Meteowissen: Dust Devil

Im trockenen Sommer 2018 sind sie häufig in Erscheinung getreten: Dust Devil. Mit den kleinen, aber heftigen Wirbelwinden ist nicht zu spaßen. Aber wie entstehen sie überhaupt?

Ein Dusty auf einem Feld im Siegtal. Alle typischen Zutaten
sind präsent: Viel Sonne, trockener Boden, Rotor-Lage (hinter der
Baumreihe) und eine hindernisfreie Fläche zum Austoben.
// Foto: H.Schmitz
Es geschah kürzlich bei einem Windenschlepp im Westerwald: Den ganzen Tag schon brannte die Sonne auf die abgeernteten Felder neben der Schleppstrecke. Die Thermikblasen schossen hart in die Kappen der Piloten. Der Wind am Startplatz war sehr wechselhaft, mal schwach, um dann in thermischen Böen brüllend stark anzuschwellen. Eine Kunst, hier den passenden Startzeitpunkt zu erwischen, um halbwegs kontrolliert die Sicherheitshöhe zu erreichen.

Eine Pilotin wartete schon eine ganze Weile. Plötzlich rief einer: Achtung, Dust Devil! Auf dem Nachbarfeld türmte sich eine kleine Staubwolken wild kreisend empor, tanzte wie betrunken über den Boden, näherte sich der Schleppstrecke und bog dann doch zur Seite ab, schien sich gar aufzulösen. Gefahr gebannt?

Nichts wie los, dachte sich zumindest die Pilotin, gab die Kommandos "Fertig" und "Start". Doch kaum hatte sie abgehoben und war am Seil zehn Meter in der Luft, drehte sich ihr Schirm mit einem Mal schnell und wie von Geisterhand um 90 Grad nach links. Lockout-Position. Der Windenführer reagierte geistesgegenwärtig und nahm den Zug weg. Durchpendeln. Gegendrehen. Sekunden später stand die Pilotin am Boden. Unversehrt. Alles ging so schnell, dass sie nicht einmal realisiert hatte, in welcher Gefahr sie gerade noch geschwebt hatte. Die anderen Beobachter atmeten tief durch. Ein Lehrstück par excellence: Auch mit den unsichtbaren Randturbulenzen eines Dust Devils ist nicht zu spaßen!

Ein Dust Devil (fast ohne Staub) an einem Startplatz.
// Quelle: Youtube , bearbeitet
Erlebnisse wie diese dürfte es im extrem trockenen Sommer 2018 etliche gegeben haben. Dem DHV wurden mehrere schwere Unfälle gemeldet. Immer wieder war von unerwartet starken Turbulenzen in Bodennähe die Rede, möglicherweise auch Dust Devil. In den Foren häuften sich die Meldungen von Staubteufeln. Ein guter Grund, sich einmal etwas näher mit diesem besonderen Thermikphänomen zu beschäftigen.

Tatsächlich sind Dust Devil nichts anderes als Randeffekte thermischer Ablösungen, die in dieser Ausprägung  allerdings nur unter besonderen Voraussetzungen auftreten. Die Hauptzutaten sind:
  • starke Sonneneinstrahlung mit starker Überhitzung am Boden
  • ein trockener Untergrund
  • nur wenig Wind (in der Entstehungszone)
  • Rotorlage
  • hindernisfreie Flächen

