Warum haben Kondensstreifen manchmal Beulen oder komische Formen?

Wirbelschleppenforschung durch die NASA

Flugzeuge fliegen durch Auftrieb, der sehr stark von der Größe des Flugzeugs (und dem damit verbundenen unterschiedlichen Gewicht) abhängig ist. Auftrieb heißt wiederum, dass sich über den Tragflächen ein Unterdruck bildet, unter den Tragflächen ein Überdruck. Am hinteren Ende der Tragfläche ist die Luft nun bestrebt, dieses Missverhältnis auszugleichen.

Durch den Ausgleich bilden sich Wirbel hinter der Hinterseite der Tragfläche auf der Höhe der Tragflächenenden (wir reden hier jedoch nicht über die relativ kleinen Randwirbel direkt am Tragflächenende, die manchmal durch Kondensation sichtbar werden). Diese Wirbel werden auch Wirbelschleppen genannt, was sicher jeder schon mal gehört hat - das sind die, die u. a. am Boden für andere Flugzeuge oder auch für Dächer Gefahren darstellen können. Dies wird zum Beispiel auch bei der Staffelung von Flugzeugen beachtet.

Sieht man die Wirbelschleppen nicht, kann man sie unter Umständen am Boden auch hören: Nebelanflug-mit-Wirbelschleppe.

Diese Wirbelschleppen gibt es also hinter jedem Flugzeug (genauer: hinter jedem Fluggerät, das mit aerodynamischem Auftrieb fliegt) mal mehr und mal weniger stark - abhängig von Anstellwinkel und Größe (Gewicht bzw. Masse) des Flugzeugs.

In den Kernen dieser Wirbelschleppen herrscht Unterdruck und somit eine niedrigere Temperatur als in der Umgebung.

 

Wirbelschlauch, der (noch) nicht zerstört wurde

Ist die Luft dadurch gesättigt, kondensiert oder gefriert dort also die Feuchtigkeit und der Wirbelschlauch wird somit sichtbar (wie geschrieben: vorhanden ist er immer, auch ohne Kondensation).

Wir haben hier also schon völlig unabhängig von anderen Kondensstreifen die Möglichkeit, Streifen zu sehen. Im Unterschied zu den bekannten Kondensstreifen ist hier ursächlich, wie stark der Druck- und damit der Temperaturabfall im Wirbelschlauch ist, verbunden dann aber natürlich auch mit dem Feuchtigkeitsgehalt. Diese Streifen können also auch ganz unabhängig von anderen Kondensstreifen zu sehen sein. Kennzeichnend ist bei solchen Wirbelschläuchen, dass sie recht scharf begrenzt aussehen - Schläuche eben (abgelöste Wirbel an den Triebwerken werden hier vernachlässigt).

Die Wirbelschläuche sinken als solche im weiteren Verlauf mehr oder weniger schnell ab. Gibt es keine weiteren beeinflussenden Bedingungen, werden die Wirbel irgendwann durch die Reibung, u. a. an der Umgebungsluft, zerstört. Bis dahin nehmen sie ein - durch die Wirbel selbst induziertes - nahezu sinusförmiges Aussehen an und unterliegen dabei selbstverständlich auch den Einflüssen durch den Wind (Beispiel für solche Schläuche: A Pilot's Eye: "B747 contrail meets tubulence"). Solche „unzerstörten“ Wirbelschläuche fallen dann auch schon mal auf und ganz aufgeregt wird dies der Öffentlichkeit gezeigt, verbunden natürlich mit den wildesten Spekulationen.

Neu sind die schlauchförmigen Wirbel aber nicht. Bereits 1959 kannte man sie von der B-52: Fotos, Titel „Contrail Studies“, Quelle: Metabunk.

Crow-Instabilität

Crow-Instabilität, die durch Rauch sichtbar gemacht wurde

Zugegeben - es ist allerdings schon relativ selten, dass man diese Wirbelschläuche allein über einen längeren Zeitraum sieht. Durch die Eigenbewegung der Schläuche berühren sie sich oder die Amplituden der Wirbelbewegungen erreichen kritische Werte, wodurch die Wirbel innerhalb dieser Schläuche zerstört werden und an dieser Stelle auch der scheinbar durchgehende Schlauch. Vom Aussehen her könnte man denken, der Schlauch zerreißt wie ein Gummiband.

Im Video „Hawker Sea Fury auf der Hahnweide 2011“ sehen wir ein Flugzeug, das Rauch an den Tragflächenspitzen erzeugt. Dieser Rauch gerät in die Wirbelschleppen und zeigt somit auch deren Verhalten. Ab ca. 00:36 kann beobachtet werden, wie sich zwei Schläuche berühren und genau dieses „Zerreißen“ zeigen - aber hier ist es eben Rauch.

Am Himmel sehen wir es durch die kondensierte bzw. gefrorene Feuchtigkeit.

