Meteorologie 1. Meteorologie 1

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1 Meteorologie 1 Meteorologie 1 Am Ende dieses Kurses werden Sie mehr über die Atmosphäre wissen Wettererscheinungen kennen lernen Gefahren des Wetters erkennen lernen Wetter besser verstehen können (c) PCR 01/2017 1

2 Wetter ist lebenswichtig Zwei Hauptursachen für Unfälle in der General Aviation VFR Pilotenfehler und Human Performance ca. 47 % Fehlerhafte Wettereinschätzung ca. 45 % Technik ca 8% Unser Lernziel : Aufbau der Atmosphäre Temperatur, Druck, Feuchte Standardatmosphäre Höhenmesser Wind, Turbulenz, Thermodynamik Wolken, Niederschläge, Gewitter, Eis Luftmassen, Fronten und Druckgebiete Nebel Typische Wetterlagen im Alpenraum (c) PCR 01/2017 2

3 Die Atmosphäre Gasgemisch ca. 78% Stickstoff N ca. 21% Sauerstoff O ca. 1% Edelgase und Gasspuren Variabel : CO 2, H 2 O Bis etwa 80km Höhe gleiche % - Anteile ½ Druck in ca. 5,5km Troposphäre Wetter! Tropopause ca. 11km darüber Isothermie Die Atmosphäre Gasgemisch ca. 78% Stickstoff N ca. 21% Sauerstoff O ca. 1% Edelgase und Gasspuren Variabel : CO 2, H 2 O Bis etwa 80km Höhe gleiche % - Anteile ½ Druck in ca. 5,5km Troposphäre Wetter! Tropopause ca. 11km darüber Isothermie Bis zur Tropopause Standardatmosphäre C in MSL -2 0 C pro 1000 ft 1013,25 hp in MSL trocken (c) PCR 01/2017 3

4 Die Atmosphäre Über der Tropopause Isothermie zunächst gleichbleibende Temperatur ca C, dann wieder Temperaturzunahme Stratosphäre bis ca. 50 km Temperatur nimmt zu Mesosphäre bis ca. 80 km Temperatur nimmt ab Ionosphäre Temperatur nimmt zu Gase sind ionisiert Reflexion von LW, MW und KW Polarlichter Temperatur Erwärmung der Erde durch die Sonne Einfallswinkel der Strahlung Sommer / Winter Erwärmung der Atmosphäre durch Erwärmung des Bodens und Durchmischung Maßeinheiten 0 C, 0 K, 0 F, andere nicht mehr Messung mit Flüssigkeitsthermometer Bimetallthermometer Widerstandsthermometer Infrarotsensor 0 K = 0 C C = 5/9 x ( 0 F - 32) 0 F = (9/5 x 0 C) +32 (c) PCR 01/2017 4

5 Druck Flüssigkeiten nicht kompressibel Luft ist kompressibel nichtlinearer Druckverlauf Maßeinheiten Hektopascal hp mb nicht mehr Inch Länge der Quecksilbersäule im Quecksilberbarometer Messung mit Quecksilberbarometer Dosenbarometer Höhenmesser! Druck Flüssigkeiten nicht kompressibel Luft ist kompressibel nichtlinearer Druckverlauf Maßeinheiten Hektopascal hp mb nicht mehr Inch Länge der Quecksilbersäule im Quecksilberbarometer Messung mit Quecksilberbarometer Dosenbarometer Höhenmesser! Druckabnahme nahe MSL ca. 27 ft / hp Druckabnahme in 5.5km Höhe ca. 54 ft / hp Hauptdruckflächen 850 hp, 700 hp, 500 hp (c) PCR 01/2017 5

6 Höhenmessereinstellungen Prinzip Dosenbarometer mit Anzeigekorrektur für den eingestellten Luftdruck QFE der auf dem Flugplatz gemessene aktuelle Luftdruck QNH der auf Meeresniveau reduzierte aktuelle Luftdruck QNE (Standard) Einstellung des Höhenmessers auf 1013,25 hp (Flugflächen) Höhenmessereinstellungen Prinzip Dosenbarometer mit Anzeigekorrektur für den eingestellten Luftdruck QFE der auf dem Flugplatz gemessene aktuelle Luftdruck QNH der auf Meeresniveau reduzierte aktuelle Luftdruck QNE (Standard) Einstellung des Höhenmessers auf 1013,25 hp (Flugflächen) Temperaturfehler vom Warm ins Kalt es knallt (c) PCR 01/2017 6

