Der Airbus A380, das größte und schwerste Passagierflugzeug der Welt, wiegt stolze 560 Tonnen. Manch einem mag es wie ein Wunder erscheinen, dass diese tonnenschweren Kolosse überhaupt in der Lage sind, abheben und fliegen zu können. Und tatsächlich bedarf es komplexer Ingenieurskunst, die das Fliegen mit Flugzeugen ermöglicht. Nicht umsonst absolvierten erst im Jahre 1903 die Gebrüder Wright den ersten kontrollierten und langandauernden Flug eines motorisierten Flugzeugs, nachdem sich schon viele Jahre zuvor eine ganze Reihe an Flugpionieren mehr oder weniger erfolgreich am Fliegen versuchten. Wir werden sehen, dass die spezielle Form der Tragflächen eines Flugzeugs (ugs Flügel) eine entscheidende Rolle spielt.

Schauen wir uns zunächst die vier physikalischen Kräfte an, die auf ein Flugzeug in der Luft einwirken. Die Schwerkraft wirkt natürlich nach unten und muss von der Auftriebskraft (kurz: Auftrieb, zeigt nach oben) überwunden werden, um das Flugzeug in der Luft zu halten bzw. aufsteigen zu lassen. Die Schubkraft (Vortrieb) bewegt das Flugzeug vorwärts und der Luftwiderstand wirkt wiederum dem Vortrieb entgegen und hat eine bremsende Wirkung.

Damit ein Flugzeug vom Boden abheben kann, muss ein derart starker Auftrieb erzeugt werden, dass dieser betragsmäßig der Gewichtskraft überwiegt. Ist dies der Fall, wird die Schwerkraft überwunden und das Flugzeug steigt bis zum Erreichen der Reiseflughöhe auf. Dort bewegt sich das Flugzeug genau so, dass die nach unten zeigende Gewichtskraft mit dem nach oben zeigenden Auftrieb im Gleichgewicht steht.

Aber wie erzeugt nun das Flugzeug diesen Auftrieb? Hierbei spielen gleich mehrere Effekte der Aerodynamik, der Lehre von Strömungsvorgängen in der Luft (genauer: in Gasen), eine Rolle. Ein wichtiges Prinzip ist der sogenannte “Bernoulli-Effekt”, benannt nach dem Schweizer Physiker Daniel Bernoulli, der diesen schon im 18. Jahrhundert entdeckte. Er besagt, dass strömende Flüssigkeiten und Gase einen geringeren Druck auf ihre Umgebung ausüben als ruhende und dass der Druck umso geringer ist, je schneller die Strömung ist. Diesen Effekt können Sie übrigens mit einem einfachen Experiment zuhause nachweisen. Halten Sie dazu ein Blatt Papier an zwei Enden fest und lassen die andere Seite nach unten hängen. Wenn Sie nun über das Blatt blasen, bringen Sie die Luft oberhalb des Blattes in Bewegung und der dadurch erzeugte Unterdruck führt zu einem Sog, der das Blatt nach oben flattern lässt. Das Blatt erhält also rein durch die Luftbewegung einen dynamischen Auftrieb.

Nun kommt die spezielle Form der Tragflächen ins Spiel. Diese haben nämlich einen asymmetrischen Querschnitt mit einer gewölbten Oberseite und einer fast geraden Unterseite (siehe Abbildung 1). Auf der Rückseite laufen Ober- und Unterseite spitz zusammen. Bewegt sich das Flugzeug schnell nach vorne, so strömt ein Teil der Luft oberhalb und der andere unterhalb der Flügel hinweg. Durch die gekrümmte Oberseite muss die überströmende Luft einen längeren Weg zurücklegen als die Luft unterhalb des Flügels. Die Luftteilchen an der Oberseite fließen auf der gekrümmten Bahn schneller als auf der Unterseite (v_o > v_u). Nach dem Gesetz von Bernoulli entsteht so an der Oberseite der Tragflächen ein Unterdruck (p_o < p_u), der einen dynamischen Auftrieb bewirkt. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann Kondensation diese gekrümmten Luftströmungen sogar sichtbar machen (siehe Abbildung 2).

Ein weiterer und v.a beim Aufstieg noch wichtigerer Effekt wird durch eine leichte Schrägstellung der Tragflächen (im Flugjargon “Anstellen” genannt) erzeugt. Durch diese nach hinten gekippte Flügelstellung wird die vorbeigleitende Luft nach unten gedrückt. Aus Impulserhaltungsgründen entsteht unterhalb der Tragflächen eine Gegenkraft, die das Flugzeug nach oben schiebt, wodurch es zusätzlichen Auftrieb erfährt.

