TURBULENCJA Wprowadzenie. Turbulencja jest jednym z najbardziej niespodziewanie występującym zjawiskiem atmosferycznym, które w zależności od swojej intensywności może być dość niebezpieczne dla statku powietrznego. Na dodatek, zjawisko to jest jednym z najbardziej trudnych do prognozowania przez meteorologów. Jeśli mamy do czynienia z silną lub ekstremalnie silną turbulencją, to może ona doprowadzić do poważnych szkód w konstrukcji statku powietrznego, a także prowadzić do obrażeń cielesnych zarówno załogi samolotu jak i pasażerów. Turbulencja objawia się w różnych formach, od małych podskoków do ostrego rzucania i średnio rzecz ujmując, najsilniejsza jest w sezonach zimowych. Co roku lotnictwo na całym świecie odnotowuje wielomilionowe straty materialne związane z tym zjawiskiem. Definicja. Turbulencja spowodowana jest przez gwałtowne, małoskalowe zmiany kierunku i prędkości wiatru. Turbulencja w wyższych warstwach atmosfery spotykana jest głównie w zakrzywionych segmentach prądów strumieniowych związanych z zatokami niżowymi, klinami wyżowymi, zamkniętymi wysokimi niżami oraz z szybko rozwijającymi się niżami przyziemnymi. Jest ona także zwykle związana ze zmiennością wiatrów występujących w prądach strumieniowych. Prąd strumieniowy (jet stream). Prąd strumieniowy jest wijącą się strefą wiatru o dużych prędkościach, która okrąża kulę ziemską. Zimą najczęściej występują dwa lub trzy dominujące prądy strumieniowe: polarny, podzwrotnikowy i arktyczny. Głównym i najbardziej znanym jest polarny prąd strumieniowy, który bardzo często ma największy wpływ na wzmaganie rozwoju systemów pogodowych. Niestety, wiele najbardziej ruchliwych tras lotniczych jest skoncentrowana na średnich szerokościach geograficznych, które są ulubioną lokalizacją polarnego prądu strumieniowego i związanej z nim turbulencji. Jednoznaczne sklasyfikowanie turbulencji ze względu na jej intensywności/siłę jest dość trudne, ponieważ oszacowanie tej wielkości zależne jest od pilota, a to jest już funkcją jego doświadczenia i ilości czasu, które spędził w powietrzu w warunkach różnego rodzaju turbulencji. Dodatkowo na ocenę siły turbulencji ma wpływ czas lotu w jej zasięgu oraz jej wyrazistość. Sytuację jeszcze bardziej komplikuje fakt, że odczuwanie turbulencji przez załogę statku powietrznego zależy od prędkości lotu i wagi samolotu. Dlatego meldunek o silnej turbulencji od pilota małego, lekkiego samolotu może nie pokrywać się z meldunkiem załogi lecącej w tej samej strefie większym i cięższym samolotem, dla której odczuwalna turbulencja będzie słaba lub maksymalnie umiarkowana. Meldunek pilota ( PIREP - Pilot Reports). Powyższy problem robi się jeszcze bardziej skomplikowany z tego powodu, że informacji o rzeczywiście występującej turbulencji jest zwykle niewiele, a jeśli już jest, to pochodzi często z oddalonych od siebie lokalizacji. Dlatego, meteorolodzy są bardzo zależni od dobrych meldunków przekazywanych przez pilotów (PIREP). W rzeczy samej, to TWÓJ meldunek może być tą kluczową informacją, która po dotarciu do służby meteorologicznej natychmiast zostanie przeanalizowana i zweryfikowana, a następnie może być wykorzystana dla ostrzeżenia następnych załóg lotniczych, które będą wykonywały zadanie w rejonie źródłowym PIREP-a. W meldunku o turbulencji zawsze umieszczaj lokalizację twojego statku, czas, intensywność turbulencji, wysokość lotu, typ samolotu oraz długość trwania tego zjawiska. 10.2. Kategorie intensywności turbulencji. Turbulencję dzieli się na cztery kategorie: słabą, umiarkowaną, silną i ekstremalną. Każda z nich definiowana jest przez pilota za pomocą określeń opisujących jej wpływ na samolot i załogę/pasażerów. Służby meteorologiczne także używają tych samych kategorii, kiedy prognozują turbulencję na mapach significant (patrz Rozdział 20). 10.2.1. Opis kategorii turbulencji i sposoby meldowania o ich wystąpieniu. 1
Intensywność Reakcja statku powietrznego (SP) Odczucia wewnątrz statku powietrznego Sposób meldowania Słaba Turbulencja, która powoduje chwilowe niewielkie, i nieregularne zmiany wysokości lotu i/lub położenia SP ( kołysanie boczne, odchylenie samolotu w osi pionowe )j. Meldunek :Light turbulence. lub Turbulencja,która powoduje niewielkie, szybkie i dość rytmiczne drgania samolotu, ale bez znacznych zmian poziomu lotu i położenia SP. Meldunek :Light chop. Osoby na pokładzie mogą czuć na ciele naprężenie pasów bezpieczeństwa. Niezabezpieczone przedmioty mogą się lekko przemieścić. Serwowanie posiłków może być prowadzone. Brak lub słabe utrudnienia podczas chodzenia. Occasinal (Sporadycznie) Less than 1/3of the time. Intermittent (okresowo) 1/3 to 2/3 Continuous (ciągłe) more than 2/3 Umiarkowana Turbulencja, która jest podobna do słabej, lecz o większej sile. Pojawiają się wahania wysokości oraz położenia SP, ale cały czas pozostaje on pod pełną kontrolą. Zwykle powoduje zmiany wskazań prędkości lotu. Meldunek : Moderate turbulence 1. Lub Turbulencja, która jest podobna do Light chop, ale o większej sile. Powoduje gwałtowne podskakiwanie SP lub jego szarpanie, ale bez znaczących zmian w wysokości i położeniu SP. Meldunek : Moderate Chop. Osoby na pokładzie czują zdecydowane naprężenie pasów bezpieczeństwa. Niezabezpieczone przedmioty spadają na podłogę. Serwowanie posiłków oraz chodzenie na pokładzie SP dość utrudnione. Uwaga: 1. Pilot powinien meldować lokalizację, czas (UTC), intensywność, tak czy nie w chmurach, wysokość, typ SP oraz czas trwania. 