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Turbulenzen sind Luftbewegungen von unterschiedlicher Intensität, die ein Luftfahrzeug erschüttern. Ihre Ursachen beruhen auf verschiedenen meteorologischen Faktoren. Sie treten sowohl in geringer als auch in grosser Höhe auf.
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Turbulenzen: Ausmass und Intensität
In der Luftfahrt bezeichnet der Begriff Turbulenz sowohl Luftbewegungen, die ein Luftfahrzeug herumwirbeln und erschüttern, als auch solche, die Flugzeuge in den untersten Schichten der Atmosphäre während des Starts und der Landung, den heikelsten Phasen eines Flugs, beeinflussen können. Die räumliche Ausdehnung dieser Bewegungen beträgt etwa einen Meter bis zu einem Kilometer und ihre Dauer zwischen einer Sekunde und mehreren Minuten. Sehr kleinräumige Turbulenzen erzeugen Stösse, die nicht ausgeglichen werden können. Sie behindern den Flugverlauf kaum und sind für die Passagiere nur unangenehm. Bei grösseren Luftbewegungen (grosse Wellenlänge) bewegt sich das gesamte Luftfahrzeug, ohne dass es zu Erschütterungen oder zu übermässig starken Belastungen seiner Struktur kommt. Der Pilot hat genügend Zeit, aufzusteigen, abzusteigen oder die Richtung zu ändern, und kann so unerwünschte Auswirkungen vermeiden. Liegt die Grösse der Turbulenzen zwischen diesen beiden Extremen, kommt es zu Roll- und Stampfbewegungen, die das Risiko von Schäden an der Struktur des Luftfahrzeugs erhöhen. Bewegungen, die eine starke und nicht gleichförmige Kraft auf seine Oberfläche ausüben, sind von etwa gleicher Grösse wie das Luftfahrzeug. Hierbei ist zu beachten, dass in der Luftfahrt die Höhe gewöhnlich in Fuss (ft) angegeben wird. Für die Kraft von turbulenten Bewegungen und thermischen Aufwinden wird die Einheit Meter pro Sekunde (m/s) verwendet.
Turbulenzskala der ICAO (Internationale Zivilluftfahrt-Organisation)
Die Auswirkungen von Turbulenzen auf ein Luftfahrzeug hängen von dessen Grösse, Gewicht und Geschwindigkeit ab. Die Turbulenzintensitätsskala der ICAO beschreibt die gefühlten Auswirkungen, die Geschwindigkeitsschwankungen des Flugzeugs und die vertikale Beschleunigung, der das Luftfahrzeug ausgesetzt ist.
Die verschiedenen Ursachen von Turbulenzen: Allgemeines
Atmosphärische Turbulenzen treten plötzlich und oft unterwartet auf, wenn sich Windstärke und/oder Windrichtung abrupt ändern. Diese Änderungen wird Windscherung genannt (auf Englisch «wind shear»). Die Windscherung erzeugt Wirbel, die Turbulenzen für Luftfahrzeuge verursachen. In derartigen Situationen spielen die vertikalen Windkomponenten (Aufwinde, Abwinde) bei der Bildung von Turbulenzen eine wichtige Rolle. Turbulente Strömungen entstehen meist bei hohen Windgeschwindigkeiten und insbesondere bei grossen Schwankungen der Windgeschwindigkeit oder Windrichtung auf geringen vertikalen Distanzen, wie zum Beispiel in der oberen Atmosphäre in der Nähe des Jetstream.
Turbulente Strömungen werden auch von Hindernissen wie zum Beispiel Bergketten verursacht (Bildung von orographischen Wellen im Lee der Alpen bei Föhnwetterlagen) und ebenfalls von kleineren Hindernissen wie Gebäude oder Hügel.
Turbulenzen werden auch von thermischen Strömungen hervorgerufen. Auf gewittrige Konvektion zurückzuführende vertikale Bewegungen können starke bis extrem starke Turbulenzen in der Höhe, im Inneren und im Umfeld von Gewittern und bei heftigen Windböen auch in Bodennähe erzeugen.
