Hoe ontstaat turbulentie? De vijf belangrijkste oorzaken uitgelegd

Belangrijkste feiten

• Turbulentie komt van wervelingen in de atmosfeer en wordt meestal ingedeeld naar bron: convectie, windschering in heldere lucht, berggolven, het terrein en het zog van vliegtuigen [1].
• Turbulentie door convectie speelde mee bij 57,7% van de turbulentie-ongevallen bij Amerikaanse luchtvaartmaatschappijen van 2009 tot 2018, heldere-luchtturbulentie bij 28,8% [1].
• Straalstromen zijn smalle banden met harde wind op 6,5 tot 13 km hoogte (4 tot 8 mijl) die meer dan 440 km/u (275 mph) kunnen halen [2].
• Als de windschering sterk genoeg wordt vergeleken met de stabiliteit van de lucht (een Richardsongetal onder ongeveer 0,25), kan de lucht in golven en turbulentie breken [3].
• Berggolven ontstaan als er wind van meer dan 15 knopen (zo'n 28 km/u) dwars over een bergkam waait; hun op- en neergaande stromingen kunnen 600 meter per minuut halen (2.000 voet per minuut) [4].
• Wervels achter een vliegtuig blijven meestal 1 tot 3 minuten bestaan en zakken onder zijn vliegbaan [5].
• Op een gemiddeld punt boven de Noord-Atlantische Oceaan kwam zware heldere-luchtturbulentie in 2020 55% vaker voor dan in 1979 [3].

Wat is turbulentie?

Turbulentie is onregelmatige, wervelende beweging van de lucht die een vliegtuig op en neer of opzij laat hobbelen. Lucht gedraagt zich veel als water: het stroomt, vormt draaikolken rond obstakels en maakt golven waar lagen met verschillende snelheid elkaar raken. Een verkeersvliegtuig dat door die lucht vliegt, is als een boot die op een winderige dag over het IJsselmeer vaart.

Belangrijk om meteen te weten: voor een passagier met de gordel om is dat onprettig, maar zelden gevaarlijk. Vliegtuigen zijn gebouwd voor minstens 2,5 g. De cijfers daarover lees je in is turbulentie gevaarlijk?

Het turbulentieonderzoek van de Amerikaanse NTSB deelt turbulentie in naar vijf bronnen [1]. Hier zijn ze, van de meest besproken tot de meest plaatselijke.

1. Heldere-luchtturbulentie en de straalstroom

Heldere-luchtturbulentie (in het Engels clear-air turbulence, CAT) is turbulentie op middelgrote en grote hoogte door sterke windschering, zonder wolken die haar verraden [6]. Het is wat de meeste mensen bedoelen met "het werd ineens hobbelig, uit het niets".

De grootste boosdoener is de straalstroom. Straalstromen zijn vrij smalle banden met harde wind hoog in de atmosfeer, meestal rond de 9 km (30.000 voet), variërend van 6,5 tot 13 km hoogte, en ze kunnen meer dan 440 km/u halen [2]. Ze ontstaan waar warme en koude lucht elkaar ontmoeten, en ze zijn in de winter het sterkst, als dat temperatuurverschil het grootst is [2]. Volgens de WMO kun je turbulentie vinden vlak bij de rand van de straalstroom, op de hoogtes waar verkeersvliegtuigen kruisen [6]. Op de route van Amsterdam naar New York vliegt je toestel vaak tegen die straalstroom in; op de terugweg gebruikt het de wind juist als duwtje in de rug.

Waarom geeft harde wind hobbels? Omdat de snelheid sterk verandert met de hoogte. Waar de ene luchtlaag snel over de andere schuift, kan de grens oprollen tot golven, zoals wind golven maakt op het water. Meteorologen meten dat kantelpunt met het Richardsongetal: als de schering de stabiliteit van de lucht overheerst (een waarde onder ongeveer 0,25), kunnen deze Kelvin-Helmholtzgolven ontstaan en breken tot turbulentie [3].

Heldere-luchtturbulentie is vooraf moeilijk te zien. Ze verschijnt niet op de weerradar van een verkeersvliegtuig, en ze is met teledetectie "moeilijk vooraf waar te nemen op de route van een vliegtuig" [3]. Weermodellen zien de kleine wervelingen ook niet direct, dus berekenen meteorologen turbulentie-indexen uit de wind van het model [3]. Zo werkt een turbulentie voorspelling.

