Turbulenzen in klarer Luft, die unsichtbare atmosphärische Gefahr, die Piloten nicht sehen und auf die sich Passagiere nicht vorbereiten können, haben in den vergangenen vier Jahrzehnten messbar zugenommen. Der Verursacher ist kein Rätsel: Dieselbe Erwärmung, die Küstenlinien und Waldbrandsaisons verändert, strukturiert auch die schnellen Luftströme in Reiseflughöhe um.
Der Fachbegriff lautet Clear-Air Turbulence, kurz CAT. Anders als Turbulenzen beim Durchfliegen eines Gewitters tritt CAT bei völlig klarem Himmel auf. Keine Wolke warnt Piloten, kein Radarsignal ermöglicht das Ausweichen. Das Flugzeug fällt oder zittert einfach, ohne Vorwarnung. Am 21. Mai 2024 geriet der Singapore-Airlines-Flug SQ321 von London nach Singapur über Myanmar in schwere Turbulenzen; ein 73-jähriger Passagier kam ums Leben, mehr als 70 weitere wurden verletzt. Dieser spezifische Vorfall involvierte konvektive Turbulenzen in der Nähe von Gewittern, rückte aber eine breitere Tendenz in den Fokus: Die Luft wird rauer.
Clear-Air Turbulence in Zahlen
Im Jahr 2023 veröffentlichte ein Team unter der Leitung von Mark Prosser von der Universität Reading die erste globale Beobachtungsstudie zu CAT-Trends von 1979 bis 2020. Über dem Nordatlantik, einem der verkehrsreichsten Flugkorridore der Welt, stellten sie fest, dass die jährliche Dauer schwerer Clear-Air Turbulenzen um 55 % anstieg, von 17,7 auf 27,4 Stunden pro Jahr. Moderate Turbulenzen stiegen um 37 %. Selbst leichte Turbulenzen nahmen um 17 % zu.
Eine Folgestudie aus dem Jahr 2024 von Mohamed Foudad, ebenfalls an der Universität Reading, dehnte die Analyse auf die gesamte Nordhalbkugel aus. Mit 41 Jahren Atmosphärendaten und 11 Klimamodellen stellte Foudads Team fest, dass moderate bis schwere CAT über Nordafrika, Ostasien, dem Nahen Osten, dem Nordatlantik und dem Nordpazifik zwischen 60 % und 155 % zugenommen hat. Die Zunahmen folgten dem Anstieg der globalen Temperaturen, und die Modelle prognostizieren, dass sich der Trend mit jedem weiteren Grad Erwärmung fortsetzen wird.
Warum die Erwärmung Turbulenzen verstärkt
Der grundlegende Mechanismus: Clear-Air Turbulence wird durch WindscherungPlötzliche Änderung von Windgeschwindigkeit oder -richtung zwischen benachbarten Luftschichten, die den Luftstrom destabilisiert und Turbulenzen erzeugen kann. erzeugt, also den Unterschied in Windgeschwindigkeit oder -richtung zwischen zwei übereinander gestapelten Atmosphärenschichten. Die Jetstreams, jene schmalen Bänder schnell strömender Luft in etwa 9.000 bis 12.000 Metern Höhe, sind die primären Erzeuger. Wenn die Scherung über einem Jetstream stark genug wird, bricht die laminare Luftströmung in chaotische Wirbel zusammen, und alles, was sie durchfliegt, wird erschüttert.
Der Klimawandel verstärkt diesen Prozess durch ein ungleichmäßiges Erwärmungsmuster. Die Arktis erwärmt sich etwa zwei- bis viermal schneller als der globale Durchschnitt. Dies verändert den Temperaturgradienten zwischen Äquator und Polen, der den Jetstreams als grundlegender Antrieb dient. Forschende haben eine 15-prozentige Zunahme der vertikalen Windscherung in der oberen Atmosphäre über dem Nordatlantik seit 1979 gemessen. Mehr Scherung bedeutet mehr Turbulenzen. Das ist eine direkte physikalische Kette: mehr CO₂, mehr Erwärmung, veränderte Temperaturgradienten, stärkere Windscherung, rauere Flüge.
Was das in der Praxis bedeutet
Turbulenzen sind nicht nur unangenehm; sie sind die häufigste Ursache wetterbedingter Verletzungen in der Luftfahrt. Laut Mohamed Foudads Forschung ist Clear-Air Turbulence allein für rund 70 % aller wetterbedingten Luftfahrtunfälle in den USA verantwortlich. Die FAA (Federal Aviation Administration) verzeichnete 2023 zwanzig schwere Verletzungen durch Turbulenzen, der höchste Jahreswert in ihren Aufzeichnungen. Das Bordpersonal trägt das größte Risiko: Flugbegleiter erleiden bei Turbulenzen etwa 24-mal häufiger schwere Verletzungen als sitzende Passagiere, weil sie einen Großteil des Fluges stehend verbringen.