In den unteren Schichten der Atmosphäre können Turbulenzen bei stürmischen Gradientwinden (Bise, Föhn, …) auftreten, manchmal auch bei plötzlichen Schwankungen der Luftmassen (Joran beim Durchzug einer Kaltfront), jedoch auch an Inversionen im Winter.
Mechanische Turbulenzen
Mechanische Turbulenzen treten in den unteren Luftschichten auf (zwischen dem Boden und 3000 bis 5000 ft), wo Reibungen aufgrund der Rauigkeit des Bodens auftreten und Instabilitäten, infolge der Überhitzung des Bodens während des Tages, die Bewegung der Luftmassen beeinflussen. Diese Schicht wird Grenzschicht oder Reibungsschicht genannt. Bei instabilen Wetterlagen reicht sie oft bis auf eine Höhe von 5000 ft, während sie bei stabilen Wetterlagen vor allem im Winter weniger als 300 ft mächtig sein kann (Inversion der unteren Luftschichten).
Die Scherung beim Durchfliegen der Inversion (Eintritt in die Grenzschicht) führt zu einem Höhenverlust des Luftfahrzeugs. Bei Föhnwetterlagen, wenn die Föhnböen auf einer Inversionsschicht abprallen, kann diese Art von Scherung recht gross sein. Dabei kann die Trägheit von grossen Flugzeugen dazu führen, dass sie sehr viel mehr an Höhe verlieren als kleine Flugzeuge (Risiko, vor der Rollbahn zu landen oder auf ein Hindernis zu prallen).
Insbesondere in der Grenzschicht fluktuieren Richtung und Geschwindigkeit des bodennahen Windes von Minute zu Minute (Richtung um +/-20° und Geschwindigkeit um etwa 25 % im Vergleich zum Mittel). Turbulenzen treten im Wesentlichen bei starken bis stürmischen Winden und Reibungskräften auf der Erdoberfläche auf und können sich beim Vorhandensein von Hindernissen (zerklüftetes Relief, Gebäude, Wald, …) noch weiter verstärken. In der Schweiz kann diese Art von Turbulenz bei Wetterlagen mit starker Bise, Joran, Föhn oder stürmischem Westwind auftreten.
Eine Bise oder ein stürmischer Westwind mit Böen von mehr als 60 km/h können zu mittleren bis starken Turbulenzen in den unteren Luftschichten führen. Die Kanalisierung des Windes zwischen dem Jurarelief und den Voralpen, aber auch innerhalb von Alpentälern, trägt zur Verstärkung der Windböen bei und erhöht somit das Risiko von Turbulenzen in den unteren Luftschichten.
Wenn der Joran am südlichen Fuss des Jura aus Nordwesten bläst, kann dies zu starken Turbulenzen insbesondere auf den Flughäfen von Genf und Granges führen, da deren Landepisten von Südwesten nach Nordosten ausgerichtet sind. Der Joran bläst dann im rechten Winkel auf Flugzeuge, die von bzw. auf diesen Flughäfen starten und landen.
Konvektive oder thermische Turbulenzen
Diese Turbulenzen entstehen bei starken thermischen Auf- und Abwinden, die bei Gewitterwolken (Cumulonimbus, abgekürzt CB) auftreten. Sie können während des Flugs sowie während des Starts und der Landung auf Flugzeuge einwirken.
Grundsätzlich ist bei einer Höhe von weniger als 1000 ft (~300 m) das Risiko von Abwinden grösser als das von Aufwinden. Bei horizontalem Flug durch ein Gewitter sind vertikale Beschleunigungen von 2 bis 3 g möglich. Die vertikalen Geschwindigkeiten können Extremwerte von mehr als 30 m/s erreichen. In tropischen Luftmassen (bei hoher Tropopause) reichen die CB bis auf eine Höhe von 10 bis 13 km (maximal 18 km), während sie sich in polaren Luftmassen nicht höher als etwa 5 bis 7 km ausdehnen. Falls ein Gewitter über 35’000 ft (~11 km) herausreicht, ist es als extrem gefährlich anzusehen.
