Турбулентность атмосф еры, причины возник новения и фак торы, вл ияющие на ее интенсивность

 

Воздух пред ставляет собой чрезвычайно подвижную среду, в которой движение частиц обычно имеет беспорядочный или, т ак называемый, турбулентный характ ер.

 

Турбул ентность (от лат инского слова “т урбо” – завихрения, водоворот) – это такое состояние атмосферы, при котором образуют ся вихри разных размеров, возникают горизонтальные и вертикальные порывы ветра. Оси турб улентных вихрей быст ро меняют свое положение в пространст ве и бывают ориентированы в самых различных направлениях.

С т урбулентностью атмосферы связаны порывистость ветра, перенос по вертикали водяного пара, ядер конденсации и других материальных частиц; она способ ствует верт икальному переносу т епла из одних слоев в другие, обмену количества д вижения межд у различны ми слоями и т.п.

Турбулентный обмен оказывает существенное влияние на условия формирования, э волюцию и микрофизическое строение облаков, туманов и осадков, с которыми непосредственно связаны сложные метеорологические усло вия полетов.

Турбулентность оказывает существенное влияние на распространение звуковых и э лектромагнитных волн (особ енно ульт ракоротких волн). Но особ енно велико влияние т урбулент ности на полет ВС. Во время полет а в турбулентной зоне, при пересечении атмосферных вихрей ВС подвергается воздейст вию вертикальных и горизонтальных порывов ветра. При э том изменяет ся угол атаки крыла и подъ емная сила, происходит т ряска и вибрация, воздушное судно испытывает неупорядоченные броски вверх и вниз, создают ся перегр узки, т.е. возникает болтанка ВС.

 

Болтанка – это беспорядочные колебания воздушного судна, сопровождающиеся перегр узкой при полете в т урб улент ной атмосфере.

Зависимость приращения перегрузки самолета ∆ n от различных факторов выражается следующим образом:

W V D Су

 

D n = ±

r эф

Da

2 G

 

, (9.1)

S

 

где: r - плотность воздуха;

Wэф -э ффект ивная скорость вертикального порыва ветра, которая определяется как результат воздействия на воздушное судно вертикального порыва, изменяющегося по линейному закону от нуля до W max;

V -скорость полет а;

G -вес самолета;

S -площад ь крыла;

a -угол атаки;

Cу -коэффициент подъемной силы;

D Су -изменение коэффициента подъемной силы в зависимости от приращения угла

Da атаки.

 

Из формулы видно, чт о приращение перегрузки, а значит и болтанка ВС, зависят от:

-турбулентного состояния атмосферы (r, Wэф);

 

- режима полет а (V,

D Су);

Da

- конст рукции самолета (G, S).

 

Это означает, что при одной и той же интенсивности атмосферной турбулентности различны е типы ВС будут испытывать болтанку различной интенсивности.

При прочих равных условиях болтанка т ем интенсивнее, чем больше скорость полета. Поэт ому в р уководст вах по летной эксплуат ации ВС через число М задаются максимально д опустимые скорост и полета в спокойной и т урбулент ной атмосфере.

Интенсивность болт анки оценивается приращением перегрузки (D n), выраженным в д олях ускорения свободного падения (g).

При полете на эшелоне:

-умеренная болт анка () наб людается при D n ±0,5g…±1 g;

-сильная болтанка () наблюдается при D n >±1g.

 

При взлете и посадк е:

- умеренная болт анка наблюд ается при D n ± 0,3g...± 0,4g;

- сильная болтанка наблюдается при D n > ± 0,4g.

В зависимост и от причин образования турбулентность подразделяет ся на термическую,

динамическую, орографическую.

 

Термическая турбулентность (конвекция) возникает из-за неравномерного прогрева подстилающей поверхност и или в результате нат екания холодного воздуха на теплую подстилающую поверхность при больших вертикальных температурных градиентах. Над конт инент ом наблюдается летом, днем. При т ермической турбулентности возникают как беспорядочные, так и упорядоченные восходящ ие и нисходящие пот оки воздуха. Ее интенсивность зависит от влажност и воздуха. В сухом возд ух е конвекция развивается до высоты 2…3 км и вызывает в эт ом сло е слабую или умеренную болтанку. Во влажном воздух е конвекция развивается до больших высот, иногда до тропопаузы, и приводит к образованию мощно-кучевых и кучево -дождевых облаков. В эт ом случае болт анка сильная, особ енно в об лаках, и наблюдается от земли до верх ней границы облаков.

 

Динамическую турбулентность вызывают следующие причины:

- т рение движущ егося во зд ушного пот ока о шерох оват ости рельефа на земной поверх ност и;

- неоднородность характера воздушного потока по направлению и скорости;

- волновые д вижения в слоях инверсии и изотермии.

Трение о земную поверхность в равнинной и х олмистой мест ност и обуславливает возникновение динамической турбулентности в нижнем слое тропосферы (до 1…1,5 км). Такая турбулентность вызывает слаб ую и умеренную болт анку. Чем сильнее воздуш ный поток и больше шероховатость подстилающей поверхности, тем интенсивнее динамическая т урб улентность в приземном слое.

