Warum fliegen Vögel in V-Formation? Die Wissenschaft hinter dem Keil

Warum fliegen Vögel in V-Formation? Vor allem, um Energie zu sparen. Jeder schlagende Flügel hinterlässt an seiner Spitze einen rotierenden Luftwirbel, und direkt außerhalb dieses Wirbels strömt die Luft nach oben. Ein Vogel, der leicht versetzt hinter dem Vordermann fliegt, nutzt diesen Aufwind und braucht weniger Kraft; eine Studie in Nature zeigte 2014, dass Waldrappe sich genau dort positionieren. Die V-Form erlaubt es außerdem jedem Vogel, den vorderen zu sehen, Abstände zu halten und Zusammenstöße in der Luft zu vermeiden.

Das ist die kurze Antwort. Die lange ist spannender, denn jahrzehntelang war die Energiespar-These vor allem Theorie. Erst in den 2000er- und 2010er-Jahren gelang es der Forschung, den Formationsflug echter Vögel in der Luft zu messen, mit Herzfrequenzmessern und winzigen Datenloggern. Dabei zeigte sich, dass die Vögel etwas bemerkenswert Präzises tun.

Kurz erklärt: die zwei Hauptgründe für den Keil

• Aerodynamik. Vögel positionieren sich in der aufsteigenden Luft an der Flügelspitze des Vordermanns und senken so die Energiekosten des Fliegens.
• Sicht und Abstimmung. Der schräg versetzte Flug erlaubt jedem Vogel freie Sicht auf den Vordermann, einen sicheren Abstand und das Mitgehen bei Richtungswechseln.
• Wer es tut: vor allem große Vögel auf langen Flügen, etwa Gänse, Kraniche, Schwäne, Pelikane, Kormorane und Ibisse.
• Echte Formen sind unordentlich: Schiefe Keile, J-Formen und einzelne schräge Linien, sogenannte Staffeln, sind häufiger als perfekte Winkel.

Wie erzeugt ein Flügel “kostenlosen” Auftrieb für den nächsten Vogel?

Um zu verstehen, warum ein Keil hilft, lohnt ein Blick darauf, was ein Flügel mit der Luft um ihn herum macht.

Randwirbel, Abwind und Aufwind

Ein Vogelflügel erzeugt Auftrieb, indem über dem Flügel ein geringerer Druck entsteht als darunter. An der Flügelspitze strömt die Luft mit höherem Druck von unten um die Kante herum zur Oberseite mit geringerem Druck. Während der Vogel vorwärts fliegt, zieht diese Drehbewegung als rotierende Luftröhre hinter ihm her, als sogenannter Randwirbel.

Direkt hinter dem Flügel wird die Luft nach unten gedrückt. Das ist der Abwind, und wer genau hinter einem anderen Vogel fliegt, befindet sich in sinkender Luft, was das Fliegen erschwert. Direkt außerhalb jeder Flügelspitze drückt der rotierende Wirbel die Luft dagegen nach oben. Das ist der Aufwind. Ein nachfolgender Vogel, dessen Flügel in dieser aufsteigenden Luft liegt, erhält etwas zusätzlichen Auftrieb und kann für dasselbe Ergebnis weniger kräftig schlagen.

Die V-Form entsteht ganz einfach, wenn jeder Vogel einer Reihe versucht, seinen Flügel in den Aufwind des Vordermanns zu bringen: Jeder sitzt etwas hinter und neben dem nächsten, und so entsteht eine Diagonale. Zwei Diagonalen, die sich an einem Spitzenvogel treffen, ergeben ein V.

Flugzeuge erzeugen dieselbe Art von Wirbeln, weshalb die Flugsicherung bei Start und Landung auf ausreichende Abstände achtet. Die sogenannten Wirbelschleppen hinter einem großen Jet können stark genug sein, um ein kleineres Flugzeug aus dem Gleichgewicht zu bringen.