Konvektive Turbulenzen können bei isolierten Gewitterzellen auf einen relativ kleinen Raum beschränkt sein. Beim Durchzug von Multizellen-Gewitterlinien oder Gewitterfronten ist ihre räumliche Ausdehnung oft grösser. Dann kann eine Böenfront fast durch ein ganzes Land wie die Schweiz fegen. Bei heftigen Gewittern (Superzellen) können diese Turbulenzen extrem stark sein.
Bei Turbulenzen in der Nähe von Gewittern handelt es sich vor allem um Abwinde. Die Gewitterzelle bildet eine Barriere gegen den vorherrschenden Wind, der abgelenkt wird, onduliert und herumwirbelt. Bei dieser Art von Turbulenz bilden sich oft starke Gewitterzellen (Frontgewitter, Superzellen) mit starken Höhenwinden. Bei einem heftigen Gewitter («severe thunderstorm») sollte man nicht in einem Umkreis von mindestens 30 bis 40 km um die Gewitterzone herumfliegen.
Turbulenzen in der Nähe der Ambosswolke von Gewittern
In grosser Höhe befinden sich Luftfahrzeuge im Allgemeinen über der Hauptwolkenzone und können die CBs umfliegen. Die Techniken zu deren Vermeidung beruhen auf visueller Beobachtung und Radarbildern. Starke Gewitterzellen, die über die Tropopause hinausreichen interagieren mit starken Winden in der Stratosphäre (bei stabiler Atmosphäre). Dies kann an der Obergrenze des Gewitters (unter dem Overshooting Top) Schwerewellen und Turbulenzen hervorrufen, die orographischen Wellen in Bergregionen sehr ähnlich sind. Flüge in der Nähe der Oberkanten von CBs und unter der Ambosswolke müssen vermieden werden. Pro 10 kt Wind, gemessen an der Oberkante des CB, sollte mindestens 1000 ft über der Oberkante des CB geflogen werden. Bläst der Wind zum Beispiel mit 50 kt in der Nähe der Oberkante der CB, sollte eine Flughöhe von mindestens 5000 ft über der Oberkante der CB eingehalten werden.
Downburst, Microburst und Macroburst
Downbursts sind schnelle, heftige Fallböen, die von Cumulonimbus-Wolken erzeugt werden können. Sie treten häufig in trockenen und heissen Regionen (zum Beispiel in Australien und den USA) auf und können von Niederschlägen begleitet werden. Die Verdunstung der Niederschläge (a) spielt bei der Entstehung von Microbursts eine wichtige Rolle. Sie können auch in Europa auftreten, insbesondere während langer heisser und trockener Perioden. Bei diesen Wetterlagen wurden schon Gewitter mit erhöhter Basis beobachtet, die wenig Niederschläge aber dafür starke Windböen mit sich brachten.
Grossräumige Downbursts werden Macrobursts genannt. Die Zone mit zerstörerischen Winden erstreckt sich dann horizontal über eine Fläche von mehr als 4 km. Starke Macrobursts können Schäden verursachen, die denen von Tornados vergleichbar sind. Die Winde können 5 bis 50 Minuten andauern und Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 60 m/s (~200 km/h) erreichen.
Microbursts dagegen sind kleine Downbursts, bei denen die Zone mit zerstörerischen Winden (mindestens 60 kt, ~110 km/h) nicht weiter als 4 km reicht. Trotz ihrer geringen horizontalen Ausdehnung können die Winde bis zu 75 m/s (~270 km/h) erreichen. Im Allgemeinen bildet sich eine Rotor-Zone (horizontaler Wirbel), die sich, sofort nachdem der Microburst in Bodennähe angekommen ist, in konzentrischen Kreisen nach aussen bewegt. Dieser Hauptwirbel löst sich auf und erzeugt weitere Wirbel. Das Phänomen kann 3 bis 5 Minuten dauern. Ein Microburst kann in etwa 2 Minuten von einer Höhe von 10’000 ft (~3000 m) auf den Boden sinken. Microbursts treten vor allem dann auf, wenn die Niederschläge nicht den Boden erreichen (Virga).