2. Czas trwania zjawiska może być określany względem dwóch lokalizacji lub tylko jednej. Przykłady: a. Over Warsaw. 1432Z, moderate turbulence in cloud. Flight level 310, B707 b. From 50 km south of Cracow, 1210Z to 1218Z, occasional moderate chop, Flight level 330, DC8. Silna Turbulencja, która powoduje duże, gwałtowne zmiany wysokości SP i/lub jego położenie. Wskazania wysokościomierza bardzo mocno się wahają. SP może mementami przestawać być sterowny. Meldunek: Severe turbulence. Przebywający na pokładzie ludzie odczuwają gwałtowne szarpnięcia naprężających się pasów bezpieczeństwa. Niezabezpieczone przedmioty są chaotycznie rozrzucane po całej kabinie. Serwowanie posiłków i chodzenie na pokładzie SP jest niemożliwe. Ekstremalna Turbulencja, która powoduje chaotyczne i bardzo gwałtowne rzucanie SP w różnych kierunkach.. Następuje całkowita utrata kontroli nad SP. Może dochodzić do uszkodzeń konstrukcji SP. 2
Meldunek: Extreme turbulence. Turbulencja na wyższych poziomach,( normalnie powyżej 15000 ft (4500 m) n.p.m (ASL Above Sea Level, która nie jest związana z zachmurzeniem kłębiastym/wypiętrzonym lub burzami, powinna być w meldunku określana jako CAT (clear air turbulence turbulencja czystego nieba), oczywiście także musi być poprzedzona prawidłowym określeniem jej intensywności. Intensywność turbulencji można także określać na podstawie przeciążenia zmierzonego przez akcelerometr: Intensywność Przeciążenie Słaba < 0,2 g Umiarkowana 0,2g 0,5g Silan 0,5-1,5g Ekstremalna (bardzo silna) >1,5g Można też określić stopień intensywności turbulencji według wielkości zmian prędkości przyrządowej (IAS Instrumental Air Speed) Słaba zmiany IAS w zakresie 5-15 kts; Umiarkowana zmiany IAS w zakresie 15-25 kts; Silna zmiany IAS > 25 kts Przyczyny powstawania turbulencji. Wiedza o przyczynach oraz najczęstszych miejscach jej występowania, pozwoli ci na zminimalizowanie czasu jej działania na Twój SP, albo nawet będziesz mógł jej całkowicie uniknąć. W tym rozdziale omówione są cztery podstawowe rodzaje turbulencji w zależności od przyczyn jej powstawania. Turbulencja konwekcyjna spowodowana jest przez ruchy pionowe różnych strumieni powietrza (ciepłe do góry/wstępujące, chłodne do dołu/zstępujące); Turbulencja mechaniczna spowodowana jest przez wiatr wiejący nad pofałdowanym terenem lub innymi przeszkodami terenowymi, ale także powstaje, gdy na krótkim dystansie następuje znacząca zmiana prędkości lub/i kierunku wiatru. Turbulencja fali górskiej spowodowana jest przez wiatr wiejący prostopadle do wierzchołków łańcucha górskiego; Turbulencja na dużych wysokościach - spowodowana jest wyraźnymi zmianami kierunku i prędkości wiatru, szczególnie w pobliżu prądów strumieniowych. Występuje zwykle na wysokościach powyżej 10000ft (3000m). Powszechnie nazywana jest turbulencją czystego nieba CAT (Clear Air Turbulence), ponieważ, praktycznie brak jest dostrzegalnych gołym okiem dowodów na jej istnienie. Turbulencja fali wirowej jest generowana przez końcówki skrzydeł każdego statku powietrznego w czasie lotu. Turbulencja konwekcyjna. Konwekcyjne strumienie powietrza powodują zwykle zjawisko turbulencji, szczególnie na małych wysokościach. Prądy powietrza przemieszczają się zarówno w górę jak i w dół. Każdemu strumieniowi powietrza wznoszącego się odpowiada kompensujący go strumień powietrza opadającego. Prądy zstępujące mają znacznie szerszy zasięg niż prądy wstępujące, dlatego też ich pionowa prędkość jest mniejsza od prędkości prądów wstępujących. 3
Strumienie konwekcyjne są najsilniejsze w ciepłe letnie dni w godzinach popołudniowych i kiedy wiejący wiatr jest słaby. Powietrze ogrzane od podłoża zaczyna się wznosić i tworzy płytką niestabilną warstwę. Kiedy nagrzewanie się zwiększa, to następuje nasilenie konwekcji i ciepłe powietrze wznosi się na wyższe wysokości. Obszary pozbawione roślinności, jak piaski czy skały albo nawet zaorane pola, nagrzewają się o wiele szybciej niż otwarte zbiorniki wodne lub grunty porośnięte roślinnością (Rys 10-1). To nierówne nagrzewanie różnych rodzajów powierzchni powoduje właśnie sprzyjające warunki do powstawania pionowego przemieszczania się strumieni powietrza. Rysunek 10-1. Siła pionowych prądów konwekcyjnych zależy od rodzaju nagrzewanego podłoża. Efekt zjawiska turbulencji konwekcyjnej. Siła prądów konwekcyjnych zmienia się znacznie na krótkich dystansach. Na Rysunkach 10-2 i 10-3 pokazano wpływ konwekcji na samolot zbliżający się do lotniska. Wiatr i słaba turbulencja, która rozwija się nad pagórkowatym lub górskim terenem na skutek nierównego nagrzewania się podłoża, ma szczególne znaczenie dla lekkich samolotów i śmigłowców, ale też nie jest obojętna dla większych SP, jeśli wykonują zadanie na małych wysokościach. W regionach górskich, gdzie osiągi niektórych samolotów lub helikopterów są bliskie marginalnych, to informacja o lokalizacji takich opadających lub wznoszących się prądów powietrza może okazać się dla nich kluczowa. Rysunek 10-2. Wstępujące prądy powietrza mogą spowodować zbyt dalekie przyziemienie. Rysunek 10-3. Zstępujące prądy powietrza mogą spowodować zbyt bliskie przyziemienie (przed pasem). 4
