Na wstępie chciałbym polecić inne moje notki w temacie wpływu zjawisk pogodowych na lotnictwo:
Mgła: https://www.salon24.pl/u/jarkli/861925,polskich-lotnisk-walka-z-mgla
Opad śniegu: https://www.salon24.pl/u/jarkli/744891,sniezyca-paralizuje-lotniska
Tym razem chciałbym się skupić na chmurach burzowych i tym w jaki sposób ich obecność wpływa na wykonywanie operacji lotniczych.
Gdy w Polsce mamy ładny, słoneczny dzień, bardzo rzadko niebo będzie bezchmurne i idealnie błękitne. Może tak być rano, ale po południu (o ile masa powietrza nie jest wyjątkowo sucha) wypełni się ono białymi, kłębiastymi barankami, tzw. chmurami cumulus. Chmury te są uwielbiane przez szybowników, ponieważ zwiastują występowanie pionowych ruchów powietrza tzw. termiki. Mechanizm powstawania tych chmur jest dość prosty - w słoneczny dzień powierzchnia ziemi dość silnie się nagrzewa. Od niej nagrzewają się dolne warstwy atmosfery. Ciepłe powietrze, jako lżejsze, unosi się więc do góry i po drodze adiabatycznie ochładza. Z kolei chłodniejsze powietrze może pomieścić w sobie mniej wody, dlatego na pewnej wysokości następuje kondensacja pary wodnej i tworzy się podstawa chmury. Powietrze oczywiście wznosi się wyżej, gubiąc po drodze wodę. W ten sposób wypiętrzają się owe baranki, chmury o budowie pionowej.
Jeśli Słońce pracuje bardzo intensywnie i gradient temperatur jest duży, zwykle po południu albo pod wieczór chmury te mogą wypiętrzyć się do ogromnych wysokości, sięgających nawet kilkunastu kilometrom, dając zaczątek chmurze burzowej tzw. cumulonimbusowi. Ten rodzaj chmury zawsze kojarzy nam się z intensywnymi (ale też krótkotrwałymi) zjawiskami jak silny opad deszczu, śniegu, czy nawet gradu. W porze wiosenno-letniej często towarzyszą mu wyładowania atmosferyczne, mamy więc wtedy do czynienia z klasycznymi chmurami burzowymi.
Chmury cumulonimbus powstające na skutek termiki zwykle są izolowane i nie nachodzą na siebie, są porozrzucane dość losowo w atmosferze. Znacznie bardziej efektowny jest inny proces, prowadzący do powstawania chmur burzowych tj. front chłodny. Fronty atmosferyczne to miejsca styku dwóch różnych mas powietrza. Jeśli ciepła masa napływa na masę chłodną to mamy do czynienia z frontem ciepłym, a gdy napływa chłodne powietrze to z frontem chłodnym. W takim przypadku chłodne powietrze, jako cięższe, wślizguje się pod powietrze ciepłe, wypychając je do góry. Proces ten także prowadzi do konwekcji i powstawania chmur burzowych, przy czym, jeśli front jest szybki, a różnica temperatur duża, wtedy zgromadzona duża ilość energii może prowadzić na występowania bardzo intensywnych zjawisk pogodowych. Front burzowy ma też zwykle formę wałka o długości nawet kilkuset kilometrów i nie sposób go ominąć tak, jak pojedynczej chmury.