Die Verdunstung der Niederschläge (a) erzeugt eine Zone mit dichterer Kaltluft, die schnell Richtung Boden strömt. Microbursts können bei CBs auftreten, deren Basen sich dicht am Boden befinden (b), bei CB mit höheren Basen (zwischen 5000 und 15’000 ft) und in Bereichen unter dem Amboss (c). In den beiden letzteren Fällen spielt der Mechanismus der Verdunstung eine wichtige Rolle.
Turbulenzen aufgrund von orographischen Wellen
Trifft ein starker Wind rechtwinklig auf die Kammlinie eines Gebirges, beginnt er in der Reliefzone im Lee (windabgewandte Seite) des Gebirges zu mäandrieren. Diese Arten von atmosphärischen Wellen können in der Troposphäre sehr weit, bis zu einer Höhe von etwa 10 km hochsteigen und sogar die Stratosphäre erreichen. Die auf- und absteigenden Bewegungen im Lee werden orographische Wellen («mountain wave») genannt und verursachen Turbulenzen. Die Intensität der orographischen Wellen steigt mit zunehmender Windgeschwindigkeit über den Alpen.
Diese Wellen sind noch stärker ausgeprägt, wenn die Windströmung welche rechtwinklig zur Alpenkette verläuft, eine grosse horizontale Ausdehnung aufweist und die mittlere Windstärke auf Gipfelniveau mindestens 25 kt beträgt. Bei tieferen Bergen (Hügeln) reichen 15 kt aus. Im Idealfall verstärkt sich der Wind bei zunehmender Höhe oder bleibt zumindest konstant.
Eine stabile Luftschicht (Isothermie oder Inversion) in der Nähe oder über dem Relief sorgt, dass sich die anfänglich angehobene Luft wieder absenkt und begünstigt so die Bildung Wellen. Eine solche stabile Luftschicht befindet sich recht häufig in einer Höhe von 4 bis 5 km (Mitte der Troposphäre).
In den Alpen entstehen orographische Wellen oft bei Südwind und bei Nordwind (Föhnlagen), aber auch über dem Jura sind solche Wellen zu beobachten. Orographische Wellen können bis zu 200 km über den Alpenkamm hinausreichen, bei Südwind in Richtung Deutschland und bei Nordwind in Richtung Italien.
Klarluftturbulenzen (CAT)
Mit Ausnahme der Turbulenzen, die Cumulonimbus-Wolken begleiten, werden alle Höhenturbulenzen (> 5 bis 6 km / > 15’000 ft) Klarluftturbulenzen («Clear Air Turbulence» CAT) genannt. In der Höhe werden vertikale Windscherungen im Allgemeinen von Jetstreams verursacht. Die Windgeschwindigkeit am Rand des Jets variiert auf kurzen vertikalen Distanzen sehr stark, was zu einer starken Scherung führt, die Klarluftturbulenzen (CAT) erzeugt.
