Turbulenz

Mit der Turbulenz bezeichnet man in der Strömungslehre eine Strömung, die ihre Eigenschaften chaotisch ändert. Dies umfasst niedrige Diffusion, hohe Konvektion, rapide Änderung des Drucks und Strömungsgeschwindigkeit in Raum und Zeit.

Eigenschaften

Die Turbulenz wird durch folgende Merkmale charakterisiert:

Unregelmäßigkeit: Turbulente Strömungen sind immer sehr irregulär und chaotisch. Sie sind nicht deterministisch vorhersagbar. Aus diesem Grund wird an die Turbulenzprobleme mit statistischer Erfahrung herangegangen.
Diffusionsvermögen: Der schnelle Energiezufuhr in einer turbulenten Strömung tendiert dazu, die Durchmischung darin zu beschleunigen. Diese Eigenschaft ist für eine verbesserte Mischrate und erhöhte Transportwerte von Masse, Impuls und Energie verantwortlich.
Wirbelstärke: Turbulente Strömungen haben Nicht-Null-Wirbelstärke und zeichnen sich durch einen starke, dreidimensionalen Wirbelerzeugungsmechanismus, die sogenannte Wirbeldehnung. In der Strömungsdynamik wird die Dehnung mit dem entsprechenden Anstieg der Wirbelstärke in die Dehnungsrichtung in Verbindung gebracht. Auf der anderen Seite ist die Wirbeldehnung der Kernmechanismus, auf dem die Energieverteilung innerhalb der Turbulenz beruht. Im Allgemeinen liegt dem Dehnungsmechanismus die Ausdünnung der Wirbel in eine Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung zugrunde. Als Folge steigt die radiale Längenskala der Wirbel und große Strukturen brechen in kleinere Strukturen zusammen. Der Prozess wird fortgesetzt, bis die Strukturen klein genug sind, damit ihre kinetische Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Deswegen rotieren die Turbulenzen und sind immer dreidimensional. Zum Beispiel können Atmosphärenzyklonen rotieren, sind aber im Wesentlichen nicht dreidimensional, bilden keine Wirbel und sind demzufolge auch nicht turbulent. Ozeanische Strömungen zerstreuen sich, rotieren aber meist nicht und sind auch nicht turbulent.
Dissipation: Eine turbulente Strömung erfordert eine konstante Energieversorgung, da die Turbulenz sich schnell verteilt und die kinetische Energie sich in innere Energie umwandelt.

Turbulente Diffusion wird üblicherweise durch einen Koeffizienten beschrieben. Der Diffusionskoeffizient der Turbulenz wird durch die Analogie mit der molekularen Leitungsfähigkeit definiert, er hängt jedoch von den Strömungskonditionen ab und hat selbst keine echte physikalische Bedeutung. Darüber hinaus nimmt das Konzept der turbulenten Diffusion eine konstitutive Beziehung zwischen dem turbulenten Fluss und einem Gradienten an, der im molekularen Transport existiert. Im besten Fall ist diese Annahme nur eine Annäherung. Dennoch ist das turbulente Diffusionsvermögen der einfachste Ansatz zur quantitativen Analyse der turbulenten Strömungen und viele Methoden postulieren, es berechnen zu können.
Turbulenzen verursachen die Entstehung von Wirbeln auf vielen verschiedenen Längenskalen. Der größte Teil der kinetischen Energie der Turbulenzbewegung befindet sich in Großstrukturen. Die Energie fällt aus den großen Strukturen in die Kleinstrukturen in Kaskaden durch einen trägen und im Wesentlichen reibungsfreien Vorgang herunter. Dieser Prozess dauert an, bis eine Hierarchie von Wirbeln entsteht.
Über diese Energiekaskaden kann turbulente Strömung als eine Überlagerung von einem Spektrum von Strömungsgeschwindigkeitsschwankungen und Verwirbelungen bei einer mittleren Strömung realisiert werden. Die Wirbel sind kohärente Muster von Strömungsgeschwindigkeit, Wirbelstärke und Druck. Die Hierarchie der Wirbel kann durch das Energiespektrum beschrieben werden, das die Energie der Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit für jede Längenskala misst. Die Skalen in den Energiekaskaden sind in der Regel unkontrollierbar und höchst asymmetrisch. Trotzdem können die Wirbel basierend auf diesen Längenskalen kategorisiert werden:

Längenskalen: größte Skalen im Energiespektrum. Diese Wirbel erhalten Energie von der mittleren Strömung und formen sich auch gegenseitig. Sie enthalten die meiste Energie. Sie haben ferner auch die größte Strömungsgeschwindigkeitsschwankung und die niedrigste Frequenz. Längenskalen sind im hohen Maße richtungsabhängig. Die maximale Länge dieser Skalen wird durch die charakteristische Länge der Vorrichtung definiert. Zum Beispiel, die größte Längenskala einer Rohrströmung ist gleich dem Rohrdurchmesser. Im Fall von atmosphärischen Turbulenzen kann die Länge mehrere hundert Kilometer erreichen.
Mikroskalen von Kolmogorow: die kleinsten Skalen im Spektrum, die den zähflüssigen Unterschichtbereich bilden. In diesem Bereich befinden sich die Energiezufuhr von nichtlinearen Wechselwirkungen und die Energiegewinnung aus der zähflüssigen Dissipation exakt im Gleichgewicht. Die kleinen Skalen haben eine hohe Frequenz, was die Turbulenzen homogen und richtungsunabhängig macht.
Mikroskalen von Taylor: diese Skalen liegen in der Mitte zwischen den größten und den kleinsten Skalen. Taylor’sche Mikroskalen sind nicht dissipativ, das heißt sie verlieren keine Energie, sie übertragen diese von der größten zur kleinsten Skala.

Empfindliche Abhängigkeit von den Anfangs- und Randbedingungen macht eine Strömung sowohl hinsichtlich Zeit als auch Raum unregelmäßig, sodass eine statistische Beschreibung erforderlich ist. Eine komplette Beschreibung der Turbulenzen bleibt eines der ungelösten Probleme in der Physik.

Turbulenz bei klarer Luft

Die Turbulenz in der wolkenfreien Luft, oder Clear-Air-Turbulence (CAT) ist die turbulente Bewegung der Luftmassen in Abwesenheit von Wolken. Sie entsteht, wenn Luftmassen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aufeinander treffen.
Am meisten anfällig für diese Art von Turbulenzen ist die hohe Troposphäre in Höhen von etwa 7.000 bis 12.000 Meter. Hier tritt CAT am meisten im Bereich der Jetstreams auf. Auf kleineren Höhen kann sie auch in der Nähe von Bergen entstehen. Darüber hinaus können dünne Zirruswolken eine hohe Wahrscheinlichkeit der CAT indizieren.
Turbulenz in der klaren Luft kann für Flugreisende sehr unangenehm und in seltenen Fällen auch gefährlich sein. Eine Erhöhung der CAT ist ein erwarteter Effekt der globalen Erwärmung.

CAT ist in der Regel mit bloßem Auge nicht zu erkennen und mit konventionellen Radaranlagen schwer zu identifizieren. Folglich ist es schwierig für Piloten, diese Turbulenz zu entdecken und umzugehen. Sie kann jedoch aus der Ferne mit optischen Instrumenten wie Scintillometer oder Doppler-LiDAR-Systemen gemessen werden.
Obwohl die Höhen in der Nähe der Tropopause in der Regel wolkenfrei sind, können sich dünne Zirruswolken dort bilden, wo es eine abrupte Änderung der Luftgeschwindigkeit gibt, zum Beispiel im Zusammenhang mit Jetstreams. Streifen von diesen Wolken senkrecht zu den Jetstreams können auf mögliche CAT hinweisen, insbesondere wenn die Enden der Wolken zerstreut sind. In diesem Fall kann die Richtung der Streuung darauf hinweisen, auf welcher Seite des Jetstreams die Turbulenz am stärksten ist.

