Turbulenz im Flugzeug

Was da ruckelt

Turbulenz ist ungeordnete Luftbewegung: Wirbel aller Größen, die sich gegenseitig anstoßen und zerfallen. Ein Flugzeug spürt davon vor allem die Wirbel, die ungefähr so groß sind wie es selbst, grob Dutzende bis Hunderte Meter. Viel größere Luftbewegungen hebt und senkt es sanft mit, viel kleinere mittelt es weg.

Was man in der Kabine spürt, sind vor allem senkrechte Böen. Strömt die Luft plötzlich etwas steiler von unten gegen die Tragflächen, steigt der Auftrieb, und das Flugzeug wird für einen Moment angehoben; kommt sie von oben, sinkt der Auftrieb, und es sackt ab. Dazu kommen seitliche Stöße, die es gieren und rollen lassen. Die Besatzung fliegt dann mit einer eigens empfohlenen Turbulenzgeschwindigkeit: langsam genug, damit die Stöße die Struktur nicht unnötig belasten, und schnell genug, damit Reserve zum Strömungsabriss bleibt.

Für das Flugzeug selbst ist das in aller Regel harmlos. Verkehrsflugzeuge sind so gebaut, dass sie deutlich größere Lasten aushalten, als Turbulenz gewöhnlich erzeugt; dass eines deswegen Schaden nimmt, ist heute äußerst selten. Gefährlich ist Turbulenz für Menschen, die in diesem Moment nicht angeschnallt sind — dazu weiter unten.

Nicht vom Wetter, aber auch Turbulenz: Jedes Flugzeug zieht an den Flügelspitzen zwei gegenläufige Luftwirbel hinter sich her, die Wirbelschleppen. Damit niemand in die eines schweren Vorgängers gerät, schreibt die Flugsicherung Mindestabstände vor. Diese Seite handelt nur von der Turbulenz, die die Atmosphäre selbst erzeugt.

Clear-Air-Turbulenz: Böen aus heiterem Himmel

Die tückischste Form tritt in wolkenloser Luft auf, meist in Reiseflughöhe — daher der englische Name Clear-Air Turbulence, kurz CAT. Ihre wichtigste Quelle ist der Jetstream. Das Starkwindband ist laut DWD nur ein bis zwei Kilometer dick; der Wind nimmt zum Kern hin also auf kurzer Strecke stark zu und darüber wieder ab. Diese Änderung des Windes mit der Höhe heißt vertikale Windscherung.

Ob aus Scherung Turbulenz wird, entscheidet ein Kräftemessen. Stabil geschichtete Luft — leichtere liegt über schwererer — will in ihren Schichten bleiben. Die Scherung schiebt die Schichten gegeneinander und will sie verwirbeln. Das Verhältnis beider heißt Richardson-Zahl. Liegt sie über etwa 0,25, bleibt die Schichtung stabil; erst darunter kann die Scherung gewinnen (Holton 2004) — ein fester Schalter ist die Schwelle also nicht. Gewinnt sie, bilden sich an der Grenze zwischen schnellerer und langsamerer Luft Wellen, die sich wie Brandung einrollen und in Wirbel zerfallen, die Kelvin-Helmholtz-Wellen.

Ist die Luft feucht genug, werden diese Wellen gelegentlich als Reihe eingerollter Wolkenbänder sichtbar (Wolkenbildung). Meist sieht man nichts: keine Wolke, und auch das Wetterradar an Bord bleibt blind, denn es erkennt Regentropfen und Hagel, nicht bewegte klare Luft. CAT tritt in Flecken auf, oft nur einige hundert Meter dick, daneben ist die Luft ruhig. Deshalb wechseln Piloten nach einer Turbulenzmeldung häufig einfach die Flughöhe. Außer am Jetstream entsteht CAT auch an Höhenfronten, am Rand von Höhentiefs und über Gebirgen, wenn dort Leewellen in großer Höhe brechen.

Leewellen und Rotoren: wenn ein Gebirge die Luft schwingen lässt

Weht kräftiger Wind quer über ein Gebirge und ist die Luft stabil geschichtet, wird sie über den Kamm gehoben, sinkt dahinter ab — und schwingt dann wie eine gezupfte Saite auf und ab, oft über mehrere Wellenberge hinweg. Diese Leewellen stehen am Ort, obwohl der Wind durch sie hindurchweht, ähnlich den stehenden Wellen hinter einem Stein im Bach. Das Absinken auf der Leeseite ist oft dieselbe Lage, die den Föhn bringt.