Mit steigender Höhe nimmt die Intensität von Höhenturbulenzen langsam ab. Dagegen steigt die Häufigkeit von Turbulenzen in der Nähe von Jetstreams und der Tropopause, da dies Zonen mit starkem Temperaturgefälle und starker vertikaler und horizontaler Windscherung sind. CAT in der Höhe sind diskontinuierlich und verursachen schnelle Stösse (wie beim Fahren über Kopfsteinpflaster). Die horizontale Ausbreitung von CAT in der Höhe beträgt normalerweise etwa 80 bis 100 km, kann jedoch 300 bis 500 km erreichen. Die vertikale Ausdehnung liegt im Mittel bei 600 m, kann jedoch auch geringer als 30 m sein und die maximale Ausdehnung der CAT Zonen kann zum Teil über 2 km betragen. Das Risiko von Turbulenzen steigt schnell, wenn die vertikale Windscherung mehr als 5 kt pro 1000 ft Höhenunterschied beträgt. Thermische Diskontinuitäten, wie auch Windscherungen an Luftmassengrenzen können beim Durchzug einer Front, wie auch an Inversionen, Klarluftturbulenzen erzeugen. Zudem können CAT auch in den unteren Luftschichten auftreten, zum Beispiel durch starke Joranböen am Jurasüdfuss.
Wirbelschleppenturbulenzen (nicht natürliche Turbulenzen)
Meist sind Turbulenzen auf natürliche Ursachen zurückzuführen, jedoch mit einer Ausnahme: Wirbelschleppenturbulenzen («wake turbulences») werden von den Tragflächenenden von Luftfahrzeugen erzeugt. Ihre Intensität hängt von Gewicht, Geschwindigkeit und Form der Tragflügel des Luftfahrzeugs ab und ist am höchsten, wenn auftriebserhöhende Vorrichtungen verwendet werden. Die stärksten Wirbelschleppenturbulenzen werden von grossen, stark beladenen und langsam fliegenden Frachtflugzeugen erzeugt.
Diese Luftverwirbelungen bilden sich dicht am Boden kurz vor der Landung und direkt nach dem Start. Die Gefahrenzone bei der Landung liegt kurz vor dem Aufsetzpunkt und beim Start kurz nach dem Rotationspunkt. Ein nachfolgendes Luftfahrzeug muss bei diesen beiden Punkten besonders vorsichtig sein.
Wirbelschleppen haben einen Durchmesser von 70 bis 150 m und können mehrere Minuten andauern (im Durchschnitt 2 Minuten), bevor sie sich auflösen und nicht mehr länger Turbulenzen für andere Luftfahrzeuge erzeugen. Je schwächer der Wind, desto länger bleibt eine Wirbelschleppe bestehen. Durch Einhaltung eines horizontalen Abstands zwischen zwei startenden oder landenden Luftfahrzeugen kann das nachfolgende Flugzeug die Wirbelschleppenturbulenzen weitestgehend vermeiden: Aus diesem Grund müssen Flugzeuge gestaffelt mit 1 bis 3 Minuten Abstand voneinander starten.
Wirbelschleppen sind manchmal sichtbar: Ist die Luft in den unteren Schichten recht feucht, kondensiert der Wasserdampf in der Zone mit starkem Wind nahe dem Wirbelzentrum und macht den Wirbel sichtbar. Die tangentiale Geschwindigkeit dieser Wirbel kann Extremwerte erreichen. Ihre Intensität nimmt mit dem Abstand hinter dem Luftfahrzeug langsam ab.
Anstieg der CAT in den letzten vier Jahrzehnten
Eine Studie der Universität Reading kam zum Ergebnis, dass Flugzeuge heutzutage in einer unruhigeren Atmosphäre fliegen als vor vierzig Jahren. Dies fanden Wissenschaftler in einer neuen Studie heraus, die zeigt, dass Turbulenzen (CAT) mit dem Klimawandel stärker werden.
Laut den Schlussfolgerungen der Studie hat die jährliche Gesamtdauer von starken Turbulenzen über dem Nordatlantik, einer der Zonen mit dem meisten Flugverkehr weltweit, um rund 55 % zugenommen, von 17,7 Stunden im Jahr 1979 auf 27,4 Stunden 2020. Mittlere Turbulenzen sind um rund 37 % gestiegen, von 70,0 auf 96,1 Stunden, und leichte Turbulenzen um rund 17 %, von 466,5 auf 546,8 Stunden. Diese Tendenz dürfte sich mit der fortschreitenden Erderwärmung noch weiter verstärken.