Mountain waves

3–4 m/s steigen bis 4300 m, dann mit Tempo 120 km/h über den Jaunpass Richtung Bern – fast wie ein Segelflieger. Je begeisterter Chrigel Maurer von seinem Flug in der Leewelle erzählt, desto mehr mahnt Meteorologe und Föhnexperte Micha Schultze zur Vorsicht.

Neben der grossräumigen Zirkulation der Luftmassen (von Hoch- zu Tiefdruckgebieten) und den thermisch angeregten kleinräumigen Zirkulationen (See- und Landwind, Berg- und Talwind) entstehen in der Troposphäre auch topographisch bedingte, mechanisch verursachte Zirkulationen mittlerer Grösse. Gemeint ist die Reibungswirkung der Erdoberfläche auf die horizontalen und vertikalen Bewegungen in der Atmosphäre. Den grössten Einfluss bewirken Gebirge und Inseln, die bei vorgegebener Anströmung, das heisst bei Vorhandensein eines grossräumigen horizontalen Luftdruckgradienten über- oder umströmt werden müssen. Die Wirkung dieser Hindernisse auf die Strömung hängt aber auch von den Eigenschaften der Strömung selbst ab, zum Beispiel der Stabilität ihrer vertikalen Schichtung.

Abb. 1: Wellenstruktur einer Resonanzwelle, verursacht durch ein Gebirge. Ist in der Höhe genügend Feuchtigkeit vorhanden und die vertikale Hebung im Wellenberg ausreichend, entstehen Lenticularis-Wolken.
Abb. 2: Bastia auf der Insel Korsika: Blick Richtung Norden. Langgestreckte Lenticularis im Lee der Insel, verursacht durch eine kräftige Westwindströmung. Im Schatten unter der Wolke sind vereinzelt Kumuli zu erkennen, die teilweise den Rotor andeuten. Am Horizont sind verbreitet Kumuli zu erkennen, die nördlich vom Inselrand liegen und somit nicht von der Hinderniswirkung der Insel betroffen sind.	Abb. 3: VIS Satellitenbild, aufgenommen vom Satellit Terra am 20. Mai 2003. Die Leewellen sind in der rechten Bildhälfte zu erkennen und befinden sich nördlich der Azoren. Die Ausdehnung dieser Leewellen beträgt ca. 1000 km, wobei das Hindernis in diesem Fall nicht ein Gebirge, sondern eine Windscherung ist.
Abb. 4: Wellenstruktur einer Ausbreitungswelle. Diese kann aufgrund ihrer Amplitude bis in die Stratosphäre hineinreichen und wird unter Segelfliegern für Rekordhöhen- und Distanzflüge genutzt.

Wellen und Wirbel
Haben wir es mit einem langgestreckten Höhenzug, wie zum Beispiel den Alpen oder einer Insel mit einer gewissen Länge zu tun, kommt – zumindest was die zentralen Teile anbelangt – bei entsprechender Anströmung nur eine Überströmung in Frage. In den Alpen sind die Auswirkungen auf die Strömung abhängig von
a) der Höhe und der Form der Topographie an der betreffenden Stelle,
b) der Stärke und der Form der Strömung (vertikales Windprofil) und
c) der thermischen Schichtung (stabil oder labil) der anströmenden Luft.
Auf der Luvseite der Alpen entsteht durch die erzwungene Hebung oft Staubewölkung. Diese kann aber bei mangelnder Luftfeuchtigkeit auch ausbleiben. Auf der Leeseite können Wellen und Wirbel mit horizontaler Achse entstehen. Die Wellen werden dann häufig als Leewellen, die Wirbel als Rotoren und diese Überströmung der Alpen als Föhn bezeichnet. In Abbildung 1 ist die Struktur dieser Wellen zu erkennen und grau markiert die Gebiete der Welle, wo das Hebungskondensationsniveau (Wolkenbildung) erreicht wird. Die Wellenberge sind häufig an den typischen mittelhohen und hohen linsenförmigen Lenticularis-Wolken, den so genannten Föhnfischen zu erkennen. Die horizontale Achse der Welle ist oft nicht einfach vorstellbar, da die Lenticularis-Wolken meistens eine geringe horizontale Ausdehnung haben. In Abbildung 2 wird die Insel Korsika von einem starken Westwind überströmt, wobei eine langgestreckte Lenticularis-Wolke entsteht. Hier kann man sich die horizontale Achse der Welle einfacher vorstellen. Im Schatten unter dieser ufoförmigen Wolke sind kleine Kumuli zu erkennen, die Teile des (niedrigeren) Rotors andeuten. Am Horizont sind Kumuli zu erkennen, die weiter entfernt als der (nördliche) Rand der Insel liegen und daher nicht von der Hinderniswirkung der Insel beeinflusst werden. Die Ausbildung von Leewellen und Rotoren wird begünstigt
a) durch eine starke Anströmung des Gebirges, unter
b) einem möglichst rechten Winkel zum Gebirgskamm bei
c) starker Windzunahme mit der Höhe und
d) ausgeprägter vertikaler Stabilität in allen durch die Hinderniswirkung betroffenen Schichten.
Hinter kräftig angeströmten, hoch aufragenden Hindernissen, die nicht überströmt, sondern umströmt werden, beobachtet man vielfach Wirbel mit vertikaler Achse. Diese lösen sich nach gewisser Zeit vom Hindernis und driften mit der überregionalen Strömung davon, während am Hindernis periodisch neue Wirbel entstehen. Diese Wirbelstrassen – im Fachjargon als Karmansche Wirbelstrassen bezeichnet – sind wegen ihrer Wolkenwirbelstruktur oft auf Satellitenbildern an steil aufragenden Vulkaninseln wie zum Beispiel den Kanarischen Inseln zu beobachten.

