Влияние турбулентности на полёт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Причины турбулентности атмосферы

2. Число Ричардсона

3. Синоптические методы прогноза атмосферной турбулентности

4. Холодные фронты I и II родов на приземной карте

5. Возможности использования спутниковой информации для определения зон интенсивной атмосферной турбулентности

Вывод

Введение

турбулентность атмосферная самолет болтанка

Среди метеорологических явлений, оказывающих влияние на полеты воздушных судов, одним из наиболее опасных является атмосферная турбулентность, вызывающая интенсивную болтанку самолетов. Болтанка, особенно сильная, - явление сравнительно редкое. Тем не менее, внезапное попадание самолета в зону интенсивной турбулентности может быть причиной серьезных авиационных происшествий. В связи с этим перед синоптиками метеоподразделений стоит сложная задача диагноза и прогноза болтанки самолетов. Трудности прогноза болтанки усугубляются недостаточным пространственным и временным разрешением данных температурно-ветрового зондирования, не отражающим особенностей мезомасштабных явлений, с которыми связано возникновение зон турбулентности. Добиться удовлетворительного качества прогнозов болтанки можно только путем глубокого изучения динамики указанных явлений и комплексного учета особенностей атмосферных процессов.

1. Причины турбулентности атмосферы

Атмосфера практически всегда находится в турбулентном состоянии. Однако интенсивность атмосферной турбулентности сильно изменяется во времени и в пространстве. Обычно вне пограничного слоя атмосферы воздушный поток является слабо возмущенным и только в отдельных слоях или целых зонах наблюдается усиленное перемешивание воздуха. Такие зоны и принято называть турбулентными. Основной причиной турбулентности воздушных течений являются возникающие в атмосфере контрасты в поле ветра и температуры. Эти контрасты порождают различные процессы. К ним относятся: турбулентность атмосферная самолет болтанка

1. трение воздуха о поверхность земли, в результате чего наблюдаются большие вертикальные градиенты ветра в нижнем слое атмосферы;

2. деформация воздушных течений орографическими препятствиями;

3. неравномерное нагревание различных участков подстилающей поверхности, что вызывает термическую конвекцию;

4. процессы облакообразования, при которых выделяется тепло конденсации и изменяется характер полей температуры и ветра;

5. взаимодействие воздушных масс, различных по своим свойствам, на границе которых очень резко выражены горизонтальные градиенты температуры и ветра,

6. наличие инверсионных слоев, в которых могут возникать гравитационные волны, теряющие при определенных условиях устойчивость и др.

Все перечисленные выше процессы могут действовать одновременно в одном или в разных направлениях и тем самым увеличивать или уменьшать степень турбулентности атмосферы. При классификации турбулентности обычно во внимание принимаются не причины ее возникновения, а особенности развития. При этом выделяют механическую, термическую (конвективную) и динамическую турбулентность.

Механическая турбулентность зависит от скорости ветра у поверхности земли, шероховатости земной поверхности, а также от направления ветра относительно неровностей рельефа. Причиной турбулентности воздушного потока в этом случае является потеря устойчивости со сдвигом ветра в пограничном слое. Неровности рельефа обусловливают появление возмущений, амплитуда которых увеличивается в неустойчивом потоке.

Эти возмущения при разрушении порождают турбулентные зоны. Возмущения, возникающие за счет неровностей земной поверхности, часто носят волновой характер, проникая в вышележащие слои воздуха. Эти волны смещаются по потоку с затухающей амплитудой и прослеживаются до высот, в 4-5 раз превышающих высоту орографического препятствия (горного хребта), и на расстояниях, в 10-20 раз больших, чем высота препятствия. В гребнях этих волн может развиваться мелкомасштабная турбулентность. Такой вид турбулентности может наблюдаться не только в облаках, но и при безоблачном небе.

