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Martin Claußen
Der bodennahe Wind (Teil III)
Bei der bisherigen Beschreibung des bodennahen Windes hatte ich vorausgesetzt, daß der Erdboden homogen ist, also überall gleich aussieht - soweit das Auge reicht. Dies ist über Land nur selten der Fall, im allgemeinen hört die Spielwiese leider irgendwo auf, oder es steht ein Baum im Wege. Daher möchte ich im letzten Teil meiner Meteorologieserie den Einfluß von Änderungen der Bodenbeschaffenheit und von Hindernissen auf die bodennahe Strömung kurz skizzieren.
 
Streicht die Luft von einer Fläche auf eine andere, z.B. von einem Weizenfeld auf eine Wiese, so stellt sich die Strömung allmählich auf die neue Unterlage ein. Die Luftschicht, innerhalb der sich die Strömung nahezu vollständig auf die neue Fläche eingestellt hat, wächst etwa wie 1:100 an - unabhängig von der Windgeschwindigkeit (letzteres liegt daran, daß der bodennahe Wind fast immer turbulent ist; in einer laminaren Strömung wächst die betreffende Luftschicht umgekehrt proportional zur Wurzel der Windgeschwindigkeit). Damit sich also das Windprofil wie im Teil I beschrieben bis in Höhen von z.B. 10 Metern durch eine logarithmische Kurve darstellen läßt, sollte die Erdoberfläche im Umkreis von gut einem Kilometer gleich aussehen.
 
Umgekehrt läßt sich auch eine Höhe finden, oberhalb der die Luft noch nichts von der neuen Fläche merkt. Diese Höhe beträgt etwa 1/10 der Entfernung von der Flächengrenze; d.h. würde der Bumerang gut 100 Meter vom Weizenfeld entfernt auf einer Wiese gestartet, müßte er zunächst noch die Turbulenzverhältnisse über der Wiese spüren, bei der größten Flughöhe von vielleicht 10-15 Metern aber in einer Strömung fliegen, die die Wiese noch nicht merkt. Das Windprofil in einer solchen relativ komplexen Strömung abzuschätzen ist nicht sonderlich schwer. Man berechnet das logarthmische Windprofil über dem Weizenfeld und über der Wiese und interpoliert logarithmisch zwischen den Höhen ‘1/10´ und ‘1/100´ - aber es würde zu weit führen, dieses Verfahren hier im Detail zu erläutern.
 
Der Übergang der bodennahen Luftströmung von einer Fläche auf eine andere dürfte dem Bumerangflug keine großen Probleme bereiten, da die Turbulenz z.B. über einem Weizenfeld oder einer Wiese nicht allzu unterschiedlich ausgeprägt ist. Zu beachten bleibt, wie im letzten Teil bereits angedeutet, daß über einem Gebiet mit starken thermischen Unterschieden, gerade über den trockeneren, dunkleren und damit wärmeren Flächen sich leichter Warmluftblasen ablösen. In hügeligem Gelände ist die sonnenbeschienene Seite wesentlich wärmer als die Schattenseite. Für MTA-Flüge ist daher ein solch heterogenes Gelände besonders interessant. Störend können sich dagegen Hindernisse wie Häuser, Bäume oder Hecken auf den Bumerangflug auswirken.
 
Vor und hinter einem porösen Hindernis wie z.B. einer Hecke oder einem dünnen Waldstreifen wird der Wind abgebremst und zwar um mindestens 10% bis etwa 5 X/H in Luv und etwa 20 X/H in Lee vom Hindernis mit der Höhe H. Dies sind nur ungefähre Schätzwerte, denn die Abbremsung des Windes hängt nicht nur von der Dichteschichtung, sondern auch von der Porosität des Hindernisses ab. Eine instabile Dichteschichtung (siehe Teil I) vermindert die Abbremsung wegen der kräftigeren Durchmischung der bodennahen Luftschichtung, eine stabile Dichteschichtung verstärkt sie. Die Abbildung 1 gibt eine ungefähre Vorstellung von der räumlichen Verteilung der Windreduktion, berechnet für ein 2m breites, 6m hohes und unendliche langes Hindernis bei X/H=0 mit einer Porosität von 50%. Hier reicht die Isolinie der 10%-Reduktion sogar bis X/H = 35; die maximale Windabnahme beträgt knapp 60%.


