Wind und Strömungen

Luft strömt von Gebieten mit hohem Druck in Gebiete mit niedrigem Druck, weil Luft immer nach niedrigerem Druck sucht. Die Kombination aus atmosphärischen Druckunterschieden, Corioliskraft, Reibung und Temperaturunterschieden der erdnahen Luft verursacht zwei Arten atmosphärischer Bewegung: Konvektionsströmungen (Aufwärts- und Abwärtsbewegung) und Wind (horizontale Bewegung). Strömungen und Winde sind wichtig, da sie Start, Landung und Reiseflugbetrieb beeinflussen. Am wichtigsten ist, dass Strömungen und Winde oder atmosphärische Zirkulation Wetteränderungen verursachen.

Windmuster 

Auf der Nordhalbkugel wird der Luftstrom von Gebieten mit hohem zu niedrigem Druck nach rechts abgelenkt und erzeugt eine Zirkulation im Uhrzeigersinn um ein Gebiet mit hohem Druck. Dies wird als antizyklonale Zirkulation bezeichnet. Das Gegenteil gilt für Tiefdruckgebiete; Die Luft strömt zu einem Tief und wird abgelenkt, um eine Zirkulation gegen den Uhrzeigersinn oder eine Zyklonzirkulation zu erzeugen. 

Hochdrucksysteme sind im Allgemeinen Bereiche mit trockener, absteigender Luft. Gutes Wetter wird aus diesem Grund typischerweise mit Hochdrucksystemen in Verbindung gebracht. Umgekehrt strömt Luft in einen Niederdruckbereich, um aufsteigende Luft zu ersetzen. Diese Luft bringt meist zunehmende Bewölkung und Niederschläge mit sich. Daher wird schlechtes Wetter häufig mit Tiefdruckgebieten in Verbindung gebracht.

Ein gutes Verständnis der Windmuster mit hohem und niedrigem Druck kann bei der Planung eines Fluges eine große Hilfe sein, da ein Pilot vorteilhaften Rückenwind nutzen kann. Bei der Planung eines Fluges von West nach Ost würden günstige Winde entlang der Nordseite eines Hochdruckgebiets oder der Südseite eines Tiefdruckgebiets angetroffen. Auf dem Rückflug wären die günstigsten Winde entlang der Südseite desselben Hochdrucksystems oder der Nordseite eines Tiefdrucksystems. Ein zusätzlicher Vorteil ist ein besseres Verständnis dafür, welche Art von Wetter in einem bestimmten Gebiet entlang einer Flugroute basierend auf den vorherrschenden Gebieten mit Höhen und Tiefen zu erwarten ist.

Während die Theorie der Zirkulation und der Windmuster für großräumige atmosphärische Zirkulation genau ist, berücksichtigt sie keine Änderungen der Zirkulation auf lokaler Ebene. Lokale Bedingungen, geologische Merkmale und andere Anomalien können die Windrichtung und -geschwindigkeit in der Nähe der Erdoberfläche ändern.

Konvektionsströme 

Gepflügter Boden, Felsen, Sand und karges Land nehmen Sonnenenergie schnell auf und können daher viel Wärme abgeben; wohingegen Wasser, Bäume und andere Vegetationsbereiche dazu neigen, Wärme langsamer aufzunehmen und Wärme abzugeben. Die daraus resultierende ungleichmäßige Erwärmung der Luft erzeugt kleine Bereiche lokaler Zirkulation, die als Konvektionsströmungen bezeichnet werden.   

Konvektionsströmungen verursachen die holprige, turbulente Luft, die manchmal beim Fliegen in niedrigeren Höhen bei wärmerem Wetter auftritt. Bei einem Flug in geringer Höhe über unterschiedlichen Oberflächen treten wahrscheinlich Aufwinde über Gehwegen oder unfruchtbaren Stellen auf, und Abwinde treten häufig über Wasser oder ausgedehnten Vegetationsbereichen wie einer Gruppe von Bäumen auf. Typischerweise können diese turbulenten Bedingungen vermieden werden, indem in größeren Höhen geflogen wird, sogar über Cumulus-Wolkenschichten.

