Jak atmosfera i wiatry wpływają na samolot?

Wiatr, temperatura, ciśnienie powietrza i widoczność są ważnymi czynnikami wpływającymi nie tylko na sposób lotu samolotu, ale także na punktualność i komfort lotu dla pasażerów. W ostatnim czasie przekonaliśmy się, jak wiatr (orkan Eunice) ma wpływ na działalność lotniczą.

Jak wpływa atmosfera?

Atmosferę można opisać jako masę gazową otaczającą i poruszającą się wraz z Ziemią bez określonej górnej granicy. W tym momencie ważne jest, aby docenić, że atmosfera porusza się wraz z Ziemią. Składa się z około 78 proc. azotu, 21 proc. tlenu i 1 proc. mieszaniny innych gazów, w tym dwutlenku węgla, wodoru czy argonu. Powietrze, które tworzą te gazy, zachowuje się bardzo podobnie do cieczy.

Atmosfera jest podzielona na pięć głównych warstw, ale samoloty komercyjne latają w dwóch dolnych warstwach – troposferze, która znajduje się najbliżej powierzchni Ziemi i stratosferze, która znajduje się tuż nad nią.

Gdy samolot wzbija się w powietrze i dociera do troposfery, ciśnienie powietrza, temperatura i gęstość powietrza maleją. Na każde 1000 stóp temperatura powietrza spada o 2°C. Trwa to do osiągnięcia przez samolot około 36 000 stóp (10,9 km), gdzie wchodzi się w tropopauzę, która jest warstwą graniczną przed dotarciem do stratosfery. Tutaj temperatura przestaje spadać wraz ze wzrostem wysokości i staje się wartością stałą.

Używam „około” 36 tys. stóp, ponieważ poziom tropopauzy zmienia się z dnia na dzień, w zależności od pory roku, a co najważniejsze, w zależności od jej położenia nad Ziemią. Na tropopauzę wpływa temperatura powietrza pod nią. Im cieplejsze powietrze, tym wyższa tropopauza. W rezultacie jest ona niższa na biegunach (około 25 tys. stóp) i wyższa nad równikiem (około 55 tys. stóp). Tropopauza jest ważna, ponieważ skutecznie działa jak pokrywka, utrzymując większość pogody pod nią.

Ponieważ warunki te mogą występować na całym świecie, piloci stosują ujednoliconą Międzynarodową Atmosferę Standardową (ISA). W warunkach ISA, na lotnisku na poziomie morza, temperatura wynosi 15°C, spada o 1,98°C na każde 1000 stóp (308 metrów), a ciśnienie powietrza wynosi 1013 hektopaskali (hPa). Piloci następnie określają warunki w danym dniu jako ISA +/- tyle stopni.

Wpływ wiatru

Wszyscy jesteśmy świadomi wpływu wiatru na Nas i otaczający Nas świat, ale co to właściwie jest? Wiatr definiuje się jako „utrzymujący się poziom ruchu powietrza” i jest powodowany zmianami ciśnienia powietrza. Kiedy oglądamy prognozę pogody w telewizji, widzimy wiatr mierzony w kilometrach lub milach na godzinę. Jednak w lotnictwie mierzy się go w węzłach (kt) – przy czym, 1 kt jest równy 1,86 kilometra na godzinę.

Najprawdopodobniej każdy widział wykres przedstawiający obszary wysokiego i niskiego ciśnienia. Powietrze będzie naturalnie płynąć z obszarów o wysokim ciśnieniu do obszarów o niskim ciśnieniu – podobnie jak woda spłynie w dół zbocza i wypełni niżej położony obszar. To ten przepływ powietrza, którego doświadczamy jako wiatr.

Pierścienie na wykresie nazywane są izobarami i wskazują obszary o równym ciśnieniu. Im bliżej siebie znajdują się izobary, tym większa zmiana ciśnienia na danej odległości, a tym samym silniejszy wiatr. Wiemy również, że na półkuli północnej powietrze porusza się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół obszarów niskiego ciśnienia i zgodnie z ruchem wskazówek zegara wokół obszarów wysokiego ciśnienia. Na półkuli południowej jest odwrotnie.

