In jüngerer Zeit wurde die Zivilluftfahrt von zwei rätselhaften Abstürzen heimgesucht. Am 01.06.2009 stürzte ein Airbus 330 über dem tropischen Atlantik ab. Am 25.01.2010 verschwand eine Boeing 737 kurz nach dem Start in Beirut von den Radarschirmen. Zwei Gemeinsamkeiten verbindet diese Abstürze:

• Beide Maschinen flogen in heftigen Gewittern.
• Die Abstürze geschahen nachts.

 In den bisherigen Artikeln wurden die Prozesse erklärt, die zur Entstehung von Gewittern führen. Welche Energie dabei umgesetzt wird, soll an einem Beispiel gezeigt werden. Wir nehmen an, dass bei einem Gewitter über Frankfurt/Main (~10⁸ m²) innerhalb einer Stunde 50 mm Regen gefallen sind. Da 1mm gerade 1 Liter/m² entspricht müssen also insgesamt 5*10⁹ Liter auf Frankfurt niedergegangen sein.
Wie Sie wissen, werden 540 kcal benötigt, um 1 Liter Wasser zu verdunsten. Bei der Kondensation des Wasserdampfes müssen also in der Wolke 5*10⁹ *540 kcal wieder als Wärme frei geworden sein, also 2,7*10¹² kcal.  Das entspricht einer Leistung von rund 3200 Gigawatt (1 Watt = 14,33 cal/min), d.h. 3.000 Kernkraftwerke müssten zusammen geschaltet werden, um diese Leistung zu erreichen! Die wirklich umgesetzte Energie liegt noch weitaus höher, denn die riesige Masse der Wolkentröpfchen wurde bei unserer Rechnung überhaupt nicht berücksichtigt.

 

Satellitenbilder zur Zeit des Unglücks zeigen, dass die Gewitter beim Absturz des Airbus 330 wesentlich heftiger waren als in unserem Rechenbeispiel und auch das Gewitter beim Absturz der Boeing 737 scheint intensiver gewesen zu sein, d.h. die Maschinen waren gigantischen Kräften ausgesetzt.
Bei Tage hätten die Piloten wahrscheinlich die Mächtigkeit der Gewitterwolken abschätzen können. Aber bei den Abstürzen herrschte Dunkelheit und das Bordradar gibt nicht immer eindeutige Informationen, vor allem dann nicht, wenn man die Wetterlage nicht richtig kennt. (Das Problem der embedded Cb könnte zumindest beim Airbus eine Rolle gespielt haben!)

Gewitter sind lokale Stürme, die durch Cumulus-Wolken entstehen und immer mit Blitz und Donner verbunden sind. Man unterscheidet 3 Stadien:

- Wenn Feuchte und Labilität in der Atmosphäre genügend hoch sind, beginnt das Wachstum eines Gewitters. Im Cumulus-Stadium ändert sich die Natur der Konvektion dramatisch. Die Größenordnung der Zirkulation steigt enorm und kleine Quellwolken in der Umgebung der größer werdenden Cumuluswolke lösen sich auf, was auf Absinken in der Umgebung der Wolke hindeutet.

- Während des Cumulus-Stadiums wächst die konvektive Zirkulation innerhalb von etwa 15 min sehr schnell bis etwa 20.000 Ft und 3 bis 5 Meilen im Durchmesser. Während die Wolke weiter wächst, beginnt sich Niederschlag zu bilden, der am Ende des Cumulus-Stadiums eine Abwärtsbewegung einleitet.

- Das Reifestadium beginnt, wenn die durch den Niederschlag hervorgerufene Abwärtsbewegung den Boden erreicht. Blitz und Donner setzen ein, während die  Gewitterzelle auf etwa 5 bis 10 Meilen im Durchmesser wächst. In diesem Stadium ist die Zirkulation gut organisiert. Das relativ warme Aufsteigen und das kalte, durch den Niederschlag induzierte Absinken existieren nebeneinander. Das Absinken erreicht die höchste Geschwindigkeit unter der Wolkenbasis, während die maximale Geschwindigkeit des Aufsteigens in der Nähe des Gleichgewichtszustandes im oberen Teil der Gewitterwolke beobachtet wird. Im Reifestadium reicht die Wolke oft in die untere Stratosphäre. Wegen der tiefen Temperaturen und der großen Stabilität in der Stratosphäre fließt die Wolke auseinander und der Cirrus-Schirm ist als Amboss zu sehen.

- Wenn der Abwind besonders stark und kleinräumig ist, wird er als microburst bezeichnet. Er kann Start und Landung durch gefährliche Windscherungen gefährden. Weiterhin fließt der kalte Abwind kreisförmig weg, wenn der Regen den Boden unterhalb der Wolke erreicht. Der Vorderrand der kalten Luft verhält sich wie eine kleine Kaltfront mit veränderlichen Winden und horizontalen Böen.