Risikofaktoren

Aufgrund der extremen Höhe ist es schwierig für Meteorologen, Turbulenzen bei klarer Luft zu entdecken. Selbst wen n sie durch Kräfte ausgelöst werden, die gemessen werden können, können ihre Stärke und Lage nicht genau bestimmt werden. Da jedoch die Turbulenzen die Langstreckenflüge, die in der Nähe der Tropopause fliegen, erheblich beeinflussen, wurde das Phänomen intensiv erforscht. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Wahrscheinlichkeit der CAT, meistens jedoch deren Kombination. 64% der Nicht-Licht-Turbulenzen (nicht nur CAT) werden in weniger als 280 km vom Kern eines Jetstreams entfernt beobachtet.

Ein Jetstream allein wird jedoch kaum der Auslöser der Turbulenzen bei klarer Luft sein, obwohl es horizontale Windscherung an den Rändern und innerhalb der Strömung gibt, die durch die unterschiedliche relative Luftgeschwindigkeit des Luftstroms und der umgebenden Luft verursacht wird.
Rossby-Wellen von der Jetstream-Scherung und die Corioliskraft verursachen die Windungen. Atmosphärische Rossby-Wellen sind gigantische Mäander. Sie entstehen aufgrund der Variation der Corioliskraft mit der geografischen Breite und üben einen extremen Einfluss auf das Wetter auf der Erde aus. Die Corioliskraft wirkt auf bewegte Körper ein und sie bei einem drehenden Bezugssystem relativ zu ihrer Bewegungsrichtung lenkt.

Ein Temperaturgradient ist die Variation der Temperatur über eine Strecke in eine gegebene Richtung. Wo die Temperatur eines Gases sich ändert, ändert sich auch seine Dichte und die Turbulenz entsteht.
Die Temperaturdifferenz in verschiedenen Bereichen kann ferner auch zur vermehrten Wolkenformation und Niederschlagsbildung führen. Wetterfronten sind Grenzen zwischen Luftmassen mit verschiedenen Eigenschaften, wo der Temperaturgradient relativ hohe Werte erreichen kann.
Die Temperatur nimmt mit der Höhe vom Boden aufwärts durch die Troposphäre ab. Von der Tropopause aufwärts durch die Stratosphäre nimmt die Temperatur wieder zu. Solche Variationen sind ein Beispiel für einen vertikalen Temperaturgradienten.
Ein horizontaler Temperaturgradient und somit eine Änderung der Luftdichte kann dort entstehen, wo die Luftgeschwindigkeit sich ändert. Die Geschwindigkeit des Jetstreams ist nicht über seine gesamte Länge konstant. Darüber hinaus werden die Lufttemperatur und folglich auch die Luftdichte in der Luft innerhalb des Jetstreams sich von der Luft außerhalb unterscheiden.

Leewellen sind atmosphärische Schwerewellen. Die am meisten vorkommende Form davon sind Bergwellen. Sie stellen eine periodische Veränderung des Luftdrucks, der Temperatur und orthometrischen Höhe in einem Luftstrom, ausgelöst durch vertikale Verschiebung. Bergwellen bilden sich unter vier Voraussetzungen. Wenn diese Voraussetzungen sich mit einem Jetstream überschneiden, kann eine Turbulenz bei klarer Luft auftreten:

Eine Gebirgskette, kein isolierter Berg
Starker senkrechter Wind
Gleiche Windrichtung in der Höhe
Temperaturumkehrung an der Spitze der Bergkette

Die Tropopause ist eine Schicht, die zwei sehr unterschiedliche Arten von Luft trennt. Darunter wird die Luft kälter und der Wind wird mit der Höhe stärker. Darüber erwärmt sich die Luft, die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe ab. Diese Veränderung der Temperatur und Geschwindigkeit können Schwankungen in der Höhe der Tropopause erzeugen, die sogenannten Schwerewellen.