Kiedy powietrze wznosi się, to następuje jego ochłodzenie wskutek rozprężania. Prądy konwekcyjne wynoszą powietrze w górę do momentu, gdy temperatura powietrza wstępującego zrówna się z temperaturą otoczenia. Jeśli w czasie ochładzania wznoszącego się powietrza dojdzie do jego nasycenia, to utworzą się chmury. Załogi lotnicze, powinny kojarzyć fakt, że z chmurami cumulus lub cumulonimbus związana jest zawsze turbulencja termiczna. W chmurach cumulus lub pod nimi może ona być słaba do umiarkowanej, ale nad chmurami praktycznie nie istnieje (Rys.10.4). Jeśli powietrze jest zbyt suche, aby mogły powstać chmury, to na niebie nie znajdziesz żadnych wskazówek mówiących o występującej turbulencji, aż do momentu, kiedy znajdziesz się w zasięgu jej oddziaływania. Po prostu pamiętaj, że turbulencja występuje także w słoneczne, gorące i suche dni nawet przy braku zachmurzenia. Rysunek 10-4. Unikaj prądów konwekcyjnych (turbulencji) wznosząc się powyżej chmur cumulus. Reakcje statku powietrznego. Reakcje SP na turbulencję różnią się oczywiście w zależności od jej intensywności oraz od charakterystyk SP takich jak jego prędkości, wagi, konstrukcji, ułożenia płatowca czy też nawet od techniki pilotażu pilota. Przy większych prędkościach, turbulencja wywiera mniejszy wpływ na samolot, a co za tym idzie na jego załogę. Przy mniejszych prędkościach, kontrola nad SP powietrznym pogarsza się i reakcje samolotu na stery stają się wolniejsze niż zwykle. Aby zminimalizować wpływ turbulencji konwekcyjnej, staraj się latać powyżej warstwy turbulentnej, zaciśnij mocniej pasy i leć z prędkością zalecaną w takich przypadkach przez instrukcję eksploatacji danego typu SP. Turbulencja mechaniczna. Turbulencja mechaniczna pojawia się, kiedy powietrze płynie nad pofałdowaną powierzchnią ziemi lub gdy napotyka inne przeszkody terenowe. Przeszkody takie jak drzewa, budynki, wzgórza czy góry powodują zaburzenie normalnego przepływu wiatru co skutkuje tworzeniem się skomplikowanej plątaniny 5
zawirowań (Rys.10-5). Zawirowania te, przenoszone są dalej, generalnie zgodnie z kierunkiem wiejącego wiatru, a ich rozmiar i zasięg wpływają na charakterystyki SP. Rysunek 10-5. Przeszkody terenowe powodują zawirowania i inne nieregularne zmiany wiatru. Stopnie intensywności turbulencji mechanicznej. Stopień intensywności turbulencji mechanicznej zależy od ukształtowania terenu, rodzaju przeszkód terenowych, prędkości wiatru oraz od stabilności/równowagi masy powietrza. Im większa prędkość wiatru lub im większe zróżnicowanie pionowe powierzchni ziemi, tym większa jest intensywność występującej turbulencji (Rys.10-6) W powietrzu niestabilnym tworzą się zawirowania o większych rozmiarach niż w powietrzu stabilnym, ale za to niestabilność powierza powoduje o wiele szybsze ich rozpraszanie, podczas gdy zanikanie zawirowań w powietrzu stabilnym zachodzi znacznie wolniej. Rysunek 10-6. Stopnie intensywności turbulencji mechanicznej. Rodzaj podłoża Wiatr < 15 kts Wiatr 15-30 kt Wiatr > 30 kt morze słaba umiarkowana umiarkowana/silna równina słaba umiarkowana silna teren pofałdowany słaba lub umiarkowana silna ekstremalnie silna Zmienność wiatru. Informacja o zakresach zmienności wiatru przyziemnego jest niezmiernie istotna, kiedy mamy do czynienia z manewrem startu lub lądowania, szczególnie w przypadku lekkich statków powietrznych. Silny, porywisty wiatr spowodował wiele katastrof lotniczych. Załogi lotnicze lądujące na lotniskach, gdzie wielkie hangary lub budynki są ulokowane blisko drogi startowej powinny być świadome możliwości tworzenia się turbulentnych zawirowań wiatru (Rys.10-7). Jeśli wiatr jest słaby, zawirowania mają tendencję do pozostawania w pobliżu nawietrznej jak i zawietrznej strony budynku. Jeśli jednak prędkość wiatru będzie około 10 m/s [20knt] lub 6
więcej, to powstałe nieregularne zawirowania powietrza mogą być przenoszone jako prądy opadające na znaczne odległości i powodować niebezpieczeństwo w strefie lądowania. Rysunek 10-7. Przeszkody terenowe mogą powodować turbulencję w strefie lądowania. Wpływ pofałdowanego terenu. Kiedy wiatr wieje w poprzek nierównych wzgórz czy też gór, to zwykle turbulencja w ten sposób wytworzona zwiększa swoją siłę wraz ze wzrostem prędkości wiatru. Wyjątkowa ostrożność wymagana jest od pilota, kiedy przekracza łańcuch górski podczas występowania silnego wiatru. Po zawietrznej stronie gór należy się spodziewać bardzo silnych prądów zstępujących (Rys.10-7). Prądy te mogą być bardzo groźne i mogą przemieścić nagle statek powietrzny tak, że nie będzie można już odzyskać bezpiecznej wysokości. Załogi lotnicze powinny brać pod uwagę te warunki, kiedy zbliżają się do gór pod wiatr. Jeśli wiatr jest silny, a grzbiety wzgórz wyraźnie ostro wybudowane, piloci powinni przelatywać na przeszkodami wyżej niż normalnie. Rysunek 10-7. Wiatr wiejący nad łańcuchami górskimi wytwarza turbulencję. Działania pilota poprawiające bezpieczeństwo lotu. Najważniejszą czynnością pilota, kiedy ma świadomość zaistnienia powyżej opisanej sytuacji jest rozpoczęcie wznoszenia wystarczająco wcześnie przed dolotem do łańcucha górskiego. Umożliwi mu to uniknięcie wznoszenia w strefie już występujących intensywnych prądów zstępujących, które w skrajnych przypadkach mogą nie pozwolić na osiągnięcie odpowiedniego przewyższenia nad zbliżającą się przeszkodą. Próba przekraczania gór na mniejszych przewyższeniach narazi statek powietrzny na 7
