Niebezpieczne zjawiska atmosferyczne w lotnictwie: wiatr i turbulencja

Złe warunki pogodowe wymienia się jako trzecią najczęstszą przyczynę wypadków i katastrof lotniczych. Postęp technologiczny w zakresie meteorologii i innych dziedzin wspomagających lotnictwo, dostępność danych i szybkie informowanie o zmianach warunków pogodowych sprawiają, że liczba zdarzeń lotniczych w stosunku do liczby wykonywanych operacji systematycznie maleje. Obecnie największym niebezpieczeństwem dla pilotów są gwałtowne zmiany pogody, na które nie są oni przygotowani.

AUTORZY:
Maciej Benedyk, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Lotnictwa Cywilnego
Maciej Zaborowski, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Lotnictwa Cywilnego

Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy, w ramach pełnionej służby MOLC, prowadzi na polskich lotniskach bieżącą obserwację warunków pogodowych. Jednym z elementów tej usługi jest opracowywanie prognoz i ostrzeżeń lotniczych – zadania te realizują Biura Prognoz Lotniczych w Warszawie i Krakowie. Odbiorcami komunikatów są m.in.: kontrolerzy ruchu lotniczego, dyżurni portów i linie lotnicze, a także piloci samolotów, helikopterów, szybowców czy balonów. Każda z tych grup w nieco inny sposób postrzega niebezpieczeństwa związane z pogodą. Dla pilota samolotu wiatr przyziemny rzędu 15-20 KT[i] (27-37 km/h) nie będzie przeszkodą do lotu; w przypadku balonu takie warunki właściwie uniemożliwiają podjęcie jakichkolwiek operacji lotniczych. Stąd też prognozy i ostrzeżenia mają różne kryteria i są dostosowane do potrzeb odbiorcy.

W lotnictwie jednymi z najgroźniejszych zjawisk związanych z warunkami meteorologicznymi są wiatr i turbulencja. Oba problemy mogą pojawić się zarówno podczas startów i lądowań, jak i przelotu, m.in. w zasięgu chmur konwekcyjnych czy przez strefę frontu atmosferycznego. W meteorologii wiatr określa się jako poziomy ruch powietrza spowodowany przez siły, które na nie działają (siła gradientu ciśnienia, odśrodkowa, tarcia oraz siła Coriolisa). Synoptyk tworzący prognozę, w której uwzględnia ewolucję pola barycznego, a także warunki lokalne, jest w stanie stwierdzić, czy kierunek wiatru, jego średnia prędkość i porywy mogą niekorzystnie wpływać na wykonywane operacje lotnicze. Kierunek wiatru mówi nam o tym, „skąd wieje wiatr”, i w większości meldunków oraz map meteorologicznych odnosi się do północy geograficznej. Wyjątek stanowi informacja o wietrze podawana przez kontrolę ruchu lotniczego pilotom w celu startu lub lądowania z konkretnego lotniska. Jest to tzw. wiatr nawigacyjny, wskazujący, „dokąd wieje wiatr”, i odnosi się do północy nie geograficznej, lecz magnetycznej.

Prędkość wiatru i jego kierunek – parametry kluczowe dla bezpieczeństwa lotu

Podczas startów i lądowań prędkość wiatru większa niż 30 KT (około 55 km/h) jest uważana za niebezpieczną. Większość lotnisk komunikacyjnych taką właśnie wartość wskazuje jako kryterium do wystawienia ostrzeżenia lotniskowego, rozróżniając przy tym średnią prędkość wiatru oraz porywy. Podobne kryteria (25 KT wiatru średniego i 30 KT dla porywów) stosuje się do ostrzeżeń dla baz Lotniczego Pogotowia Ratunkowego HEMS[ii]. Dlatego też stacje meteorologiczne wysyłają depesze ostrzegawcze STORM[iii], a biura prognoz wystawiają ostrzeżenia o możliwości wystąpienia silnego wiatru lub jego porywów. Im większa jest prędkość wiatru, tym większe niebezpieczeństwo dla wykonywania operacji lotniczych. Kierunek wiatru także jest istotny. Częstym dylematem kontrolerów ruchu lotniczego jest odpowiedni wybór pasa operacyjnego, aby jak najbardziej ograniczyć oddziaływanie wiatru bocznego i tylnego na startujące lub lądujące samoloty. W internecie można znaleźć wiele filmów pokazujących lądowanie z silnym bocznym wiatrem. Trzeba przyznać, że wyglądają one zarówno efektownie, jak i – momentami – przerażająco.