Auswirkung auf die Luftfahrt

Im Zusammenhang mit der Luftfahrt wird die Turbulenz bei klarer Luft oft umgangssprachlich als Luftloch bezeichnet.

Konventionelle Flugzeugradare können eine CAT nicht entdecken, da CAT nicht mit Wolken in Verbindung gebracht wird, die eine unvorhersehbare Bewegung der Luft zeigen. Daher sollen Piloten über die Faktoren, die die Entstehung der CAT begünstigen, informiert sein, um diese möglichst zu vermeiden.

Flugzeuge im Horizontalflug verlassen sich auf die konstante Luftdichte, um Stabilität zu erlangen. Wenn die Luftdichte beispielsweise aufgrund von einem Temperaturgradienten signifikante Unterschiede aufweist, können Turbulenzen bei klarer Luft entstehen.
Ein horizontaler Temperaturgradient kann bemerkt werden, wenn das Flugzeug die verschiedenen Schichten eines Jetstreams überquert – von innerhalb der Strömung nach außen oder umgekehrt. Da Jetstreams mäandern, muss die Änderung der Lage nicht aufgrund vom Kurswechsel des Flugzeugs erfolgen.

Da die Höhe der Tropopause nicht konstant ist, könnte ein Flugzeug, das auf einer konstanten Höhe fliegt, auf jegliche damit verbundenen Turbulenzen treffen.

Flugregeln

In einer turbulenten Zone müssen Piloten folgende Regeln anwenden:

Das Flugzeug muss die für die Turbulenz empfohlene Geschwindigkeit beibehalten.
Wird das Flugzeug nach dem Jetstream geflogen, um die Turbulenz zu verlassen, muss es die Flughöhe oder die Richtung ändern.
Wenn die Turbulenz von einer Seite des Flugzeugs kommt, muss der Pilot das Thermometer beobachten, um festzustellen, ob das Flugzeug sich unterhalb oder oberhalb des Jetstreams befindet und dann die Tropopause verlassen.
Entsteht die Turbulenz im Zusammenhang mit einer scharfen Rinne, muss das Flugzeug den Niedrigdruckbereich passieren, anstatt ihn zu umgehen.
Der Pilot kann eine Meldung (Pilot Report – PIREP) mit seiner Position, Höhe und der Schwere der Turbulenz an weitere Flugzeuge in der Region herausgeben.

Zwischenfälle

Es wird angenommen, dass Turbulenzen keine so starken Schäden am Flugzeug verursachen können, um es zum Absturz zu bringen oder die Flugsicherheit zu gefährdet. Da jedoch das Flugzeug in Turbulenzen stark geschüttelt wird, können lose und herumfliegende Objekte die Innenverkleidung beschädigen und die Passagiere verletzen.

Eine Boeing 747 der United Airlines passierte auf dem von Tokio nach Honolulu einen Turbulenzbereich in etwa 10.000 Meter Höhe. Das Schütteln war so stark, dass Gegenstände durch die Kabine flogen und schwere Schäden hinterließen. Ein Passagier wurde tödlich verletzt.

BOAC-Flug 911 der British Overseas Airways Corporation endete am 5. März 1966 tödlich für 124 Insassen, als die Boeing 707 auf dem Weg von Tokio nach Hong Kong in der Nähe des Fujisan in Japan zerbrach und abstürzte. Es wird angenommen, dass eine starke Turbulenz die Piloten zu einem unglücklichen Manöver zwang, aus dem sie die Kontrolle über das Flugzeug nicht wieder erlangen konnten.

Schnallt sich ein Fluggast während der Turbulenzen nicht an, so erhöht sich für ihn die Gefahr einer schweren Verletzung bis hin zum Tod dramatisch. Aus diesem Grund und da Turbulenzen plötzlich auftreten können, wird es immer empfohlen, auch während des Reisefluges angeschnallt zu bleiben.