spotkanie z silną turbulencją oraz z silnym bocznym wiatrem wiejącym równolegle w dolinie (czyli z innym kierunkiem niż wiatr wiejący wyżej) położonej u podnóża gór. Kiedy wiatr wieje w poprzek doliny lub kanionu, to wtedy na jej zawietrznej stronie pojawiają się zstępujące prądy, podczas gdy po nawietrznej, prądy wstępujące (Rys. 10-8). Jeśli musisz lecieć wewnątrz doliny czy kanionu, to najbezpieczniejszą ścieżką lotu jest lot po stronie, gdzie wymuszone zostały wstępujące prądy powietrza, które dadzą Twojemu SP dodatkową siłę nośną. Turbulencja związana z wąskimi kanionami i wąwozami. Jeśli wiatr wieje prostopadle do wąskiego kanionu lub wąwozu, to będzie zakręcał w dół do ich wnętrza (Rys.10-10). Turbulencja występować wtedy będzie blisko środka oraz w dole kanionu czy wąwozu. Powinieneś zachowywać szczególna ostrożność podczas lotu po stronie występowania wiatru wiejącego w dół, ponieważ może on spowodować taki spadek wysokości lotu, że twój statek powietrzny nie będzie mógł już wrócić do bezpiecznej wysokości. Rysunek 10-8. W dolinie, wąwozie czy kanionie najbezpieczniejsza ścieżka lotu jest po stronie gdzie wiatr wieje w górę zbocza. Rysunek 10-9. Unikaj strony gdzie wiatr wieje w dół wąwozu. 8
Wiatr tunelowy (funnel wind). Wiatr ten powstaje na skutek skanalizowania powietrza w dolinie górskiej, co powoduje wzrost prędkości wiatru i pojawienie się turbulencji. Najbardziej charakterystyczną jego cechą jest bardzo duży wzrost prędkości w momencie, kiedy powietrze opuszcza dolinę i wydostaje się nad otwarty i płaski obszar. W tym momencie jego prędkość może w ekstremalnych sytuacjach wzrosnąć nawet do 40 m/s (150 km/godz.), a do tego towarzyszą mu zawsze uskoki i silna turbulencja. Rysunek 10-10 ilustruje powstawanie takiego wiatru. Rysunek 10-10. Wiatr stunelowany w górskiej dolinie. Niskie prądy strumieniowe. O prądach strumieniowych będzie mowa osobno w dalszej części tego rozdziału. Osobne omówienie prądów strumieniowych występujących na niższych poziomach jest spowodowane tym, że 9
zjawisko to jest najbardziej ewidentne dla pilota, który napotyka na małej wysokości uskok wiatru czy też turbulencję (Rys.10-11). Kiedy rozwija się inwersja radiacyjna, wiatr w pobliżu jej górnej granicy zwiększa swoją prędkość dużo mocniej niż wynikałoby to z odległości między sobą izobar (gradientu ciśnienia) na mapie przyziemnej. Ten nisko-poziomowy wiatr oddziela się od wiatru przyziemnego w momencie tworzenia się inwersji radiacyjnej, krótko po zachodzie słońca. Prędkość tego niskiego wiatru osiąga swoje maksimum krótko przed wschodem słońca, a następnie zmniejsza się w godzinach porannych (zwykle do 10 czasu lokalnego), kiedy dzienne nagrzewanie rozprasza warstwę inwersji przyziemnej. Prędkość wiatru poniżej inwersji jest mała, a nawet spada do zera, co daje drastyczną różnicę w prędkościach wiatru poniżej i powyżej warstwy inwersyjnej. Ta różnica właśnie jest przyczyną powstawania uskoku wiatru oraz turbulencji na małych wysokościach. Rysunek 10-11. Nocny niski prąd strumieniowy. Charakterystyka niskiego prądu strumieniowego. Niski prąd strumieniowy jest to warstwa występowania silnego wiatru, która czasami może mieć bardzo duże rozmiary (tysiące kilometrów długości, setki kilometrów szerokości i setki metrów grubości). Generalnie tworzy się on nad wielkimi i płaskimi obszarami. Położenie maksymalnych prędkości niskiego prądu strumieniowego. Poziom maksymalnych prędkości wiatru waha się średnio w przedziale od 200 do 600 m [700-2000 ft] powyżej gruntu (Rys 10-12). Prędkość zwykle zmienia się od 0-4 m/s [0-8 kts] przy powierzchni ziemi do 12-20 m/s [24-40 kts] na poziomie Rysunek 10-12. Pionowy przekrój niskiego prądu strumieniowego. 10
