Meteorologische Grundlagen
Das Wetter beeinflusst die Fliegerei und die Sicherheit enorm. Die Lage in der Athmosphäre, also die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Geschwindigkeit und der Druck der Luft haben in allen unterschiedlichen Kombinationen stellen jeweils besondere Anforderungen an das Flugzeug und den Piloten.
Dieser Artikel beschreibt die grundlegenden Theorien hinter dem Wettergeschehen. Da sich viele Abschnitte auf die Atmosphäre beziehen, sollte dieser Artikel vorher gelesen werden.
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Wäre die Atmosphäre um uns herum sichtbar, sähe sie ungefähr so wie ein Ozean aus: die Luftmassen sind in konstanter Bewegung, es gibt Strömungen, Wirbel und auch Wellen. Eine wichtige Ursache dieser Bewegung ist die ungleiche Aufheizung der Erdoberfläche durch die Sonne. Zunächst einmal gibt es den einfachen Konvektions-Effekt: die Luft wärmt sich an der Erdoberfläche auf, wird dadurch leichter und steigt nach oben. Kalte Luft strömt in die entgegengesetzte Richtung.
An den Polen nun zum Beispiel strahlt weniger Sonnenlicht ein als am Äquator, das heißt die Luft an den Polen wird kälter sein als am Äquator – sicherlich nicht so besonders überraschend. Aus diesem Unterschied entsteht also eine Luftströmung vom Äquator zum Pol hin.
Eine weitere wichtige Kraft, die Luftbewegungen auslöst, ist die Corioliskraft, Einigen sicherlich aus dem Physikunterricht bekannt: auf einem sich drehenden Teller wird eine Kugel von innen nach außen bewegt. Aber anstelle sich in einer geraden Linie zu bewegen, wird die Kugel entlang einer gekrümmten Kurve rollen. Diese Bewegung wird durch die Corioliskraft hervorgerufen. Diese Kraft wirkt natürlich auch auf Luftmassen. Die Luft wird, wenn sie sich über die Erdoberfläche bewegt, je nach Drehrichtung abgelenkt. Die Drehrichtung übrigens hängt auf der Erde einzig davon ab, ob sich die Bewegung auf der Nord- oder Südhalbkugel stattfindet.
Besonders gut kann dieser Effekt bei Tief- oder Hochdruckgebieten beobachtet werden. Bei einem Tief zum Beispiel strömt die Luft von außen nach innen – die Luft versucht, den unterschiedlichen Druck auszugleichen. Durch die Corioliskraft wird diese Luft nach rechts abgelenkt, wodraus sich eine Art Wirbel bildet. Dieser Wirbel wird auch Zyklone genannt und dreht gegen den Uhrzeigersinn. Bei Hochdruckgebieten ist es genau umgekehrt: die Luft strömt nach außen und wird nach rechts abgelenkt. Daraus entsteht eine Rotation im Uhrzeigersinn – eine Antizyklone.
Hochdruckgebiete sind im Allgemeinen Gebiete trockener, warmer und stabiler Luftmassen, Tiefdruckgebiete im Allgemeinen gekennzeichnet durch kalte, feuchte Luft mit Bewölkung und Niederschlag.
Über Bäumen und Feldern wird weniger Sonnenlicht zurückgestrahlt als zum Beispiel über sandigem oder felsigem Untergrund. Wenn nun also verschiedene Untergründe nahe beieinander liegen, dann heizen sich die Luftmassen auf engem Raum unterschiedlich auf, verändern ihre Dichte und ihren Druck und erzeugen vertikale und horizontale Luftausgleichsbewegungen. Diese Effekte werden im Allgemeinen konvektiv genannt.
Dieser Effekt kann zum Beispiel an Küsten gut beobachtet werden: da tagsüber das Land wesentlich schneller warm wird als das Wasser, kann die Luft sich hier stärker erhitzen. Sie steigt auf, und wird von kühlerer Luft vom Wasser ersetzt: Fachleute sprechen von auflandigem Wind, also von Wind in Richtung Land. In der Nacht ist es genau umgekehrt: das Wasser kühlt nicht so schnell ab wie das Land, wiederum steigt Luft auf und wird von kalter Luft vom Land ersetzt: ablandiger Wind.
Auch andere lokale Phänomene sind erwähnenswert: in der Gegend um Flughäfen sollte besondere Vorsicht im Bezug auf sich schnell ändernde Luftbewegungen gelten. Große Gebäude, die Abwechslung von Beton- und Grasflächen sorgen dafür, dass sich sehr begrenzte Luftströmungen ergeben. Gleiches gilt im Gebirge, dort sind Fallwinde ein besonderes Sicherheitsrisiko für den Flugverkehr.
