Wind, Böen, physik. Systeme, Oszillationen...

[audacium]

Hallo,


da ich von meinem Schreibtisch aus einen wunderschoenen Blick auf herbstlich gefaerbte Baeume habe, kann ich zur Zeit ganz wunderbar die Wirkungen von Wind und vor allem Böen beobachten.

Was mich schon laenger beschaeftigt: Woher kommen Böen?

Es sind meiner Beobachtung nach recht regelmaessige Windstoesse: also Wind weht etwas, dann frischt er stark auf, flaut fast sofort wieder ab, nach einigen Sekunden frischt er wieder auf etc. (Meine Neugierde gilt daher weniger irgendwelchen Fallböen o.ae.)

Werden diese "Windstoesse" in der Meteorologie irgendwie als harmonische oder anharmonische (getriebene) Schwingungen modelliert? Wenn ja, was sind die Rueckstellkraefte, was ist die Daempfung, was ist die angreifende Kraft?

Warum also weht Wind nicht einfach gleichmaessig, wenn ein Druckgefaelle besteht? Bodenformen, Hindernisse, etc. wird wohl irgendwie dahinterstecken, aber was ist der Modellierungszusammenhang?

Waere schoen, wenn jemand dazu etwas schreiben kann oder mich an relevante Literatur verweisen kann.


Danke, Gruesse.

[luaas]

AW: Wind, Böen, physik. Systeme, Oszillationen...

Hallo Eduard,

Böen haben sehr viel mit dem Höhenwind zu tun. Ein bisschen Hintergrund dazu findest Du hier:

http://lu-glidz.blogspot.com/2006/10/den-hhenwind-im-blick.html

[jbuchli]

-> nichtlineare dynamik!

hi eduard,

es gibt in der mathematik und der physik das konzept von selbst-induzierten oszillationen. das sind systeme die oszillationen aufweisen ohne von aussen getrieben zu werden.

dass selbst-induzierte oszillationen möglich werden, braucht es nichtlineare mechanismen im system (und zusätzlich, vom physikalischen standpunkt, handelt es sich um offene systeme), d.h. du kannst sie nicht mit linearen, "harmonischen" oszillatoren modellieren.

die nichtlinearität ist in der atomsphäre gegeben (vgl. navier-stokes gleichungen) - und es handelt sich auch um ein offenes system.

solche systeme sind sehr interessant da sie die eigenschaft haben interessante zeitlich-räumliche muster zu erzeugen. die oszillationen sind ein typisches beispiel eines zeitlichen musters. wolkenformationen (die sehr regelmässig sein können) sind ein typisches zeitlich-räumliche muster.

diese muster können aber auch solche dinge wie hurrikane oder ähnliches sein.

etwas detailierter: der zustand in dem das system konstantes verhalten aufweist kann in einem solchen system instabil werden und in oszillationen übergehen, und das ohne dass es einen "grund" von aussen dafür gibt.

nichtlineare systeme spielen in allen bereichen, längen und zeitskalen eine fundamental rolle (quanten-physik, chemie, biology, atmosphären-physik, astronomie, etc.).

leider haben solche offenen,nichtlinearen systeme die etwas unangenehme eigenschaft sehr schwierig analysierbar zu sein

stichworte für literature (in englisch):

- (nonlinear) oscillators
- limit cycles (limit cycle systems)
- pattern formation
- nonequilibrium systems
- traveling waves
- solitons
- complex systems
- sehr schönes beispiel: karman vortex street

http://en.wikipedia.org/wiki/Oscillator

es gibt einige pop-science bücher die sich mit dem thema beschäftigen, müsste sie mal zusammenkramen, schonmal zwei sind:

- The Self-Made Tapestry: Pattern Formation in Nature by Philip Ball
- H. Haken. Erfolgsgeheimnisse der Natur - Synergetik: Die Lehre vom Zusammenwirken. Rowohlt Taschenbuch Verlag, Hamburg, 1995. Originalausgabe: 1981 Deutsche Verlags Anstalt.

da mein gebiet nicht die atmosphären-physik ist kenn ich leider die relevante literature von nicht-linearer dynamik angewendet auf diese themen etwas zu wenig...

aber interessanterweise, eines der berühmtesten systeme in der nichtlinearen dynamik, der lorenz oszillator, kamm aus einer studie über atmosphähren physik. dieses system war am beginn der ganzen welle von chaos forschung.

hoffe das war etwas im sinne deine frage! (das gebiet ist endlos!)

jonas

[sorry für den lingo-mix, ich behandle dieses thema normalerweise nicht in deutsch ]

[Stefan Hörmann]

AW: Wind, Böen, physik. Systeme, Oszillationen...

Hallo,


da ich von meinem Schreibtisch aus einen wunderschoenen Blick auf herbstlich gefaerbte Baeume habe, kann ich zur Zeit ganz wunderbar die Wirkungen von Wind und vor allem Böen beobachten.

Was mich schon laenger beschaeftigt: Woher kommen Böen?