jego maksimum. Niskie prądy strumieniowe są jedną z głównych przyczyn powstawania niebezpiecznych uskoków wiatru na małych wysokościach. W ekstremalnych sytuacjach maksymalna prędkość wiatru może przekraczać 60 kts [30 m/s] i towarzyszyć mu mogą uskoki rzędu 10 kts [5m/s] lub nawet większe na bardzo krótkich dystansach (np. do 30m). Uskoki te najczęściej można napotkać bezpośrednio nad i pod rdzeniem prądu strumieniowego. W momencie, kiedy w godzinach rannych nastąpi pęknięcie inwersji, ten silny wiatr nad nią bardzo szybko zmniejsza swoją prędkość i zanika. Turbulencja związana z falą górską. Kiedy stabilna masa powietrza przemieszcza się w poprzek łańcucha górskiego może pojawić się zjawisko zwane turbulencją fali górskiej. Warunki do tworzenia się fali górskiej zwykle są sprzyjające wtedy, kiedy prędkość wiatru wiejącego prostopadle do gór przekracza 12 m/s [25kts], a w pobliżu wierzchołków ( do 600m od nich) występuje inwersja temperatury. Oczywiście fala górska może wystąpić, kiedy kierunek wiatru nie jest dokładnie prostopadły do łańcucha górskiego, ale najsilniej wyrażone będzie to zjawisko, gdy wiatr będzie silny i prostopadły do gór. Fale te, swoim kształtem przypominają zafalowania wody na skałach w bystrym nurcie płynącej rzeki. Fale górskie kiedy się uformują, to praktycznie pozostają nieruchome chociaż wiatr przez nie wieje. Charakterystykę typowej fali ilustruje Rysunek 10-13. Fale, tak wyraziste jak ta na rysunku, są zwykle związane z wysokimi łańcuchami górskimi, ale należy pamiętać, że mogą one powstawać na niższych górach także. Niebezpieczne cechy fali górskiej. Najbardziej niebezpiecznymi cechami charakterystycznymi dla tego zjawiska są: ekstremalna turbulencja oraz bardzo szybkie prądy pionowe zarówno w dół jak i w górę. Wszystko to występuje po zawietrznej stronie gór. W niektórych okolicznościach te silne prądy pionowe mogą sięgać nawet do wysokości 21 000m (70000ft), a zasięg horyzontalny samych prądów zstępujących może wynosić do 500 km po zawietrznej stronie gór. Zazwyczaj dobrze widocznym ostrzeżeniem o występowaniu w danym regionie fali górskiej są charakterystyczne dla niej chmury (gdy jednak powietrze jest zbyt suche to wcale nie muszą się tworzyć). Należą do nich chmury wierzchołkowe (cap cloud), chmury rotorowe (rotor cloud) i stojące chmury soczewkowe (standing lenticular cloud). Meteorolog może użyć zdjęć satelitarnych do identyfikacji tych chmur (Rysunek 10-14). Chmury ułożone w linie równoległe do łańcucha górskiego wyraźnie wskazują na występowanie turbulencji oraz silnych prądów pionowych. 11
Niestety, kiedy powietrze jest zbyt suche, to chmury nie powstaną, chociaż fala górska ze swoimi groźnymi cechami występuje. Rysunek 10-13. Fala górska - typowy układ chmur oraz schemat głównych prądów wstępujących i zstępujących. Rysunek 10-14. Fale górskie widziane z załogowego statku kosmicznego. 12
10.5.2. Chmura wierzchołkowa (cap cloud). Jest to chmura wisząca nisko nad wierzchołkiem góry i zasłaniająca sam jej szczyt. Większa jej część pozostaje po nawietrznej stronie szczytu. Na zawietrznej części wygląda jak wisząca nad krawędzią ściana z palcami wskazującymi w dół stoku góry. 10.5.3 Chmura rotorowa (rotor cloud). 10.5.4. Stojąca chmura soczewkowa (standing lenticular cloud). Chmura ta daje widoczne świadectwo na występowanie turbulencji. Wygląda jak równoległa do gór linia chmur cumulus. Chmury te występują po zawietrznej stronie gór, są zazwyczaj stacjonarne i przez cały czas formują się i zanikają. W ich pobliżu prądy wstępujące i zstępujące mogą osiągać prędkość nawet do 25m/s (5000ft/min). Rotacja tych chmur może nie być widoczna dla załogi lotniczej, ale silną turbulencję i prądy pionowe panujące w jej pobliżu, nie sposób jest przeoczyć. Posiada kształt soczewki jest najczęściej towarzyszącą fali górskiej chmurą. Jest stacjonarna tak jak rotorowa i nieustannie tworzy się w grupach ułożonych równolegle do gór po ich zawietrznej stronie, w dość regularnych od siebie odległościach. Zwykle występuje na wysokości około 4000 m [14000ft] i może tworzyć wiele warstw na różnych wysokościach. Chmury te są bardzo turbulentne, niezależnie czy mają gładki, czy też postrzępiony wygląd. Błędy wysokościomierza. Wskazania altimetru są w rejonie fali górskiej obarczone znaczącymi błędami, na skutek występowania efektu Venturiego, a spowodowanego przez silny wiatr wiejący nad przeszkodą (efekt ten polega na tym, że kiedy zmniejsza się przestrzeń w której przepływa płyn, to następuje wzrost prędkości przepływu, co powoduje odpowiedni spadek ciśnienia w tej przestrzeni). Jeśli mamy do czynienia z silnie wyrażoną falą górską, to maksymalny błąd wskazań może wynosić nawet 800 m [2500 ft]. Oznacza to, że wysokościomierz może pokazywać wysokość wyższą nawet o 800 m od tej, na której rzeczywiście znajduje się SP. Środki ostrożności. Przede wszystkim, powinno się unikać wlatywania w obszary, gdy podejrzewamy lub wiemy, że może tam występować zjawisko fali górskiej. Jeśli jednak lot w takiej strefie, z jakiś powodów musi być wykonany, to przynajmniej powinny być przedsięwzięte następujące środki ostrożności: Unikaj wlatywania w chmury wierzchołkowe, rotorowe i soczewkowate, ponieważ występuje tam ekstremalnie silna turbulencja; 13
