. Dies sind ähnliche Vorgänge, wie sie bei Gebirgen beobachtet werden. Über diese im Deutschen nicht ganz korrekte Leewellen-Turbulenz (im Englischen: MWT) werde ich gesondert berichten.

!!! Der beste Rat, der über Flüge in oder in der Nähe von Gewittern, gegeben werden kann, lautet: Tue es nicht! !!!

Grundsätzlich sollten alle Gewitter als gefährlich angesehen werden. Reichen die Tops der Gewitter über 35.000. Ft MSL, dann sollte man einen sehr großen Bogen um diese Biester machen.

!!! Fliege nicht innerhalb von 20 Meilen an einem Gewitter vorbei, das als „severe“ eingestuft ist !!!

Für IFR Flieger auch noch der Rat:

!!! Fliege nicht in die Amboss-Wolke oder kurz darüber. Für jede 10 Knoten Wind sollte der Abstand 1.000 Ft über der Wolke liegen. Wenn das nicht möglich ist, fliege einen Umweg !!!

Denn durch die vertikale Windscherung (D) in dem Cirrus-Schirm und kurz darüber entstehen Wellen, die sich beim Flug als starke Turbulenz bemerkbar machen. Diese als CAT bezeichnete Turbulenz tritt in der freien Atmosphäre außerhalb sichtbarer Konvektion auf. Obwohl inzwischen klar ist, dass CAT auch in Wolken vorhanden sein kann, wurde der Begriff beibehalten. Die Wahrscheinlichkeit in kräftige oder starke CAT zu geraten, nimmt in der Nähe eines Strahlstromes zu. Obwohl auch in diesen Regionen die Wahrscheinlichkeit für kräftige CAT nur bei 10% liegt, sollte man sich der Gefahren bewusst sein, denn durch starke CAT sind schon viele Unfälle passiert und Flugzeuge sogar zerstört worden.

Zum Schluss werden noch drei physikalische Prozesse beschrieben, die in der Fliegerei häufig unterschätzt werden und zwar Hagel, Vereisung und Blitz.

Die Tropfen, die aus konvektiven Wolken fallen, sind gewöhnlich größer als die Tropfen aus Nimbostratus. Ein wesentlicher Grund für die größeren Tropfen sind die starken Aufwinde in Cumulus und Cumulonimbus Wolken. Die kleinen Wassertropfen und Eisteilchen haben deshalb in geeigneter Umgebung mehr Zeit zum Wachstum, bevor sie als Niederschlag aus der Wolke fallen. In Teil 2 haben Sie gelernt, wie Niederschlag entsteht und dass in unseren Breiten auch der Regen ursprünglich Eis war und auf dem Weg zum Boden schmolz.

In kräftigen Gewitterwolken sind die Aufwinde so stark, dass selbst schwere Eisklumpen gehalten werden können. Dies geschieht in einem ständigen auf und ab, was an dem schalenförmigen Aufbau eines Hagelkornes sichtbar wird. Die Hagelkörner können auch aus der Wolke herausgeschleudert werden, so dass man auch beim Flug außerhalb der Wolke mit Hagelschlag rechnen muss.

Wie gefährlich Hagel werden kann, sollen einige Zahlen belegen. Um ein golfballgroßes Hagelkorn entstehen zu lassen, sind rund 10 Milliarden Wolkentröpfchen erforderlich. Um diese Größe zu erreichen, muss das Hagelkorn etwa 5-10 Minuten im oberen kalten Teil der Wolke bleiben. Die Schäden, die so ein Hagelschlag verursacht, kennen Sie alle aus den Medien. Die Hagelkörner schlagen dabei mit etwa 200 km/h auf den Boden!

In ganz anderen Dimensionen kann so ein „Hagelschlag“ bei Flugzeugen ablaufen. Nicht nur die Fluggeschwindigkeit ist wesentlich höher, sondern auch die Hagelkörner sind wesentlich größer. Die Wucht des Aufpralls nimmt dabei exponentiell mit der Geschwindigkeit zu! Welche Größe Hagelkörner dabei erreichen können, sollen zwei Zahlen verdeutlichen. Das größte Hagelkorn in Amerika wurde 1970 bei einem Gewitter in Kansas gefunden. Es wog 757 g und hatte einen Durchmesser von 14 cm. Das bisher schwerste Hagelkorn wurde in Kasachstan gefunden. Es wog 1,9 kg!

Über Vereisung wird in allen Fachpublikationen so viel berichtet, dass ich mich auf einige wenige Informationen beschränken kann. Die grobe Einteilung unterscheidet
* Triebwerkvereisung
* Instrumentenvereisung
* Zellenvereisung

Bei der Triebwerkvereisung unterscheidet man zwischen Vereisung der Strahltriebwerke und des Vergasers. Bei den Strahltriebwerken sind der Rand des Lufteinlasses und die Schaufeln besonders anfällig. Bei Start und Landung, wo die Geschwindigkeit gering, aber die Drehzahl der Turbine hoch ist, kann es durch Unterdruck zu adiabatischer Abkühlung kommen, was bei entsprechender Temperatur und Feuchte zur Eisbildung führt.

Die Vergaservereisung kommt häufiger vor, als viele Piloten glauben. Eine Studie der AOPA über Unfälle der allgemeinen Luftfahrt hat ergeben, dass über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren bei allen durch Vereisung verursachten Unfälle 51% auf Vergaservereisung zurück geführt werden konnten.

Bei der Instrumentenvereisung ist vor allem das Staurohr sehr anfällig für Vereisung. Deshalb sind fast alle Flugzeuge mit einer Heizung für das Pitotrohr ausgerüstet. Fällt die Heizung aus oder wurde erst gar nicht eingeschaltet (was selbst erfahrenen Piloten  passiert!), dann arbeitet die Geschwindigkeitsanzeige wie ein Höhenmesser. Steigt das Flugzeug, erhöht sich auch die Geschwindigkeitsanzeige. Ein solcher Fehler scheint auch beim Absturz des Airbus eine Rolle gespielt zu haben.

In größeren Höhen können Windscherung als sog. clear-air-turbulence (CAT) auftreten und beim schlagartigen Übergang von starkem Gegenwind in ebenso starken Rückenwind die Strömung selbst an den Tragflächen großer Flugzeuge schlagartig abreissen lassen. Das kann zu heftigem Durchsacken bis zum Verlust der Kontrolle über das Flugzeug oder zu starken Schäden durch Überlastung der Flugzeugstruktur führen. Besonders bei Start und Landung, also in einer Phase, in der ein Flugzeug ohnehin in einem kritischen Geschwindigkeitsbereich operiert, wirkt sich die Verminderung des Auftriebes entsprechend fatal aus.

Scherwind