Da sich die Wirbelschläuche sinusähnlich bewegen, haben wir in der Folge nach der Zerstörung nahezu gleich lange Reste der Wirbelschläuche. In Abhängigkeit von internen und externen Bedingungen ziehen sie sich nun zusammen und nehmen interessant anzusehende Formen an - Brillen, „Achter“, Kringel, wie auch immer. Diese jetzt kurzen Teile sinken - jedes Stück nun für sich - langsam weiter ab. Die Wirbel (noch nicht unbedingt die Kondensation) lösen sich jetzt irgendwann auf und an der alten Stelle sehen wir nur noch die Feuchtigkeit, wenn die Umgebungsbedingungen dies zulassen. Dies wird weiter unten nochmal eine Rolle spielen.

IMG_3255

Dieses „Aufschaukeln“ der Wirbelschläuche bis hin zum Zerstören hat die Bezeichnung „Crow instability“, benannt nach deren Entdecker. Auch in deutschsprachiger Literatur wird sie behandelt, zum Beispiel in „Quantitatives dynamisches Modell zur Simulation von Systembelastungen in Luftverkehrsszenarien“, Olaf Kreichgauer, Herbert Utz Verlag, 1995, S. 109 (Buch bei Google-Books). Ab und zu kann man in der Literatur auch die Bezeichnung „Primärnachlauf“ finden.

Da es in den letzten Jahren immer mehr große Flugzeuge mit starken Wirbelschleppen wurden, sieht man natürlich auch die Crow-Instabilität mittlerweile ziemlich oft und sie haben eine gewisse Relevanz zum Erforschen. Man darf sich also nicht wundern, wenn auch die Dokumentation heute wesentlich öfter als noch bis in die achtziger Jahre ist - vor allem auch mit der heute verbreiteten Aufnahmetechnik und den heutigen Kommunikationsmöglichkeiten.


Crow-Instabilität einer Boeing 747:

Crow-Instabilität einer Boeing 747

Crow-Instabilität einer A380:

Crow-Instabilität einer A380


Zusammenspiel mit Kondensstreifen aus Triebwerken

Kondensstreifen, Wirbelschleppen und Wirbelschläuche

Bis hierher ging es ausschließlich um die Wirbelschläuche der Wirbelschleppen. Sind diese durch die Feuchtigkeit zu sehen, können natürlich noch die allseits herkömmlich bekannten Kondensstreifen, erzeugt durch Abgase aus den Triebwerken, hinzukommen, wenn die Umgebungsluft feucht genug ist. Diese Kondensstreifen werden die Wirbelschläuche zunächst verstecken, so dass man nur die Triebwerksskondensstreifen sieht.

Bei vierstrahligen Flugzeugen kann man direkt hinter dem Flugzeug jedoch erkennen, wie der jeweils äußere Kondensstreifen in die Wirbelschleppe gezogen und mit dem jeweils inneren vereinigt wird. In diesen - nun beiden - Kondensstreifen entstehen bzw. verstecken sich dann auch zunächst die beiden Wirbelschläuche.

Können sich nun die Kondensstreifen aus den Triebwerken länger halten, finden dort die Prozesse der Crow-Instabilität statt, ohne dass man sie sieht. Während der „normale“ Kondensstreifen unter optimalen Bedingungen nur sehr langsam absinkt, sinken die Teilstücke der ehemaligen Wirbelschläuche wesentlich schneller.

Zu sehen sind dann am „normalen“ Kondensstreifen die bekannten Beulen - im Englischen gibt es den Begriff „pendules“ dafür. Bereits in „Clouds Of The World“ von 1972 gibt es gute Abbildungen dazu.

Hier ist eine typische Sequenz mal etwas näher betrachtet:

Das Aussehen kann allerdings extrem variieren. Die einzelnen Bestandteile - Triebwerkskondensstreifen und Kondensation in Wirbelschläuchen - können nun in Höhen mit verschiedenen Wetterbedingungen sein. So kann sich der eine Streifen schneller auflösen als der andere, einer kann gar nicht sichtbar sein, einer kann Feuchtigkeit anlagern und somit wachsen, einer kann anders verweht werden als der andere usw.

Hier wurden die Wirbel durch Windböen zerstört, so dass an der Stelle der Wirbelschläuche nur noch die Feuchtigkeit zu sehen ist:

Die „pendules“, also die aufgelösten Reste der Wirbel, sind stark verweht:

Ein Wirbel ist noch zu sehen, sonst nur die Feuchtigkeit:

„Pendules“ sinken ab, werden dabei stark verweht und lagern Feuchtigkeit aus der Umgebung an:

Die abgesunkenen und verwehten „Pendules“ zeigen verschiedene Windrichtungen in den verschiedenen Höhen an:

Es ist relativ trocken - fast nur die Feuchtigkeit in den (ehemaligen) Wirbeln ist zu sehen:

Wie man an der Feuchtigkeit sieht, sind die Wirbelschläuche als Ganzes schnell gesunken, bevor sie durch die Crow-Instabilität zerstört werden:

Die „pendules“ sorgen durch das Absinken für eine scheinbare Verbreiterung des Kondensstreifens:

Mehr zum Thema: Metabunk

Überarbeitet: 28.06.2016 [⇧]