Entstehung von Leewellen
Leewellen benötigen eine stabile Schichtung. Wird nämlich in einer stabil geschichteten Atmosphäre ein Luftpaket durch eine Störung aus seiner Gleichgewichtslage vertikal ausgelenkt, entsteht eine Rückstellkraft, die das Luftpaket in seine Ausgangslage zurück beschleunigt. Aufgrund seiner Trägheit schiesst aber dieses Luftpaket über die Gleichgewichtslage hinaus, und der Vorgang wiederholt sich periodisch. Über diesen Schwingungsvorgang entsteht in der Strömung schliesslich ein Wellensystem, das mehrere hundert Kilometer Ausdehnung haben kann (Abb. 3).
Vorteilhaft ist, wenn die stabile Schicht oberhalb der Kammhöhe des Gebirges liegt. Die Windrichtung ist dann besonders günstig, wenn das Strömungshindernis senkrecht oder zumindest innerhalb eines Sektors mit ±30° (maximal ±45°) dazu angeströmt wird. Der untere Grenzwert der Windgeschwindigkeit liegt für die Alpen bei 10 bis 15 m/s (35 bis 55 km/h).
Leewellen können prinzipiell zu jeder Jahreszeit auftreten. Wegen den höheren Windgeschwindigkeiten und der stabileren Schichtung im Winterhalbjahr ist jedoch die Häufigkeit von Leewellenbewölkung in Europa im Dezember und Januar am grössten.

Wellentypen
Je nachdem, ob sich die Wellenenergie in der Vertikalen oder Horizontalen ausdehnt, werden zwei Grundtypen von Wellen unterschieden. Meistens treten Leewellen jedoch als Mischformen der beiden Wellentypen auf. Bei der in Abbildung 1 dargestellten Welle spricht man von Resonanzwellen. Sie ist gekennzeichnet durch viele hintereinander liegende Wellenschwingungen (bis zu 20 oder mehr). Die Wellenlängen betragen im Allgemeinen 5 bis 15 km und reichen bis in eine Höhe von 3 bis 5 km, da sie zwischen dem Erdboden und dem Bereich mit der maximalen Windgeschwindigkeit, der die Wellenenergie reflektiert, quasi «gefangen» sind.
In Abbildung 4 ist der zweite Typ, die so genannte Ausbreitungswelle dargestellt. Sie kann aufgrund ihrer Amplitude bis in die Stratosphäre hineinreichen, ist stromab stark gedämpft und hat daher nur wenige oder keine sekundäre Wellen. Die Linien gleicher Wellenphase sind gegen die Strömung geneigt, und die wenigen Wellenlängen sind deutlich grösser als bei der Resonanzwelle. Dieser Wellentyp ist oft gekennzeichnet durch eine einzelne, sehr hohe dachartige Wolke, deren Vorderkante parallel zur Bergkette verläuft.

Segelflieger
Deutsche Segelflieger entdeckten schon 1933 die Aufwindäste dieser Wellen, um Höhe zu gewinnen. Bereits 1937 wurden mit Segelflugzeugen in Leewellen Höhen über 7000 m erreicht. Die bisher grösste mit einem Segelflugzeug erreichte Höhe wurde 1989 in den Leewellen der Sierra Nevada (USA) mit knapp 15000 m registriert. Die bisher weitesten Streckenflüge von über 2000 km wurden ebenfalls überwiegend in Leewellen über Neuseeland geflogen. Wolkenbeobachtungen und Berichte von Jetpiloten zeigen, dass Wellenströmungen bis in Höhen von über 30 km reichen können. Meteorologisch ist es denkbar, dass Segelflugzeuge auch wandernde Wellen im Bereich von Jetstreams nutzen können.

Gefahren
Die grösste Gefahr für Segelflugzeuge sind die Rotoren und die damit verbundenen, starken vertikalen Windscherungen und Turbulenzen. Diese müssen umflogen werden, um in den aufsteigenden Ast einer Welle zu gelangen. Berichte von Segelfliegern reichen von stärksten Turbulenzen bis zu Abstürzen wegen beschädigten Fluggeräten. Es ist daher nur den erfahrenen Segelfliegern vorbehalten, den Wellenflug auszuüben. Sobald die Welle erreicht ist, betragen die Vertikalgeschwindigkeiten im Allgemeinen 2 bis 6 m/s. Aber auch schon Extrema von 15 m/s wurden berichtet. Die quasi laminare Wellenströmung wird im Allgemeinen als sehr ruhige, turbulenzarme Aufwindzone beschrieben.
Der Versuch, mit dem Gleitschirm bewusst in eine Leewelle einzufliegen, muss aufgrund der Turbulenzen und den unter Umständen böigen starken Fallwinden als lebensgefährlich bezeichnet werden. Zudem sind Leewellen in den Alpen meist nur bei deutlich ausgeprägten Föhnlagen anzutreffen. Hängegleiter sind bei Föhn immer erhöhter Gefahr ausgesetzt, und der Ausgang eines klaren Föhnflugs wird (meistens) nicht nur vom Piloten selbst bestimmt.

Micha Schultze

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