Warum das Schlagen es schwierig macht

Bei einem Flugzeug mit starren Tragflächen ist der Wirbel hinter jeder Flügelspitze recht gleichmäßig. Bei einem schlagenden Vogel ist das anders. Seine Flügelspitze bewegt sich mit jedem Schlag auf und ab, die Spur aus aufsteigender Luft ist also wellig statt gerade. Um davon zu profitieren, muss ein nachfolgender Vogel an der richtigen Stelle fliegen und seinen Flügelschlag idealerweise an das wellige Muster der aufsteigenden Luft anpassen.

Lange bezweifelten viele Fachleute, dass Vögel das präzise genug schaffen, damit es eine Rolle spielt. Dann kam die Studie an den Waldrappen.

Was hat die Forschung am Waldrapp gelernt?

2014 veröffentlichte ein Team um Steven Portugal in Nature eine Studie an Waldrappen, einer stark bedrohten Ibisart. Die Vögel waren in Österreich im Rahmen eines Artenschutzprojekts von Menschen aufgezogen worden, das eine historische Zugroute wiederherstellen soll, und sie folgten einem Ultraleichtflugzeug, das sie Richtung Süden nach Italien führte. Dieser Aufbau erlaubte es, die Vögel mit kleinen Datenloggern auszustatten, die per GPS die Position und per Beschleunigungssensor die Flügelbewegungen viele Male pro Sekunde aufzeichneten.

Die Ergebnisse zeigten zwei verblüffende Dinge:

1. Die Vögel positionierten sich im vorhergesagten Optimum. Nachfolgende Waldrappe flogen meist in etwa dem Winkel und Abstand, in dem aerodynamische Modelle den stärksten Aufwind vorhersagten.
2. Die Vögel passten ihren Flügelschlag an die Luft an. Im Keil schlugen sie so, dass ihre Flügelspitzen denselben Weg durch die Luft nahmen wie die Flügelspitze des Vordermanns, ein Muster, das die aufsteigende Luft optimal ausnutzt. Flog ein Vogel direkt hinter einem anderen, also im Abwind, wechselte er in den entgegengesetzten Takt, offenbar um die Wirkung der sinkenden Luft abzuschwächen.

Diese Präzision überraschte viele Fachleute. Sie legt nahe, dass Vögel die Luftströmung ihrer Nachbarn spüren oder zumindest lernen, wo sich das Fliegen am leichtesten anfühlt, und Position und Takt entsprechend anpassen.

Wechseln sich die Vögel an der Spitze ab?

Eine Folgestudie an derselben Waldrapp-Gruppe, 2015 in PNAS veröffentlicht, untersuchte, wer vorne flog. Die Vögel tauschten häufig die Plätze, und Paare von Vögeln wechselten sich regelmäßig an der Spitze ab. Die einzelnen Tiere glichen die Zeit in der anstrengenderen Führungsposition ungefähr mit der Zeit aus, in der sie folgen durften. Die Forschenden beschrieben das als eine Form der Kooperation auf Gegenseitigkeit.

Das stützt die alte Annahme, dass Vögel im Formationsflug die Last des Führens teilen. Für Gänse wird das ebenfalls oft behauptet und ist plausibel, die direktesten Belege stammen aber von den Waldrappen.

Wie finden die Vögel die richtige Position?

Genau weiß das niemand, es ist eine der offenen Fragen des Fachgebiets. Die Waldrapp-Ergebnisse deuten darauf hin, dass Vögel feine Veränderungen der Luftströmung über Flügeln und Körper wahrnehmen und ihre Position so lange anpassen, bis sich das Fliegen am leichtesten anfühlt, ähnlich wie ein Radfahrer lernt, wo der Windschatten hinter einem anderen Fahrer am stärksten ist. Federn sind mit empfindlichen Rezeptoren in der Haut verbunden, Vögel sind also gut ausgestattet, um Luftbewegungen zu spüren. Erfahrung spielt vermutlich ebenfalls eine Rolle. Die Waldrappe der Studie waren junge Vögel auf ihrem ersten Zug, was nahelegt, dass die richtige Position keine jahrelange Übung erfordert, auch wenn sie sich mit der Zeit verbessern mag. Wie Vögel den Aufwind genau wahrnehmen, bleibt vorerst eine Hypothese und keine gesicherte Tatsache.

