Clear Air Turbulence

Aufbau der Atmosphäre
(schematisch)

Die Klarluftturbulenz oder Clear Air Turbulence (abgekürzt CAT), zu deutsch Turbulenz in wolkenfreier Luft, ist eine starke Luftbewegung in Bereichen ohne sichtbare Wolkenphänomene. Sie führt bei starken Beschleunigungen i.d.R. zu einer ungewollten Höhenänderung eines Flugzeugs, was von Flugzeuginsassen teilweise als „Luftloch“ aufgefasst wird. Sie tritt während des Fluges auf, ohne dass der Pilot dies durch intensive Beobachtung des Luftraumes vorhersehen kann. In klarer Luft hat der Pilot keinen sichtbaren Anhaltspunkt für die Bewegung der Luftmassen.

Die Clear Air Turbulence wird durch das Aufeinandertreffen von größeren Luftmassen verursacht, die sich mit stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Höhen von 7.000 bis 12.000 Metern bewegen. Das Phänomen tritt häufig im Bereich des Jetstreams auf, manchmal auch in der Nähe von Gebirgszügen. Diese Art von Turbulenz kann eine erhebliche Gefährdung für die Luftfahrt darstellen, da sie im Gegensatz zu anderen Wetterphänomenen, wie zum Beispiel Gewitter, weder mit dem bloßen Auge noch mit Radar geortet werden kann und deshalb nicht rechtzeitig durch Umfliegen ausgewichen werden kann. Ansatzweise kann eine Clear Air Turbulence mit einem Scintillometer (Messung der Refraktionseigenschaft der Luft) oder mit einem Doppler-Lidar gemessen werden.

In erster Linie handelt es sich um Turbulenz (Böigkeit) außerhalb von Wolken oberhalb der planetarischen Grenzschicht.
Die Gefahr der CAT besteht vor allem darin, daß sie fast immer ohne jedes sichtbare Anzeichen angetroffen wird. Die anfälligste Region für CAT ist die hohe Troposphäre in Höhen von etwa 7000-12000 Meter.

Als auslösende Ursachen gelten:

• Leewellen
• Windscherungen im Bereich von Strahlströmen

Nahezu 50 Prozent aller schweren Fälle von CAT werden im Bereich von Leewellen beobachtet. während Forschungsflügen hat man CAT vorallem in dünnen, stabil geschichteten Zonen der Atmosphäre angetroffen. Man führt sie auf Luftwogen zurück, die sich verstärken, brechen und in eine chaotische Bewegung übergehen. Die Wellenlänge wird im Mittel mit 500 m, in Extremfällen mit 40 m und 2 000 m angegeben.
Die Schichtdicke der stabilen Zonen liegt zwischen 200 m und 1 500 m. Die horizontale Ausdehnung eines CAT-Gebietes beträgt in 70 Prozent aller Fälle weniger als 100 km, seine Lebensdauer liegt zwischen 30 min und einem Tag.

Man geht davon aus, dass Clear Air Turbulences alleine nicht in der Lage sind, Flugzeuge zu beschädigen oder gar zu zerstören.
Hingegen in Verbindung mit anderen Umständen, Wetterphänomenen oder statischer Materialschwäche (siehe Haarrisse), gilt es als gesichert, dass Clear Air Turbulences zu Beschädigungen oder sogar zur vollständigen Zerstörung eines Flugzeuges beitragen können.

Windscherung

Windscherung ist ein Unterschied in der relativen Geschwindigkeit zwischen zwei benachbarte Luftmassen. Eine übermäßige Windscherung erzeugt Wirbel, und wenn die Windscherung ausreichend groß ist kann es zu chaotischen Bewegungen kommen.
Triebkraft sind große Luftdruckunterschiede, bei denen die als Scherwind bezeichnete Windbewegung als Ausgleich zwischen diesen Punkten fungiert.
Wie an anderer Stelle erläutert, verändern sich Temperatur und Windgeschwindigkeit mit der Höhe. Diese Unterschiede führen zu Veränderungen der Luftdichte und damit die Viskosität.
Windscherungen können sowohl horizontal als auch vertikal auftreten.
Besonders ausgeprägte Schereffekte zeigen sich in Gewittern oder bei den Jetstreams.
An dieser Stelle werden auch Einflüsse der geogrphischen Verhältnisse am Boden vermutet.