7 Feuchte Wasserdampf in der Atmosphäre abhängig von der Temperatur kann Luft Wasserdampf bis zu einem maximalen Wert aufnehmen Maßeinheiten absoluter Wert g/m 3 unpraktisch 0,8g bei C, 28g bei 30 0 C! relativer Wert in % des maximal möglichen Wertes, gutes Maß für menschliches Befinden (Sauna) Temperatur und Taupunkt Temperatur ist immer höher als der Taupunkt Differenz = Spread wenn gleich - Kondensation Messung relative Feuchte mit Haarhygrometer (Naturhaar oder hygroskopischer Kunststoff) Widerstandmessung (feuchteabhängiges Material) Dampfdruck Druckanteil (Partialdruck) des Wasserdampfs am Gesamtluftdruck, ein Maß für die Luftfeuchtigkeit Taupunkt Die Temperatur, auf die ich abkühlen muss, damit Kondensation eintritt kann auch mit % relativer Feuchte und Temperatur errechnet werden Zustandsänderungen des Wassers Wasser ist ein guter Wärmespeicher Verdunsten, verdampfen flüssig gasförmig Energie (Wärme) wird zugeführt Schmelzen fest - flüssig Energie (Wärme) wird zugeführt Kondensieren gasförmig - flüssig Energie (Wärme) wird abgegeben Kristallisieren - Frieren flüssig fest Energie (Wärme) wird abgegeben Sublimieren Überspringen eines Aggregatszustands fest - gasförmig Energie (Wärme) wird zugeführt Eis verschwindet, ohne vorher zu schmelzen gasförmig fest Energie (Wärme) wird abgegeben Eis setzt sich an, ohne dass Wasser zu sehen ist (Reif) (c) PCR 01/2017 7

8 Thermodynamik Vertikaler Temperaturgradient : Änderung der Temperatur mit der Höhe Schichtung: in der umgebenden Luft kann der Temperaturgradient anders sein als erwartet Stabile Schichtung Ein Luftpaket kommt beim Aufsteigen kälter an als seine Umgebung kann nicht weiter steigen Labile Schichtung Ein Luftpaket kommt beim Aufsteigen wärmer an als seine Umgebung steigt immer weiter Indifferent Ein Luftpaket kommt beim Aufsteigen gleich warm an wie seine Umgebung bleibt dort Adiabatische Zustandsänderungen Ohne externe Zu oder Abfuhr von Energie Aufsteigen - Expansion Abkühlung Absinken - Kompression Erwärmung Trockenadiabatischer Gradient ca. 1 0 C pro 100 m Feuchtadiabatischer Gradient ca. 0,6 0 C pro 100 m wegen der frei werdenden Kondensationswärme Messung Ballonaufstieg Temperatur, Druck, Feuchte Thermodynamik (c) PCR 01/2017 8

9 Thermodynamik Föhneffekt feuchte Luft wird durch Wind zum Aufsteigen gezwungen Aufsteigen feuchtadiabatisch nach Kondensation Abkühlung ca. 0,6 0 C / 100 m Absinken trockenadiabatisch Erwärmung ca. 1 0 C / 100 m feucht trocken Die trockene Luft kommt wärmer an als die feuchte Luft vom Herkunftsort Bei 2000m Höhendifferenz: Abkühlung 12 0 C Erwärmung 20 0 C Bilanz +8 0 C Drucksysteme und Wind Linien gleichen Druckes Isobaren bezogen auf QNH Isohypsen bezogen auf QNE in der Flugfläche >> QFF Druckgradient Druckunterschied zwischen zwei Isobaren / Isohypsen bezogen auf ihre Entfernung Windrichtung parallel zu den Isobaren, (Barisches Windgesetz), aber Corioliskraft lenkt wegen der Erddrehung den Wind entlang der Isobaren ab! Ohne Bodenreibung (c) PCR 01/2017 9