Besonders heftige Änderungen in der Luftbewegung nennt man Windscherung oder wind shear. Das kann zum einen ein großer Unterschied in der Windgeschwindigkeit und -richtung auf engem Raum oder auch eine heftige Luftauf- oder abbewegung sein. Besonders gefährlich sind diese Windscherungen, wenn ein Flugzeug knapp über dem Boden ist, also bei Start und Landung. Deshalb haben moderne Verkehrsflugzeuge und auch Fluglotsen Alarmsysteme, um vor Windscherungen zu warnen und den Piloten Zeit zu geben, zu reagieren.
Eine besondere Form der Windscherung ist der „microburst“. Das ist eine Luftsäule, die aufgrund von Gewittererscheinungen auftritt und mit hoher Geschwindigkeit in Richtung Erde „fällt“. Wenn sie dort auftrift, verteilt sich die Luft in alle Richtungen und bewegt sich entlang der Erdoberfläche. Ein Flugzeug, das in so einen microburst einfliegt, wird zuerst eine Zunahme der Fluggeschwindigkeit durch den Gegenwind erfahren. Danach wird es durch die Luftsäule nach unten gedrückt. Hierauf folgt die gefährlichste Phase, nämlich der schnelle Wechsel von Gegen- auf Rückenwind. Hierbei fällt besonders in der Lande- und Startphase die Flugzeuggeschwindigkeit drastisch ab. Die Folge ist Auftriebsverlust bis hin zum Strömungsabriss.
Die Stabilität der Atmosphäre hängt von der Fähigkeit der Luft ab, vertikaler Bewegung zu widerstehen. In einem Gewitter bewegt sich die Luft so heftig nach oben, dass die Kräfte auf ein Flugzeug zu seiner Zerstörung führen können. Jede Turbulenz ist Ausdruck der vertikalen Luftbewegung.
Wenn sich Luft ausdehnt, kühlt sie sich ab. Das liegt daran, dass die Kenngrößen der Luft (Temperatur, Dichte, Druck und relative Feuchtigkeit) immer miteinander verknüpft sind. Verändere ich eine, und halte zwei andere konstant, dann muss sich die andere zwangsläufig verändern.
Das heißt, dass vor allem vertikale Luftbewegungen fast immer mit einer Temperaturänderung verbunden sind. Warme Luft wird leicht, steigt auf und kühlt dabei langsam ab. Die Temperaturabnahme kann mit guter Näherung mit 3° pro 1000 Fuß angenähert werden. Da Wasserdampf leichter als Luft ist, steigt feuchte Luft schneller als trockene.
Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang: warme, feuchte Luft ist eher instabil, kalte trockene ist dagegen eher stabil. Das kann man eigentlich sehr gut an den Jahreszeiten erklären: im Sommer ist es warm und schwül (hohe relative Luftfeuchtigkeit), die Folge ist gewittriges und turbulentes Wetter. Im Winter dagegen ist es kalt und der Himmel ist völlig klar.
In jedem METAR steht er drin: der Taupunkt. Er gibt die Temperatur an, an welcher bei aktueller Feuchtigkeit die Luft gesättigt wäre.
Das klingt zunächst mal sperrig, ist aber eigentlich recht einleuchtend: warme Luft kann wesentlich mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte. Die relative Luftfeuchtigkeit gibt die Menge Wasser an, die aktuell in der Luft gelöst ist, bezogen auf die Menge, welche die Luft bei aktueller Temperatur insgesamt aufnehmen könnte. Deshalb wird der Wert auch in % angegeben: 50% relative Luftfeuchtigkeit bedeuten, dass die Luft doppelt mal soviel Wasser aufnehmen könnte wie derzeit gelöst.
Wenn jetzt eine bestimmte Menge Luft mit einer bestimmten Menge Wasser abgekühlt wird, dann kann die Luft immer weniger Wasser lösen. Bei einer bestimmten Temperatur erreicht die Luft 100% relative Feuchtigkeit. Wenn jetzt die Luft weiter abkühlt, kann das Wasser nicht mehr in der Luft gelöst bleiben: es kondensiert aus, in Form von Nebel, Tau, Raureif, Wolken, Hagel, Regen oder Schnee.
Das heißt für uns Piloten: liegen Temperatur und Taupunkt nahe beieinander, wird die Sicht schlecht und es könnte nass werden.
Aus dem Taupunkt kann man noch eine weitere Information ziehen: da ja Luft mit etwa 3° pro 1000 Fuß abkühlt, kann man aus dem Unterschied zwischen Temperatur und Taupunkt (auch spread genannt) die ungefähre Wolkenuntergrenze ablesen! Pro Grad spread sind das nämlich ungefähr 300 Fuß!