- Nach etwa 30 min erreicht ein einzelnes Luftmassen-Gewitter das Auflösungs-Stadium. Niederschlag und Abwinde breiten sich in den unteren Teilen der Wolke aus und schneiden das weitere Aufsteigen ab. Ohne „Nahrung“ fällt die Cumuluswolke in sich zusammen und erscheint nach einiger Zeit als stratiforme Bewölkung.

- Wegen der größeren Intensität und Häufigkeit von konvektiven Erscheinungen werden in Nordamerika Gewitter noch weiter klassifiziert. Da gibt es die multizellen Gewitter, die häufig durch Böenfronten bei einem starken Luftmassengewitter ausgelöst werden.

- Die größten Gefahren bei Gewittern bestehen in sogenannten Superzellen mit sehr starken horizontalen Windböen und/oder großen Hagelkörnern und/oder starken Tornados. Eine Superzelle benötigt extreme Labilität und eine besondere Kombination von Wind in der bodennahen Schicht und in größeren Höhen. Diese Bedingungen treten häufig im Frühling über Texas, Oklahoma und Kansas auf, wo die meisten Tornados beobachtet werden. Deshalb nennt man diesen Streifen auch Tornado-Alley.

Der Begriff der Windscherung ist in den letzten Jahren immer häufiger nur in Verbindung mit einem microburst verwendet worden. Der Grund liegt wahrscheinlich darin, dass bei Untersuchungen über Wetter-bedingte Flugunfälle eine signifikante Anzahl auf solche durch microbursts hervorgerufene Windscherungen zurückzuführen waren. Es muss aber hier betont werden, dass Windscherungen auch durch andere Faktoren ausgelöst werden können:
1. Gewitter
2. Temperaturinversion
3. Jetstream (Strahlstrom)
4. Frontalzone

!!! 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.

 

Bei der Zellenvereisung unterscheidet man
* Raueis (rime ice)
* Klareis (clear ice)
* Mischeis (mixed ice)
Bei Temperaturen unter -10°C tritt meist Raueis auf. Das liegt daran, dass die kleinen und kalten Wolkentröpfchen spontan anfrieren und dabei eine raue, unregelmäßige Oberfläche bilden. Raueis haftet nicht sehr stark und kann deshalb leicht entfernt werden.

Zwischen 0°C und -10°C bildet sich eine klare, fast durchsichtige Eisschicht, da bei diesen Temperaturen die Wolkentröpfchen größer sind und beim Auftreffen platzen und sich das unterkühlte Wasser verteilt und dann erst anfriert. Dieses Klareis ist wesentlich schwerer, haftet besser und lässt sich deshalb nur schwer entfernen. Neben der Gewichtszunahme ist die Hauptgefahr jedoch die Veränderung der aerodynamischen Verhältnisse. Schon bei relativ geringem Eisansatz bricht die Strömung an den Tragflächen zusammen und das Flugzeug sackt durch.

Zwischen -10°C und -15°C kann es während des Fluges sowohl zu Rau- wie auch Klareis Ansatz kommen. Dies ist besonders bei Steig- und Sinkflug der Fall. Dieses Mischeis haftet ebenfalls sehr stark und lässt sich nur schwer entfernen.

Ein Blitz ist die sichtbare elektrische Entladung, die durch ein Gewitter ausgelöst wird. Das passiert in den verschiedensten Formen wie innerhalb der Wolke, von Wolke zu Wolke, von Wolke zum Boden und gelegentlich auch von Wolke zu klarer Luft. Der Blitz heizt die Luft auf seinem Weg schlagartig auf über 30.000°C, wodurch sich die heiße Luft explosionsartig ausdehnt, was als Donner zu hören ist. Da sich das Licht des Blitzes mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, der Donner aber nur mit Schallgeschwindigkeit, kommt der Donner umso später an, je weiter entfernt es blitzte. Wenn Sie die Sekunden zählen, die zwischen Blitz und Ankunft des Donners liegen und dann durch 3 dividieren, haben Sie die grobe Entfernung in Kilometern. Bei 6 sec Zeitdifferenz war der Blitz also 2 km entfernt.

Für die Fliegerei können Blitze aus zwei Gründen gefährlich werden:
* Die Flugzeugzelle wirkt wie ein Faradayscher-Käfig. Das bedeutet, dass elektrische Ströme um die Zelle herum gelenkt werden. Allerdings können durch die enormen Stromstärken von 20.000 Ampere elektrische Geräte innerhalb der Zelle beschädigt werden.  Durch den immer häufigeren Einbau von elektronischen Bauteilen steigt natürlich die Gefahr, dass Elemente ausfallen.
* Der Lichtblitz ist so hell, dass Piloten bei ungeschützten Augen vorübergehend nichts mehr sehen können. Sind die übrigen wetterbedingten Ereignisse so schlecht, dass der Pilot Mühe hat, dass Flugzeug auf Kurs zu halten, kann die vorübergehende Blindheit dazu führen, die Kontrolle über das Flugzeug zu verlieren.

Wenn Sie bis hierher aufmerksam gelesen haben, dann sollte Ihnen klar sein, bei allen zukünftigen Flügen einen großen Bogen um den Cumulonimbus – den König unter den Wolken - zu machen.