Es sind meiner Beobachtung nach recht regelmaessige Windstoesse: also Wind weht etwas, dann frischt er stark auf, flaut fast sofort wieder ab, nach einigen Sekunden frischt er wieder auf etc. (Meine Neugierde gilt daher weniger irgendwelchen Fallböen o.ae.)

Werden diese "Windstoesse" in der Meteorologie irgendwie als harmonische oder anharmonische (getriebene) Schwingungen modelliert? Wenn ja, was sind die Rueckstellkraefte, was ist die Daempfung, was ist die angreifende Kraft?

Warum also weht Wind nicht einfach gleichmaessig, wenn ein Druckgefaelle besteht? Bodenformen, Hindernisse, etc. wird wohl irgendwie dahinterstecken, aber was ist der Modellierungszusammenhang?

Waere schoen, wenn jemand dazu etwas schreiben kann oder mich an relevante Literatur verweisen kann.


Danke, Gruesse, Eduard.

Hallo Eduard,

Die am Boden auftretenden Böen sind Resultat der Turbulenz die eine Wechselhaftigkeit der Fließgeschwindigkeit - und Richtung verursacht. Dies geht stet's einher mit Induzierung eines Widerstanden sowie der Zufuhr von Wirbelhaftigkeit und hast Du erst einmal einen Wirbel in eine laminare Strömung gebracht, wird sie in Strömungsrichtung nur schwer wieder laminar werden.

Die Turbulenz lässt sich zwar in ihrer Stärke mit Formeln berechnen oder anhand von gängigen Labilitätsindizies bestimmen, sie ist in ihrem Auftreten allerdings chaotisch und unterliegt keinen definierbaren Gesetzmäsigkeiten.

- Bodenreibung (dynamische Komponente)
- Beschaffenheit der Erdoberfäche (Wald, Wasser, Wiese)

- Form der Oberfläche (dynamische Komponente)
- Luv- und Lee-Effekte

- Windzunahme mit der Höhe resultierend in:
- vertikale und horizontale Windscherung (dynamische Komponente)

- Labilität (thermische Komponente)

Die Labilität bildet dabei im Zuge der Konvektion (Vertikaler Luftmassenaustausch) ein für uns sehr wichtige Komponente. Das lässt sich sehr schön auf die Wetterlage derzeit anwenden. Gerade heute und in der Nacht waren mit jeweils den Frontdurchgängen recht labile Bedingungen geben und aufgrund der Lage der Frontalzone mit ihrem Windfeld über Deutschland war es ein leichtes den Wind mit Auf- und Abwind zum Boden zu führen. Ausreichend stabile, windabweisende Inversionen haben gefehlt.

Die Phasen von Auf- und Abwind waren es in diesem Fall die immer wieder, teils pulsierend den Höhenwind herabgeführt haben. Entsprechend hoch war die Turbulenz.

Dies hat sich heute im Tagesverlauf in den Schauern weiter fortgesetzt. Abseits der Schauer war die Böigkeit nur schwach, in Schauern sowie in Schauernähe war es allerdings auch hier an und auf der Alb sehr böig, also turbulent.

Im Flachland lässt sich mit einer Annäherungsregel übrigens in etwa die Böigkeit am Boden vorhersagen. Der 850 hPa-Mittelwind entspricht in etwa der höchsten Böen am Boden.



Das funktioniert allerdings nur bei fehlenden Inversionen. Gegeben ist dies in der Regel immer in der thermisch aktiven Jahreszeit sowie in der kalten Jahreszeit unter direktem Tiefdruckeinfluss sowie eigentlich immer bei Schauerwetter.

Gruß,
Stefan

[audacium]

AW: -> nichtlineare dynamik!

Hallo,


erst einmal herzlichen Dank an alle, die schon geantwortet haben! Ganz baerig, dass das so schnell geht .

Vor allem die verschiedenen Gesichtspunkte machen das sehr spannend, finde ich - die Erklaerungen aus Meteorologensicht und dann gleich die Anwendung auf Flugpraxis, und dann die grundlegenden Modellierungen und Zusammenhaenge mit anderen Gebieten dahinter.

Da habe ich einiges zum Lesen und werde dann auf Euch zurueckkommen...


@Jonas:

hoffe das war etwas im sinne deine frage! (das gebiet ist endlos!)

Ja, genau das ist im Sinne meiner Frage. Dein Beitrag schaut danach aus, als ob Du in anderer Form mit der Thematik zu tun hast, wenn auch nicht in der Atmosphaerenphysik. Was machst Du denn? Zur Erlaeuterung zu meiner Frage: Ich habe (u.a.) Physik studiert und habe halt deswegen bei Betrachten der Baeume und den Windböen spontan an Oszillationen gedacht und wie die wohl "wettertechnisch" entstehen koennen. Dass das Gebiet endlos und sehr spannend ist, glaube ich gerne. In der Physik treibe ich mich aber hauptsaechlich in der Quantenoptik herum, meine Ausbildung in nichtlinearer Dynamik und chaotischen System beschraenkt sich auf grundlegende Begriffe. Werde ich mir jetzt aber genauer anschauen.


