Meteorologie
Typische Wettereinflüsse auf den Betrieb eines UAS
Wind
Luftbewegungen entstehen durch Druckunterschiede, welche durch Temperaturunterschiede verursacht werden. Alle Gase haben das Bestreben, Druckunterschiede auszugleichen. Die Luftmasse mit dem höheren Druck hat das Bestreben, in Gebiete mit niedrigem Druck zu fließen. Die dabei auftretende Kraft wird Druckkraft genannt und diese wirkt immer senkrecht zu den Isobaren. Die Druckkraft ist umso größer, je dichter die Isobaren beieinander liegen.
Bild 1: Windrichtung in Hoch- und Tiefdruckgebieten
(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Windrichtung.jpg)
Wenn keine weiteren Kräfte auf die Luftmassen wirken, dann würde der Wind immer direkt vom Hoch zum Tief wehen. Allerdings sind die Luftteilchen auch noch dem Einfluss der Rotation der Erde unterworfen. Diese Rotation der Erde um um die Eigene Achse bewirkt, dass die Luftmassen auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt werden. Diese scheinbare Kraft, die sogenannte Corioliskraft, ist an den Polen am größten und nimmt zum Äquator hin ab. Die Luft hat das Bestreben vom Hoch zum Tief zu fließen, wird aber durch die Rechtsablenkung im Uhrzeigersinn um das Hoch und im Gegenuhrzeigersinn umd das Tief herum gelenkt. In großen Höhen ist der Verlauf fast Reibungsfrei und die Luftströmungen bewegen sich parallel zu den Isobaren. Dieser Wind, der den Einfluss der Corioliskraft einbezieht, heißt geostrophischer Wind. Durch unterschiedliche Bodenbeschaffenheiten wird der Wind in Bodennähe abgebremst, ist also langsamer, als in der Höhe. Vom Boden bis ca. 1cm Höhe hat man keinen Wind. Darüber – in der sogenannten Prandtlschicht – von ca. 1 cm bis 100 m Höhe nimmt der Wind mit der Höhe logarithmisch zu. In der Ekmann Schicht, von 100 m bis 1000 m Höhe nimmt die Windstärke zwar noch zu und ist in 1000m doppelt so groß wie der Bodenwind. Viel wichtiger ist aber die Drehung der Windrichtung um ca. 30° nach rechts auf der nördlichen Halbkugel.
Windgeschwindigkeit
Die Windgeschwindigkeit wird in der Luftfahrt hauptsächlich in Knoten angegeben. Ein Knoten entspricht 1 Seemeile pro Stunde (1 NM/h). In nachfolgender Tabelle sind Bezeichnungen und die Windstärke in Beaufort-Skala angegeben.
(Beaufortskala)
Hinweis: Ab Windstärke 6 kann man einen Pfeiffton an z.B. Stromleitungen hören und sollte nochmal über das Fliegen nachdenken.
Schwankungen des Bodenwindes
Die Stärke des Bodenwindes schwankt im Verlauf des Tages. Während abends der Wind bei Hochdrucklagen durch Bildung der Bodeninversionen abflaut und nachts zur Ruhe kommt, lebt er tagsüber mit dem Einsetzen der thermischen Konvektionsströmungen wieder auf und erreicht in den Nachmittagsstunden seinen Höhepunkt.
Lokale landschaftsabhängige Windsysteme
A. Seewind
Die unterschiedliche Erwärmung von Land- und Seeflächen bewirkt, dass am Tage die Landflächen stärker aufgeheizt werden, als die Wasserflächen. Die warme Luft steift auf, von See her strömt kühle Luft nach. Der Kreislauf schließt sich in der Höhe. Der Seewind erreicht sein Maximum am Nachmittag.
B. Landwind
In der Nacht kehrt sich die Strömung um, denn der Boden kühlt sich schneller ab, als das Wasser. Der Wind bläst nun vom Land zur See und erreicht sein Maximum etwa bei Sonnenaufgang..
C. Berg- und Talwind
Im Gebirge erwärmen sich am Tag diejenigen hangnahen Luftschichten am schnellsten, die der Sonnenstrahlung am besten ausgesetzt sind. Thermik gibt es über den sonnenbeschienenen Hangflächen. Dort steigt die Luft auf und fließt an den Schattenhängen wieder ab. Im Tal weht deshalb der Sind Talaufwärts (Talwind). Nachts kühlen die Hänge ab und die Luft fließt in den Talgrund ab (Bergwind).
Turbulenzen
Unter Böen versteht man plötzliche Schwankungen der horizontalen Luftbewegung. Treten dazu noch vertikale Geschwindigkeitsänderungen auf, spricht man von Turbulenzen. Diese können vor allem bei Start und Landung heftige Schwierigkeiten verursachen, können aber die Flugstabilität in allen Fluglagen beeinträchtigen. Dynamische Turbulenz entsteht, wenn Luft über Hindernisse hinweg strömt. Dadurch wird eine laminare Strömung verhindert und die Luft bildet Wirbel.
Die Turbulenzzone vergrößert sich mit fortschreitender Windströmung in Windrichtung. Durch die Ablenkung von Luftströmungen können vor und nach Hindernissen (z.B. Gebäude oder Hügel) Turbulenzen durch Wirbelbildung entstehen. Diese Verwirbelungen treten besonders häufig hinter Hindernissen oder in Bodennähe auf und können die Flugstabilität von unbemannten Luftfahrtsystemen in allen Fluglagen beeinträchtigen.
