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Thema des Tages

Vereisung in der Luftfahrt ? Teil 1: Rau- und Klareis


In der Luftfahrt ist Vereisung ein wichtiges, sicherheitskritisches 
Thema. Doch welche atmosphärischen Bedingungen führen überhaupt zur 
Bildung von Wassereis an einem Flugzeug? Welche Vereisungsarten gibt 
es und welche Auswirkungen haben diese? Diesen Fragen wollen wir uns 
in einem mehrteiligen Thema des Tages widmen.


Unter Vereisung wird die Ablagerung von Eis oder Reif auf 
Luftfahrzeugen verstanden, die sich in der Luft oder am Erdboden 
befinden. Eisansatz am Flugzeug beeinträchtigt die Aerodynamik vor 
allem durch verminderten Auftrieb und erhöht zugleich den 
Luftwiderstand sowie das Gewicht des Flugzeuges. So kann das Tragwerk
unter Umständen nicht mehr genügend Auftrieb erzeugen, um das 
Luftfahrzeug in der Luft zu halten. Außerdem können die Ruder des 
Flugzeugs blockiert und bei schnellem Eisansatz auch die Sicht 
behindert werden. Eisansatz kann außerdem die Profilform der Trag- 
und Steuerflächen verändern, sodass ein Strömungsabriss droht.

Es wird zwischen den folgenden Haupttypen des Eisansatzes 
unterschieden: Raueis, Klareis, Mischeis, Backschnee und Raureif.

Raueis entsteht, wenn kleine stark unterkühlte Wassertröpfchen meist 
mit einem Durchmesser kleiner 20 ?m (0,02 mm) bei Kontakt mit einer 
Oberfläche unter 0 Grad schnell gefrieren. Die Schnelligkeit des 
Übergangs in einen gefrorenen Zustand liegt darin, dass die Tröpfchen
klein sind und der fast sofortige Übergang zur Bildung einer Mischung
aus winzigen Eispartikeln und eingeschlossener Luft führt. Die 
resultierende Eisablagerung ist rau und kristallin, undurchsichtig 
und aufgrund ihrer kristallinen Struktur spröde und porös. (In 
Abbildung 1.1. ist eine schematische Ablagerung von Raueis an einer 
Tragfläche dargestellt.) Raueis wird begünstigt, wenn die Temperatur 
der betreffenden Luftschicht zwischen -10 und -40 Grad liegt und der 
Flüssigwassergehalt in der Wolke geringer ist. Dadurch kann die beim 
Gefrierprozess freiwerdende Wärme umgehend abgeführt werden. 

Raueis bildet sich häufig in stratiformer Bewölkung bei einer 
feuchtstabilen Schichtung (Für detaillierte Begriffserklärungen siehe
Glossar-Links unterhalb des Textes.). Vor allem im oberen Bereich 
dieser Wolken sind die erforderlichen kleinen Tröpfchen vorhanden. 
Während des Fluges durch die Wolken entsteht Raueis an den 
Vorderkanten der angeströmten Flugzeugoberflächen und wächst dem 
Fahrtwind entgegen. (Abbildung 2 zeigt gebildetes Raueis am Tragwerk 
eines Flugzeuges.) Dies kann die aerodynamischen Eigenschaften sowohl
der Flügel als auch der horizontalen Stabilisatoren beeinträchtigen 
und die Lufteinlässe des Motors einschränken. Wenn das Anwachsen 
anhält, können sich aus der zunächst groben Beschichtung an der 
Vorderkante der Oberfläche unregelmäßige Vorsprünge nach vorne in den
Luftstrom entwickeln.

Klareis wird im Gegenteil zum Raueis durch weniger stark unterkühlte 
und größere Wassertröpfchen gebildet. Diese Tröpfchen haben einen 
Durchmesser von 40 bis 500 ?m (0,04 mm bis 0,5 mm) und werden im 
Englischen als "supercooled large droplets" bezeichnet. Der 
auftretende Temperaturbereich liegt meist zwischen 0 und -15 Grad. 
Von diesen Wassertröpfchen gefriert nur ein kleiner Teil sofort, da 
beim Gefrieren kurzfristig Wärme freigesetzt wird. Dies führt nach 
dem Auftreffen zunächst zu einem Rücklauf des unterkühlten Wassers 
und erst dann zu einem fortschreitenden Einfrieren der verbleibenden 
Flüssigkeit auf den Flugzeugoberflächen, und da die resultierende 
gefrorene Ablagerung als Ergebnis relativ wenige Luftblasen enthält, 
ist das angesammelte Eis transparent und durchscheinend. (In 
Abbildung 1.2. ist eine schematische Ablagerung von Klareis an einer 
Tragfläche dargestellt.) Wenn der Gefrierprozess ausreichend langsam 
ist, damit sich das Wasser vor dem Einfrieren gleichmäßiger 
ausbreiten kann, ist die resultierende transparente Eisschicht 
möglicherweise schwer zu erkennen. Je größer die Tröpfchen und je 
langsamer der Gefrierprozess ist, desto transparenter ist das Eis. 

Klareis gilt als die gefährlichste Art der Vereisung, da der 
Eispanzer innerhalb weniger Minuten um einige Zentimeter anwachsen 
und damit das Gewicht des Luftfahrzeuges deutlich erhöhen kann. Mit 
fortschreitender Vereisung kann die zu Beginn glatte Oberfläche 
uneben werden, wodurch sich zusätzlich die aerodynamische Form des 
Flugzeuges verändert. (Abbildung 3 zeigt gebildetes Klareis am 
Tagwerk eines Flugzeuges.) Gelegentlich können bestimmte 
Kombinationen von Temperatur und Tropfengröße zur Bildung einer 
Doppelhorn-Form vor allem an der Vorderkante der Tragfläche mit 
Vorsprüngen sowohl von der oberen als auch von der unteren 
Vorderkantenoberfläche führen. (In Abbildung 1.3. ist eine 
schematische Darstellung von Klareis mit Doppelhorn-Form 
dargestellt.) Klareis ist vor allem in den unteren Bereichen von gut 
entwickelter cumuliformer Bewölkung anzutreffen. Außerdem kann sich 
Klareis auch bei gefrierendem Sprühregen oder Regen bilden.

In den nächsten Teilen diese Reihe werden wir uns genauer mit den 
Vereisungsarten Mischeis, Backschnee und Raureif und deren 
Auswirkungen auf die Aerodynamik eines Flugzeuges auseinandersetzen.


M.Sc.-Met. Sebastian Altnau
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 05.10.2020

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