Leewellen

Windströmung über einem Berg erzeugt Oszillationen (A), (B) usw.
(schematisch)

Eine Leewelle ist eine stationäre atmosphärische Welle auf der Leeseite eines quer angeströmten Gebirges.

Leewellen entstehen, wenn vier Voraussetzungen erfüllt sind. Wenn diese Faktoren mit einem Jet-Streams zusammenfallen, kann CAT auftreten:

• Ein Gebirge, keine isolierte Berg
• Starke Querwinde
• Windrichtung mit der Höhe beibehalten
• Temperaturumkehr an der Spitze der Bergkette

Die über das Gebirge hinwegströmende Luft wird durch das Gebirge angehoben und sinkt hinter ihm wieder ab,so daß eine Grundwelle entsteht, die sich durch den ständig wirkenden Störimpuls zu einer Welenschwingung aufschaukelt (Abwechslung von Wellenbergen und Wellentälern). Hinter dem Gebirge schwächt sich die Wellenschwingung allmählich ab. Leewellen wurden noch in über 90 km Höhe beobachtet. — Im aufsteigenden Luftstrom der Leewelle kommt es durch Kondensation bei ausreichendem Wasserdampfvorrat zur Bildung von linsen- oder fischförmigen Wellenwolken (Moazogotl-Wolken). Während die Wolke im aufsteigenden Ast der Welle ständig neu gebildet wird, löst sie sich im absteigenden Ast immer wieder auf. Sie bleibt daher ortsfest.

Die von der Windgeschwindigkeit abhängige Länge der Leewelle liegt zwischen 3 und 50 km (bei 10..-20m/s Windgeschwindigkeit 5.. .10km Wellenlänge), i. allg. nimmt die Wellenlänge mit der Höhe zu, während die Amplitude abnimmt.

Begünstigend für die Ausbildung von Leewellen wirkt ein dem Hauptkamm leeseitig vorgelagerter (gewöhnlich niedrigerer) Gebirgszug im Abstand einer oder des Vielfachen einer Wellenlänge. Eine derartige Konfiguration schafft gleichzeitig günstige Voraussetzun- gen für die Bildung von Rotoren (im Lee des Gebirges auftretende Wirbel mit horizontaler Achse). Sie entstehen unter den Wellenbergen durch die von den Leewelle hervorgerufenen Luftdruckschwankungen. Meist liegen mehrere Rotoren hintereinander. Ist die im Rotor aufwärts bewegte Luft feucht genug, so bilden sich an seiner Oberseite (Vorderseite) walzenförmige Wolken (Rotorwolken).

Leewellen werden von Segelfliegern für Wellensegelflüge ausgenutzt, wobei beachtliche Höhen erreicht werden können. Leewellen treten zu allen Jahreszeiten auf, werden im Sommer durch die Konvektion aber meist zerstört, so daß Okt. bis März die günstigsten Monate für Leewellen-Segelflug sind (nördliche Halbkugel). Wellenstreckenflüge größerer Reichweite sind in Wellenfluggeländen möglich, wenn dem Hauptkamm leeseitig weitere Gebirgszüge vorgelagert sind und die L. im Zusammenhang mit einem Strahlstrom stehen. Abgesehen von der Turbulenz in der Rotorströmung, ist die Leewelle für den Segelflug meist ruhig (turbulenzfrei). Bei schnellen Flugzeugen verursachen die Auf- und Abwindfelder jedoch Turbulenz, die um so stärker ist, je größer die Fluggeschwindigkeit und je kürzer die Wellenlänge der Leewelle bzw. der den die Leewelle überlagerten kurzen Wellen ist. Zerfaserte Ränder von Leewellen-Wolken sind oft Anzeichen von Turbulenz.

Wirbelschleppe

Bild von einer NASA- Studie zu Wirbelschleppe (nachberbeitet).

Bei Wirbelschleppen (engl. wake turbulence), auch Wirbelzöpfe oder Randwirbel genannt, handelt es sich um zopfartige, gegenläufig drehende Luftverwirbelungen hinter fliegenden Flugzeugen. Ihre Intensität ist vom Gewicht des Flugzeuges abhängig. Die Lebensdauer wird von Wind und Atmosphäre beeinflusst. Im Zentrum der Wirbel ist der Luftdruck vermindert. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann dort Kondensation einen sichtbaren Streifen erzeugen (engl. wing tip trails).