Sparen Vögel im Formationsflug wirklich Energie?

Ja, laut Freilandbefunden, wenn auch vermutlich weniger, als frühe Theorien behaupteten.

Die Herzfrequenz-Studie an Pelikanen

2001 veröffentlichte ein Team um Henri Weimerskirch in Nature eine Studie an Rosapelikanen im Senegal, die darauf trainiert waren, hinter einem Boot und einem Ultraleichtflugzeug zu fliegen. Die Vögel trugen Herzfrequenzmesser. Pelikane im Formationsflug hatten eine niedrigere Herzfrequenz als allein fliegende Pelikane und verbrachten mehr Zeit im Gleitflug statt mit Flügelschlagen. Eine niedrigere Herzfrequenz ist ein vernünftiger Hinweis auf geringere Anstrengung. Die Vögel an der Spitze, vor denen kein Vogel für Aufwind sorgte, mussten am härtesten arbeiten.

Was ist mit der berühmten Zahl von 71 Prozent?

Eine 1970 in Science veröffentlichte theoretische Studie berechnete, dass ein Trupp von 25 Vögeln in einem idealen V mit derselben Energie rund 70 Prozent weiter fliegen könnte als ein einzelner Vogel. Diese Zahl wird seitdem immer wieder zitiert. Spätere Forschende wiesen darauf hin, dass die Rechnung starre Flügel und perfekte Positionierung annahm, was echte, schlagende Vögel nicht dauerhaft erreichen. Windböen, Kurven, Vögel, die sich einreihen oder ausscheren, und die Schwankungen des Flügelschlags verringern die Ersparnis.

Die beste aktuelle Zusammenfassung lautet deshalb: Formationsflug spart Energie, und die Befunde an Pelikanen und Waldrappen stützen das, doch der tatsächliche Gewinn in einem wilden Trupp ist wahrscheinlich bescheidener als die Lehrbuchzahl und schwankt von Moment zu Moment.

Ist Energiesparen der einzige Grund?

Wahrscheinlich nicht. Eine zweite, damit vereinbare Erklärung betrifft Sicht und Zusammenhalt.

Die Sicht-Hypothese

Viele Vögel haben seitlich am Kopf liegende Augen. Wer schräg versetzt hinter dem Vordermann fliegt, hat freie Sicht auf den Nachbarn, ohne an einem anderen Körper vorbei geradeaus schauen zu müssen. Das erleichtert es:

• einen sicheren Abstand zu halten und Zusammenstöße zu vermeiden,
• Tempo- und Richtungswechseln des Spitzenvogels zu folgen,
• den Trupp über weite Strecken, im Nebel und nachts zusammenzuhalten.

Manche Forschende argumentieren, dass bei bestimmten Arten der Abstimmungsvorteil ebenso wichtig sein könnte wie der aerodynamische. Die beiden Erklärungen schließen sich nicht aus: Eine Formation, die alle in Sichtweite hält und zugleich Energie spart, ist doppelt nützlich. Unser Beitrag warum Vögel Schwärme bilden erklärt die sozialen und sicherheitsbezogenen Vorteile des gemeinsamen Fliegens allgemein.

Warum rufen Gänse und Kraniche im Flug?

Gänse rufen im Flug häufig, und Kraniche sind mit ihren trompetenden Rufen oft schon zu hören, lange bevor man sie sieht. Diese Rufe helfen nach verbreiteter Auffassung, den Kontakt im Trupp zu halten, besonders bei schlechter Sicht und nachts. Gänse und Kraniche ziehen in Familienverbänden, und die Rufe helfen vermutlich Eltern und Jungen, einander nicht zu verlieren. Ob die Rufe gezielt die Positionen im Keil abstimmen, ist weniger klar.

Welche Vögel fliegen in V-Formation und welche nicht?

Wo sieht man in Deutschland besonders viele Keile?