Auch die finanziellen Kosten sind erheblich. Mark Prosser hat Schätzungen von 150 bis 500 Millionen Dollar jährlich allein in den USA genannt, für Verletzungen, Flugzeugüberprüfungen, Wartung und Streckenumleitung. CAT ist besonders teuer, weil sie besonders schwer vorherzusagen ist. Ein Gewitter ist auf dem Radar sichtbar und lässt sich umfliegen. Klare Luft hingegen nicht.
Gibt es Gegenmaßnahmen?
Die gute Nachricht: Moderne Verkehrsflugzeuge sind dafür ausgelegt, Turbulenzen weit jenseits dessen standzuhalten, was Passagiere erleben, selbst bei schweren Ereignissen. Das Strukturrisiko für das Flugzeug ist gering. Das Risiko betrifft die Menschen darin, insbesondere jene ohne angelegten Sicherheitsgurt.
Auf der Vorhersageseite arbeiten Atmosphärenwissenschaftler an verbesserten Prognosewerkzeugen. Aktuelle Turbulenzvorhersagen stützen sich auf numerische Wettermodelle, die Windscherungsmuster schätzen, ergänzt durch Pilotenberichte. Aber CAT-Vorhersagen bleiben ungenau, besonders bei schweren Ereignissen. Paul Williams von der Universität Reading, der sich seit über einem Jahrzehnt mit diesem Problem befasst, hat angemerkt, dass Turbulenzen auf stark genutzten Flugrouten sich „verdoppeln, verdreifachen oder vervierfachen” könnten, was verbesserte Erkennungsmethoden zur Notwendigkeit statt zum Luxus macht.
Für Passagiere hat sich der praktische Rat nicht verändert, aber seine Dringlichkeit schon: Halten Sie Ihren Sicherheitsgurt angelegt, wann immer Sie sitzen, auch wenn das Zeichen erloschen ist. Diese einfache Gewohnheit bleibt der wirksamste Schutz gegen eine unsichtbare Gefahr, die immer häufiger wird.
Clear-Air Turbulence (CAT), die unsichtbare atmosphärische Gefahr, die durch WindscherungPlötzliche Änderung von Windgeschwindigkeit oder -richtung zwischen benachbarten Luftschichten, die den Luftstrom destabilisiert und Turbulenzen erzeugen kann. außerhalb konvektiver Systeme erzeugt wird, intensiviert sich seit vier Jahrzehnten messbar. Zwei wegweisende Beobachtungsstudien der Universität Reading haben diesen Trend quantifiziert und direkt mit dem anthropogenen Klimawandel in Verbindung gebracht, womit sie bestätigen, was Modelle seit mindestens 2013 vorhergesagt hatten.
Beobachtungsnachweise: Prosser et al. (2023)
Die erste umfassende globale Beobachtungsanalyse von CAT-Trends wurde im Juni 2023 in den Geophysical Research Letters von Mark Prosser, Paul Williams, Graeme Marlton und R. Giles Harrison veröffentlicht. Mit ERA5-Reanalysedaten von 1979 bis 2020 wendeten sie den Ellrod-Turbulenzindex (eine Diagnostik, die vertikale Windscherung und horizontale Deformation kombiniert) an, um die Turbulenzwahrscheinlichkeit in Reiseflughöhen zu quantifizieren.
An einem repräsentativen Punkt über dem Nordatlantik, einer Region, die wegen ihrer hohen transatlantischen Fluglast und ihrer Lage im Polarjet gewählt wurde, waren die Ergebnisse eindeutig:
- CAT der Stärke leicht oder höher: +17 % (466,5 → 546,8 Stunden/Jahr)
- CAT der Stärke moderat oder höher: +37 % (70,0 → 96,1 Stunden/Jahr)
- CAT der Stärke schwer oder höher: +55 % (17,7 → 27,4 Stunden/Jahr)
Die monotone Zunahme über alle Schweregradkategorien ist bemerkenswert: Je schwerer die Turbulenzkategorie, desto größer die relative Zunahme. Das stimmt mit der physikalischen Erwartung überein, dass eine Intensivierung der Windscherung Grenzfälle bevorzugt über höhere Schweregradschwellen hebt, ein nichtlinearer Verstärkungseffekt.
Hemisphärische Analyse: Foudad et al. (2024)
Mohamed Foudad und Kollegen weiteten den Umfang in einer im Juli 2024 im Journal of Geophysical Research: Atmospheres veröffentlichten Studie aus. Analysiert wurden 41 Jahre atmosphärischer Reanalysedaten (1980–2021) zusammen mit einem Ensemble aus 11 CMIP6-Klimamodellen mit 20 Simulationen, die 1 °C bis 4 °C Erwärmung über vorindustrielle Basiswerte abdecken; daraus wurden regionale Trends für die gesamte Nordhalbkugel quantifiziert.
Wesentliche Befunde:
- Moderate bis schwere CAT nahm über Nordafrika, Ostasien, dem Nahen Osten, dem Nordatlantik und dem Nordpazifik über den 41-jährigen Studienzeitraum zwischen 60 % und 155 % zu.
- Ostasien verzeichnet derzeit die höchste Häufigkeit moderater bis schwerer CAT mit etwa 7,5 % der Zeit, verglichen mit dem hemisphärischen Durchschnitt von rund 1 %.
