Windscherung

Windscherung ist ein meteorologischer Begriff, der die Änderung der Windgeschwindigkeit oder -richtung über eine kurze Entfernung beschreibt. Es handelt sich dabei um eine Variation der Windgeschwindigkeit, die sowohl die Stärke (Geschwindigkeit) als auch die Richtung umfasst. 

Diese Veränderung kann vertikal mit der Höhe oder horizontal über eine Ebene erfolgen. Im Gegensatz zu allmählichen großräumigen Windveränderungen bezieht sich die Windscherung auf diese relativ abrupten Unterschiede in der Windgeschwindigkeit über begrenzte räumliche Skalen.

Arten der Windscherung

Vertikale Windscherung: Dies ist die Änderung der Windgeschwindigkeit oder -richtung mit der Höhe. Durch die Reibung in der Nähe der Erdoberfläche wird der Wind am Boden langsamer und nimmt mit der Höhe zu, wodurch eine vertikale Windscherung entsteht (eine Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe). 

Horizontale Temperaturunterschiede führen auch dazu, dass der Wind aufgrund des thermischen Windeffekts seine Richtung mit der Höhe ändert, was zu einer vertikalen Richtungsscherung führt (eine Änderung der Windrichtung mit der Höhe). Sie wird oft in Einheiten wie Knoten pro tausend Fuß gemessen.

Horizontale Windscherung: Dies ist die Änderung der Windgeschwindigkeit oder -richtung in einem horizontalen Bereich in einer bestimmten Höhe. Sie tritt häufig entlang von Wetterfronten auf, wo Luftmassen mit unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten aufeinandertreffen. Horizontale Scherung kann auch in Küstennähe, in der Nähe von Gewittern oder in Gebieten mit konvergierenden oder divergierenden Winden auftreten.

Wo und auf welchen Skalen Windscherung auftritt

Scherwinde sind in der gesamten Atmosphäre verbreitet und treten auf verschiedenen Ebenen auf:

In der Nähe der Oberfläche: Durch die Reibung mit dem Gelände, Gebäuden und der Vegetation entsteht in den untersten Schichten eine erhebliche vertikale Geschwindigkeitsscherung. Auch in der Nähe von Hindernissen kann es zu lokalen horizontalen Scherkräften kommen. Diese ist in der Regel mikroskalig, über Dutzende bis Hunderte von Metern.

In der Grenzschicht: Diese turbulente Schicht, die sich bis zu 1 bis 2 km ausdehnt, weist häufig sowohl vertikale als auch horizontale Scherung auf, die durch Reibung, Erwärmung und Tiefdruckgebiete verursacht wird. Die Skala reicht von der Mikro- bis zur Mesoskala (bis zu ein paar Kilometern).

In der oberen Atmosphäre: Entlang der Jetstreams und an den sich nach oben erstreckenden Frontalgrenzen tritt eine ausgeprägte Scherung auf. Hier gibt es beträchtliche horizontale und vertikale Geschwindigkeitsgradienten, vor allem auf synoptischer Ebene (Dutzende bis Hunderte von Kilometern).

In Gewittergebieten: Gewitter erzeugen auf der Mesoskala (in Kilometern) durch starke Auf- und Abwinde und Strömungsgrenzen eine intensive, lokal begrenzte Scherung. Besonders gefährlich sind Mikrostürme, die durch extreme Scherung über sehr kurze Entfernungen (Hunderte von Metern) gekennzeichnet sind.

Warum die Windscherung wichtig ist

Die Windscherung hat in mehreren Bereichen kritische Auswirkungen:

Luftfahrt: Plötzliche Scherwinde während des Starts oder der Landung sind gefährlich. Änderungen des Gegen- oder Rückenwindes verändern schnell die Luftströmung über den Tragflächen und verursachen gefährliche Verluste oder Zunahmen von Auftrieb und Fluggeschwindigkeit. Microbursts sind besonders schwerwiegende Scherungsereignisse in niedriger Höhe, deren Bewältigung das Bewusstsein und die Fähigkeiten des Piloten erfordert. Erkennungssysteme sind für die Sicherheit in der Luftfahrt unerlässlich.

Gewitter und Unwetter: Die vertikale Windscherung ist entscheidend für die Entstehung schwerer Gewitter, einschließlich Superzellen, die Tornados erzeugen. Sie trennt den Aufwind des Gewitters von seinem Abwind und ermöglicht es dem Gewitter, sich zu verstärken und fortzubestehen. Durch die Scherung wird außerdem eine Rotation in den Aufwind des Sturms eingebracht, ein wichtiger Schritt bei der Bildung von Tornados.

Verhalten bei Waldbränden: Scherwinde machen die Ausbreitung von Waldbränden unberechenbar und gefährlich. Veränderungen des Windes in der Höhe und im Gelände können zu unregelmäßigem Feuerwachstum und plötzlichen Richtungswechseln führen.

Windenergie: Das Verständnis der vertikalen Scherung ist für die Optimierung der Platzierung und Höhe von Windkraftanlagen unerlässlich, um stärkere Winde in der Höhe effizient und sicher einzufangen. Sie wirkt sich auch auf die strukturellen Lasten der Turbinen aus.

Wettervorhersage: Die genaue Messung und Vorhersage der Windscherung ist von entscheidender Bedeutung für die Vorhersage der Entwicklung, Intensität und Bewegung von Stürmen sowie des Verhaltens größerer Systeme wie Jetstreams und Wirbelstürme.

Globale Kräfte, die die Windscherung beeinflussen

Mehrere großräumige Kräfte tragen zur Windscherung bei:

Druckgradienten: Druckunterschiede treiben die Winde an. Variationen der Druckgradienten in der Höhe oder in der Horizontalen führen zu Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung über die Entfernung, wodurch eine Scherung entsteht.

Coriolis-Effekt: Die Erdrotation lenkt die Winde ab und trägt so zur Richtungsscherung in großen Wettersystemen und Jetstreams bei.

Temperaturgradienten: Horizontale Temperaturunterschiede sind mit vertikaler Windscherung (thermischer Wind) verbunden, wodurch sich die Winde mit der Höhe ändern, insbesondere über Fronten.

Strahlströme und Wirbelstürme: Diese großen Wetterphänomene sind aufgrund der mit ihnen verbundenen starken Druck- und Temperaturgradienten selbst durch starke Scherung gekennzeichnet.

Zusammen formen diese Kräfte die atmosphärischen Bedingungen, die zu Windscherungen auf verschiedenen Ebenen führen.

Die weitreichenden Auswirkungen der Windscherung

Windscherung ist ein grundlegendes atmosphärisches Phänomen, das als Änderung der Windgeschwindigkeit über kurze Entfernungen definiert ist. Sie tritt vertikal und horizontal auf, reicht von lokalen Turbulenzen bis hin zu großen Wettersystemen und wird durch grundlegende atmosphärische Kräfte angetrieben. 

Das Verständnis der Windscherung ist in vielen Bereichen von entscheidender Bedeutung, von der Gewährleistung der Flugsicherheit und der Vorhersage von Unwettern über die Optimierung erneuerbarer Energien bis hin zur Vorhersage globaler Wettermuster. Aufgrund ihrer Allgegenwärtigkeit ist sie ein konstanter Faktor, der die Atmosphäre und die menschlichen Aktivitäten in ihr beeinflusst.