Термическая (конвективная) турбулентность создается за счет неравномерного нагрева земной поверхности или при адвекции холодного воздуха на теплую подстилающую поверхность. Процессы подобного рода приводят к образованию облаков вертикального развития, которые могут быть на всех высотах тропосферы; вершины таких облаков иногда могут проникать и в нижнюю стратосферу. Вертикальные токи в кучево-дождевых облаках могут достигать 50 м/с и более; полет в этих облаках категорически запрещается. Однако интенсивная турбулентность термического происхождения может наблюдаться и вне облаков. Этот вид турбулентности имеет хорошо выраженный годовой и суточный ход. Максимального развития термическая (конвективная) турбулентность достигает летом в послеполуденные часы, а ее повторяемость увеличивается с уменьшением широты места.

Динамическая турбулентность возникает в слоях атмосферы, где наблюдаются большие вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра и температуры. В результате этого образуются гравитационные и гравитационно-сдвиговые волны, которые при определенных условиях могут разрушаться и переходить в турбулентные вихри более мелкого масштаба. В сущности, механизм возникновения динамической турбулентности (гидродинамической неустойчивости) мало отличается от механической турбулентности. Отличие состоит лишь в отсутствии прямого влияния подстилающей поверхности, характерного для динамической турбулентности. Турбулентность в свободной атмосфере обычно наблюдается в отдельных слоях, имеющих вид линз или «блинов», вкрапленных в квазиламинарный поток. Этот вид турбулентности называется турбулентностью при ясном небе (ТЯН).

В последнее время проблема ТЯН привлекает все большее внимание ученых различных стран. Это обусловлено необходимостью обеспечения безопасности полетов в метеорологическом отношении. Турбулентность при ясном небе наиболее опасна для авиации, так как почти всегда оказывается внезапной для экипажа. Характерные особенности турбулентности при ясном небе - перемежаемость и резкая локализация в окружающем спокойном потоке. Кроме того, к особенностям ТЯН относится то обстоятельство, что атмосферные течения, в которых развивается ТЯН, имеют сложные вертикальные профили ветра и температуры, и затрудняют теоретический анализ процессов и условий развития ТЯН. К настоящему времени можно считать установленным, что турбулизация воздушного потока в отдельных замкнутых областях является следствием роста амплитуд внутренних волн в результате гидродинамической неустойчивости воздушного потока со сдвигом ветра так называемой неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Турбулентность в безоблачной атмосфере обнаруживается преимущественно по реакции самолетов на вертикальные движения, вызванные турбулентностью. Для того чтобы атмосферные турбулентные вихри вызвали болтанку самолетов, их размеры должны быть соизмеримы с размерами последних. Очень крупные вихри как бы вовлекают самолет в свой поток. При этом самолет не испытывает болтанки, а вместе с потоком совершает плавное изменение высоты полета. На очень мелкие турбулентные вихри самолет также не реагирует, поскольку они разного знака и взаимно компенсируются. Образно влияние турбулентных вихрей на самолет можно сравнить с ездой на автомашине по неровной дороге. Длинные подъемы и спуски водитель практически не ощущает. Не ощущает он и мелких шероховатостей покрытия дороги, а чередование подъемов и спусков на расстояниях, соизмеримых с размерами автомобиля, будет очень затруднять езду. Применительно к летящему самолету в зависимости от его размеров, скорости и высоты полета на него могут оказывать влияние атмосферные турбулентные вихри размером от нескольких метров до нескольких километров. Основные критерии турбулентного состояния атмосферы.

2. Число Ричардсона

Для анализа условий возникновения турбулентности в температурно-неоднородной атмосфере часто привлекается безразмерный параметр - число Ричардсона

(1)

где g - ускорение свободного падения; Т - ср. температура слоя, га-адиабатический и га - фактический, вертикальные градиенты температуры; в -верт. град. средней скорости ветра. В тех случаях, когда Ri < Ri кр в слое, для которого определялось число Ri, условия для образования и развития турбулентности имеются. Широкое использование числа Ri обусловлено тем, что с точки зрения теории гидродинамической устойчивости число Ri является основным безразмерным критерием ТЯН. Теоретически найденное критическое значение Ri для возникновения турбулентности равно ј, а для ее сохранения - 1. Однако в реальных условиях турбулентные очаги встречаются и при числах Ri, превышающих эти критические значения. Для определения чисел Ri в целях метеорологического обеспечения авиации необходимо использовать слои толщиной 500 м и менее. К сожалению, отсутствие таких данных на сети станций не позволяет достаточно успешно вычислять этот параметр. Согласно исследованиям С.М. Шметера, ошибки при вычислении чисел Ri по данным температурно-ветрового зондирования могут достигать 400%. Из сказанного следует, что число Ричардсона можно применять для прогноза атмосферной турбулентности лишь при наличии достаточно подробных данных о вертикальных профилях ветра и температуры. Исследованиями И.Г. Пчелко установлено, что наличие интенсивной турбулентности в атмосфере следует отмечать не в слоях с малыми числами Ri а на тех уровнях, где наблюдаются большие изменения с высотой чисел Ричардсона, так как здесь наблюдается переход от турбулентной атмосферы квазиламинарным слоям и наоборот. Кроме числа Ri для оценки возможности развития турбулентности в верхней тропосфере используется ряд др. эмпирических функций (индексов): Решетова, Матвеева, Булдовского и др.