Abb. 1

 
Feste Hindernisse bremsen die Strömung zwar in unmittelbarer Nähe des Hindernisses stärker ab als poröse, doch reicht die Abbremswirkung bei porösen Hindernissen weiter nach Lee als bei festen Hindernissen. D.h. eine hohe Mauer stört die Strömung stärker als eine nicht allzu dichte Hecke, doch reicht die Störung durch die Hecke weiter nach Lee. Sehr winddurchlässige Hindernisse, wie z.B. eine Baumreihe beeinflussen den Wind natürlich insgesamt weniger - siehe Abbildung 2, in der Meßdaten an verschieden durchlässigen Windschutzstreifen aufgetragen sind. Hinter festen Hindernissen (bis etwa 6-7 X/H) kann es auch zur Rückströmung kommen; dies wird bei hinreichend porösen Hindernissen nicht beobachtet.
 
Über allen Hindernissen und natürlich auch an den Seiten wird der Wind beschleunigt, oft um gut 20% - in dem Beispiel der Abbildung 1 lediglich zwischen 1-5%. Das bedeutet aber, daß über der Spitze und an Seitenkanten eines Hindernisses sich eine kräftige Windscherung ausbildet und die wiederum führt zu starker Turbulenzbildung.
 
Wie das Turbulenzfeld hinter einem Hindernis aussieht, ist in der Abbildung 3 skizziert. Unterhalb einer Linie, die etwa von der Spitze des Hindernisses bis zum Boden bei etwa 7 X/H in Lee des Hindernisses reicht, wird eine sogenannte 'Ruhezone' beobachtet. Dort bläst der Wind nicht nur weniger stark als über dem offenen Feld, sondern ist auch weniger böig. Manchem mag das unglaubwürdig erscheinen; in der Tat spüren wir die Böigkeit bei geringen Windgeschwindigkeiten stärker als bei hohen. Oberhalb der Ruhezone und natürlich nahe der Kanten eines Hinderisses nimmt die Turbulenz stark zu. Dies sind die sogenannten Nachlaufwirbel, die an jedem Hindernis zu finden sind - am augenscheinlichsten vermutlich die durch Kondenzstreifen sichtbaren Wirbel hinter einem Flugzeug.
 
Die Um- bzw. Überströmung mehrerer Hindernisse läßt sich nur schwer in allen Details beschreiben; allerdings gibt es auch für eine solch komplexe Strömung ein paar einfache Regeln. Stehen die Hindernisse weit auseinander, deutlich weiter als 20 H, dann beeinflussen sie sich kaum. Bei geringerem Abstand beginnt sich die Windreduktion der einzelnen Hindernisse zu verstärken, da die Windreduktion des leewärtigen Hindernisses bereits in der Windschutzzone des luvwärtigen liegt. Die letzte Abbildung zeigt dies am Beispiel von Messungen in der Umgebung zweier etwa 25m hoher und knapp 500m voneinander entfernter Waldstreifen. Stehen die Hindernisse dichter als 5 H zusammen, dann wird die Strömung abgeschnürt und zwischen den Hindernissen bleibt lediglich die 'Ruhezone'.


Hiermit möchte ich meine Beschreibung des bodennahen Windes abschliessen. Aus Platzgründen habe ich auf Literaturzitate verzichtet. Ich bin aber gerne bereit, Literaturempfehlungen zu geben und spezielle Fragen zu beantworten.
 
Martin Claußen
Faberstr. 15
2000 Hamburg 20

 
   
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