Eine starke thermische Ablösung ist wie ein Atompilz.
Im schmalen Fuß wird Luft nachgesaugt und stark beschleunigt.
// Quelle: Wikimedia Commons
1. Starke Überhitzung 
Das ist die wichtigste Zutat für einen Dust Devil: Die Sonne muss für längere Zeit ungebremst auf den Boden scheinen und diesen stark erwärmen können (lies hierzu auch: Die Tücken der Überadiabate). Nur dann wird sich die aufliegende Luft so stark erhitzen, dass sie in eher kleineren Blasen vehement genug ablöst, dass die darunter nachströmende Luft in einen engen "Fuß" gezwungen wird. Man kann sich solche starken Ablösungen wie eine Art Atompilz vorstellen: Oben die breitere, hochschnellende Blase, darunter der schmale, säulenartige Fuß. Je schneller die Blase steigt, desto schmaler wird der Fuß und umso kleiner der für die nachströmende Warmluft verfügbare Querschnitt. Hier wirkt nun das Bernoulli-Gesetz: Je beengter die Strömungsverhältnisse sind, desto stärker wird die Strömung im Fuß beschleunigt. Zugleich findet im Kern ein starker Druckabfall statt. Und da Luftmassen immer zum niedrigen Druck hin strömen, entwickelt die Säule einen Saugeffekt, der in alle Richtungen wirkt und am Boden halt auch Mineralstaub ansaugt und aufwirbelt.

2. Trockener Untergrund
Ein gut ausgetrockneter Boden ist für den Dust Devil von doppelter Bedeutung. Zum einen bewirkt die Trockenheit, dass sich der Boden deutlich besser und schneller im Sonnenschein erwärmt, und damit auch die darüberliegende Luft sehr gut aufheizen kann. Zum anderen bietet nur trockener Boden ungebundene Staubmassen, die in den verengten Thermikblasenfuß gesaugt werden können und diesen für uns sichtbar machen. Allerdings haben sie nicht nur einen optischen Effekt. Der Staub wirkt für einen Dust Devil wie ein Verstärker.
Das hat wiederum zwei Gründe: Erstens gibt der Staub auch mit etwas Bodenabstand weiter Wärme an die Luft ab und hält damit einen stärkeren thermischen Gradienten aufrecht. Zweitens kann der Staub zu einer Art elektrostatischem Booster werden: Die aufgewirbelten Staubpartikel stoßen und reiben aneinander, wodurch sie sich elektrostatisch aufladen. Wie die jeweils gleichartigen Pole zweier Magnete drücken sich die Staubteilchen dann voneinander fort, was den Wirbeln und dem Aufwind im Kern aus sich selbst heraus noch einen extra Kick geben kann.
Diese elektrostatischen Kräfte sind allerdings keine zwingende Voraussetzung. Die Wirbelstrukturen eines Dust Devils können sich auch komplett ohne Staub ausbilden. In diesem Fall bleibt der Devil ohne Dust allerdings nahezu unsichtbar.

3. Wenig Wind
Dust Devil entstehen am ehesten bei schwachen Windverhältnissen. Je stärker der Wind schon weht, desto turbulenter wird die bodennahe Grenzschicht der Luft ständig durchmischt. Warmluftblasen werden schon fortgerissen, bevor sie sich stark genug überhitzt haben. Nur bei wenig Wind ist die Verweildauer am Boden gegeben, um die extra Portion Hitze an die Luft zu übertragen.
Bei allgemeiner Windstille (bis auf lokale, rein thermische Böen) kommen Dust Devil allerdings auch wieder seltener vor. Das hängt damit zusammen, dass sich mangels Wind weniger lokale Wirbelstrukturen ausbilden, die die Ausbildung von Dust Devil unterstützen (s. 4. Rotorlage).
Eine ideale Kombination ist ein schwacher Grundwind, der kleinere, nahezu windstille Bereiche in einem Lee umfließt. Schießen aus dem windstillen Lee überhitzte Thermikblasen los, können sie umliegende Kreis-Strömungen gewissermaßen als Drehimpuls-Geber für die Wirbelstruktur des Dust Devils anzapfen.