Наличие большого числа критериев турбулентного состояния атмосферы говорит о том, что проблемой прогноза атмосферной турбулентности, вызывающей болтанку самолетов, заняты многие исследователи. В настоящее время эта проблема до конца не решена. Для прогноза ТЯН на практике используются как синоптические, так и физико-статистические методы. Для тех и для других характерна тенденция к комплексному учету ряда факторов, с которыми связаны условия развития ТЯН.

3. Синоптические методы прогноза атмосферной турбулентности

Суть синоптических методов прогноза атмосферной турбулентности, вызывающей болтанку самолетов, заключается в комплексном анализе приземных карт погоды и карт барической топографии разных уровней, на которых выделяются участки воздушных течений с наибольшей вероятностью болтанки. Анализ синоптических и кольцевых карт погоды позволяет определить характер облачностионе, наличие фронтальных разделов и их активность. С помощью высотных карт определяются особенности барического поля, скорость ветра на высоте полета, характер адвекции и дивергенции потока. Тщательный анализ данных полетов самолетов позволил выявить особенности атмосферных полей и процессов, при которых наблюдается болтанка самолета, а также сформулировать некоторые прогностические правила. При анализе главное внимание обращается на особенности барического поля на высоте полета, а также на наличие в районеполета атмосферных фронтов, облачных полей, струйных течений и т. д.

Установлено, что однозначной зависимости болтанки от синоптического положения не существует, поэтому при диагнозе и прогнозе необходимо исходить не из альтернативности события, а из некоторой его вероятности, т. е. привлекать дополнительные статистические характеристики, предусматривающие прогноз с учетом некоторых других признаков. Окончательное суждение о возможности возникновения такого сложного явления, как турбулентность при ясном небе, не может быть получено только путем оценки синоптических и статистических характеристик. Таким образом, при диагнозе и прогнозе болтанки самолетов необходимо исходить из синоптического положения, статистических характеристик и особенностей физико-метеорологических процессов, при которых происходит полет. Исследование характера барического поля при болтанке самолетов позволило выявить типичные области, в которых интенсивная турбулентность встречается наиболее часто. Согласно исследованиям И.Г. Пчелко, турбулентность при ясном небе следует прогнозировать в тех случаях, когда по маршруту полета встречается одна из типичных синоптических ситуаций, в которой болтанка наиболее вероятна. За основу принято барическое поле на уровне 200-300 гПа. Всего выделено пять типов характерных барических полей с наибольшей повторяемостью интенсивной турбулентности. Первый тип барического поля (тип 1) характеризуется наличием глубокой высотной ложбины, в которой можно выделить отдельный частный циклон (рис. 2..3). При этом типе барического поля зоны наиболее интенсивной болтанки самолетов располагаются обычно в области сильной расходимости и сходимости изогипс (см. рис. 2.3, а). Скорость ветра в зонах интенсивной турбулентности обычно составляет 100-150 км/ч, а средние значения горизонтальных (боковых) сдвигов ветра, как правило, превышают 15- 20 км/ч на 100 км. В области сходимости изогипс границы зоны с наибольшей вероятностью болтанки расположены большей частью в пространстве от приземной линии холодного фронта до оси ложбины. В области сходимости изогипс преобладает, как правило, умеренная болтанка, а в области расходимости - сильная болтанка. Установлено, что при более резко выраженной расходимости изогипс, более сильном ветре в конвергентной части струйного течения и при более резко выраженном сдвиге ветра вероятность встречи с интенсивной болтанкой повышается.