Die eindrucksvollsten Keilformationen ziehen in Deutschland im Herbst über den Himmel. Kraniche aus Skandinavien und dem Baltikum rasten zu Zehntausenden an Orten wie der Boddenlandschaft um Rügen, im Linumer Teichland bei Berlin oder in der Diepholzer Moorniederung, bevor sie weiter Richtung Frankreich und Spanien ziehen. Arktische Gänse überwintern in großer Zahl am Niederrhein und an der Nordseeküste. An klaren Tagen im Oktober und November ziehen deshalb auch über Städte und Gärten immer wieder rufende Keile hinweg.

Warum fliegen kleine Vögel nicht im Keil?

Kleine Vögel wie Finken, Spatzen und Grasmücken schlagen schnell mit den Flügeln, wechseln häufig kurze Gleitphasen ein oder fliegen in Wellen, und sie erzeugen schwächere, unregelmäßigere Randwirbel. Es wäre für sie sehr schwer, die präzisen Positionen zu halten, die für die Nutzung des Aufwinds nötig sind. Viele kleine Singvögel ziehen außerdem nachts, oft allein oder in lockeren Gruppen, die über den Himmel verteilt sind. Ihre Strategie beruht auf Sicherheit in der Menge, nicht auf Aerodynamik.

Stare gehen einen ganz anderen Weg, mit riesigen, fließenden Schwärmen, in denen jeder Vogel eine Handvoll naher Nachbarn im Blick behält. Unser Beitrag was ein Starenschwarm ist und wie er funktioniert erklärt das genauer.

Fliegen alle Langstreckenzieher im Keil?

Nein. Viele der größten Langstreckenzieher, etwa Küstenseeschwalben, Watvögel und kleine Singvögel, fliegen nicht in engen V-Formationen. Manche Watvögel fliegen in schnellen, kompakten Trupps. Greifvögel und Störche nutzen oft aufsteigende Thermik und segeln, statt zu schlagen, was eine andere Art des Energiesparens ist. Wer im Spätsommer Weißstörche über Süddeutschland kreisen sieht, beobachtet genau diese Strategie. Unsere Beiträge wie weit Zugvögel fliegen und welcher Vogel am weitesten zieht stellen die Rekordhalter vor.

Warum sind manche Keile schief?

Schauen Sie sich einen vorbeiziehenden Gänsetrupp genau an, dann sehen Sie oft ein V, dessen einer Schenkel viel länger ist als der andere, eine J-Form oder schlicht eine einzige schräge Linie. Das ist normal. Vögel verändern ständig ihre Position, lassen sich zur Erholung zurückfallen, rücken vor oder wechseln die Seite. Nachzügler hängen sich an einen Schenkel an. Seitenwind und Kurven können die Form ebenfalls verzerren.

Ein alter Witz fragt, warum eine Seite des V länger ist, und die Pointe lautet: “Weil auf dieser Seite mehr Vögel fliegen.” Falsch ist das nicht.

Fliegt immer der stärkste oder älteste Vogel vorne?

Das wird oft behauptet, ist aber schlecht belegt. In den Waldrapp-Studien wurde die Führung geteilt. In Gänsefamilien führen Altvögel möglicherweise häufiger, was plausibel erscheint, weil sie die Route kennen, doch die Einzelheiten sind unterschiedlich und weniger genau untersucht, als manchmal suggeriert wird.

Haben Ingenieure den Keilflug nachgeahmt?

Ja. Luftfahrtingenieure haben Formationsflüge mit Flugzeugen erprobt, um denselben Aufwind im Nachlauf zu nutzen. Forschungsprogramme der NASA und anderer Einrichtungen haben das untersucht, und 2021 berichtete Airbus von Flugversuchen, bei denen ein Flugzeug im Nachlauf eines anderen Treibstoff in der Größenordnung von 5 Prozent sparte. Für den Linienbetrieb gibt es noch praktische Hürden, etwa Sicherheitsabstände und Flugsicherung, doch das Prinzip ist dasselbe, das Gänse und Kraniche längst entdeckt haben.

Mythen und Fakten zur V-Formation

Mythos: Vögel im Keil sparen rund 70 Prozent ihrer Energie. Fakt: Diese Zahl stammt aus einem theoretischen Modell von 1970. Die echte Ersparnis scheint kleiner zu sein, ist aber messbar.