Jeśli przekraczasz łańcuch górski to twoje minimalne jego przewyższenie powinno wynosić nie mniej niż 50% wysokości gór nie unikniesz w ten sposób turbulencji, ale będziesz miał większy margines bezpieczeństwa w przypadku napotkania bardzo silnych prądów zstępujących; Zbliżanie do gór wykonuj pod kątem 45, co pozwoli Ci na szybki zwrot jeśli napotkasz zbyt silne prądy zstępujące; Nie dowierzaj wskazaniom wysokościomierza może on wskazywać nawet o 800 m [2500ft] większą wysokość niż ta na której rzeczywiście się znajdujesz; Przestrzegaj zaleceń zawartych w instrukcji eksploatacji SP. Turbulencja na wyższych poziomach tropopauza. W strefie zbliżonej do tropopauzy zwykle występuje turbulencja spowodowana przez zróżnicowane prądy pionowe, które występują zarówno pod nią, nad nią jak też w jej środku. Tropopauza jest zwykle wolna od chmur, dlatego też spotykana tam turbulencja klasyfikowana jest jako turbulencja czystego nieba (CAT Clear Air Turbulence). Wcześniej omawiając temat tropopauzy tylko ogólnie, zostało wspomniane, że wysokość jej położenia nad równikiem jest wyższa niż nad biegunami. W rzeczywistości mamy do czynienia z dwoma zmianami w wysokości tropopauzy determinowanych przez szerokość geograficzną jedną pomiędzy masą powietrza arktycznego i masą powietrza polarnego oraz drugą, na granicy pomiędzy powietrzem polarnym i powietrzem zwrotnikowym (Rys.10-17). Właśnie tam, na granicach różnych mas powietrza można napotkać jeden z najważniejszych czynników pogodowych, a mianowicie - prąd strumieniowy (jet stream). Rysunek 10-17. Położenie polarnego i podzwrotnikowego prądu strumieniowego w stosunku do położenia tropopauzy. 14
Prąd strumieniowy. Prądy strumieniowe są zjawiskiem występującym zarówno na półkuli północnej jak i południowej, ale tutaj będziemy omawiać ten temat tylko dla tej pierwszej. Prąd strumieniowy, jak pokazano na Rysunku 10-18, jest stosunkowo wąskim i płytkim pasem silnego wiatru meandrującego w pionie i w poziomie dookoła całej półkuli północnej. W jego strefie występuje bardzo silny wiatr, którego prędkości przekraczają 30 m/s [60kts], a ich przeważającym kierunkiem jest generalnie kierunek zachodni. Polarny prąd strumieniowy. Jego położenie jest zazwyczaj równoległe do chłodnej strony układu frontów przyziemnych (za frontem chłodnym) i zakręca nad ich północną stroną. Średnia wysokość jego występowania to około 10000 m [ 30000 ft], ale może być położony wyżej lub niżej w zależności od szerokości geograficznej i pory roku. Jeśli zajrzy się do wnętrza obszaru prądu strumieniowego, to można zauważyć, że powietrze w jego rdzeniu wolno się obraca w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Jeśli powietrze jest wystarczająco wilgotne to podczas jego wznoszenia się, po jego ciepłej stronie powstają chmury cirrus. Towarzyszy temu silny pionowy uskok wiatru, którego świadectwem istnienia są charakterystyczne haczykowate kształty chmur cirrus. Po północnej stronie osi polarnego prądu strumieniowego tworzą się bardzo gęste chmury cirrostratus. Rysunek 10-18. Prąd strumieniowy związany z frontem polarnym. Prędkości wiatru w prądzie strumieniowym. Prędkość wiatru w prądach strumieniowych może czasami osiągać 150 m/s [300 kts], ale zwykle waha się w przedziale 50-80 m/s [100-150 kts]. Ponieważ jet stream w niektórych miejscach jest słabszy, a w niektórych silniejszy, to rzadko się zdarza, aby okrążał całą półkulę jako nieprzerwany jednostajny strumień wiatru. Najczęściej spotyka się go w segmentach o długości do 1500-5000 km, szerokości do 150-650 km i grubości 1-2 km (Rys.10-18). Polarny Jet stream cykl istnienia. Jego cykl życia składa się z czterech faz: formowanie, intensyfikacja, ruch i zanikanie i wszystkie fazy związane są z frontem polarnym. Siła prądu strumieniowego jest zawsze większa zimą niż latem. Jego główne położenie w sezonie zimowym przesuwa się bardziej na południe, a latem bardziej na północ, 15
przesuwając się tak jak w zależności od pory roku ułożony jest front polarny. Jeśli jet stream przesuwa się na południe, to jego zasadniczy rdzeń wznosi się wyżej, a prędkość wiatru w nim wzrasta. Generalnie, najsilniejsze wiatry występują w przedziale wysokości od 8000 do 12.000 metrów [25000-40000 ft], ale rzeczywista wysokość maksymalnych wiatrów zależy od pory roku i szerokości geograficznej, na której jet stream się pojawił. Na Rysunku 10-19 można zauważyć, że największa prędkość wiatru, w strefie polarnego prądu strumieniowego występuje 1500 metrów poniżej tropopauzy podzwrotnikowej oraz w pobliżu końca tropopauzy polarnej. Należy zauważyć także, że współczynnik spadku prędkości wiatru jest większy po stronie polarnej niż po stronie równikowej. Dlatego też, rozmiary uskoku wiatru po stronie polarnej są większe niż po stronie równikowej. Kiedy jet stream staje się mniej wyraźny i słabnie, to w przedziale kilku dni przeważnie formuje się nowy. Kiedy prądy strumieniowe formują się jeden po drugim, to zdarza się, że jednocześnie mogą istnieć obok siebie dwa albo nawet więcej. W sezonie chłodnym praktycznie nie zdarza się, aby przynajmniej nie występował jeden prąd strumieniowy, a często mogą zdarzyć się dwa lub trzy jednocześnie (Rys.10-20). Występowanie prądów strumieniowych na wysokościach, gdzie będzie wykonywany lot, wymaga od załóg lotniczych rozważnego zaplanowania lotu. Najsilniejsza, zachodnia składowa wiatru będzie skierowana przeciwko lecącemu na zachód statkowi powietrznemu, co spowoduje wzrost zużycia paliwa, a to może wymagać zaplanowanie międzylądowania w celu jego uzupełnienia. Uskok wiatru związany z prądem może także powodować silną turbulencję, która może zmusić załogę do zmiany poziomu czy też kursu lotu. Rysunek 10-19. Strefy najbardziej prawdopodobnego występowania turbulencji w prądzie strumieniowym. Rysunek 10-20. Przykład złożonego układu kilku jednocześnie występujących prądów strumieniowych. 16