2. Buien en convectie

Convectie is de verticale beweging van warmte en vocht in de atmosfeer, vooral via op- en neerwaartse luchtstromen [1]. Onweersbuien zijn de bekendste vorm, maar niet de enige [1]. Stapelwolken op een warme zomerdag boven de Veluwe zijn kleinere tekenen van dezelfde opstijgende lucht. De WMO zegt het simpel: convectie gaat altijd samen met turbulentie [6].

Convectieve turbulentie is het belangrijkst voor letsel. In het NTSB-onderzoek naar turbulentie-ongevallen bij Amerikaanse maatschappijen van 2009 tot 2018 speelde ze mee bij 57,7% ervan [1]. Buien zijn ook de oorzaak die het best te ontwijken is: ze zijn zichtbaar op de weerradar, en piloten vliegen eromheen. Dat is een van de redenen dat het gordellampje vaak aangaat bij wolken, tijdens het klimmen en dalen.

3. Berggolven

Berggolven zijn op- en neergaande schommelingen van de lucht aan de lijzijde van hoog terrein [4]. Denk aan water dat in een beek over een steen stroomt: erachter ontstaan rimpelingen.

Ze ontstaan vooral als [4]:

• de wind binnen 30 graden dwars over de bergkam waait, zonder veel van richting te veranderen met de hoogte;
• de wind op de top harder is dan 15 knopen (zo'n 28 km/u) en met de hoogte toeneemt;
• er een stabiele luchtlaag (een inversie) vlak boven de bergen ligt.

In de golven kunnen verticale stromingen 600 meter per minuut halen (2.000 voet per minuut) [4]. Is de lucht vochtig, dan kunnen er gladde, lensvormige wolken (lenticularis) in de golftoppen ontstaan, een zichtbaar teken dat er golven zijn [4]. Meteorologen geven voorspellingen en waarschuwingen voor berggolven uit, en de Amerikaanse turbulentiekaarten tonen ze ook [7]. Vanuit Nederland en België merk je ze het vaakst boven de Alpen, op weg naar Italië, Griekenland of Turkije; verder weg spelen de Rocky Mountains en de Andes. Zie de meest turbulente vliegroutes (in het Engels).

4. Turbulentie bij de grond (mechanisch)

Vlak boven de grond breekt wind die over heuvels, bomen en gebouwen strijkt in wervelingen, zoals water dat over een stenige bodem kolkt. De NTSB noemt dit turbulentie door het terrein: wrijving tussen de lucht en onregelmatig terrein of bouwwerken [1].

Je voelt het vooral op winderige dagen, tijdens het opstijgen en de laatste minuten voor de landing, zoals bij een stevige westenwind op Schiphol in de herfst. Het duurt kort, het verklaart waarom landingen bij wind wat wiebelig kunnen voelen, en piloten trainen er voortdurend op.

5. Zogturbulentie

Elke vleugel die lift maakt, laat achter zijn vleugeltips twee draaiende wervels achter [5]. Hoe zwaarder het vliegtuig, hoe sterker de wervels, en grote widebodies maken de sterkste [5]. De wervels zakken na het ontstaan meestal naar beneden, drijven mee met de wind en verdwijnen doorgaans na één tot drie minuten [5].

Luchtverkeersleiders houden vliegtuigen op afstand van elkaar, met meer ruimte achter grotere toestellen, zodat het zog tijd heeft om te zakken en uit te doven [5]. Kruist een verkeersvliegtuig op kruishoogte toch eens een oud zog, dan voelen passagiers meestal een korte, scherpe schok of een rolletje.

Maakt klimaatverandering turbulentie erger?

Voor heldere-luchtturbulentie zegt het onderzoek: ja. Een studie uit 2023 in Geophysical Research Letters analyseerde 1979 tot 2020 met 21 turbulentieberekeningen [3]. Op een gemiddeld punt boven de Noord-Atlantische Oceaan steeg de jaarlijkse tijd met zware of ergere heldere-luchtturbulentie met 55%, van 17,7 naar 27,4 uur; matige of ergere steeg met 37%, en lichte of ergere met 17% [3]. De toenames waren het grootst boven de VS en de Noord-Atlantische Oceaan [3].

Dezelfde studie wijst erop dat betere voorspellingen de kans moeten verkleinen dat een vliegtuig er echt in terechtkomt, ook al is er meer van [3]. Wat dat betekent voor je veiligheid, lees je in is turbulentie gevaarlijk?