Mythos: Die Leitgans führt den ganzen Weg. Fakt: Befunde an Waldrappen zeigen, dass Vögel die Spitze häufig tauschen, und bei Gänsen wird dasselbe weithin angenommen.

Mythos: Jeder Zugvogel fliegt im Keil. Fakt: V-Formationen findet man vor allem bei großen Vögeln auf langen, gleichmäßigen Flügen. Die meisten kleinen Vögel ziehen in lockeren Gruppen, viele davon nachts.

Mythos: Vögel im Keil folgen einem einzigen Navigator. Fakt: Erfahrene Vögel geben womöglich die Route vor, doch die Positionen im Keil wechseln ständig, und die Orientierung ist ein Gruppenprozess. Unser Beitrag woher Zugvögel wissen, wohin sie fliegen erklärt, wie sie ihren Weg finden.

Was bedeutet das für Vogelbeobachter?

• Nutzen Sie die Flugform als Bestimmungshilfe. Ein langer, geordneter Keil großer Vögel hoch am Himmel im Frühjahr oder Herbst sind meist Gänse oder Kraniche. Linien dicht über dem Wasser deuten auf Kormorane hin. Lockere, wellenförmig fliegende Trupps sind meist kleine Singvögel. Unser Ratgeber Vögel bestimmen erklärt, wie Sie Gestalt und Verhalten mit anderen Merkmalen kombinieren.
• Hören Sie hin. Gänse und Kraniche rufen im Flug fast ununterbrochen, und oft hören Sie einen Trupp, bevor Sie ihn sehen.
• Beobachten Sie, wie sich der Keil verändert. Mit dem Fernglas sehen Sie oft, wie Vögel die Plätze tauschen, zurückfallen oder auf den anderen Schenkel wechseln.
• Melden Sie Ihre Beobachtungen. Wer vorbeiziehende Trupps zählt und in eBird einträgt, wie es unser Ratgeber eBird nutzen erklärt, oder in Deutschland auf ornitho.de meldet, dem Portal des Dachverbands Deutscher Avifaunisten, hilft der Forschung, den Zugverlauf zu verfolgen. Besonders der Kranichzug im Oktober und November wird so jedes Jahr gut dokumentiert.

Häufige Fehler

• Jeden Keil dunkler Vögel für Gänse halten. Kormorane und Ibisse fliegen in ähnlichen Formen.
• Ein perfektes V erwarten. Unregelmäßige Formationen sind die Regel.
• Den Klang vergessen. Bei hoch fliegenden Trupps führen Rufe oft am schnellsten zur Bestimmung, und Kraniche und Gänse klingen völlig verschieden.

Kurz und knapp

• Ein schlagender Flügel hinterlässt hinter jeder Spitze einen rotierenden Wirbel, mit aufsteigender Luft direkt daneben.
• Vögel im Keil fliegen hinter und neben dem Vordermann, um diesen Aufwind zu nutzen.
• Eine Studie in Nature von 2014 zeigte, dass Waldrappe sich im Aufwind positionierten und ihren Flügelschlag darauf abstimmten.
• Eine Studie von 2015 fand, dass Waldrappe sich beim Führen und Folgen abwechselten.
• Rosapelikane im Formationsflug hatten eine niedrigere Herzfrequenz als allein fliegende.
• Die oft zitierte Reichweitensteigerung von 70 Prozent stammt aus einem theoretischen Modell von 1970 und gilt als zu optimistisch.
• Der Keil hilft Vögeln außerdem, einander zu sehen und Zusammenstöße zu vermeiden.
• Vor allem große Vögel fliegen in V-Formation: Gänse, Kraniche, Schwäne, Pelikane, Kormorane und Ibisse.

Quellen

• Portugal, S. J., et al. (2014). Upwash exploitation and downwash avoidance by flap phasing in ibis formation flight. Nature
• Voelkl, B., et al. (2015). Matching times of leading and following suggest cooperation through direct reciprocity during V-formation flight in ibis. PNAS
• NABU, Naturschutzbund Deutschland
• ornitho.de, Meldeplattform des Dachverbands Deutscher Avifaunisten