Wirbelschleppe

Eine Wirbelschleppenturbulenz bildet sich hinter einem Flugzeug, wenn es durch die Luft fliegt. Diese Turbulenz umschließt verschiedene Komponenten, die wichtigsten davon sind Flügelspitzenwirbel und Abgasstrahlen. Die Abgasstrahlen beziehen sich auf die aus dem Triebwerk austretenden Gase. Sie können stark sein, aber nicht von Dauer. Flügelspitzenwirbel sind viel stabiler und können nach dem Durchgang des Flugzeuges bis zu drei Minuten in der Luft anhalten.
Flügelspitzenwirbel werden erzeugt, wenn Tragflächen Auftrieb generieren. Die Luft von unterhalb der Tragfläche wird durch den niedrigen Druck oberhalb um die Flügelspitze gezogen. So entsteht eine Wirbelschleppe in der Wirbelströmung hinter der Tragfläche. Die Stärke des Phänomens wird in erster Linie durch die Geschwindigkeit und das Gewicht des jeweiligen Flugzeuges definiert. Flugspitzenwirbel bilden den primären und den gefährlichsten Bestandteil der Wirbelschleppe.
Die Auftriebskraft wird durch den unterschiedlichen Druck oberhalb und unterhalb der Tragfläche erzeugt. Sobald die Hochdruckluft sich um die Flügelspitze zur Niedrigdruckluft bewegt, rotiert die Luft und erzeugt einen horizontalen „Wirbelsturm“ hinter den Tragflächen. Dieser Wirbelsturm sinkt immer tiefer und erlischt.
Wirbelschleppen sind insbesondere während eines Startes oder einer Landung gefährlich. In diesen Phasen wird das Flugzeug unter einem hohen Anstellwinkel geflogen. Diese Fluglage maximiert die Bildung von starken Wirbeln. In der Nähe eines Flughafens können mehrere Luftfahrzeuge in niedrigen Höhen und mit niedriger Geschwindigkeit betrieben werden, entsteht zusätzliche Gefahr, da Flugzeuge nicht genug Höhe haben, um zu manövrieren.

Gefahrenabwehr

Um die Gefahren der Wirbelschleppen in einem frequentierten Luftraum zu reduziert, definiert die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation Mindeststaffelungsabstände für Flugzeuge mit unterschiedlichem Startgewicht. Der zeitliche Abstand zwischen Abflügen von zwei Flugzeugen mit unterschiedlichen Gewichtsklassen darf nicht weniger, als zwei Minuten betragen. Bei der Landung werden Flugzeuge räumlich gestaffelt. Der Abstand muss je nach Gewichtskategorie zwischen 4 und 8 Seemeilen (7.400 bis 14.800 Meter).

Die Analyse der Zwischenfälle brachte hervor, dass das Potenzial für die Bildung von Wirbelschleppen dann tendenziell am höchsten ist, wenn ein leichtes Flugzeug sich hinter einem größeren dreht, das einen geraden Anflug durchführt. Piloten von Leichtflugzeugen müssen deshalb extrem vorsichtig sein und ihren Landeanflug entweder höher, oder weit hinter einem schwereren Flugzeug einleiten. Wenn ein Sichtanflug hinter einem anderen Flugzeug freigegeben und genehmigt wird, ist der Pilot des leichteren Flugzeuges für die Staffelung verantwortlich.

Jede nicht durch die Steuerbefehle des Piloten ausgelöste Bewegung des Flugzeuges kann durch die Wirbelschleppe zustande gekommen sein. Aus diesem Grund muss das Situationsbewusstsein bewahrt werden. Gewöhnliche Turbulenzen sind nicht untypisch für die Anflugphase. Beim Verdacht auf eine Wirbelschleppe soll ein Fehlanflug durchgeführt werden und auf eine stärkere Wirbelschleppe vorbereitet sein. Es hat schwere Unfälle gegeben, bei denen Piloten nach einer sanften Wirbelschleppe eine Landung durchführen wollten und in schwerere Wirbelschleppen gerieten, aus denen sie sich nicht mehr manövrieren konnten.

Siehe auch

Urteile und Rechtsprechung

Luftverkehrs-Ordnung (LuftVO)