10 Windrichtung (Nordhalbkugel) im Hoch : im Uhrzeigersinn im Tief : Gegen den Uhrzeigersinn Windstärke Je enger die Isobaren aneinander liegen, desto stärker der Wind Winddrehung Mit zunehmender Höhe dreht der Wind nach rechts und wird stärker Drucksysteme und Wind Vertikalbewegung Drucksysteme und Wind Im Hoch Absinken der Luft (Subsidenz) Divergenz (Auseinanderfließen) Erwärmung - Wolkenauflösung Im Tief Aufsteigen der Luft Konvergenz (Zusammenströmen) Abkühlung - Kondensation (c) PCR 01/

11 Drucksysteme und Wind Windangaben In Meldungen Richtung / Stärke z.b. Grad / Knoten oder m/sec Angabe fünfstellig In Karten Windpfeil mit Richtung Stärke am Ende mit Symbol SALOWW Z 26015KT 9999 SCT SALZIB Z 24008MPS 9999 SCT Windmessung Stärke Schalen Anemometer Federbelastete Platte Pitotrohr mit Windfahne Richtung Wetterfahne Lokale Windsysteme Durch verschiedene Aufheizung bei Tag und Nacht Land - Seewind tagsüber vom Meer (See). nachts vom Land Berg - Talwind tagsüber aus dem Tal nachts in das Tal (c) PCR 01/

12 Turbulenz Turbulenz = Luftunruhe es gibt keine Luftlöcher Auslöser Berge, Gebäude Föhn - Linsenwolken Thermik und Konvektion Turbulenz Wirbelschleppen hinter Großflugzeugen im Anflug oder Abflug Große Gefahr für folgende Flugzeuge! Daher Kategorie L M H J im Flugplan angegeben (c) PCR 01/

13 Wasserdampf ist nicht sichtbar gasförmig Wolken durch Kondensation sichtbar gewordener Wasserdampf Kondensation Temperatur sinkt bis auf den Taupunkt Wassertröpfchen lagern sich an Kondensationskeime. Kondensationsniveau Temperatur und Taupunkt sind dort gleich Faustformel : = 400 x Spread Wolken Wolkenformen Alle Wolken erfordern Hebung der Luft auf das Kondensations - Niveau Cumulus in labiler Schichtung Stratus in stabiler Schichtung Wolkenstockwerke Durch alle Stockwerke Boden bis Tropopause Oberes Stockwerk ab 6000 m Bezeichnung cirro Mittleres Stockwerk m Bezeichnung alto Unteres Stockwerk Boden bis 2000 m Messung der Wolkenhöhe Beobachtung / Schätzung Höhenvergleich mit Gelände Wolken Stabile Schichtung Nimbostratus Cirrostratus Altostratus Stratus Labile Schichtung Cumulonimbus Cirrocumulus Altocumulus Cumulus Ceilometer : Laser oder Radarmessung Wolkenscheinwerfer (c) PCR 01/

14 Wolken Bedeckungsgrad Angabe in Achteln Vom Beobachter aus gesehen rund um die Beobachtungsstation! SKC 0/8 Sky Clear Wolkenlos FEW 1/8 2/8 Few Wenig bewölkt SCT 3/8 4/8 Scattered Aufgelockert BKN 5/8 7/8 Broken Durchbrochene Wolkendecke OVC 8/8 Overcast Geschlossene Wolkendecke Zusammenfassung Wolken (c) PCR 01/

15 Beispiele Wolken Stratus auch auf Oberseite flach Stratocumulus Cumulus Towering Cumulus Beispiele Wolken Cumulonimbus Nimbostratus und Cumulus fractus Cirren Cirren, Lenticularis, Altocumulus (c) PCR 01/