Bisher unterschlagen wurde der Grund, warum sich die Luftteilchen auf der gekrümmten Bahn auf der Oberseite der Flügel schneller bewegen als darunter. Dafür ist ein Wirbel verantwortlich, der beim Start an der Hinterkante der Tragflächen entsteht und sich anschließend vom Flugzeug ablöst, der sogenannte “Anfahrwirbel” (siehe Abbildung 3). Ein weiteres physikalisches Gesetz besagt, dass jeder Wirbel einen zweiten entgegengesetzten Wirbel auslöst. Der durch den Anfahrwirbel ausgelöste zweite Wirbel führt um den gesamten Flügel herum, und zwar unterhalb des Flügels nach vorne (entgegen der Strömungsrichtung) und darüber nach hinten. Dadurch wird die Luftströmung unterhalb der Tragflächen verringert und oberhalb erhöht, sodass der Bernoulli-Effekt zum Tragen kommt.

Damit ein Flugzeug aufsteigen kann, muss es sich nach vorne bewegen. Dieser Vortrieb (Schubkraft) wird durch Propeller oder Düsentriebwerke erzeugt. Erst diese (horizontale) Bewegung führt dazu, dass Luft die Tragflächen über- und unterströmen kann. Ab einer gewissen (vom Gewicht des Flugzeugs und Größe der Tragflächen abhängigen) Geschwindigkeit ist der dynamische Auftrieb groß genug, um die Schwerkraft zu überwinden. Das Flugzeug hebt also von der Startbahn ab.

Zusammengefasst wird das Flugzeug durch den Bernoulli-Effekt von oben angesaugt und zusätzlich durch die Schräglage von unten geschoben. Das für den Unterdruck nötige schnellere Überströmen der Luft wird durch Wirbelbildung an den Flügeln verursacht. Damit das Flugzeug überhaupt einen Auftrieb erfährt, muss es sich horizontal nach vorne bewegen.

Übrigens, das oben beschriebene Gesetz von Bernoulli hat neben der Fliegerei noch in anderen Bereichen große Bedeutung. Bei hohen Windgeschwindigkeiten (z.B. bei einem Wintersturm) sorgt das schnelle Überströmen von Hindernissen ebenfalls für einen Unterdruck, der eine Sogwirkung erzeugt, die Dachziegeln anhebt oder abdeckt oder Wellblechdächer aus ihrer Verankerung reißt und wegweht. Ein Großteil der Sturmschäden an Gebäuden ist also auf den Bernoulli-Effekt zurückzuführen. Dieselbe Sogwirkung ist außerdem der Grund, warum Regenschirme zum Ärger ihrer Benutzer bei Wind allzu gerne nach oben klappen.

Dr. rer. nat Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale

Offenbach, den 30.10.2022
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Zwischen Hoch ZACHARIAS über Südosteuropa und Tief IRIS über dem Nordatlantik gelangt zurzeit aus dem Mittelmeer eine für die Jahreszeit ungewöhnlich warme Luftmasse nach Deutschland. Der Zustrom warmer Luft bleibt uns auch über das Wochenende hinaus erhalten.

Am heutigen Freitag werden verbreitet Tageshöchstwerte zwischen 20 und 25 Grad erwartet. Am Nordrand der Mittelgebirge liegen sogar Höchstwerte von bis zu 27 Grad im Bereich des Möglichen. Ob es am Ende wirklich so warm wird, hängt von der Bewölkung und dem Saharastaub ab. Diese könnten die Sonneneinstrahlung so stark dämpfen, dass die Höchstwerte um ein Grad niedriger liegen als vorhergesagt. Denn es ziehen zeitweise dichtere Wolkenfelder durch. Diese können anfangs in der Mitte und im Osten sogar ein paar Tropfen Regen bringen.

Am Samstag macht sich im Norden der Ausläufer von Tief IRIS mit dichteren Wolkenfeldern bemerkbar und bringt zwischen Emsland und Oderbruch gebietsweise etwas Regen. In der Mitte und im Süden scheint hingegen neben einigen dünnen Wolken die Sonne. Die nächtlichen Nebelfelder lösen sich spätestens bis Mittag auf. Die Temperaturmaxima liegen im Norden zwischen 15 und 20 Grad, in der Mitte und im Süden zwischen 20 und 25 Grad. In Baden-Württemberg und am Alpenrand sind lokal bis zu 27 Grad möglich. Dabei herrscht perfektes Ausflugswetter.

Auch am Sonntag setzt sich das “sommerliches Wetter” fort. Dann kommt auch die Nordhälfte wieder in den Genuss von mehr Sonnenschein. Erneut werden Temperaturen von 20 bis 26 Grad erreicht: landesweit ideales Wetter für einen Nachmittag im Biergarten oder einen Grillabend mit Freunden.