Второй тип барического поля (тип 2) характеризуется высотным циклоном. При таком типе барического поля; также имеются две зоны, в которых болтанка самолета встречается наиболее часто. В первой зоне, которая находится в тыловой части циклона, интенсивность болтанки, как правило, не превышает умеренную. Скорость ветра при этом составляет около 100-120 км/ч, а поток характеризуется незначительной сходимостью. Вторая зона турбулентности, связанная с высотным циклоном, находится в передней его части, в области сильной расходимости изогипс и больших горизонтальных сдвигов ветра. Скорость ветра в этой зоне достигает, как правило, 100-150 км/ч, а горизонтальные сдвиги ветра на отдельных коротких участках могут превышать 50 км/ч на 100 км. На приземной синоптической карте этой зоне соответствует теплый сектор циклона с прилегающим к нему участком шириной 100-200 км за холодным фронтом и впереди теплого фронта. Интенсивность болтанки в этой зоне может превышать умеренную.

Рисунок 1 Распределение зон повышенной турбулентности в барическом поле, выраженном глубокой ложбиной (а), и в высотном циклоне (б) а - тип 1, б - тип 2

Третий тип барического поля (тип 3) характеризуется тем, что болтанка наблюдается в передней части ложбины, несколько правее ее оси в области расходящихся изогипс (рис. 2.а). Интенсивность болтанки в этом барическом поле может быть умеренной. Особенно большая вероятность болтанки имеет место тогда, когда ложбине на картах барической топографии предшествует гребень, и ложбина углубляется. Скорость ветра при этом, как правило, не превышает 80-100 км/ч, а боковые сдвиги ветра незначительны.

Рисунок 2 Положение зон повышенной турбулентности в передней (а) и тыловой (б) частях ложбины и в области высотного гребня (в) а -тип 3, б - тип 4 в- тип 5

При четвертом типе барического поля (тип 4) зона повышенной турбулентности располагается в тыловой части ложбины в области сходимости изогипс (рис.2. б). Скорость и боковые сдвиги ветра здесь такие же, как и в предыдущем случае, и составляют соответственно 80-100 км/ч и 5-10 км/ч на 100 км. Интенсивность болтанки может быть значительной.

Пятый тип барического поля (тип 5), характеризующийся повышенной интенсивностью болтанки самолетов, определяется высотным гребнем (рис.2.в). В этом типе барического поля также можно выделить две зоны повышенной турбулентности, одна из которых расположена в передней, а другая - в тыловой части гребня. Вероятность встречи с болтанкой в тыловой части гребня выше, чем в передней. Скорость ветра при этой синоптической ситуации незначительна и редко превышает 40-60 км/ч. Боковые сдвиги ветра в области высотного гребня, как правило, составляют 10- 15 км/ч на 100 км. Интенсивность болтанки обычно умеренная или слабая; иногда отмечается сильная болтанка на фоне более сильного ветра (до 100 км/ч). Устойчивой связи с приземным барическим полем для зон повышенной турбулентности в высотном гребне установить не удалось.

Представленные на рисунках схемы типичных синоптических положений можно использовать для диагноза и прогноза турбулентности. Поскольку однозначной связи между болтанкой самолетов и характером синоптического положения на высоте полета нет, то следует привлекать дополнительные прогностические признаки, указывающие на возможность возникновения болтанки. К таким признакам необходимо отнести следующие условия.

4. Холодные фронты I и II родов на приземной карте

Повторяемость болтанки на холодных фронтах наибольшая по сравнению с другими атмосферными фронтами. Болтанка на холодных фронтах не наблюдается в тех случаях, когда они слабо выражены или когда горизонтальный градиент температуры в области фронтальной зоны составляет менее 2°С на 100 км, а горизонтальный градиент скорости ветра менее 20 км/ч на 100 км.

2. Теплый фронт или фронт окклюзии, связанные с четко выраженными высоко-тропосферными струйными течениями и имеющие горизонтальный градиент температуры более 2 °С на 100 км, а горизонтальный градиент скорости ветра более 20 км/ч на 100 км.