16 Stadien : Cumulusstadium Towering Cumulus schießt schnell hinauf Eis über Nullgradgrenze Reifestadium Bis zur Tropopause (Amboss), Hagel, Vertikalströmungen mit > 5000 fpm, Ladungstrennung Böenwalze am Boden Auflösungsstadium regnet aus, wird unscharf Gewitter Voraussetzung : feucht, labil, Energiezufuhr Gefahren : Extreme vertikale Windscherungen Böenwalze bei Landung und Start Vereisung, Hagel, Blitze Gewitter Voraussetzung : feucht, labil, Energie- (Wärme-) zufuhr, dadurch starke Konvektion Luftmassengewitter (Wärmegewitter) : feuchtlabile Luftmasse, einzelne isolierte Gewitter entstehen. Innerhalb einer Luftmasse vorhersagbar, der genaue Ort aber nicht Oft am Ende einer sommerlichen Hochdruckperiode, wenn die Luft ausreichend Feuchtigkeit hat. Frontalgewitter : Gewitter durch Hebung an der Kaltfront. Gut vorhersagbar, auch der Ort entlang der Front. Wenn zusammenwachsen Squall Line Orographische Gewitter : Hebung der feuchten Luft an einem Hindernis (Berg, Gebirge). Gut vorhersagbar, natürlich auch der Ort. Extremfälle : Tornados, Hurrikan. Durch extreme Konvektion entsteht im Kern ein Tiefdruckschlauch mit entsprechend starken Drehimpuls. Nicht nur in den Tropen! (c) PCR 01/

17 Gewitter hochschießende Towering Cumulus wird zur CB Tornado südlich von Wien Luftmassen und Frontsysteme Luftmasse eine Luftmenge mit bestimmten Eigenschaften, z.b. Druck, Temperatur, Feuchte Grenze zwischen zwei verschiedenen Luftmassen Front Kalte Luft schwer Hochdruck Polarkappe Subtropische Hochdruckgürtel Warme Luft leicht Tiefdruck Subpolare Tiefdruckrinne Tropische Zone Allgemeine Zirkulation der Luft auf der Erde (Windsysteme und Jets (Starkwindbänder) (c) PCR 01/

18 Frontsysteme Polarfront in unseren Breiten wichtig für unser Wetter Wellenbildung an der Polarfront erzeugt ein Tiefdruckzentrum Kontinentale Luftmassen trocken im Sommer heiß, im Winter kalt Maritime Luftmassen feucht Im Sommer kalt im Winter warm Frontsysteme Querschnitt durch ein Frontsystem mit Wolkenbildung und Niederschlägen Warmfront : warme Luft gleitet auf die kalte Luft kontinuierlich auf Warmsektor : stabil, schlechte Sichten Kaltfront : kalte Luft schiebt sich unter die warme Luft Rückseitenwetter : labil, gute Sichten (c) PCR 01/

19 Frontsysteme Okklusion : Kaltfront ist schneller als die Warmfront Zusammenklappen Kaltfrontcharakter : nachkommende kalte Luft ist kälter schiebt sich darunter Warmfrontcharakter : nachkommende kalte Luft ist wärmer gleitet auf daher Fronten in der Höhe meist Eigenschaften sowohl von Kaltfront als auch von Warmfront Entwicklung einer Okklusion Frontsysteme Tröge auf der Rückseite der Kaltfront durch starke Krümmung der Isohypsen eine Tiefdruckrinne Zyklonenfamilien die erste Zyklone löst durch Resonanz weitere aus. Die Drehbewegung verursacht Kaltluftzufuhr aus dem Norden (c) PCR 01/

20 Niederschläge Koaleszenz Die bei Kondensation entstehenden kleinsten Tröpfchen lagern sich an größere an, bis sie schwer werden und auch gegen Aufwinde zu Boden fallen. Cumulus >> mehr Aufwind Tropfen können sich länger halten Regenschauer Stratus >> weniger Aufwind Tropfen fallen früher Nieseln und regnen Unterkühlte Tropfen bis etwa 15 0 C kann Wasser flüssig bleiben und gefriert erst beim Auftreffen auf Kondensationsteilchen oder ein Flugzeug Vereisung! Einteilung der Niederschläge : Nieseln - bis ca. 0,5 mm Tropfengröße Regen - mehr als 0,5 mm Tropfengröße Schnee - verzweigte Eiskristalle, die sich zusammenbacken (hexagonal) Schneegriesel feine Eiskörnchen bis etwa 1 mm Reifgraupel - Eiskörnchen bis etwa 5 mm Frostgraupel - Eiskügelchen bis etwa 5 mm Hagel - Eiskugeln ab 5mm Eisprismen feine Eisnadeln und Plättchen schweben oft in Cirruswolken Vereisung Voraussetzung Flugzeug muss mit unterkühlten Wassertropfen in Berührung kommen Temperaturbereich 0 0 C bis 15 0 C am gefährlichsten Vereisungsarten Raueis : Weiß milchig kleine gefrorene Tröpfchen mit Lufteinschlüssen Klareis : Durchsichtig, Tröpfchen schmelzen vor dem Gefrieren zusammen Reif : Belag aus Eis, meist durch Sublimation Gepackter Schnee : Schnee oder Eiskristalle zusammengebacken Intensität : leicht : keine Richtungs oder Höhenänderung notwendig, mäßig : Richtungs oder Höhenänderung wünschenswert (< 5mm/min) stark : Richtungs oder Höhenänderung sofort notwendig (> 5mm/min) Gefahren Aerodynamik der Tragflächen und der Steuerflächen wird gestört! Gewicht ist weniger wichtig, aber auch Faktor Stall Speed wird höher! Gefrierender Regen führt zu schlagartiger Vereisung (Klareis) unterkühlter Regen unter Warmfronten. (c) PCR 01/