Turbulencja pogodnego/czystego nieba (CAT). Określenie CAT jest powszechnie używane jako symbol nierównych jak tarka do prania, różnego rodzaju wyboistości. Terminem tym opisywana jest turbulencja w dość szerokim zakresie, od kilku dokuczliwych podskoków do ostrego rzucania/szarpania, które mogą być na tyle silne, że stwarzają zagrożenie dla konstrukcji samolotu i zdrowia załogi i pasażerów. Występowanie tego rodzaju turbulencji (CAT) nie jest związane, jak wskazuje nazwa, tylko z bezchmurnym niebem. Zdarza się ona np. w chmurach cirrus czy w warstwach zamglenia i to bez widzialnego ostrzeżenia. Badania nad tym zjawiskiem wykazały, że tylko 75% przypadków jego występowania ma miejsce w bezchmurnych warstwach atmosfery. Charakterystyka CAT. Turbulencja ta różni się od konwekcyjnej i mechanicznej tym, że jest od nich bardziej rytmiczna/regularna, a nie jak w tamtych, gdzie jest dość chaotyczna. CAT najczęściej występuje na wysokościach powyżej 4500 m [15000 ft], poza zachmurzeniem kłębiasto-wypiętrzonym. Jest związana z wyraźnymi zmianami prędkości wiatru lub temperatury, zarówno z wysokością (pionowy uskok wiatru) jak i ze zmianami horyzontalnymi tych parametrów (poziomy uskok wiatru). Nie każda turbulencja CAT jest związana z prądami strumieniowymi, chociaż to najbardziej prawdopodobna jej lokalizacja, a szczególnie tej najsilniejszej. Szczególnie znaczącą cechą wiatru wiejącego w rdzeniu prądu strumieniowego są jego gwałtowne zmiany prędkości na krótkim dystansie. Siła pionowego uskoku wiatru jest praktycznie taka sama zarówno pod jak i nad rdzeniem prądu, ale może być wielokrotnie silniejsza od siły horyzontalnego uskoku wiatru. Horyzontalny uskok wiatru jest silniejszy po stronie chłodnej, od tego występującego po stronie ciepłej osi prądu strumieniowego. Możesz wykorzystać te informacje do takiego zaplanowania lotu, aby mieć jak najsilniejszy wiatr tylny, lub jak najsłabszy wiatr czołowy. Jeśli turbulencja związana jest bezpośrednio z tylnym lub czołowym wiatrem, to zmiana kursu na południe (na półkuli płn.) spowoduje, że znajdziesz się w znacznie korzystniejszej strefie. Jeśli taki zwrot nie jest możliwy z powodu ograniczeń wynikających z przepisów ruchu lotniczego, to możesz jeszcze zmienić poziom lotu o jeden większy lub mniejszy, co także spowoduje, że lot będzie kontynuowany w spokojniejszym powietrzu. Turbulencja CAT związana z prądem strumieniowym pojawia się w postaci oddzielnych stref, których średnie rozmiary wynoszą około 600 m grubości, 30 km szerokości i 80 km długości. 17
Układy wiatrów górnych związanych z występowaniem CAT. Zjawisko CAT może występować nawet powyżej 18000 m [60000 ft] i być związane z innymi schematami wiatrowymi, które wytwarzają uskok wiatru. W ostrych, górnych zatokach niżowych, a szczególnie w tych poruszających się z prędkością większą niż 10 m/s [20 kts] może występować CAT, chociaż panujący tam wiatr jest słabszy niż w prądzie strumieniowym, ale za to różnice w kierunkach wiatru po obu stronach jej osi mogą się różnić o kąt 90 lub nawet większy (Rys.10-21A). CAT może też pojawiać się w zamkniętych niżach górnych, szczególnie wtedy, gdy występuje w nich wyraźna zbieżność/skupienie lub wyraźna rozbieżność/rozdzielenie przepływu powietrza(rys 10-21B), a także w odciętych niżach górnych (Rys.10-21C). Rysunek 10-21. Układy wiatrów górnych związanych z występowaniem zjawiska CAT. Czynności korygujące pilota. Jeśli napotkana turbulencja występuje przy bocznym wietrze, to zmiana kursu lub wysokości lotu nie będzie miała dużego znaczenia dla jej uniknięcia. Jeśli jednak chcesz przelecieć przez strefę CAT jak najszybciej, to możesz to zrobić zarówno przez zwiększenie lub obniżenie wysokości lotu, ale zanim dokonasz wyboru manewru, poobserwuj przez minutę lub dwie, wskaźnik temperatury. Jeżeli temperatura wzrasta wznieś się wyżej, jeśli temperatura spada zejdź niżej. Manewr ten uchroni Cię przed lotem wzdłuż pochyłości tropopauzy lub powierzchni frontowej, a tym samym unikniesz dłuższego przebywania w obszarze turbulencji. Jeśli temperatura nie zmienia się, to możesz zarówno zwiększyć albo zmniejszyć wysokość lotu. Jeśli spodziewasz się wystąpienia turbulencji lub już ją spotkałeś, to dostosuj prędkość lotu w strefie turbulencji do prędkości zgodnej z instrukcją eksploatacji SP w takich przypadkach, a także zaciśnij mocniej pasy bezpieczeństwa. Pozwoli to na zredukowanie efektów turbulencji. Jednakże, jeśli intensywność turbulencji jest duża, to zwiększ lub zmniejsz wysokość, a nawet zmień kurs lotu, aby jak najszybciej opuścić jej strefę. Przy podejmowaniu decyzji wykorzystaj informacje, które otrzymałeś przed lotem od meteorologa. Wszystkie manewry wykonuj spokojnie i stopniowo, aby zminimalizować dodatkowe obciążenia dla SP. Po opuszczeniu strefy turbulencji przygotuj meldunek PIREP, aby inni piloci zmierzający w ten