Konvektionsströmungen machen sich besonders in Gebieten bemerkbar, in denen eine Landmasse direkt an ein großes Gewässer angrenzt, wie z. B. einen Ozean, einen großen See oder ein anderes nennenswertes Wassergebiet. Tagsüber erwärmt sich Land schneller als Wasser, sodass die Luft über dem Land wärmer und weniger dicht wird. Sie steigt auf und wird durch kühlere, dichtere Luft ersetzt, die über dem Wasser einströmt. Dies verursacht einen auflandigen Wind, der als Meeresbrise bezeichnet wird. Umgekehrt kühlt Land nachts schneller ab als Wasser, ebenso die entsprechende Luft. In diesem Fall steigt die wärmere Luft über dem Wasser auf und wird durch die kühlere, dichtere Luft vom Land ersetzt, wodurch ein ablandiger Wind entsteht, der als Landbrise bezeichnet wird. Dies kehrt das lokale Windzirkulationsmuster um. Konvektionsströme können überall dort auftreten, wo es zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der Erdoberfläche kommt.

Konvektive Strömungen in Bodennähe können die Fähigkeit eines Piloten beeinträchtigen, das Flugzeug zu steuern. Beim endgültigen Anflug beispielsweise erzeugt die aufsteigende Luft aus dem vegetationslosen Gelände manchmal einen Balloneffekt, der dazu führen kann, dass ein Pilot über den beabsichtigten Landepunkt hinausschießt. Andererseits neigt ein Anflug über eine große Wasserfläche oder ein Gebiet mit dichter Vegetation dazu, einen sinkenden Effekt zu erzeugen, der dazu führen kann, dass ein unvorsichtiger Pilot vor dem beabsichtigten Landepunkt landet.

Auswirkung von Hindernissen auf Wind 

Es existiert eine weitere atmosphärische Gefahr, die Piloten Probleme bereiten kann. Hindernisse am Boden beeinträchtigen den Windfluss und können eine unsichtbare Gefahr darstellen. Die Bodentopographie und große Gebäude können den Windfluss unterbrechen und Windböen erzeugen, die sich schnell in Richtung und Geschwindigkeit ändern. Diese Hindernisse reichen von künstlichen Strukturen wie Hangars bis hin zu großen natürlichen Hindernissen wie Bergen, Klippen oder Schluchten. Es ist besonders wichtig, beim Ein- oder Ausfliegen von Flughäfen mit großen Gebäuden oder natürlichen Hindernissen in der Nähe der Landebahn wachsam zu sein. 

Die Intensität der mit Bodenhindernissen verbundenen Turbulenzen hängt von der Größe des Hindernisses und der Primärgeschwindigkeit des Windes ab. Dies kann die Start- und Landeleistung jedes Flugzeugs beeinträchtigen und eine sehr ernste Gefahr darstellen. Während der Landephase des Fluges kann ein Flugzeug aufgrund der turbulenten Luft „einfallen“ und zu niedrig sein, um Hindernisse während des Anflugs zu überwinden. 

Derselbe Zustand macht sich beim Fliegen in Bergregionen noch deutlicher bemerkbar. Während der Wind sanft die Luvseite des Berges hinaufströmt und die Aufwärtsströmungen dazu beitragen, ein Flugzeug über den Gipfel des Berges zu tragen, verhält sich der Wind auf der Leeseite nicht in ähnlicher Weise. Wenn die Luft die Leeseite des Berges hinunterströmt, folgt die Luft der Kontur des Geländes und wird zunehmend turbulent. Dies neigt dazu, ein Flugzeug in die Seite eines Berges zu stoßen. Je stärker der Wind, desto größer werden der Abwärtsdruck und die Turbulenzen.