 

В свободной атмосфере динамическая т ур булент ност ь возникает в слоях, где наблюдается больш ая изменчивост ь характ еристик вет ра по высоте и/или по горизонт али. Для количественной характеристики такой турбулентности вводится понятие сдвиг ветра – изменение вектора вет ра в пространст ве, включая восходящ ие и нисходящ ие потоки. Опасная т урб улентность образует ся при верт икальных сдвигах ветра более 3 м/с на 100 м высоты и/или горизонтальных сдвигах вет ра более 6 м/с на 100 км расстояния. Турбулентные зоны в большинстве случаев имеют ограниченны е размеры. Их т олщина чаще всего

300…600 м, горизонтальная протяженност ь 60…80 км. Очень редко зона т урб улент ност и охватывает слой толщиной 2…3 км и имеет протяженность до 1000 км. Чем интенсивнее т урб улентная зона, тем меньше ее толщ ина и прот яженность. Эт и зоны неустойчивы во времени и могут исчезат ь через 30…50 минут после их возникновения. В свободной ат мосфере динамическая т урб улент ност ь чаще всего развивается там, где наблюдается сх одимость (конвергенция) и расходимость (дивергенция) воздушных потоков, на границах ст руйного т ечения, в зоне тропопаузы.

 

Турбулентность, наблюдающаяся в атмосфере на высот ах более 5 км при от сутст вии кучевообразных облаков, называется турбулентность при ясном небе – ТЯН (CAT – clear air turbulence).

ТЯН относит ся к опасным для авиации метеоявлениям в силу внезапност и (неожиданно для экипажа) воздействия на ВС. Известны авиационные происш ествия из-за попадания ВС при безоблачном небе в зоны очень сильной т урб улент ност и. ТЯ Н чащ е всего связана со

струйными течениями. Горизонтальные размеры ТЯН изменяются в довольно больших пределах, достигая, в отд ельных случаях, нескольких сотен километров; т олщина ТЯН, как правило, не превы шает 1000 м.

Динамическая турбулентность, возникающая в слоях инверсии и изотермии, имеет вид чередующихся восходящ их и нисходящ их пот оков.

 

Орографическая турбулентность возникает в горных районах. Воздушный поток при об текании горных препятст вий деформирует ся и, при опред еленных условиях, эт о приводит к образованию зон с повышенной турбулентностью. Повторяемость сильной т урб улент ност и в горных районах при одних и тех же метеорологических условиях значит ельно выше, чем в равнинной местности.

Характер и интенсивность турбулентности зависят от формы и размеров горного препятствия, от т ого, как направлен воздушный поток по отнош ению к препятст вию, от скорости ветра и изменения ее с высотой, от температ урной стратификации.

Турбулентность, вызывающая интенсивную болтанку ВС, об разуется в тех сл учаях,

когда:

- воздушный поток направлен перпендикулярно к горному препят ствию;

- скорость ветра у земли 8…10 м/с и с высотой вет ер усиливается;

- выш е горного препятствия наблюдается устойчивая стратификация ат мосферы (имеет место слой инверсии, изотермии или медленного понижения т емператур ы с высотой).

Опасная турбулентность возникает (рис. 9.4):

 

 

 

Рис. 9.4. Турбулентность в горных районах

 

 

- над вершиной горы в слое 500…1000 м. Здесь поток сжимается, усиливается, в результате чего вертикальные сдвиги ветра увеличивают ся д о 5 м/с и более на 100 м высот ы;

- с подветренной стороны гор, где образуют ся сильные нисходящие пот оки (фён),

совокупность вихрей разных размеров (роторы), а выше хребта – подветренные волны.

Зона повыш енной турбулентности распространяет ся по горизонтали в направлении воздушного потока на 20…30 км от горного препятст вия.

Упорядоченные нисходящ ие возд уш ные пот оки (фён), возникающие на под вет ренной

стороне, приводят к резкой потере высоты ВС на несколько сот ен метров. Извест ны лет ные происшест вия, связанные с указанным явлением.

Роторы возникают чаще всего за горными препятст виями высотой до 1500 м. Они предст авляют собой цилиндрические вихри диаметром 500…1000 м с горизонтальными осями, направленными параллельно горному х ребту. В отчетливо выраженных рот орах скорости вертикальных д вижений 5…10 м/с, поэтому в роторах наблюдается сильная болт анка, аналогичная болтанке в кучево-дождевых облаках. Иногда в верхней част и роторного вихря образуются разорванно-кучевые об лака с небольш им вертикальным развит ием (напоминают шляпку гриба). Роторы располагаются в виде нескольких (чаще трех) параллельных хребт у полос. Периодически рот оры “отрывают ся” и, перемещаясь вместе с пот оком, турбулизируют возд ух вдали от гор, а на их месте создаются новые.

 

Подветренные волны распространяют ся в ат мосфере до высоты в 4…5 раз превышающей высот у горного препят ствия и могут наблюд аться во всей толще тропосферы, а иногда распространяться и в нижнюю страт осферу. Длина таких волн 5…80 км, амплит уда

100…150 м, вертикальные скорости могут достигать 10…12 м/с. При полете в подветренных волнах возникает циклическая б олтанка, вызываемая чередующимися восходящими и нисходящими движениями в гребнях и ложбинах волн. Наиб олее опасной бывает болтанка в коротких волнах с большой амплитудой. При достат очной влажност и воздуха в гребнях волн образуются малоподвижные гряды облаков, параллельные хребт у, чаще это чечевицеобразные облака. Такие облака мог ут располагат ься в несколько ярусов, один ярус над д ругим. В э тих случаях подветренные волны заметны визуально. В об ласти образования подветренных волн наблюдают ся резкие колебания атмосферного давления. Вследст вие эт ого показания барометрического высот омер а част о оказываются ненадежными. Так, при полетах отмечались ошибки в определении высоты до 300 м и более.

Наряду с т урбулентностью, на условия полетов в горных районах влияет э ффект общего подъема возд ух а на навет ренной и опускание его на подвет ренной стороне. Поэт ому ВС на наветренной стороне хребт а “т янет” кверху, а на подветренной “прижимает” к земле.

Влияние горного хребта на воздушный пот ок начинает сказываться на значительном расстоянии. При высоте хребта 1000 м воздушный поток начинает восходящее движение на расстоянии 60…80 км от него.