Uskok wiatru – niespodziewany problem

Zjawisko uskoku wiatru było główną lub pośrednią przyczyną wielu wypadków i incydentów lotniczych. W takich właśnie okolicznościach 14 września 1993 roku na lotnisku Okęcie rozbił się samolot Airbus A320-211 linii Lufthansa. Zginęły wówczas dwie osoby. Członkowie załóg lotniczych statków powietrznych oraz piloci General Aviation[iv] muszą być świadomi istnienia tego groźnego zjawiska. Gdy napotkają je w czasie lotu, powinni gromadzić dane oraz przekazywać dalej wszystkie związane z tym informacje.

Uskok wiatru to gwałtowna zmiana kierunku i/lub prędkości wiatru. Najsilniejsze uskoki mogą powodować nagłą poziomą zmianę prędkości większą niż 15 KT lub zmiany pionowe większe niż 150 m/min (500 FT/min). Chociaż uskoki wiatru mogą występować na wszystkich wysokościach, szczególnie groźne są te, które występują w warstwie od powierzchni ziemi do wysokości 500-600 m (1600-2000 FT[v]) podczas startów i lądowań samolotów. Uskok wiatru może być pozytywny (przyrost siły nośnej) lub negatywny (utrata siły nośnej). Wyobraźmy sobie lot skoczka narciarskiego. Kiedy podmuch pod narty znacznie wydłuża jego skok – mówimy o przyroście siły nośnej, gdy tylny podmuch jest duszący i zmusza zawodnika do szybkiego lądowania – mamy do czynienia z utratą siły nośnej. Podczas startu i lądowania samolot ma tylko nieznacznie większą prędkość od jej granicznej wielkości, poniżej której następuje jego przeciągnięcie. Jeśli w takim momencie statek powietrzny natrafi na nagłą zmianę prędkości i/lub kierunku wiatru, może utracić część siły nośnej. Jeśli ta strata jest wystarczająco duża, a wzrost mocy silnika niewystarczający, to skutkiem jest głębokie przepadnięcie (gwałtowna utrata wysokości) samolotu. To, czy utrata wysokości będzie zatrzymana na czas i nie zakończy się rozbiciem maszyny o ziemię, zależy od wysokości, na której zdarzył się uskok wiatru, czasu reakcji pilota i właściwości lotnych statku powietrznego.

Kolejnym niebezpieczeństwem, które niesie uskok wiatru, jest zmniejszenie osiągów statku powietrznego. Ma ono miejsce, kiedy samolot wlatuje w strefę, gdzie prędkość wiatru czołowego spada w krótkim czasie. Wówczas prędkość powietrza względem skrzydeł zmniejsza się, co powoduje spadek wskazywanej przez przyrządy prędkości samolotu. Ponieważ siła nośna jest zależna od prędkości powietrza opływającego skrzydła, następuje jej spadek. Wszystkie te czynniki są bardzo niebezpieczne. Gdy samolot znajduje się na małej wysokości, a taka jest podczas startu lub lądowania, jego prędkość jest niewielka. Jeśli napotka w takich warunkach uskok wiatru, jeszcze bardziej zwolni, a w konsekwencji utraci wysokość lotu, co może zakończyć się przyziemieniem lub rozbiciem. Podobnie niebezpiecznym zjawiskiem jest uskok wiatru zwiększający osiągi samolotu. Ma on miejsce, gdy samolot przekracza granicę między tylnym a czołowym wiatrem w bardzo krótkim czasie lub też następuje gwałtowny spadek prędkości wiatru czołowego. W takiej sytuacji prędkość powietrza względem skrzydeł statku powietrznego wzrasta, siły inercyjne powodują wzrost siły nośnej samolotu, a co za tym idzie – jego prędkości.

Informacji o wystąpieniu uskoku wiatru oraz jego typie udzielają załogi lądujących lub startujących samolotów. Synoptycy na podstawie tych danych oraz prognoz warunków synoptycznych sprzyjających występowaniu uskoku wiatru opracowują ostrzeżenia przed uskokiem, ale tylko dla warstwy przyziemnej (do 1600 FT, około 528 m).