Aufgrund der Auswirkungen des Geländes auf den Wind in Tälern oder Schluchten können Fallwinde stark sein. Bevor ein Flug in oder in der Nähe von bergigem Gelände durchgeführt wird, ist es für einen Piloten, der mit einem bergigen Gebiet nicht vertraut ist, hilfreich, sich von einem in den Bergen qualifizierten Fluglehrer beraten zu lassen.

Windscherung auf niedrigem Niveau 

Windscherung ist eine plötzliche, drastische Änderung der Windgeschwindigkeit und/oder -richtung über einen sehr kleinen Bereich. Windscherung kann ein Flugzeug heftigen Aufwinden und Abwinden sowie abrupten Änderungen der horizontalen Bewegung des Flugzeugs aussetzen. Während Windscherung in jeder Höhe auftreten kann, ist Windscherung in niedriger Höhe aufgrund der Nähe eines Flugzeugs zum Boden besonders gefährlich. Windscherung auf niedrigem Niveau wird üblicherweise mit vorbeiziehenden Frontalsystemen, Gewittern, Temperaturinversionen und starken Winden auf hoher Ebene (mehr als 25 Knoten) in Verbindung gebracht. 

Windscherung ist für ein Flugzeug gefährlich. Es kann die Leistung des Flugzeugs schnell verändern und die normale Fluglage stören. Zum Beispiel bewirkt ein Rückenwind, der sich schnell in Gegenwind ändert, eine Erhöhung der Fluggeschwindigkeit und der Leistung. Umgekehrt führt ein zu Rückenwind wechselnder Gegenwind zu einer Verringerung der Fluggeschwindigkeit und der Leistung. In jedem Fall muss ein Pilot bereit sein, sofort auf diese Änderungen zu reagieren, um die Kontrolle über das Flugzeug zu behalten.

Die schwerste Art von Windscherung auf niedrigem Niveau, ein Mikroburst, ist mit konvektiven Niederschlägen in trockener Luft an der Wolkenbasis verbunden. Mikroburst-Aktivität kann durch einen intensiven Regenstrahl an der Oberfläche angezeigt werden, aber Virga an der Wolkenbasis und ein Ring aus aufgewirbeltem Staub sind oft die einzigen sichtbaren Hinweise. Ein typischer Microburst hat einen horizontalen Durchmesser von 1–2 Meilen und eine Nenntiefe von 1.000 Fuß. Die Lebensdauer eines Mikrobursts beträgt etwa 5–15 Minuten. Während dieser Zeit kann er Abwinde von bis zu 6.000 Fuß pro Minute (fpm) und Gegenwindverluste von 30–90 Knoten erzeugen, was die Leistung ernsthaft beeinträchtigt. 

Es kann auch zu starken Turbulenzen und gefährlichen Windrichtungsänderungen kommen. Betrachten Sie die Abbildung: Während eines unbeabsichtigten Starts in einen Microburst kann das Flugzeug zunächst einen leistungssteigernden Gegenwind erfahren (1), gefolgt von leistungsmindernden Abwinden (2). gefolgt von schnell zunehmendem Rückenwind (3). Dies kann zu einem Aufprall auf das Gelände oder einem gefährlich nahen Flug über dem Boden führen (4). Eine Begegnung während des Anflugs beinhaltet die gleiche Abfolge von Windänderungen und könnte das Flugzeug kurz vor der Landebahn auf den Boden zwingen.

Die FAA hat erhebliche Investitionen in die Vermeidung von Mikroburst-Unfällen getätigt. Das vollständig neu gestaltete LLWAS-NE, das TDWR und das ASR-9 WSP sind geschickte Microburst-Warnsysteme, die auf großen Flughäfen installiert sind. Diese drei Systeme wurden über einen Zeitraum von 3 Jahren umfassend evaluiert. 