sam rejon mieli informacje o spodziewanych zagrożeniach. Turbulencja w śladzie statku powietrznego. Każdy SP wytwarza parę wirów o przeciwnej rotacji, które zaczynają się na końcówkach skrzydeł i nadążają za nim jako ślad wirującego powietrza (Rys.10-22). Wiele dużych samolotów generuje tak silne wiry, że ich siła przekracza zdolności utrzymania lotu poziomego przez mniejsze jednostki, gdyby leciały zbyt blisko tego śladu. W pewnej odległości za samolotem wiry łączą się ze sobą i wytwarzają silną turbulencję. Czasami, turbulencja spowodowana przez te zawirowania powietrza jest na tyle intensywna, że może powodować uszkodzenia w konstrukcji i oprzyrządowaniu samolotu, który za bardzo zbliży się do drugiego i wleci zbyt blisko w taki ślad. Siła tych wirów zależy głównie od ciężaru, prędkości i kształtu oraz rozpiętości skrzydeł SP. Największe zawirowania w swoim śladzie wytwarzają ciężkie i powolne 18
samoloty, które mają dużą rozpiętość skrzydeł. Rekordowe prędkości wirów, które zaobserwowano dochodziły do 240 km/godz. Rysunek 10-22. Wiry w śladzie samolotu. Wymuszone kołysanie boczne (poprzeczne). Wejście w ślad innego samolotu może być przyczyną uszkodzeń w konstrukcji twojego SP, ale tak naprawdę to największym zagrożeniem jest utrata kontroli nad samolotem wskutek wymuszonego kołysania bocznego (Rys. 10-23). Możliwości zbalansowania takiego kołysania zależą od rozpiętości skrzydeł i wrażliwości na stery samolotu, który wleciał w takie zawirowania. Jeśli skrzydła i lotki samolotu w takiej sytuacji sięgają poza zawirowania, to kontrowanie wymuszonego kołysania bocznego jest zwykle efektywne. Istotnym czynnikiem wymuszonego kołysania bocznego jest tzw. względna rozpiętość skrzydeł samolotu lecącego w śladzie do rozpiętości skrzydeł samolotu generującego ten ślad (Rys.10-24) Rysunek 10-23. Wymuszone kołysanie boczne. 19
Rysunek 10-24. Wpływ na wielkość wymuszonego kołysania w zależności od względnej rozpiętość skrzydeł samolotów. Charakterystyka śladu wirowego. Wirowy ślad samolotu ma pewne cechy charakterystyczne, które mogą pomóc w ich wizualizacji w celu ich uniknięcia. Wiry zaczynają być generowane w momencie, gdy przednie koło samolotu oderwie się od drogi startowej, a kończą się, gdy przednie koło zetknie się z nią (Rys. 10-25); Cyrkulacja wirów jest skierowana na zewnątrz, do góry i dookoła końcówki skrzydła. Ich rozmiary wahają się od 7 do 15 m i są rozmieszczone blisko siebie dopóki nie zanikną (Rys. 10-26); Wiry natychmiast opadają, w tempie 120-150 m/min do poziomu 200-300 m poniżej ścieżki SP (Rys.10-27). Piloci powinni latać na lub powyżej poziomu lotu poprzedzającego ich samolotu; Kiedy wiry zetkną się z gruntem, to przesuwają się poprzecznie z prędkością około 2-3 m/s (Rys.10-28); Boczny wiatr wpływa na ruch poprzeczny wirów przy powierzchni gruntu (Rys. 10-29); Tylny wiatr może powodować przesunięcie wirów do przodu drogi startowej (Rys. 10-30); Wiry utrzymują się dłużej jeśli istnieje inwersja w takich sytuacjach powinny być zwiększone separacje pomiędzy samolotami. 20
Rysunek 10-25. Generowanie zawirowań. Rysunek 10-26. Cyrkulacja zawirowań. Rysunek 10-27. Opadanie śladu zawirowań wytworzonego przez samolot. 21
Rysunek 10-28. Ruch zawirowań przy gruncie (brak wiatru). Rysunek 10-29. Ruch zawirowań przy gruncie ( wiatr boczny). Rysunek 10-30. Ruch zawirowań do przodu drogi startowej (wiatr tylny) Śmigłowce. Helikopter zawieszony w powietrzu generuje pionowy wir powietrza, który w zależności od wysokości zawisu może dotrzeć do powierzchni gruntu. W czasie lotu, główne śmigło wytwarza dwa wiry, które są podobne do tych jak za samolotem (Rys.10-31). Wiry pochodzące od śmigłowca są silniejsze niż od samolotu o tej samej masie 22
jak helikopter. Turbulencja wytwarzana w zawisie jest większa niż podczas lotu śmigłowca. Małe samoloty nie powinny zbliżać się do śladu zawirowań spowodowanych przez śmigłowiec. Rysunek 10-31. Ślady zawirowań generowanych przez śmigłowiec. 10.10. Podsumowanie. Turbulencja spowodowana jest przez gwałtowne, małoskalowe zmiany kierunku i prędkości wiatru. Turbulencję ze względu na intensywność dzieli się na cztery kategorie: słabą, umiarkowaną, silną i ekstremalną. Ze względu na przyczyny tworzenia się turbulencji wyróżniamy: konwekcyjną, mechaniczną, na fali górskiej, na dużych wysokościach, w śladzie statku powietrznego (SP). Turbulencja na małych wysokościach powstaje wskutek konwekcji, topografii podłoża (mechaniczna) oraz wiatru. Turbulencja w śladzie SP powstaje na skutek formowania się za nim zawirowań powietrza. Turbulencja w strefie niskiego prądu strumieniowego związana jest z uskokiem wiatru występującym nad górną warstwą inwersji radiacyjnej. Górny prąd strumieniowy jest wijącą się strefą wiatru o dużych prędkościach (30m/s i więcej), która okrąża kulę ziemską. Górne prądy strumieniowe występują najczęściej w segmentach o długości do 1500-5000 km, szerokości do 150-650 km i grubości 1-2 km. Turbulencja bezchmurnego nieba (CAT) występuje na wysokościach powyżej 4500 m (15.000 ft). Najsilniejsza CAT występuje w strefie górnych prądów strumieniowych. 23