4. Rotorlage
Bodennahe Rotoren, typischerweise im Lee von
Hindernissen, können von aufsteigenden
Thermikblasen mitgerissen und auch
aufgerichtet werden.
// Quelle: weatherquestions.com
Dust Devil benötigen als Wirbelwinde irgendwoher einen Impuls, damit sich der geordnete Wirbel ausbilden kann.
Das kann aus dem Chaos der im Thermik-Fuß zusammenfließenden Luftmassen heraus entstehen. Am einfachsten geschieht das allerdings, wenn in der Landschaft zuvor schon größere Luftwirbel bestehen. Der Dust Devil übernimmt deren Drehimpuls und spitzt ihn nur auf einen viel engeren Drehradius zu. Die größeren Luftwirbel sind typischerweise Rotoren, wie sie sich im Lee von Hindernissen wie Baumreihen oder Geländeknicken einstellen.
Dabei ist es egal, ob diese Rotoren erst einmal eine horizontale oder eine vertikale Drehachse besitzen. Durch die heftige thermische Ablösung werden die Luftteilchen so empor gerissen, dass ihr Drehimpuls zwangsläufig auf eine senkrechte Drehachse umgelenkt wird. Weil sich dabei im engen Thermikfuß der Drehradius stark verringert, erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit der Luft (Pirouetten-Effekt). Der Wirbel wirbelt auf engem Raum einfach viel schneller.

5. Hindernisfreie Flächen
Damit Dust Devil entstehen und auch längere Zeit bestehen bleiben, wollen sie nicht gestört werden. Die Luft muss möglichst frei von allen Seiten in den zentralen Wirbel strömen können, ohne dass an Hindernissen Randwirbel entstehen, die ihrerseits Energie verbrauchen. Dust Devil toben deshalb über freie Felder, kurzgeschorene trockene Wiesen oder staubige Wüstenlandschaften. In geschlossenen Waldgebieten werden sich keine Staubteufel entwickeln – wohl aber gerne auf Feldern im Lee von Waldkanten oder auf größeren Lichtungen.


Nun ließe sich noch viel über die Gefahren und Besonderheiten von Dust Devil schreiben. Im folgenden gehe ich nur auf ein paar Fragen, aber auch Fehlinformationen ein, die mir in verschiedenen Diskussionen zu Dust Devil immer wieder begegnet sind:

Ist ein Dust Devil ein Mini-Tornado?
Nein. Vom Aussehen könnte man das zwar meinen, weil es sich jeweils um enge Wirbelwinde handelt. Aber die Entstehungsweise und die Entstehungsvoraussetzungen sind andere. Dust Devil entstehen vom überhitzten Boden aus und wachsen dann nach oben, während Tornados typischerweise von unterkühlten großen, rotierenden Gewitterwolken (Superzellen) ausgehen, bei denen Rotoren durch Kaltluftausflüsse aus höheren Luftschichten nach unten gezogen werden.

Drehen Dust Devils immer wie ein Tief links herum?
Nein. Die Drehrichtung eines Dust Devils wird nicht vom Coriolis-Effekt beeinflusst, dafür sind die Ausmaße viel zu klein. Prägend für die Drehrichtung sind vorherrschende Wirbel (typischerweise Lee-Rotoren) in der Landschaft, deren Drehung vom Dust Devil übernommen, aber auf viel kleinerem Raum zusammengezogen wird.

Markiert ein Dust Devil immer den Kern einer starken Thermik?
Nicht unbedingt. Dust Devil entstehen zwar durch thermische Ablösungen. Aber das bedeutet nicht automatisch, dass Dust Devil immer die darüber aufsteigende Thermik markieren. Thermikblasen können sich von ihrem Thermikfuß (s.o.) abschnüren und werden dann getrennt von diesem im Wind versetzt. Der wirbelnde Fuß führt dann als Dust Devil ein Eigenleben. Die Luft, die er ansaugt und hochpusht, verpufft ihre Energie oben raus sehr bald in den Randwirbeln. Der Dust Devil allein ergibt keine hochreichende Thermik.
Manche Dust Devil können auch gleich am Rand bzw. im Lee großer Thermikbärte entstehen. Hier werden Randwirbel der Thermiken zum Wirbel des Dust Devils weiter verengt. Die eigentliche Hauptthermik steht dann etwas entfernt vom Staubteufel (s. Feuervideo unten).
Aus größerer Höhe können Dust Devil dennoch wertvolle Hinweise liefern, wo in der Landschaft besonders thermikträchtige Zonen liegen – vor allem wenn man einen Dust Devil direkt bei der Entstehung beobachten kann.