Es zeigte sich, dass jede sehr wenige Fehlalarme ausgab und Mikrobursts weit über der vom Kongress festgelegten Erkennungsanforderung von 90 Prozent detektierte. An vielen Flügen sind Flughäfen beteiligt, denen Mikroburst-Warngeräte fehlen, daher hat die FAA auch Schulungsmaterial für Windscherungen vorbereitet: Advisory Circular (AC) 00-54, FAA Pilot Wind Shear Guide. Enthalten sind Informationen darüber, wie man das Risiko einer Mikroburst-Begegnung erkennt, wie man eine Begegnung vermeidet und die beste Fluchtstrategie für eine erfolgreiche Flucht, falls es zu einer Begegnung kommt.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass Windscherung jeden Flug und jeden Piloten in jeder Höhe beeinträchtigen kann. Obwohl Windscherungen gemeldet werden können, bleiben sie oft unentdeckt und sind eine stille Gefahr für die Luftfahrt. Achten Sie immer auf die Möglichkeit von Windscherungen, insbesondere beim Fliegen in und um Gewitter und Frontalsysteme. 

Darstellung von Wind und Luftdruck auf Bodenwetterkarten 

Bodenwetterkarten liefern Informationen über Fronten, Hoch- und Tiefdruckgebiete sowie Bodenwinde und -druck für jede Station. Diese Art von Wetterkarte ermöglicht es Piloten, die Standorte von Fronten und Drucksystemen zu sehen, aber was noch wichtiger ist, sie zeigt den Wind und Druck an der Oberfläche für jeden Ort. 

Die Windverhältnisse werden durch einen Pfeil angezeigt, der am Standortkreis der Station angebracht ist. Der Stationskreis stellt die Spitze des Pfeils dar, wobei der Pfeil in die Richtung zeigt, aus der der Wind weht. Winde werden durch die Richtung beschrieben, aus der sie wehen, also bedeutet ein Nordwestwind, dass der Wind aus Nordwesten in Richtung Südosten weht. Die Windgeschwindigkeit wird durch Widerhaken oder Wimpel an der Windlinie dargestellt. Jeder Widerhaken stellt eine Geschwindigkeit von zehn Knoten dar, während ein halber Widerhaken fünf Knoten und ein Wimpel 50 Knoten entspricht.  

Der Druck für jede Station wird auf der Wetterkarte aufgezeichnet und in mb angezeigt. Isobaren sind Linien, die auf dem Diagramm gezeichnet werden, um Linien mit gleichem Druck darzustellen. Diese Linien ergeben ein Muster, das den Druckgradienten oder die Druckänderung über die Distanz zeigt. Isobaren ähneln Höhenlinien auf einer topografischen Karte, die Geländehöhen und Hangneigungen angeben. Beispielsweise weisen eng beieinander liegende Isobaren auf einen steilen Druckgradienten hin und es herrschen starke Winde. Flache Steigungen hingegen werden durch Isobaren dargestellt, die weit voneinander entfernt sind und auf leichte Winde hinweisen. Isobaren helfen bei der Identifizierung von Nieder- und Hochdrucksystemen sowie der Lage von Graten und Mulden. Ein Hoch ist ein Bereich mit hohem Druck, der von niedrigerem Druck umgeben ist; Ein Tief ist ein Gebiet mit niedrigem Druck, das von höherem Druck umgeben ist. 

Isobaren liefern wertvolle Informationen über Winde in den ersten paar tausend Fuß über der Oberfläche. In Bodennähe wird die Windrichtung durch die Reibung verändert und die Windgeschwindigkeit nimmt aufgrund der Reibung mit der Oberfläche ab. In Höhen von 2.000 bis 3.000 Fuß über der Oberfläche ist die Geschwindigkeit jedoch größer und die Richtung wird paralleler zu den Isobaren.

Im Allgemeinen ist der Wind 2.000 Fuß über dem Boden (AGL) 20° bis 40° rechts von den Oberflächenwinden und die Windgeschwindigkeit ist größer. Die Änderung der Windrichtung ist über unwegsamem Gelände am größten und über flachen Oberflächen wie offenem Wasser am geringsten. In Ermangelung von Höhenwindinformationen ermöglicht diese Faustregel eine grobe Schätzung der Windbedingungen einige tausend Fuß über der Oberfläche.