21 Vereisung Eisansatz am Propeller Wirkungsgrad sinkt kein Antrieb! Vergaservereisung Eis im Vergaser kann Motor komplett abstellen! Bei ausreichender Feuchtigkeit auch bis C leicht möglich! Eisansatz an Turbine oder Jet zerstört Strömung im Lufteinlass Wirbel verringern Triebwerksleistung Flameout Eisbrocken können Schaufeln des Verdichters zerstören Totalausfall Hagel kann enorme Schäden an Flügeln, Leitwerk und Rumpf anrichten Nebel Definition : Sichtweiten unter 1000 Meter Hochnebel : bis 200 Fuß über dem Boden, sonst Low Stratus Nebelbildung Advektionsnebel feuchte warme Luft streicht über kalten Boden und kondensiert. Wind notwendig. Nebel am Boden. Mischungsnebel feuchte warme Luft mischt sich mit kalter Luft und kondensiert. Wind notwendig. Nebel am Boden oder Hochnebel. Strahlungsnebel Bei klarer Nacht kühlt sich feuchte Luft durch Wärmeabstrahlung des Bodens ab und kondensiert. Geht vom kalten Boden aus. Windstille und wolkenfreier Nachthimmel notwendig, Auflösung und Beständigkeit Der Boden muss wärmer werden oder warme Luft zugemischt werden. Die kalte (nebelige) Luft am Boden bildet in Beckenlagen oft einen Kaltluftsee und bleibt liegen. Darüber oft warme Luft (Inversion) Hohe Vereisungsgefahr und geringere Triebwerksleistung (c) PCR 01/

22 Typische Wetterlagen im Alpenraum Westwindlage bringt feuchte Meeresluft, östlich der Alpen Aufheiterung durch Föhneffekt V b Wetterlage (historisch) ein Höhentrog über Mitteleuropa, durch die Zyklone nordöstlich erzeugt, induziert ein Bodentief, das langsam nordöstlich zieht Dauerniederschläge Typische Wetterlagen im Alpenraum Nordföhn mit Nordstau Auf der Alpen Nordseite staut sich die feuchte Luft und regnet aus Sie fällt trockener auf der Südseite ins Tal Temperaturerhöhung. Südföhn mit Südstau Auf der Alpen Südseite staut sich die feuchte Luft und regnet aus (feuchtadiabatisch) Sie fällt trocken auf der Nordseite ins Tal - Temperaturerhöhung. (c) PCR 01/

23 Meteorologie 1 Zusammenfassung Was wir jetzt besser kennen : Aufbau der Atmosphäre Temperatur, Druck, Feuchte Höhenmessereinstellungen Wind, Turbulenz, Thermodynamik Wolken, Niederschläge, Gewitter, Eis Luftmassen, Fronten und Druckgebiete Nebel und seine Entstehung Typische Wetterlagen im Alpenraum ABER ES GIBT NOCH VIEL ZU LERNEN! Meteorologie 1 Weiterführende Information Flugwetterkunde Willy Eichenberger Motorbuchverlag ISBN: Flugwetter 2 Neuauflage Karl Heinz Hack Motorflug Segelflug Hängegleiter Ballon (EASA) Wetterlexikon ACG Internetseite Wetter Wetterlexikon (c) PCR 01/

24 Ende Meteorologie 1 (c) PCR 01/