Kann man über einen Dust Devil fliegen und eindrehen?
Man kann, sollte das aber mit Respekt und nur mit einer Sicherheitshöhe von ein paar hundert Metern tun. Empfehlenswert ist dabei, auf jeden Fall die Drehrichtung des Devils zu beachten und seine Kreise entgegengesetzt zu fliegen. Mit Wind von vorn steigt der Schirm in der Thermik nicht nur besser, er bleibt in möglichen Turbulenzen auch besser manövrier- und kontrollierbar.

Was soll ich tun, wenn ich im Landeanflug einem Dusty begegne?
Möglichst weit abseits der Staubsäule bleiben. Flugpfad gegen die Drehrichtung des Staubwirbels wählen.

Was soll ich tun, wenn am Startplatz oder in der Nähe ein Dusty durchzieht?
Erst einmal nicht starten! Schirm sichern (zur Tulpe zusammenraffen und notfalls sich selbst darauf setzen oder legen). Schirm vom Gurtzeug trennen und ein eingehängtes Windenseil sofort ausklinken. Wenn der Dusty durchgezogen ist bzw. sich aufgelöst hat, immer erst ein paar Minuten abwarten mit dem nächsten Start, damit sich die verwirbelte Luft wieder beruhigt.


Zum Abschluss noch ein schön anzusehendes Video, entstanden beim Wüstenfestival Burning Man in den USA. Es zeigt, wie sich auf der Leeseite eines großen Feuers immer wieder Dust Devil bilden, die dann mit dem Wind weiterziehen. Wer sich nun fragt, wie am Abend bei tief stehender Sonne und schon abgekühltem Boden die Wirbelwinde selbst mit größerem Abstand zum Feuer kaum an Schwung verlieren, der findet hier ein tolles Beispiel dafür, wie neben der Thermik auch die elektrostatischen Kräfte des aufgewirbelten Mineralstaubes zum Antrieb beitragen. Wer aufmerksam hinschaut, wird bemerken können, dass die Staubteufel sogar wechselnde Drehrichtungen aufweisen, mal rechts, mal links herum. Das dürfte mit sprunghaften Lee-Wirbeln hinter dem Feuer zusammenhängen.




Wo Du schon mal hier bist…

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4 Kommentare:

ekke hat gesagt…

"... dass die Staubteufel sogar wechselnde Drehrichtungen aufweisen, mal rechts, mal links herum."

Klingt nach Kármánscher Wirbelstraße.

Anonym hat gesagt…

Tag allerseits,

interessant ist auch, dass Dust Devils sich systematisch
in die konvektive Struktur einordnen. Sie entstehen
an Punkten, an denen auch die stärksten Aufwinde zu finden sind
(oft Hubs oder Vertices genannt).

Es sind entgegen dem anschaulichen Eindruck also keine separaten
lokalen Phänomene, sondern in eine Zirkulation eingebettet.

Siehe dazu: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2011JD016010
(weiß nicht obs barrierefrei ist).

Außerdem gibt es wohl noch keine akzeptierte Theorie zur Entstehung.
Es ist nicht klar nach welchem Mechanismus die Rotation erzeugt wird.
Das kam aus dem Text nicht ganz raus, deswegen wollte ich das noch anmerken.

Gruß
Tobias Göcke

Thomas hat gesagt…

Einer deiner besten Artikel überhaupt, Lucian. Unterhaltsam, leicht zu lesen und lehrreich! Danke schön

Unknown hat gesagt…

Wunderbare Zusammenfassung! Danke - einmal mehr, Lucian!