Waarom sommige vluchten hobbeliger zijn dan andere

Zet je de oorzaken bij elkaar, dan verklaren ze de meeste hobbelige vluchten:

• Route: vluchten langs een sterke straalstroom of over grote bergketens krijgen vaker heldere-luchtturbulentie en berggolven.
• Seizoen: straalstromen zijn in de winter het sterkst [2], terwijl buien een grotere rol spelen bij warm, vochtig weer.
• Fase van de vlucht: bij klimmen en dalen ga je door wolkenlagen en buien; ongeveer de helft van de turbulentie-ongevallen bij Amerikaanse maatschappijen gebeurt tijdens de daling of nadering [1].
• Tijdstip: zie het beste moment om te vliegen voor minder turbulentie (in het Engels).

Zo helpt Sorapuff

De routevoorspelling van Sorapuff kijkt naar de oorzaken die je niet kunt zien. De app downloadt de GFS-winden van NOAA langs je route, berekent op je telefoon een bekende index voor heldere-luchtturbulentie en voegt waarschuwingen voor onweer en berggolven (SIGMET's) en recente pilotenmeldingen van aviationweather.gov toe. Hij is getoetst aan duizenden echte pilotenmeldingen, en het blijft een kans, nooit een belofte. Eén voorspelling is gratis; Pro geeft onbeperkt voorspellingen (prijzen).

Veelgestelde vragen

Wat is clear air turbulence?

Clear air turbulence, in het Nederlands heldere-luchtturbulentie, is hobbeligheid op middelgrote en grote hoogte door sterke windschering, meestal rond de straalstroom, in lucht zonder wolken die haar verraden. Omdat ze onzichtbaar is en niet op de weerradar verschijnt, voelt dit type het vaakst alsof het uit het niets kwam. Meteorologen voorspellen haar uit de wind van weermodellen, en piloten melden haar aan elkaar.

Waarom kunnen piloten turbulentie niet op de radar zien?

De weerradar van een verkeersvliegtuig ziet waterdruppels en ijs, dus buien en zware regen zijn duidelijk zichtbaar. Heldere-luchtturbulentie zit in droge, wolkeloze lucht, dus er is niets waar de radar op kan weerkaatsen. Daarom vertrouwen piloten daarvoor op voorspellingen en meldingen van andere vliegtuigen, en zetten ze het gordellampje aan als er hobbels verwacht worden.

Geeft de straalstroom turbulentie?

Vaak wel. De straalstroom zelf is snel, maar kan in de kern rustig zijn. Turbulentie ontstaat vooral aan de randen, waar de windsnelheid sterk verandert met de hoogte of over een afstand. Maatschappijen liften oostwaarts graag mee op de straalstroom voor de rugwind, en bemanningen zoeken een andere hoogte als het hobbelig wordt.

Waarom is het hobbeliger boven de bergen?

Wind die over een bergketen waait, kan de lucht erachter op en neer laten golven, zoals rimpelingen achter een steen in een beek. Die berggolven ontstaan het best als harde wind recht over een bergkam waait en er stabiele lucht boven ligt. Meteorologen waarschuwen ervoor, en piloten kiezen hoogtes en routes om de vlucht zo rustig mogelijk te houden.

Kan een ander vliegtuig turbulentie veroorzaken?

Ja. Elke vleugel laat twee draaiende wervels achter, het sterkst achter zware toestellen. Ze zakken en doven binnen een paar minuten uit. Luchtverkeersleiders houden afstand tussen vliegtuigen zodat het zog kan verdwijnen, dus passagiers voelen het zelden, en als ze het voelen, is het meestal een korte schok.

Bronnen

1. Preventing Turbulence-Related Injuries in Air Carrier Operations Conducted Under Title 14 CFR Part 121, Safety Research Report SS-21/01 (2021), NTSB
2. The Jet Stream, NOAA JetStream: An Online School for Weather
3. Evidence for Large Increases in Clear-Air Turbulence Over the Past Four Decades, Geophysical Research Letters (2023)
4. Mountain Waves, SKYbrary Aviation Safety
5. Wake Vortex Turbulence, SKYbrary Aviation Safety
6. Aviation Hazards: Turbulence and Wind Shear, World Meteorological Organization
7. Graphical Forecasts for Aviation help: Turbulence, Aviation Weather Center (NOAA)