W rezultacie, patrząc na wykres, można stwierdzić, z którego kierunku wieje wiatr i jak silny będzie. Wiedza o tym, co robi wiatr, jest jednym z najważniejszych czynników, które piloci muszą znać podczas wykonywanego przez nich lotu, czy to małym turystycznym samolotem czy dwupokładowym airbusem A380, który może pomieścić nawet ponad 600 osób.

Dlaczego jest to ważne dla pilotów? Najpierw rozwiejmy powszechny mit. Wbrew powszechnemu przekonaniu to nie silniki sprawiają, że samoloty latają, ale skrzydła. Silniki zapewniają jedynie przyspieszenie do przodu.

Dzieje się tak, ponieważ skrzydło działa na zasadzie przepływu powietrza po jego powierzchni. Kiedy przepływ powietrza osiąga określoną prędkość, skrzydło zaczyna się unosić. Gdy wygenerowana siła nośna jest większa niż ciężar, samolot wznosi się w powietrze. Silniki zapewniają siłę napędową do tworzenia tego przepływu powietrza nad skrzydłem. W rezultacie siła i kierunek (prędkość) wiatru ma ogromne znaczenie dla samolotów na wszystkich etapach lotu, szczególnie podczas startu i lądowania.

Podczas startu, jeśli skrzydło wymaga 100 węzłów przepływu powietrza nad nim (prędkości), aby wytworzyć wystarczającą siłę nośną do lotu, przy zerowych warunkach wiatru samolot będzie musiał przyspieszyć do 100 węzłów nad ziemią, aby wzbić się w powietrze. Jednakże, jeśli w nos samolotu wieje wiatr o prędkości 20 węzłów, wiatr czołowy, musi on przyspieszyć tylko do 80 węzłów prędkości względem ziemi, zanim będzie mógł wznieść się w powietrze.

W efekcie samolot startuje z prędkością +20 węzłów, zanim zacznie się poruszać. I odwrotnie, jeśli zza samolotu wieje wiatr 20 węzłów, wiatr tylny, zaczyna się od wiatru 20 węzłów. W rezultacie musi przyspieszyć do 120 węzłów, zanim osiągnie wystarczającą siłę nośną, aby wzbić się w powietrze. Ta dodatkowa prędkość oznacza, że samolot będzie potrzebował więcej pasa startowego, zanim osiągnie prędkość startową. Dzięki temu zrozumiesz, dlaczego piloci wolą startować pod wiatr.

To samo dotyczy lądowania. Przy wietrze czołowym 20 węzłów samolot może mieć prędkość 100 węzłów, ale prędkość względem ziemi wynosi tylko 80 węzłów. Wymagałoby to znacznie krótszego pasa startowego niż gdyby samolot miał wiatr tylny 20 węzłów i wypadkową prędkość 120 węzłów. Następnym razem, gdy będziesz na rozbiegu, spójrz przez okno na wiatrochron. Często zauważysz, że wskazuje on pas startowy.

Kiedy wiatry są naprawdę silne, prędkość lądowania samolotu może być dość niska. Chociaż nie stanowi to problemu dla pilotów i samolotów, powoduje pewne bóle głowy dla kontroli ruchu lotniczego. Ponieważ samoloty poruszają się nad ziemią wolniej, oznacza to, że mniej wyląduje na godzinę. Nie stanowi to problemu na małych lotniskach, ale w portach lotniczych takich jak np. Londyn-Heathrow, Paryż-CDG czy Stambuł efekty domina mogą być dość znaczące. Aby zminimalizować opóźnienia spowodowane silnymi wiatrami, wieże kontroli lotów (ATC) przeszły na system zwany separacją opartą na czasie (ang. TBS – time-based separation).