Sichtbar werden die Wellen, wenn die Luft am Wellenberg bis zur Sättigung abkühlt. Dort entstehen glatte, linsenförmige Wolken, Lenticularis (lateinisch für „linsenförmig“), die lange am selben Fleck stehen können: Die Luft kondensiert an ihrer Vorderseite und verdunstet an der Rückseite wieder. Unter den Wellenbergen, etwa in Kammhöhe, kann sich die Strömung zu einer liegenden Walze einrollen, dem Rotor; manchmal markiert ihn eine zerfetzte Wolke. Im Rotor ist es heftig turbulent, und das bis in Bodennähe — eine bekannte Gefahr für kleine Flugzeuge und Segelflieger, die in Tälern starten und landen.

Die Wellen selbst sind oft erstaunlich glatt: Segelflieger nutzen ihre Aufwinde, um viele Kilometer hoch zu steigen. Starke Leewellen können aber bis in Reiseflughöhe reichen und dort brechen; dann spüren sie auch Verkehrsflugzeuge, etwa über den Alpen. Was Wind und Wetter im Gebirge für Wanderer bedeuten, sammelt die Seite Bergwetter.

Gewitter und Thermik: Turbulenz, die man meistens sieht

Die dritte Quelle ist aufsteigende Luft. An sonnigen Nachmittagen steigen über erwärmtem Boden Warmluftblasen auf, oft gekrönt von Quellwolken (Wolken). Das gibt im Steigflug und im Landeanflug leichte, unregelmäßige Stöße — unangenehm, aber harmlos. In Reiseflughöhe liegt man meist darüber.

Ganz anders ein Gewitter: In einer Cumulonimbus-Wolke liegen kräftige Auf- und Abwinde dicht nebeneinander, bis hinauf zur Tropopause. Flugzeuge umfliegen Gewitter deshalb weiträumig. Immerhin sind sie sichtbar, mit bloßem Auge und auf dem Bordradar, das den Niederschlag darin erkennt. Die Turbulenz reicht aber über den sichtbaren Wolkenrand hinaus: seitlich, über dem Amboss und in rasch wachsenden Wolken, die noch kaum regnen und auf dem Radar harmlos aussehen.

Beim Start und bei der Landung kommt eine weitere Gefahr dazu. Eine Fallböe aus einem Gewitter kann den Wind in Bodennähe binnen Sekunden umkehren: Ein landendes Flugzeug bekommt erst mehr Gegenwind, dann plötzlich Rückenwind — und verliert Auftrieb, wenn es dicht über dem Boden am wenigsten Reserve hat. Das ist streng genommen Windscherung und nicht Turbulenz, hat aber dieselbe Wurzel.

Wer verletzt wird — und was wirklich hilft

Die US-Unfalluntersuchungsbehörde NTSB hat 2021 in einer Sicherheitsstudie die Turbulenzunfälle im US-Linien- und Charterverkehr von 2009 bis 2018 ausgewertet. Turbulenz war an mehr als einem Drittel aller Unfälle in diesem Verkehr beteiligt — auch deshalb, weil in dieser Statistik schon eine einzige schwere Verletzung an Bord als Unfall zählt. Die meisten dieser Unfälle endeten mit mindestens einer schweren Verletzung, aber ohne Schaden am Flugzeug. Knapp 80 % der Verletzten waren Flugbegleiterinnen und Flugbegleiter, die während der Arbeit in der Kabine standen oder gingen; die verletzten Passagiere waren fast alle nicht angeschnallt.

Daraus folgt der eine Rat, der wirklich zählt: auf dem Sitz den Gurt locker geschlossen lassen, auch wenn das Anschnallzeichen aus ist. CAT kommt ohne Vorwarnung, und wer angeschnallt ist, bleibt bei einem Stoß im Sitz, statt gegen die Decke zu schlagen. Schweres Handgepäck gehört ins Fach, heiße Getränke nicht randvoll auf den Klapptisch. Für Kleinkinder rät die US-Luftfahrtbehörde FAA zu einem eigenen Sitzplatz mit zugelassenem Kindersitz statt zum Mitfliegen auf dem Schoß.

Die Stufen sind ein Eindruck der Besatzung und hängen vom Flugzeug ab: Dieselbe Luft schüttelt ein kleines Regionalflugzeug stärker als einen Großraumjet. Deshalb messen immer mehr Verkehrsflugzeuge automatisch ein flugzeugunabhängiges Maß dafür, wie heftig die Luft verwirbelt ist (englisch eddy dissipation rate, EDR), und funken es zum Boden.