Linia szkwału widziana nad Warszawą. Autor: Dariusz Wierzbicki, na licencji Creative Commons
Chmura burzowa niesie ze sobą kilka zasadniczych zagrożeń:
1) Silna turbulencja nie tylko psująca komfort podróży, ale w skrajnych wypadkach mogąca wręcz doprowadzić do rozpadu samolotu w powietrzu
2) Występowanie gradu, który może uszkodzić kadłub samolotu, szyby kokpitu, krawędzie natarcia skrzydeł, czy nawet silniki
3) Możliwość wystąpienia oblodzenia, które zwiększa masę samolotu i pogarsza profile aerodynamiczne
4) Bardzo silny opad, który pogarsza efektywność pracy silników, a w skrajnym wypadku może prowadzić do ich wyłaczenia
5) Wyładowania atmosferyczne, które nie są groźne dla pasażerów, ale mogą prowadzić do awarii pokładowej elektroniki
Przykłady samolotów trafionych piorunem
W związku z występowaniem tego typu zagrożeń wlatywanie bezpośrednio w chmurę burzową jest zabronione. Jeśli tak, to należy ją omijać. W dzień nie powinno to być tak trudne, gdyż chmury cumulonimbus, na dużych wysokościach są wyraźnie widoczne, ze względu na ich monstrualne rozmiary, czasami sięgające nawet stratosfery. Gorzej na mniejszych wysokościach, gdzie chmura burzowa może się chować tj. być zasłonięta np. chmurą warstwową bądź sam samolot może lecieć w chmurze warstwowej bez widoczności czegokolwiek. Natomiast w nocy sytuacja jest o wiele gorsza. Choć czasami można takie chmury wypatrzeć z większych wysokości, gdy są rozświetlone światłem Księżyca, o tyle na małych wysokościach można w chmurę wlecieć zupełnie nieświadomie.
Chmura cumulonimbus widzialna z międzynarodowej stacji kosmicznej, źródło: NASA
Aby bez problemu unikać chmur burzowych wymyślono radar pogodowy. Jest to właściwie klasyczny radar, o długości fali dostrojonej do wielkości kropelek wody. Potrafi on więc wykrywać wodę w atmosferze. Intensywność opadu nanoszona jest na zobrazowanie zwykle zakodowana kolorem. W ten sposób można rozróżnić miejsca niebezpieczne (o dużej intensywności opadu) od tych bezpieczniejszych, a także rozróżnić chmurę burzową od np. zwykłej warstwowej chmury deszczowej (nimbostratus). Radary pogodowe montuje się zarówno na ziemi, jak i na pokładach statków powietrznych. W samolocie znajdziemy go zwykle schowanego z przodu, pod dziobową pokrywą.
Radary naziemne nie są zbyt dokładne, gdyż zobrazowują wodę w atmosferze zbiorczo, tracąc nieco trzeci wymiar. Radar pokładowy może określić strukturę chmury na danej wysokości i dzięki temu odnaleźć bezpieczne tunele, niedostrzegalne z powierzchni ziemi. Dlatego też to zawsze dowódca statku powietrznego jest odpowiedzialny za określenie właściwego kursu dla ominięcia niebezpiecznych zjawisk pogodowych, a służby naziemne co najwyżej mogą sugerować kursy, biorąc pod uwagę całokształt sytuacji w rejonie.
W jaki sposób fronty burzowe wpływają na ruch lotniczy? Oczywiście skoro część przestrzeni staje się niedostępna dla samolotów, to jej fizyczna pojemność spada. Zmniejsza się więc liczba samolotów, które przez dany fragment przestrzeni mogą przelecieć na godzinę, w związku z tym nakładane są pewne ograniczenia. Algorytmy automatycznie znajdują potencjalnie przepełnione sektory i opóźniają samoloty już na ziemi, nakładając na nie okienka startowe. W ten oto sposób możemy stać 2 godziny na lotnisku przy pięknej pogodzie, tylko dlatego, że 1000 km dalej jest burza. Więcej o zarządzaniu przepływem ruchu lotniczego można znaleźć w innej mojej notce: https://www.salon24.pl/u/jarkli/696205,zarzadzanie-przeplywem-ruchu-lotniczego