- Die Wahrscheinlichkeit, auf moderate bis schwere CAT zu treffen, steigt mit jedem Grad globaler Erwärmung über vorindustrielle Werte, wobei dieser Zusammenhang in allen 11 getesteten Modellen gilt.
Der physikalische Mechanismus: Windscherungs-Amplifikation
CAT entsteht, wenn die Richardson-Zahl (Ri), das Verhältnis statischer Stabilität zum Quadrat der vertikalen Windscherung, unter einen kritischen Schwellenwert fällt (typischerweise Ri < 0,25 für den Einsatz der Kelvin-Helmholtz-Instabilität). Die relevante Gleichung lautet:
Ri = N² / (du/dz)²
wobei N² die Brunt-Väisälä-Frequenz (ein Maß für die atmosphärische statische Stabilität) und du/dz die vertikale Windscherung ist.
Der Klimawandel beeinflusst beide Terme, aber der Scherungsterm dominiert. Die arktische AmplifikationDas Phänomen, bei dem die Arktis zwei- bis viermal schneller erwärmt als der globale Durchschnitt, verstärkt durch Rückkopplungen wie das Freilegen dunklen Ozeans durch Eisverlust., die bevorzugte Erwärmung der Polarregionen mit etwa dem Zwei- bis Vierfachen der globalen Durchschnittsrate, verändert den meridionalen Temperaturgradienten. Dieser Gradient ist der thermodynamische Motor der Jetstreams über das thermische Windgleichgewicht. Der Zusammenhang lässt sich ausdrücken als:
∂u/∂z = -(g/fT)(∂T/∂y)
wobei g die Erdbeschleunigung, f der Coriolisparameter, T die Temperatur und ∂T/∂y der meridionale Temperaturgradient ist. Da die differentielle Erwärmung diesen Gradienten in verschiedenen Höhen verändert, intensiviert sich die vertikale Windscherung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre, wo Verkehrsflugzeuge fliegen. Forschungen mit drei unabhängigen Reanalysedatensätzen haben eine 15-prozentige Zunahme der vertikalen Windscherung über dem Nordatlantik seit 1979 dokumentiert.
Davide Faranda, Forschungsdirektor für Klimaphysik am Laboratoire de Science du Climat et de l’Environnement (Laboratorium für Klimawissenschaft und Umwelt) in Frankreich, hat eine treffende Analogie vorgeschlagen: „Wenn Sie ein kleines Boot haben und es in diesen Fluss legen, werden Sie es sehr stark schaukeln sehen.” Der Jetstream ist der Fluss; das Flugzeug ist das Boot; und der Klimawandel verbreitert und beschleunigt die Strömung.
Prognoseprobleme und betriebliche Konsequenzen
CAT stellt ein einzigartiges Erkennungsproblem dar. Konvektive Turbulenzen erzeugen per Radar sichtbare Feuchtigkeitssignaturen. Gebirgswellenturbulenzen haben vorhersagbare geografische Auslöser. CAT tritt definitionsgemäß in wolkenfreier Luft auf, ohne Feuchtigkeit zur Streuung von Radarsignalen. Aktuelle Vorhersagen stützen sich auf Modelle der numerischen Wettervorhersage (NWV), die Scherung und Stabilitätsfelder schätzen, ergänzt durch Pilotenberichte (PIREPs). Beide haben erhebliche Einschränkungen: NWV-Modellen fehlt die Auflösung, um mesoskalige turbulenzerzeugende Prozesse zu erfassen, und PIREPs sind räumlich und zeitlich spärlich verteilt.
Die Kosten für die Luftfahrtbranche sind erheblich. Mark Prosser hat Schätzungen von 150 bis 500 Millionen Dollar jährlich allein in den USA für turbulenzbedingte Ausgaben zitiert, darunter Verletzungen, Flugzeugüberprüfungen, Wartung und Streckenumleitung. Die FAA verzeichnete 2023 zwanzig schwere Verletzungen durch Turbulenzen, den höchsten Jahreswert in ihren Daten. Clear-Air Turbulence ist laut Foudads Forschung für etwa 70 % aller wetterbedingten Luftfahrtunfälle in den USA verantwortlich.
Paul Williams, der das Turbulenz-Klima-Forschungsprogramm der Universität Reading seit über einem Jahrzehnt leitet, hat prognostiziert, dass Turbulenzen auf stark genutzten Flugrouten sich in den nächsten Jahrzehnten „verdoppeln, verdreifachen oder vervierfachen” könnten. Da aktuelle Prognosewerkzeuge bereits Schwierigkeiten bei der CAT-Erkennung haben, machen die Kombination aus zunehmender Häufigkeit und anhaltenden Erkennungslücken verbesserte Turbulenz-Nowcasting-Systeme und flugzeugbasierte Sensortechnologien (wie lidarbasierte CAT-Erkennungssysteme, die derzeit entwickelt werden) zu immer wichtigerer Infrastruktur statt zu Forschungskuriositäten.