Microburst – spadający wiatr

Kolejnym groźnym zjawiskiem związanym z uskokiem wiatru jest microburst. To krótkotrwały, ale bardzo silny strumień powietrza związany z konwencją, skierowany w dół. Dane zebrane z obserwacji burz pokazują, że 5 proc. ich ogólnej liczby „produkuje” microburst. Zstępujące strumienie powietrza związane z tym zjawiskiem mają zwykle w przekroju poprzecznym szerokość od kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Kiedy prąd pionowy dotrze do powierzchni ziemi, rozprzestrzenia się promieniście, powodując wiatr od tylnego do czołowego, a jego prędkość może przekraczać 50 KT (ponad 90 km/h). Obszar zasięgu takiego wiatru ma kształt pierścienia o średnicy 2-4 km. Microburst jest wyjątkowo niebezpieczny, ponieważ jego relatywnie mały rozmiar i gwałtownie zmieniający się układ wiatru na krótkich dystansach powoduje ekstremalnie silne uskoki wiatru. Charakterystyczną cechą tego zjawiska jest intensyfikacja wiatru po 5 minutach po dotarciu do powierzchni ziemi, następnie słabnięcie i w końcu, po 10-20 minutach, zanikanie. Jednym z typów microburstu jest typ „mokry”, który zwykle występuje w połączeniu z burzami i silnym opadem atmosferycznym. Drugi to typ „suchy”, który rozwija się w słabym opadzie przelotnym lub gdy opad się nie pojawia albo dochodzi do powierzchni ziemi (zjawisko virga).

Turbulencje – coś więcej niż nieprzyjemna pamiątka z lotu

Podczas podróży samolotem często doświadczamy nieprzyjemnego uczucia trzęsienia, kołysania lub przepadania. To efekt turbulencji, czyli chaotycznych ruchów powietrza w pionie i poziomie. Turbulencyjne ruchy powietrza powodują podczas lotu powstawanie niepożądanych przeciążeń. Kiedy wielkość wirów jest zbliżona rozmiarami do statku powietrznego, powodują one kołysanie wzdłużne samolotu oraz odchylenie od kursu. Większe wiry rzucają samolotem, a mniejsze wywołują tylko delikatne wstrząsy ni mające znaczenia dla lotu. Oczywiście należy to rozpatrywać w pewnej skali, zależnej od wielkości samolotu, jego obciążenia i prędkości.

Rozróżniamy kilka rodzajów turbulencji:

1. Turbulencja termiczna. Występuje w chwiejnej masie powietrza i jest skutkiem występowania różnego tempa nagrzewania się powierzchni. W konsekwencji w powietrzu powstają sąsiadujące ze sobą kominy termiczne, gdzie mamy do czynienia z unoszeniem się powietrza, oraz studnie termiczne, gdzie powietrze osiada. Turbulencję termiczną cechuje wyraźny przebieg dobowy, z największym natężeniem w godzinach popołudniowych. Powoduje ona rzucanie samolotu podczas wkraczania w zasięg kominów termicznych i wychodzenia z nich.
2. Turbulencja mechaniczna. Wywołuje ją mechaniczny ruch powietrza nad powierzchnią ziemi. Wówczas powietrze w strefie mieszania ma tendencję do tworzenia różnej wielkości wirów. 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. W powietrzu o równowadze chwiejnej tworzą się zawirowania o większych rozmiarach niż w powietrzu o równowadze stałej, za to niestabilność masy powoduje o wiele szybsze ich rozpraszanie, podczas gdy zanikanie zawirowań w powietrzu o równowadze stałej zachodzi znacznie wolniej.
3. Turbulencja związana z falą górską. Powstaje, gdy stabilna masa powietrza przemieszcza się w poprzek łańcucha górskiego. Sprzyjające warunki do tworzenia się fali górskiej to prędkość wiatru wiejącego prostopadle do gór powyżej 25 KT (ponad 46 km/h) oraz inwersja temperatury w pobliżu szczytów (do 600 m powyżej nich). Oczywiście fala górska może wystąpić, kiedy kierunek wiatru nie jest dokładnie prostopadły do łańcucha górskiego. Jednak zjawisko to jest najintensywniejsze przy silnym wietrze, jak najbardziej prostopadłym do gór. 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 sprzyjających okolicznościach silne prądy pionowe mogą sięgać nawet do wysokości 21000 m (70000 FT), a zasięg horyzontalny samych prądów zstępujących może wynosić do 500 km po zawietrznej stronie gór. O obecności fali górskiej może świadczyć wystąpienie na niebie chmur Altocumulus lenticularis, w postaci charakterystycznych soczewek.
4. Turbulencja czystego nieba (CAT). Terminem tym opisywana jest turbulencja o dużym rozrzucie intensywności – od kilku dokuczliwych małych wstrząsów do bardzo intensywnego rzucania/szarpania, które stwarza zagrożenie dla konstrukcji samolotu oraz zdrowia załogi i pasażerów. Turbulencja ta różni się od termicznej i mechanicznej tym, że jest od nich bardziej regularna. CAT najczęściej występuje na wysokościach powyżej 4500 m (15000 FT). Jest związana z wyraźnymi zmianami prędkości wiatru lub temperatury – zarówno wysokości (pionowy uskok wiatru), jak i ze zmianami horyzontalnymi tych parametrów (poziomy uskok wiatru). Najsilniejszej turbulencji CAT możemy się spodziewać w pobliżu prądów strumieniowych w górnej troposferze.