3. Высоко-тропосферные или стратосферные струйные течения.

Показателями болтанки, связанной со струйным течением, являются: скорость ветра более 25 м/с, вертикальный градиент скорости ветра более 10 м/с на 1 км высоты и изменение направления ветра более 15° на 1 км высоты.

4. Периферия циклона, ложбина, гребень.

При наличии этих форм барического рельефа на высоте полета повторяемость болтанки самолетов наибольшая. Особо благоприятные условия для развития турбулентности связаны с глубокими барическими ложбинами, которые продолжают углубляться. Случаи болтанки в заполняющихся ложбинах встречаются значительно реже. При пересечении высотных циклонов и антициклонов в центральной их части болтанка самолетов наблюдается редко. На периферии барических образований повторяемость болтанки значительно выше, особенно высока она в западной и юго-западной частях углубляющихся циклонов при адвекции холода и сходимости изогипс.

5. Возможности использования спутниковой информации для определения зон интенсивной атмосферной турбулентности

Для определения зон интенсивной турбулентности имеется возможность использования спутниковой информации. При этом существует два подхода.

Первый заключается в том, что, распознавая на снимках ИСЗ метеорологические объекты и зная метеорологические и синоптические условия возникновения интенсивной турбулентности, можно качественно оценить возможность ее возникновения. Например, если на фотографиях, полученных с ИСЗ, прослеживаются фронтальные зоны, струйные течения и кучево-образная облачность, то в этих областях можно ожидать зоны интенсивной турбулентности. Там, где имеются спутниковые данные, такой анализ помогает выделять зоны турбулентности. Второй подход использования спутниковой информации для определения зон повышенной турбулентности предусматривает анализ данных наблюдений за собственным излучением поверхности в диапазоне 8-12 мкм, полученных с метеорологических спутников. Уходящее излучение, регистрируемое аппаратурой ИСЗ в указанном спектральном интервале, позволяет не только обнаруживать облака или лед на фоне подстилающей поверхности, но и получить информацию о температурных неоднородностях самой излучающей поверхности, в частности, верхней границы облаков. Эта задача решается с помощью ЭВМ. Индикация пульсаций радиационной температуры облачной поверхности, вызванных вертикальными движениями воздуха, может быть использована в качестве первичной информации для оценки структурно-энергетических характеристик турбулентности на уровнях, близких к высоте верхней границы облаков. Таким образом, при наличии соответствующих технических средств и математического обеспечения возможна не только качественная, но и количественная оценка турбулентного состояния атмосферы по данным спутниковой информации. Второй подход является перспективным, но пока еще не нашел широкого применения. В этом отношении весьма полезными могут оказаться устройства псевдо-цветного отображения результатов обработки космических изображений облачности с помощью интерактивных вычислительных систем. Зоны повышенной турбулентности, гроз и других опасных для авиации явлений погоды с помощью таких систем могут быть представлены окрашенными в яркие, привлекающие внимание, цвета.

Вывод

В заключение можно сказать, что на самолет турбулентность воздействует в основном негативно. Она приводит к увеличению расхода топлива, а также возникновению болтанки и сильной вибрации.
В небольших масштабах последствия турбулентности ограничиваются болтанкой, вибрацией, повышенным расходом топлива. В больших масштабах турбулентность может легко привести к катастрофе. Например, если маленький одно-двух-местный кукурузник попадет в турбулентность крупного авиа-лайнера, он может разбиться. Кроме того, в природе существуют мощные явления, способные привести к падению даже крупных и мощных самолетов. Например редкое явление мощного нисходящего воздушного потока, просто скидывающего самолет с неба на землю. И такие катастрофы уже случались.

Из положительных воздействий я знаю следующий пример, позаимствованный у птиц. Птицы при перелете движутся клином, во главе которого стоит самый сильный лидер. Остальные птицы в клине движутся на таком расстоянии от него, что турбулентные завихрения, создаваемые его крыльями, создают дополнительную подъемную силу, облегчая полет и экономя силы. Звенья боевых самолетов иногда применяют такую же тактику, тем самым экономя топливо и ресурса - способность.

Размещено на Allbest.ru