Aus dem Taupunkt kann man also als Pilot eine Menge interessanter Informationen ziehen.
Aus gesättigter Luft muss also das „überflüssige“ Wasser heraus, wenn sie abkühlt. Daraus entstehen folgende Wettererscheinungen:
In der Nacht kühlt sich die Erdoberfläche aus, immerhin ist die Sonnenstrahlung weg. Gleichzeitig kühlt die unterste Luftschicht über der Erde mit aus – und Wasser kondensiert sich auf allen Flächen ab. Sind die über 0°C warm, bilden sich Wassertropfen: Tau. Sind sie jedoch unter 0°C, bildet sich Frost, also kleine Eiskristalle.
Flugzeuge mit Frostansatz müssen vor dem Flug gründlich enteist werden, da Frost genauso wie Eisansatz die Aerodynamik negativ beeinflusst.
Technisch gesehen ist Nebel eine Wolke: sichtbare Wassertropfen, die in der Luft schweben. Diese Wolke liegt direkt an der Erdoberfläche und kommt im Herbst vor allem abends und in der Nacht vor, wenn Wasser aus der kalten Luft auskondensiert. Besonders auffällig ist dieser Effekt bei Flughäfen, die nahe von Gewässern oder zum Beispiel Mooren liegen. Dort kann die Luft am Tag Wasser aufnehmen, die sie dann in der Nacht in Form von Nebel wieder abgibt. Leichter Nebel verschwindet dann nach Sonnenaufgang, wenn sich die Luft erwärmt und wieder mehr Wasser lösen kann. Falls der Nebel sehr intensiv ist, kann er aber auch tagelang liegen bleiben.
Da Nebeltröpfchen einfallendes Licht brechen, sinkt bei nebligem Wetter die Sicht, häufig ist es dann noch windstill und der Nebel bleibt über dem Gelände liegen. Das ist für Flugzeuge im Landeanflug natürlich kritisch, weswegen Instrumentenlandesysteme eine Operation auch in diesen Sichtbedingungen ermöglichen.
Typischerweise bezeichnet man sichtbare Feuchtigkeit in der Luft oberhalb einer Höhe von 50 Fuß über Grund als Wolke. Aus der Beobachtung der Wolken kann eine Menge über die Bedingungen in ihr und das Wetter geschlossen werden. Da es viele unterschiedliche Wolkentypen gibt, haben wir dazu einen eigenen Artikel verfasst.
Luftmassen werden je nach ihrem Entstehungsort eingeordnet - die Entstehungsorte sind dabei Gegenden, in der die Luft über längere Zeit relativ unbewegt stehen kann und die Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebung annehmen kann. Die vier großen Unterscheidungsmerkmale sind polar und tropisch, je nach Temperatur der Luft und maritim oder kontinental, je nach Feuchtigkeitsgehalt. Eine kontinentale Arktikluftmasse ist also eine Masse kalter, trockener Luft. Bewegt sich eine Luftmasse von ihrem Entstehungsort weg, wird sie vom darunterliegenden Gelände oder Wasser beeinflusst und verändert.
In dieser Bewegung kommt eine Luftmasse zwangsläufig mit anderen Luftmassen in Kontakt, die häufig andere Eigenschaften haben. Die Grenzschicht zweier solcher Luftmassen nennt man eine Front. Zieht eine Front durch, bedeutet das fast immer auch eine Änderung der Wetterlage.
Es gibt insgesamt vier Typen von Fronten:
Eine Warmfront tritt auf, wenn sich eine warme Luftmasse bewegt und eine kältere Luftmasse ersetzt. Sie bewegt sich dabei relativ langsam, mit 15 bis 40 km/h. Dabei schiebt sie sich auf die kalte Luftmasse auf, und drückt sie in ihrer Bewegungsrichtung weg. Bei diesem Prozess hebt sich die warme, und häufig feuchte Luft an und kühlt ab. Dabei kommt es zu Kondensation, also zu Wolkenbildung und Regen.
Vor der Ankunft der Warmfront bilden sich also Wolken, manchmal auf Nebel, in den Sommermonaten häufig Gewitter. Leichter bis moderater Niederschlag fällt in Verbindung mit niedriger Sichtweite. Die Temperatur ist niedrig, und der Taupunkt steigt an. Während des Durchzugs der Warmfront fällt der Luftdruck konstant, bis die Front durchgezogen ist.
Ist die Warmfront angekommen, frischt der Wind auf und die Sicht wird besser. Die Temperatur beginnt zu steigen, und der Taupunkt bleibt konstant.
Nach dem Durchzug der Front kann für kurze Zeit noch Dunst verbleiben. Der Taupunkt und der Luftdruck steigen wieder leicht an.
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