Herzlichen Dank schon einmal, und viele Gruesse.

[jbuchli]

AW: Wind, Böen, physik. Systeme, Oszillationen...

hello again,

ja ich beschäftige mich schon seit einigen jahren mit nichtlinearer dynamik, pattern formation, complex systems etcetc.
ich muss sagen es gibt wohl kaum etwas dass meine sicht auf die welt so grundlegend verändert hat wie die beschäftigung mit diesem gebiet.
huch, das tönt ja schon fast religiös

ich bin ingenieur und versuche die erkenntnisse aus nichtlinearer dynamik, complex systems etc. auf applikationen anzuwenden. im moment arbeite ich (in erster linie) in der robotik (legged, underactuated robots, vorzugsweise mit viel eigendynamik). vorher hab ich mich etwas in der neurobiologischer modellierung versucht, dadurch bin ich auch in dieses gebiet "reingerutscht".
und oszillatoren sind etwas meine "spezialität" geworden
willst noch mehr wissen? ->
http://birg.epfl.ch/page27901.html

für so hoch-dimensionale systeme wie die atmosphäre habe ich leider etwas zuwenig grundlage in statistischer physik etc. aber viele dieser phänomene bauen auf "erweiterungen" von statistischer physik auf: z.b. was passiert wenn gewisse "traditionelle" annahmen wie eben geschlossenheit, equilibrium, etc nicht gemacht werden.

also, wenn du physiker bist kann ich dir noch 2 weitere bücher wärmstens empfehlen:

- S. Strogatz. Nonlinear Dynamics and Chaos. With applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering. Addison Wesley Publishing Company, 1994.
(allgemeine einführung in nonlinear dynamical systems, geht nicht sehr tief, ist aber sehr gut geschrieben und gibt die basics)

- A. Pikovsky, M. Rosenblum, and J. Kurths. Synchronization, A universal concept in nonlinear sciences, volume 12 of Cambridge Nonlinear Science Series. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2001.
(die beste einführung in das gebiet von oszillatoren dass ich kenne, 1. teil: un-mathmatisch intuitiv, 2. teil: mathematisch +400 refs).

und ihr sprechts ja deutsch, dann gibts noch ein buch dass mir auch sehr gut gefallen hat:
J. Argyris, G. Faust, and M. Haase. Die Erforschung des Chaos. Vieweg Verlag, 1995.

da gibts noch einen interessanten film von strogatz:

http://dspace.library.cornell.edu/handle/1813/97

für das publikum hier wohl am interssantesten:
(3) Airplane wing vibrations and aeroelastic instabilities, as exemplars of Hopf bifurcations;

zu pattern formation gibts noch die "klassiker" von prigogine

G. Nicolis and I. Prigogine. Self-Organization in Nonequilibrium Systems. Form Dissipative Structures to Order through fluctuations. John Wiley & Sons, Inc., 1977.

G. Nicolis and I. Prigogine. Exploring Complexity. An Introduction. W.H. Freeman and Company, New York, 1989.

für leute mit background in statistischer physik:

H. Haken. Synergetics. An introduction. Springer Verlag Berlin Heidelberg, 3rd edition, 1983.

H. Haken. Advanced Synergetics. Instability Hierarchies of Self-Organization Systems and Devices., volume 20 of Springer Series in Synergetics. Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2nd edition, 1987.

da gibts einige sehr gut zu lesende und sehr interessante stellen aber i.A. sind die schon ziemlich hardcore

ah ja, und schau mal so in den einschlägigen datenbanken was in fluid-dynamics im moment so gemacht wird, da findest du auch vieles was in diese richtung geht...
such auch mal nach dem couette taylor experiment...

so, das wärs mal für jetzt. mal schauen wie sich dieser thread weiterentwickelt - würde mich freuen wenn sich irgendwelche athmosphärenphysiker dazu äussern könnten.

j

[Klemens]

AW: Wind, Böen, physik. Systeme, Oszillationen...

Hallo zusammen,

interessant könnten in diesem Zusammenhang auch die Arbeiten des Instituts für Physik der Uni Oldenburg sein

http://www.physik.uni-oldenburg.de/hydro/main_public.html

Dort geht es wohl u.a. um die Wind- und Boen-Statistiken hinsichtlich der Windenergienutzung.
Unter anderem gibt es dort auch folgende Artikel

On the statistics of wind gusts
F. Boettcher, Ch. Renner, H.-P. Waldl and J. Peinke
Boundary-Layer Meteorology 108, 163-173 (2003).

Small and Large Scale Fluctuations in Atmospheric wind Speeds
F. Böttcher, St. Barth & J. Peinke
Stoch. Environ. Res. Risk Assess. (accepted), (2005).
arXiv:nlin.AO/0408005

und weitere Veröffentlichungen zu dem Thema.

Einen schönen Tag wünscht

Klemens