Thermik aus Erfahrung und Wissenschaft

Ist der Temperaturgradient zu gross, wird die Thermik hart und eng. Diese Erfahrung von Ligachef Martin Scheel stimmt erstaunlich gut mit wissenschaftlichen Thermik-Experimenten überein.

Pilzförmige Thermikblasen steigen periodisch von einer geheizten Fläche auf. Kleine Heizrate.

«Wenn der Temperaturgradient in der unteren Luftschicht zu gross ist, ab etwa 0,8°C pro 100 m,» erklärte Tasksetter Martin Scheel an der SM in Fiesch, «dann wird die Thermik kräftig, aber kaum nutzbar. Zahlreich und wie Böllerschüsse kommen die Thermikblasen hoch. Kaum nutzbar.» Erstaunt folgten die umstehenden Piloten seinen Ausführungen, widersprachen sie doch der bisherigen Ansicht, dass die Thermik mit grösserem Temperaturgradienten besser werde. «Die Erfahrung zeigt,» meint er weiter, «dass ein Gradient von etwa 0,6°C pro 100 m besser ist. Die Thermik ist sanfter und weiter, besser nutzbar.» Das hätte sich nach und nach herausgestellt und stehe in keinem Thermikbuch, erklärt der erfahrene Testpilot seine Interpretationsregel und fragt gleich nach, ob denn die Wissenschaft nicht ähnliche Ergebnisse kenne.

Resultate aus der Wissenschaft

Grosse Heizrate.

Besonders in der Strömungsdynamik und der Wärmelehre sind Thermikblasen in Flüssigkeiten und Gasen schon lange ein Thema und stellen sowohl experimentell wie auch theoretisch hohe Anforderungen. Die erste bekannte Beobachtung von Konvektion in einer horizontalen Schicht geht auf den britischen Physiker Thomson (1882) zurück. Er beobachtete ein Becken mit Seifenwasser, das, weil Feuchtigkeit verdunstete, oben abkühlte. Er sah ein mosaikartiges Linienmuster an der gekühlten Oberfläche. Korrekt schloss er, dass sich das kalte Wasser bei den Linien sammelte und dort durch das wärmere Wasser hinabstürzte. Dass Thermikblasen über einer geheizten Platte auch in der Luft vorkommen, wies 1959 der Physiker Townsend nach. 1966 formulierte der Theoretiker Howard eine phänomenologische Theorie, die weitgehend auch heute noch gültig ist. Gemäss seinem Modell entstehen Thermikblasen in einem dreistufigen, periodischen Prozess. Zuerst bildet sich über der geheizten Platte eine gleichmässig erwärmte Luftschicht, die zunehmend dicker wird. Ab einer kritischen Dicke wird diese Schicht instabil und bricht auf, wobei sich thermische Blasen lösen. Danach setzt eine intensive Mischung ein, in der sich die Temperaturgegensätze ausgleichen, und der Prozess beginnt von vorn.

Wie rasch die einzelnen Phasen aufeinander folgen, hängt von der Temperaturdifferenz zwischen der Heizplatte und der Flüssigkeit oder des Gases darüber ab. Indem sie mit einer elektrochemischen Methode die Thermikblasen im Wasser sichtbar machten, untersuchten einige Forscher der Universität Minnesota USA die Struktur der Thermikblasen und den Ablauf der drei Phasen bei unterschiedlichen Temperaturdifferenzen. Ihre wichtigsten Ergebnisse sind in den beiden obigen Fotos enthalten (siehe Kasten).

In späteren Arbeiten wird der zweite Punkt angezweifelt. Thermikblasen lösen sich nur für kurze Zeitabschnitte vom selben Ort ab, sonst aber eher zufällig von verschiedenen Stellen. Sie steigen nicht gerade hoch, sondern mäandrieren auf ihrem Weg nach oben. Präzise Messungen der Temperatur auf der Heizplatte zeigen Linien mit höheren Temperaturen. Diese Linien sind die wahrscheinlichsten Quellen der Thermikblasen. Zwischen diesen Linien sinkt als Kompensation zu den Thermikblasen kalte Flüssigkeit oder Luft ab und strömt Wärme von der Heizplatte tankend gegen diese Linien. Auch Howards Modell wird erweitert. Zum Beispiel bilden sich nicht nur Thermikblasen, bei höheren Heizraten entstehen auch länger andauernde, vertikale Warmluftströme (Schläuche).

Und in der Atmosphäre
Obwohl die obigen Erkenntnisse Beobachtungen der Thermik im Wasserglas sind, lassen sie sich auch auf die Atmosphäre anwenden:

Über die Form der Thermikblasen gibt es verschiedene Theorien. Ihr pilzähnliches Aussehen unterstützt die Wirbelringtheorie.

Dass die Schläuche oft am selben Ort stehen, entspricht auch der allgemeinen Erfahrung. Im Unterschied zu den Experimenten ist in der Natur der Untergrund keine homogene Ebene. Vielmehr sind Unregelmässigkeiten wie Berge oder Wald-Wiesen-Grenzen Orte, wo sich Thermikblasen ablösen. Interessant sind die Linien mit erhöhter Thermikwahrscheinlichkeit. Sie erklären die toten Zonen dazwischen, wo kaum Thermik zu erwarten ist, und begünstigen damit bestimmte Routen über das Flachland, wie auch die Erfahrungen der Flachlandprofis zeigen.

Im Experiment bestimmten die Wissenschaftler die Heizrate aus der Temperaturdifferenz zwischen der Heizplatte und der Temperatur der Flüssigkeit weit darüber. In der Atmosphäre lässt sich auf analoge Weise die Heizrate abschätzen. Mit zunehmendem Temperaturgradienten nimmt die Temperatur mit der Höhe stärker ab. Damit wächst auch die Differenz zwischen der Bodentemperatur und der Temperatur der Luft unterschiedlich an. Ein grösserer Temperaturgradient ergibt eine grössere Temperaturdifferenz und damit eine stärkere Heizrate. Mit dieser Überlegung lassen sich auch die Ergebnisse aus den Experimenten mit unterschiedlicher Heizrate vom Wasser auf die Atmosphäre übertragen. Qualitativ stimmen sie erstaunlich gut mit der Scheelschen Gradiententheorie überein. Für quantitative Aussagen bleiben die Erfahrungen der Flugprofis essentiell.

Martin Gassner

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