Zu Besuch im Zoo der Instabilitäten

Im Zusammenhang mit meiner Arbeit bin ich schon einige Male über sogenannte hydrodynamische Instabilitäten gestolpert. Mehrmals bin ich auch als Gleitschirmpilot auf diese Instabilitäten gestossen und möchte euch zwei davon vorstellen.

Von einer Instabilität spricht man, wenn die Reaktion eines Systems abhängig von winzig kleinen, nicht erfassbaren Einflüssen ist. Beispiele für Instabilitäten wären in etwa ein auf die Spitze gestelltes Ei, ein stark lawinengefährdeter Schneehang, oder auch die Laune der dienstältesten Kellnerin des Restaurants „Rathskeller“ hier in Olten.

Das Wetter wird massgebend von instabilen Vorgängen beeinflusst und ist deshalb sehr schwierig vorherzusagen. Die Physik befasst sich mit einer grossen Vielfalt von solchen Instabilitäten. So kommt es, dass Physiker manchmal scherzhaft von einem „Zoo der Instabilitäten“ sprechen. In ihm tummeln sich astronomische und mechanische, meteorologische, energetische und weitere Instabilitäten in allen Farben und Formen. Die meisten von ihnen sind nach ihren Entdeckern benannt. Wie ich einleitend geschrieben habe, gibt es auch zwei hydrodynamische Instabilitäten, welche uns Gleitschirmflieger interessieren. Die eine davon handzahm und für den antriebslosen Flugsport unabdinglich, das Nutztier aller Hängegleiter sozusagen. Die andere eher weniger beliebt, etwas tückisch und manchmal sogar gefährlich!

Dieser Artikel wurde von unserem Gastautor Matthias «Disu» Müller erstellt. Er ist Bachelor of Science in Mechanical Engineering mit Spezialisierung Energietechnik. Seine Arbeit als Wissenschaftlicher Assistent übt er am Institut für Thermo- und Fluid-Engineering an der Fachhochschule Nordwest-Schweiz aus. Seit rund 8 Jahren ist er aktiver Gleitschirmpilot. 

Rayleigh-Taylor-Instabilität

Die Rayleigh-Taylor-Instabilität ist die bravere der beiden. Sie ist sozusagen die Grundlage für den thermischen Aufwind und im Grundsatz wahrscheinlich jedem Fluganfänger bekannt – bloss nicht unter diesem Namen. Von ihr wird gesprochen, wenn zwei Schichten von verschiedenen Flüssigkeiten oder Gasen übereinanderliegen und die untere der beiden Schichten eine kleinere Dichte aufweist oder salopp gesagt: leichter ist. An der Grenze der beiden Schichten kommt es zur Pattsituation: Die obere Flüssigkeit (oder Gas) möchte sinken, der Weg ist aber von der unteren Flüssigkeit versperrt. Der unteren Flüssigkeit ergeht es nicht besser. Sie möchte steigen, doch der Weg ist von der oberen Flüssigkeit versperrt, die zu allem Überfluss auch noch absinken möchte. Irgendwie, aufgrund winziger Einflüsse bilden sich mit der Zeit Gebiete aus, in denen die untere Flüssigkeit steigt. In anderen Gebieten sinkt die obere Flüssigkeit ab. Für uns interessant wird dieses Experiment, wenn es nicht mit zwei eingefärbten Flüssigkeiten in einem Glaszylinder, sondern mit Luft, die sich in Bodennähe erwärmt, durchgeführt wird und uns die warme Luft in die Höhe steigen lässt. Wenn wir die gezeigte Modellvorstellung auf‘s Gleitschirmfliegen übertragen, lernen wir daraus folgendes:

• Die Vorhersage von Standorten von Schläuchen (also Gebieten, in denen das untere Fluid steigt) ist nicht immer leicht, besonders im Flachen, wo kaum topographische Abrisskanten vorkommen.
• Obwohl Thermiken selbst grosse Energiemengen transportieren, können Schläuche durch kleine Unregelmässigkeiten ausgelöst werden. Wie zum Beispiel durch ein Heuwerk eines Bauern auf dem Feld, einer Strasse oder gar von der Grenze zweier unterschiedlich bepflanzter Felder.
• Wenn es irgendwo runtergeht, muss es dafür auch irgendwo hochgehen!

Kelvin-Helmholz-Instabilität

Die Auswirkungen der Kelvin-Helmholz-Instabilität sind bei Piloten als „Scherungsturbulenz“ bekannt. Als Gedankenexperiment können wir uns wiederum zwei aneinandergrenzende Schichten von Flüssigkeit oder Gas vorstellen. Diesmal spielt es primär keine Rolle, ob sie sich in ihrer Dichte unterscheiden. Wichtig ist nur, dass sie sich relativ zueinander bewegen. Sie müssen also andere Strömungsgeschwindigkeiten und/oder Strömungsrichtungen besitzen. Ist dies der Fall, so bilden sich anfangs aufgrund winziger, nicht erfassbarer Einflüsse kleine Unebenheiten in der Grenzebene der beiden Fluide. Dies führt dazu, dass die Strömung über einer solchen winzigen Welle leicht beschleunigt wird, denn sie hat ja weniger Platz. Die beschleunigte Strömung weist einen niedrigeren Druck auf als noch vor ihrer Begegnung mit der Welle (vergleiche: Düseneffekt, Tragflächen). Die Welle wird durch den Unterdruck angezogen und vergrössert, was die Strömung noch mehr beschleunigt und den Hubbel noch mehr vergrössert, und so weiter. Praktisch immer führt dieser Mechanismus dazu, dass sich stromabwärts ein erneuter Hubbel, oder besser: eine Welle ausbildet und sich so eine Kaskade von Wellen aufbaut. Genau auf diese Weise entstehen zum Beispiel wellenförmige Cirren, die Wellen in der Suppe, wenn man darüber bläst, oder eben Scherungsturbulenzen. Wenn sich die Strömungen genügend stark unterscheiden, und ein paar andere Dinge auch noch passen (hier kommt übrigens die Dichte doch noch ins Spiel), so überschlagen sich die Wellen und es kommt zu vergleichsweise starken Verwirbelungen.

Die Kelvin-Helmholz-Instabilität ist nicht nur an einem Tag mit Inversion oder sonstiger Schichttrennung, sondern auch neben jedem zünftigen Steigen anzutreffen: Wenn man einen Schlauch am oberen Ende luvseitig verlässt, trifft man oft auf turbulentes Sinken. Ausgangspunkt dafür ist der Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Luftströmung innerhalb des Schlauches und ausserhalb. Wobei in diesem Fall auch der „Wenn‘s wo hochgeht geht’s auch wo runter“-Effekt der Rayleigh-Taylor-Instabilität eine Rolle spielen dürfte.

Wahrscheinlich wird nun niemand sagen können, er habe durch unseren Zoobesuch ein völlig neues Verständnis für die Strömungsphänomene, die ihm beim Fliegen begegnen, gewonnen. Die gezeigten Modellvorstellungen sind kleine Puzzleteile von Detailwissen, die erst in der Masse zu besseren Ergebnissen beim Streckenfliegen oder in Wettkämpfen führen. Die Luft um uns herum ist nun mal durchsichtig und die auftretenden Strömungen sind zu komplex, als dass man sie detailgetreu in Worte fassen könnte, ohne gleich Bücher damit zu füllen. Da hilft nur fliegerische Erfahrung. Glücklicherweise macht es ziemlich viel Spass, sie zu sammeln!

Video: «Nebelbrandung» auf SRF Video Player