Burze to nie tylko problem na wysokościach przelotowych, ale także, a może i przede wszystkim, na lotniskach. Lądujący samolot nie może ominąć burzy, gdyż musi po prostu wylądować w określonym miejscu. Oczywiście pewne pole manewru tutaj jest - można wybrać bezpieczniejszy kierunek do lądowania, bądź inną drogę startową (o ile jest kilka) ale burza zlokalizowana nad samym lotniskiem, praktycznie wymaga przerwania wykonywania operacji lotniczych. Jeśli burza zalega po jednej stronie lotniska, wtedy praktycznie narzuca jeden konkretny kierunek do lądowań i drugi do startów w przeciwnym kierunku. Znakomicie widać to na tym filmie:
To już ekstremalny przykład lądowania na granicy akceptowalnego ryzyka. Oczywiście starty musiałyby odbywać się w przeciwnym kierunku, na stronę z dala od chmury burzowej. Takie latanie na tzw. zakładkę bardzo komplikuje sytuację ruchową na lotnisku, gdyż potrzeba znacznie więcej odstępu czasu pomiędzy startem a lądowaniem, ale także wszystkie kołowania stają się nagle kolizyjne. Rozładowanie takiego bałaganu to nie lada problem i nie obejdzie się bez opóźnień. W czasie burzy na lotnisku także służby lotniskowe nie mogą wykonywać wszystkich czynności, np. ograniczona jest możliwość tankowania samolotów, co powoduje dalsze opóźnienia. Na poniższym filmie widać jak samoloty omijają chmury burzowe. Warto zwrócić uwagę, że gdy burza nachodzi nad lotnisko, muszą po prostu swoje odczekać. Na szczęście zazwyczaj chmury burzowe nie zalegają nad lotniskiem zbyt długo:
Chmury burzowe niosą dla lądujących samolotów dodatkowe zagrożenia takie jak:
1) Ograniczona widzialność z powodu silnego opadu
2) Pogorszenie współczynników hamowania na drodze startowej
2) Silny wiatr i podmuchy
3) Uskok wiatru
Ponieważ kierunek podejścia do lądowania często trzeba wybrać tak, aby uniknąć chmury burzowej, może się okazać, że samolot będzie lądował z silnym wiatrem bocznym, bądź nawet w plecy, co jest bardzo niepożądane, zwłaszcza gdy na drodze startowej zalega woda, która może pogorszyć współczynniki hamowania i prowadzić do aquaplaningu. Dlatego dowódca statku powietrznego musi rozważyć wszystkie za i przeciw zanim wypracuje decyzję czy może podchodzić, czy lepiej powinien zaczekać.
Jednym z bardzo niebezpiecznych zjawisk związanych z chmurami burzowymi jest tzw. uskok wiatru. Dopóki nie powstała technologia pozwalająca zawczasu wykrywać uskoki wiatru (poprzez analizę prędkości cząsteczek wody w chmurze), doprowadziły one do kilku poważnych katastrof lotniczych. Zjawisko to polega na nagłej zmianie prędkości bądź kierunku wiatru. Może się więc zdarzyć, że samolot otrzyma silny podmuch w plecy, jego prędkość względem powietrza zmniejszy się poniżej wymaganej dla utrzymania się w locie i samolot po prostu spadnie bądź przeciągnie. Ale nawet podmuch w nos, który zwiększa prędkość, może nieść zagrożenie, jeśli pilot zareaguje poprzez zmniejszenie mocy i prędkości samolotu, gdyż za chwilę prędkość wiatru może wrócić do poprzedniej wartości.
W dzisiejszych czasach automat po prostu głosowo ostrzeże załogę przed uskokiem wiatru poprzez głośne wypowiedzianą frazę "go-around, windshear ahead", na co piloci powinni zareagować natychmiastowym odejściem na drugi krąg. Uskok wiatru w chmurze burzowej to niesamowicie stresująca sytuacja, co widać na poniższym filmie:
Jak oni się w to wpakowali, to inna sprawa...
Podsumowując w dzisiejszych czasach lotnictwo znakomicie radzi sobie z różnymi fenomenami pogodowymi. Samoloty potrafią lądować przy niemalże zerowej widzialności, silnym wietrze i opadzie. Jednakże chmury burzowe niosą na tyle duże zagrożenie, że każdy samolot musi je po prostu ominąć. Technologia pozwala lepiej określić bezpieczne przesmyki, pozwala ostrzec przed zagrożeniem i dzięki temu umożliwia przesunięcie granic bezpieczeństwa bliżej chmur burzowych, jednakże ich wnętrza pozostają i chyba na zawsze pozostaną niedostępne dla lotnictwa. Czasami burzę trzeba po prostu przeczekać.
Opublikowano też w serwisie http://poprzezchmury.pl