Windscherung
Windscherungen treten auf, wenn sich zwei horizontal gelagerte Luftschichten mit unterschiedlichen Windstärken und Windrichtungen berühren. An den Grenzflächen kommt es zu teils heftigen Turbulenzen, die besonders bei Start und Landung gefährlich werden können, weil dadurch erhebliche Fahrtschwankungen hervorgerufen werden.
Wichtig:
Faustregel: Nimm die Höhe des Hindernisses und rechne mit einer 2-fachen Ausdehnung vor und 4-fachen Ausdehnung nach dem Hindernis. Die Turbulenzen können sich vertikal bis zu einer 2-fachen Höhe des Hindernisses erstrecken.
Temperatur und Luftdichte
Die Temperatur der Atmosphäre ändert sich mit dem Tages- und Jahresverlauf aber insbesondere auch mit der Höhe. Im Mittel nimmt die Temperatur der Atmosphäre in Bodennähe mit 0,65 °C pro 100 m Höhendifferenz ab (2 °C pro 1000 ft). Niedrige Umgebungstemperaturen (von -10 bis 0 °C) und eine hohe Luftfeuchtigkeit bergen ein Risiko von auftretender Vereisung an Flügeln oder Propellern, welche die Funktionsfähigkeit massiv beeinflusst. Sehr hohe Temperaturen hingegen können eine Überhitzung von elektronischen Bauteilen oder Antriebssystemen zur Folge haben. In der Luftfahrt nutzt man zur Vereinfachung von Berechnungen meinst die internationale Standard Atmosphäre kurz ISA genannt, ihr Temperaturverlauf in der Höhe ist festgelegt.
Auf Meeresniveau hat die ISA eine Temperatur von 15°C. Diese nimmt dann mit zunehmender Höhe ab, sodass sie in 100 m Höhe circa 14 °C beträgt und den Gefrierpunkt von 0 °C in circa 2500 m Höhe erreicht. Das ist übrigens auch ein wichtiger Wert den man für die Prüfung kennen sollte. Sie sinkt dann weiter auf circa -10 °C in 3850 m. Das Minimum liegt bei -56,5°C in 11.000 m Höhe. Die Temperatur nimmt also mit der Höhe ab und zwar ganz genau mit 2 Kelvin (fortan als K abgekürzt) pro 1000 Fuß beziehungsweise mit 0,65 K pro 100 m. Kelvin ist die Basiseinheit der Temperatur, dabei entsprechen 273,15 K genau 0 °C. In der Wissenschaft werden Temperaturdifferenzen immer in Kelvin angegeben, während in Wetterberichten in Europa meist die Einheit Grad Celsius (°C) benutzt wird. In Amerika ist übrigens °F (Fahrenheit) gebräuchlich.
Luftschichten mit gleichbleibender Temperatur bei steigender Höhe nennt man Isothermie. Wenn die Temperatur in Luftschichten mit der Höhe zunimmt, spricht man von Inversionen. Diese können am Boden oder in der Höhe auftreten.
Temperaturverlauf des Tages
Die Tagestiefsttemperatur wird üblicherweise eine Stunde nach dem Sonnen- aufgang erreicht. In dieser Zeit sind auch die geringsten Windgeschwindigkeiten und die geringste Böigkeit zu erwarten.
Die Tageshöchsttemperatur wird einige Stunden nach dem Sonnenhöchststand erreicht. Zu dieser Zeit erreicht auch die thermische Aktivität in der Atmosphäre ihr Maximum, sodass mit erhöhten Wind- und Böengeschwindigkeiten gerechnet werden muss.Wichtig:
Faustregel: Wo der Mensch sich wohlfühlt, da fühlt sich auch ein UAS wohl!
Luftfeuchtigkeit, Taupunkt und Spread
Der Temperaturverlauf sowie die Feuchtigkeit der Luft ist für die Nebelbildung und damit der Beeinträchtigung der Sicht zum Fluggerät maßgeblich. Die Feuchtigkeitsaufnahme der Luft ist stark von der Temperatur abhängig. So kann wärmere Luft beispielsweise deutlich mehr Feuchtigkeit aufnehmen als kalte Luft. Wenn man in den Sommermonaten sagt, dass sich die Luft schwül anfühlt, hat sie meistens einen hohen Anteil an Wasserdampf. In den Wintermonaten kann die kalte Luft viel weniger Wasserdampf aufnehmen. Hier spricht man häufig auch von kalter, trockener Luft.
Die Temperatur, bei der die Feuchtigkeit in der Umgebungsluft gerade beginnt zu kondensieren, wird als Taupunkt bezeichnet. Wird die Taupunkt-Temperatur unterschritten, so bildet sich Nebel, der die Sicht möglicherweise stark ein- schränkt. Die Temperaturdifferenz zwischen der aktuellen Umgebungstemperatur und dem Taupunkt – also jener Temperatur, bei der die Feuchtigkeit in der Luft aus- zufallen beginnen würde – wird als Spread (Einheit °Kelvin) bezeichnet. Bei Betrachtung der Temperatur- und Taupunktkurve über den Tagesverlauf hinweg kann die Wahrscheinlichkeit der Nebelbildung abgeschätzt werden. Ist der Spread sehr klein, so ist mit Nebelbildung zu rechnen. Ab einem Spread von 2K solltest Du aufmerksam werden, gerade wenn ein weiterer Temperatur- abfall, wie beispielsweise zur Nacht, wahrscheinlich ist. Dann kann es durchaus sein, dass es am nächsten Tag nebelig ist. Wenn der Spread = 0K ist, wir also Nebel haben, sagt man, dass die Luft gesättigt ist.