Turbulenz

Turbulenz ist eine ungeordnete, wirbelartige Bewegung der Luft. Im Gegensatz zur laminaren Strömung, bei der sich die Luft in gleichmässigen, parallelen Schichten bewegt, treten bei einer turbulenten Strömung viele kleine und grosse Wirbel auf. Die Luft bewegt sich dabei scheinbar chaotisch in unterschiedliche Richtungen und mit wechselnder Geschwindigkeit.

Turbulenz spielt in der Atmosphäre eine wichtige Rolle, weil sie Wärme, Feuchtigkeit und Impuls (also Bewegungsenergie) durchmischt. Ohne Turbulenz würde sich die Luft in der bodennahen Schicht kaum vermischen.

Ursachen von Turbulenz

Turbulenz kann auf verschiedene Weise entstehen:

• Thermik: An sonnigen Tagen erwärmt sich der Boden und heizt die darüberliegende Luft auf. Die warme Luft steigt in Blasen oder Schläuchen auf, während kühlere Luft absinkt. Diese aufsteigenden und absinkenden Luftbewegungen erzeugen thermische Turbulenz.
• Windscherung: Ändern sich Windgeschwindigkeit oder Windrichtung auf kurzer Distanz stark, spricht man von Scherung. An der Grenze zwischen langsamen und schnellen Luftschichten entstehen Wirbel. Diese Form heisst Scherungsturbulenz.
• Hindernisse (Orografie): Berge, Hügel und Gebäude lenken die Luftströmung ab. Auf der windabgewandten Seite bilden sich unruhige Wirbel, ähnlich wie das Wasser hinter einem Stein im Bach. Man nennt dies mechanische oder orografische Turbulenz.

Turbulenz in der Grenzschicht

Direkt über dem Boden liegt die sogenannte atmosphärische Grenzschicht. Das ist die unterste Luftschicht, in der die Reibung am Boden und die Erwärmung durch die Sonne die Strömung besonders stark beeinflussen. Hier ist die Turbulenz am kräftigsten. Sie sorgt dafür, dass Schadstoffe, Wasserdampf und Wärme vom Boden nach oben verteilt werden.

Bedeutung für die Luftfahrt

In der Luftfahrt ist Turbulenz ein wichtiges Thema, weil sie ein Flugzeug ruckartig durchschütteln kann. Man unterscheidet mehrere Arten:

• Thermische Turbulenz über aufgeheizten Gebieten, zum Beispiel im Sommer über trockenen Landflächen.
• Turbulenz an Gewitterwolken wie der

, in deren Umfeld starke Auf- und Abwinde herrschen.

• Klarluftturbulenz (englisch Clear Air Turbulence, kurz CAT): eine besonders tückische Form, die bei klarem Himmel ohne sichtbare Wolken auftritt. Sie entsteht meist durch Windscherung in der Nähe von Strahlströmen (den sogenannten Jetstreams in grosser Höhe).

Piloten versuchen, starke Turbulenz zu meiden, weil sie unangenehm für die Passagiere sein und in seltenen Fällen das Flugzeug belasten kann.

Zusammenhang mit anderen Konzepten

Turbulenz hängt eng mit weiteren meteorologischen Grössen zusammen:

• Die Stabilität der Atmosphäre beeinflusst, wie leicht sich Turbulenz bilden kann. In einer labilen (leicht durchmischbaren) Schichtung entsteht mehr Turbulenz als in einer stabilen Schichtung.
• Ein Mass dafür, ob die Strömung eher laminar oder turbulent ist, liefert die Reynolds-Zahl $Re$. Sie beschreibt das Verhältnis von Trägheitskräften zu Reibungskräften. Bei hohen Werten von $Re$ wird eine Strömung turbulent.

Turbulenz ist also nicht nur ein Störfaktor für Flugzeuge, sondern ein grundlegender Prozess, der die Atmosphäre durchmischt und das Wetter mitgestaltet.