W pracy operacyjnej synoptyka lotniczego turbulencja definiowana jest jako:

1. Umiarkowana – termiczna lub mechaniczna występuje przy dużym zróżnicowaniu podłoża w zasięgu chmur Cumulus Congestus oraz Cumulonimbus, do 150 km od fali górskiej i słabo wyrażonych prądów strumieniowych. Powoduje częste szarpanie i kołysanie statków powietrznych, zmianę wysokości o 30-50 m oraz zmniejszenie prędkości do 50 km/h.
2. Silna – występuje w zasięgu rozbudowanych chmur TCu – Towering Cumulus (Cumulus congestus) i Cumulonimbus oraz w zasięgu fali górskiej i prądów strumieniowych. Powoduje silne drgania i podrzuty statku powietrznego, gwałtowną zmianę wysokości oraz częste i nagłe przeciążenia utrudniające pilotaż. Zmiana wysokości podczas tego zjawiska dochodzi do ponad 50 m, a prędkość może zostać zmniejszona do 50-80 km/h.

Zadaniem synoptyka lotniczego jest prognozowanie turbulencji i wydawanie ostrzeżeń, jeśli zjawisko to będzie umiarkowane lub silne – zgodnie z przyjętymi kryteriami i procedurami. Należy zwrócić uwagę, że wiele prognoz lub ostrzeżeń nie uwzględnia turbulencji związanej z chmurami konwekcyjnymi. Przyjmuje się bowiem, że dynamika prądów wstępujących i zstępujących jest w nich na tyle silna, że towarzyszy wszystkim chmurom Cu, TCu, i Cb; oczywiście jej intensywność zależy od stadium rozwoju chmury.

Zagadnienia dotyczące wiatru należą do jednych z najtrudniejszych w prognozowaniu. Najlepszą dokładność prognoz uzyskuje się dla kierunku i prędkości wiatru. Większym wyzwaniem jest przewidywanie porywów, uskoków wiatru i turbulencji. Są to zjawiska chwilowe, punktowe, prognozowane na podstawie warunków sprzyjających ich wystąpieniu, wynikające przede wszystkim z określonej sytuacji barycznej. Dokładny moment i miejsce wystąpienie tych zjawiska, jak również ich siła, są często niemożliwe do przewidzenia, co czyni je wyjątkowo niebezpiecznymi.

[i] 1 KT (1 węzeł) ≈ 1,85 km/h ≈ 0,51 m/s; węzły są oficjalną jednostką stosowaną w lotnictwie.
[ii] HEMS – Helicopter Emergency Medical Service (Śmigłowcowa Służba Ratownictwa Medycznego).
[iii] STORM – depesza ostrzegawcza przeznaczona do zawiadomienia, że powstało lub nadciągnęło zjawisko meteorologiczne groźne dla pewnych dziedzin życia gospodarczego. Depeszą odwoławczą, informującą że groźne zjawisko osłabło lub zanikło, jest depesza AVIO (Klucze FM12 – XII EXT SYNOP).
[iv] General Aviation – Lotnictwo Ogólne, bardzo obszerna grupa, skupiająca cały ruch lotniczy poza lotami rozkładowymi i wojskowymi. Są to zatem piloci awionetek, helikopterów, ale także balonów, paralotni czy szybowców.
[v] 1 FT (1 stopa angielska) ≈ 0,33 m, 100 FT ≈ 30 m.