Die neue Woche beginnt noch sehr mild mit Höchstwerten zwischen 17 und 24 Grad. Dabei scheint, abgesehen vom äußersten Norden, zeitweise die Sonne. Der Ausblick auf den Monatswechsel zeigt dann einen Wetterwechsel an. Die Temperaturen gehen zurück und wir bekommen wechselhafteres Wetter. Allerdings bleibt es weiterhin deutlich zu mild für die Jahreszeit. Schnee bis in tiefere Lagen oder verbreitet Nachtfrost sind noch nicht in Sicht.

Dipl.-Met.Marco Manitta
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 28.10.2022

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Die gesamte Wintersportbranche steht neben den aktuellen politischen und wirtschaftlichen Krisen auch wegen der Veränderungen des Klimas vor großen Herausforderungen. Die verbands- und länderübergreifende Initiative “Dein Winter. Dein Sport.” ist sich einig: Möglichkeiten aufzeigen! Dafür fordern sie die Branche und Stakeholder – so unter anderem auch den Deutschen Wetterdienst – auf, zu diskutieren, zielführende Lösungen zu erarbeiten und sich dabei gegenseitig aktiv zu unterstützen. Am 6. und 7. Oktober tauschten sich über 250 Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Wissenschaft, Sport (darunter auch Sportgrößen wie der Skistar Felix Neureuther), Wirtschaft, Politik und Medien aus. Schwerpunkte waren dabei Themen wie Nachhaltigkeit, Digitalisierung sowie die Herausforderungen angesichts der aktuellen globalen Situation.

 

Der Themenblock “In die Zukunft.” enthielt einen Programmpunkt zu Klimaschutz und Energiemanagement. In diesem Rahmen gab die Leitung des Regionalen Klimabüros des DWD in München, Gudrun Mühlbacher, einen kurzen Statusbericht zum Klimawandel in Deutschland und einen Ausblick zu möglichen Klimaszenarien. Dabei lag die Betonung auf der Bandbreite der zu erwartenden Temperaturänderungen je nach Szenario und der Wirkung und Notwendigkeit von Klimaschutzmaßnahmen. Auch die Zusammenarbeit mit der ZAMG und MeteoSchweiz für den DACH-Alpenraum fand reges Interesse. Leider konnte in der anschließenden Diskussion noch kein konkreter Ausblick auf die Witterung des kommenden Winters gegeben werden.

Die Schlagworte Klima, Klimawandel, Klimaschutz und Nachhaltigkeit sind als Kernthema in der Wintersportcommunity angekommen und finden ein großes Interesse, schon allein aus der Notwendigkeit heraus, die Möglichkeiten für den Wintersport auch für kommende Generationen zu erhalten.

Dipl.-Met. Gudrun Mühlbacher (Text) / Dipl.-Met. Magdalena Bertelmann (Ed.)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 25.10.2022
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Wasser ist die Grundlage unseres Lebens. Dies wurde bereits eindrucksvoll im ersten Teil der Tagesthemen-Reihe „Wasser – wichtig und spannend zugleich“ vom 19.09.2022 hervorgehoben, als besondere Eigenschaften des Elements H2O (chemische Formel für Wasser) vorgestellt wurden. Teil 2 vom 11.10.2022 behandelte den sogenannten Wasserkreislauf der Erde, in dem das Wasser in verschiedenen Aggregatszuständen zirkuliert bzw. gebunden ist.

Dabei wurde festgehalten, dass es sich bei diesem faszinierenden Kreislauf um ein geschlossenes System handelt, in dem kein Wasser verloren geht, also beispielsweise nicht unwiederbringlich ins Weltall entweicht. Im Gegensatz zu anderen Rohstoffen wie Kohle oder Öl kann die Gesamtwassermenge demnach nicht aufgebraucht werden. Ein Großteil der Wassermenge (rund 97,5%) besteht allerdings aus Salzwasser. Das trinkbare Süßwasser macht gerade einmal einen Anteil von 2,5% der gesamten Wassermenge aus. Und davon ist wiederum ein großer Teil im Eis der Arktis und Antarktis gebunden oder befindet sich im Grundwasser tief unter der Erde. Trinkwasser ist folglich ungleich verteilt oder nicht zugänglich. Der für den Menschen frei verfügbare, sichtbare Teil beschränkt sich auf etwa 0,3%.

Zwar handelt es sich dabei immer noch um 4,2 Trillionen Liter Wasser, was eine nicht zu fassende große Zahl mit 18 Nullen darstellt. Allerdings wird dieser Anteil in vielen Regionen der Erde bereits heute schon stärker genutzt, als dauerhaft verträglich ist. Eines der wohl bekanntesten Beispiele ist der Aralsee, der aufgrund intensiver landwirtschaftlicher Nutzung dramatisch geschrumpft ist. Von 1960 bis 2007 fiel das Wasservolumen des Sees auf ein Sechzehntel des ursprünglichen Volumens, dabei stieg auch die Salinität (Salzgehalt) dramatisch an. Es kam zu einer menschengemachten ökologischen Katastrophe in der Region.

Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Faktor: Giftige Stoffe wie chemische Abfälle, Düngemittel oder Pestizide in Abwässern von Industrie, Landwirtschaft und Haushalten verschmutzen das Süßwasser in Flüssen, Seen und im Grundwasser, wodurch dieses ungenießbar wird. Auch im Aralsee reicherten sich jahrzehntelang Düngemittel und Pestizide an, die in der Folge massive Auswirkungen auf Mensch und Natur nach sich zogen.

In Deutschland hört und liest man häufig, die Lage rund um das Trinkwasser sei unproblematisch. Über Jahrzehnte hinweg war der Trinkwasserverbrauch auch kein kritisches Thema. Rund 70% unseres Wassers stammt aus Grund- und Quellwasser, der Rest wird mit Oberflächenwasser, Uferfiltrat oder künstlich angereichertem Grundwasser gedeckt. In den vergangenen sehr trockenen Sommern wurde Trinkwasser jedoch zu einem knappen Gut.

Der Wasserverbrauch ist hierzulande im Laufe der Jahrzehnte angestiegen: Während der durchschnittliche deutsche Haushalt im Jahr 1890 noch mit 20 Litern am Tag auskam, sind es heute 127 Liter, im Jahr 1991 waren es sogar 144 Liter. Dies entspricht etwa 18% des gesamten Wassereinsatzes (Stand: 2016). Die Land- und Forstwirtschaft sowie die Fischerei kommen lediglich auf 2%. Den Hauptteil des Wasserverbrauchs macht die Industrie mit rund 80% aus. Allerdings muss an dieser Stelle erwähnt werden, dass etwa drei Viertel davon zu Kühlzwecken genutzt wird und im Anschluss Flüssen und Bächen wiederzugeführt wird. Weltweit sieht die Verteilung der wassernutzenden Sektoren deutlich anders aus: Etwa 70% des Wasserverbrauchs entfallen hier auf den Agrarsektor, 20% auf die Industrie und 10% werden auf kommunaler Ebene verbraucht.

Gerade während Dürren gibt es zunehmend Konflikte um das kostbare Nass. Denn das Wasser wird in trockenen Zeiten auch in Teilen Deutschlands knapp. Im Jahr 2018 führten viele Gewässer über lange Zeit nur noch wenig Wasser. In neun der fünfzehn größten Flüsse Deutschlands herrschte an über 100 Tagen extremes Niedrigwasser. Dies stellte nicht nur für die Natur eine extreme Belastung dar. Auch Unternehmen, die zumindest teilweise von der Binnenschifffahrt abhängig sind, mussten die Produktion erheblich drosseln. Zudem wurde das Kühlwasser knapp, denn trotz der andauernden Hitze und den gesunkenen Flusspegeln sind gesetzliche Vorschriften in Kraft, wonach nur eine begrenzte Menge an Kühlwasser aus den Flüssen entnommen werden darf.

Nicht besser erging es den Landwirten. Bestimmte Obst- und Gemüsesorten wie z.B. Gurken müssen bewässert werden, sonst droht ein kompletter Ernteausfall. Wird das Wasser für die Bewässerung aus dem Grundwasser oder aus Talsperren genutzt, kommt es dort zu sinkenden Pegeln. Darunter leiden dann auch weitere, an das Versorgungsnetz angeschlossene Parteien.

Private Haushalte wurden in den Dürrejahren ebenfalls zum Sparen aufgefordert, um eine mögliche Rationierung des Trinkwassers möglichst zu verhindern. So wurden regional Garten- und Poolbewässerungen sowie das Autowaschen verboten.

Mittlerweile ist der Wassermangel also auch in Deutschland angekommen, zumindest zeitweise. Aufgrund der Niederschläge seit der zweiten Augusthälfte diesen Jahres hat sich zumindest das Niedrigwasser in den Flüssen und die Trockenheit der Böden wieder weitestgehend entspannt.

Weltweit gibt es jedoch Regionen, die erheblich stärker von Wasserarmut betroffen sind. Auch wir haben darauf einen gewissen Einfluss. Nicht nur beim Kochen, Duschen und Putzen sollte man sparsam mit dem Wasser umgehen, sondern auch das eigene Konsumverhalten im Blick behalten. Denn dieses kann die Wasserknappheit in bereits wasserarmen Regionen möglicherweise weiter verschärfen, was in einem weitere Thema des Tages in den kommenden Wochen weiter ausgeführt wird.

MSc.-Met.-Meteorologe Sebastian Schappert
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 22.10.2022

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