Wie gut sich Turbulenz vorhersagen lässt

Ehrlich gesagt: nur als Wahrscheinlichkeit für ein Gebiet, nicht für einen Punkt. Die Wirbel, die ein Flugzeug schütteln, sind viel kleiner als die Maschen der Wettermodelle. Die globalen Modelle rechnen mit Gitterabständen von etwa 9 bis 55 km, selbst die feinsten Regionalmodelle mit 1 bis 2,5 km (die Modelle hinter der Spanne). Die einzelnen Wirbel lösen sie also nicht auf; ihre Wirkung geht nur als Näherung ein, als sogenannte Parametrisierung (Wie eine Vorhersage entsteht).

Was die Modelle können, ist die Zutaten zu berechnen: Scherung, Schichtung, Wellen über Gebirgen, Gewitterneigung. Daraus leiten Turbulenzverfahren Kennzahlen ab und kombinieren meist mehrere davon (Sharman und Lane 2016). Der Deutsche Wetterdienst nutzt zusätzlich die Turbulenz-Näherung seines Modells ICON selbst und leitet daraus eine Turbulenzkennzahl für die Luftfahrt ab, die er mit Messungen von Verkehrsflugzeugen überprüft hat (Goecke und Machulskaya 2021). Heraus kommen Karten mit Gebieten, in denen Turbulenz einer bestimmten Stärke wahrscheinlich ist. Für die weltweite Luftfahrt rechnen zwei Vorhersagezentralen in London und Washington solche Karten; in Deutschland ist der Deutsche Wetterdienst für den Flugwetterdienst zuständig.

Die Grenze ist grundsätzlich: In einem vorhergesagten Turbulenzgebiet ist die Luft an den meisten Stellen ruhig, und manchmal ruckelt es außerhalb. Im Flug zählen deshalb die Meldungen der Maschinen, die kurz vorher dieselbe Strecke geflogen sind, oft mehr als jede Karte — dieselbe Idee wie beim Nowcasting: Kurz vorher gemessen schlägt lange vorher gerechnet. Warum eine Wahrscheinlichkeit für ein Gebiet keine Ausrede ist, sondern die ehrliche Form einer solchen Vorhersage, zeigt die Seite Regenwahrscheinlichkeit.

Nimmt Turbulenz durch den Klimawandel zu?

Die Meldung ging 2023 durch viele Medien. Sie stützt sich vor allem auf eine Studie der Universität Reading (Prosser, Williams, Marlton und Harrison, 2023, Geophysical Research Letters). Wie sie gemacht ist, bestimmt, was sie belegen kann:

• Datengrundlage: die Reanalyse ERA5 des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage — ein Wettermodell, das vergangene Beobachtungen nachträglich zu lückenlosen Feldern verarbeitet.
• Methode: Gemessen wurde keine Turbulenz. Aus Wind und Temperatur der Reanalyse wurden Turbulenzkennzahlen berechnet, dieselbe Art Kennzahlen wie in der Vorhersage.
• Ergebnis: An einem durchschnittlichen Punkt über dem Nordatlantik stieg die jährliche Dauer schwerer oder noch stärkerer Clear-Air-Turbulenz von 1979 bis 2020 um 55 %, von 17,7 auf 27,4 Stunden im Jahr. Schwächere Turbulenz nahm weniger stark zu (mäßige um 37 %, leichte um 17 %); über den USA fanden die Autoren ähnliche Zunahmen.

Das passt zur Physik und zu anderen Arbeiten. Der Grund: In Reiseflughöhe erwärmt sich die Luft über den Tropen, während sie über den Polargebieten in dieser Höhe — dort schon in der unteren Stratosphäre — sogar abkühlt. Der Temperaturgegensatz wächst also, anders als am Boden, wo die Arktis schneller warm wird. Ein größerer Temperaturgegensatz bedeutet stärkere Scherung am Jetstream. Über dem Nordatlantik hat sie in drei Reanalysen seit 1979 um rund 15 % zugenommen, während sich die Windgeschwindigkeit im Jet selbst kaum verändert hat (Lee, Williams und Frame, 2019, Nature). Modellrechnungen erwarten bei weiterer Erwärmung mehr CAT in Reiseflughöhe (Williams und Joshi, 2013, Nature Climate Change).