Jeśli mówi się, że turbulencje są powodowane przez wahania siły nośnej, nie będzie dla Nas zaskoczeniem, że turbulencje są ściśle związane z prędkością wiatru. Gdy samolot przelatuje przez poruszającą się masę powietrza nad Ziemią, podlega on stale zmieniającej się prędkości wiatru. Te ciągłe zmiany powodują zmiany siły nośnej, jaką skrzydło zapewnia w danym momencie. Kiedy wiatr się wzmaga, siła nośna się zwiększa. Kiedy wiatr słabnie, siła nośna maleje. Gdy się pomnoży te zmiany setki razy na sekundę, w ten sposób uzyska się efekt w postaci turbulencji.

Co to są wiatry niskiego poziomu?

W wietrzne dni loty wydają się dość płynne, aż do późniejszych etapów lądowania, a potem zaczynają być wyboiste. To nie przypadek – ma to związek z czymś, co nazywa się „warstwą graniczną”. Patrząc na płynącą rzekę i jak płynie w niej woda, można porównać to do powietrza, które zachowuje się jak płyn. Na środku rzeki woda płynie przyjemnie i gładko, bo nic jej nie przeszkadza. Jednak na brzegach woda zaczyna się burzyć, gdy przepływa obok skał i trzyma się blisko brzegu. Tak samo jest w powietrzu.

Kilka tysięcy stóp w górę powietrze może swobodnie płynąć, tak jak na środku rzeki. Jednak, gdy wiatr zbliża się do ziemi, zaczyna uderzać w budynki, drzewa, wzgórza i inne przeszkody. To właśnie ten kontakt powoduje turbulencje na niskim poziomie, których doświadcza się na wczesnych i późnych etapach lotu.

Prądy strumieniowe i wiatry na wyższym poziomie

Mogło się zdarzyć, że przynajmniej raz w życiu słyszeliśmy o prądach strumieniowych, które pojawiają się w przypadku lotów przez Atlantyk. Czy są one tak ważne? Światowa Organizacja Meteorologiczna definiuje prąd strumieniowy jako silny, wąski prąd skoncentrowany wzdłuż osi quasi-horyzontalnej w górnej troposferze lub stratosferze, charakteryzujący się silnymi pionowymi i bocznymi uskokami wiatru oraz charakteryzujący się jednym lub większą liczbą maksimów prędkości. Prędkość wiatru musi przekraczać 60 węzłów.

Co to wszystko znaczy? Zasadniczo prąd strumieniowy to skoncentrowany obszar naprawdę szybko poruszającego się wiatru. Oto cała prawda. Więc co powoduje, że pojawiają się tam, gdzie są, czyli tylko nad Atlantykiem? Powyżej wyjaśniłem, że tropopauza różni się wysokością nad powierzchnią w zależności od tego, gdzie się w danym momencie znajdujemy. Nad biegunami jest niżej, a nad równikiem wyżej. Jednak w obu półkulach pod kątem około 30° i 60° występują etapy tropopauzy, w których występują duże różnice temperatur.

W tych lokalizacjach, ze względu na gwałtowną zmianę temperatury w zlokalizowanym obszarze, szybko zmienia się również wiatr. To te zmiany tworzą strumienie strumieniowe. Im większa różnica temperatur, tym silniejszy wiatr. Dlatego prądy strumieniowe są zwykle szybsze w zimie, kiedy istnieje większy zakres temperatur między zimniejszym powietrzem polarnym a cieplejszym powietrzem obok niego.

Prądy strumieniowe płyną z zachodu na wschód, dlatego loty z Europy do Ameryki Północnej trwają dłużej niż w drugą stronę. W rdzeniu prądów strumieniowych wiatry regularnie osiągają od 100 do 150 węzłów. Czasami mogą osiągnąć nawet od 150 do 200 węzłów. W rezultacie trasy samolotów przez Atlantyk różnią się w zależności od wiatru. Kierując się na zachód, trasy trzymają samoloty z dala od najsilniejszych wiatrów bocznych. Kierując się na wschód do Europy, starają się jak najlepiej wykorzystać te strumienie, lecąc jak najbliżej jądra.

Te silne wiatry pokazują również, dlaczego często jest bardziej buja podczas lotów na wschód niż na zachód. Piloci starają się latać w samym środku prądów. Tutaj, podobnie jak w powyższym przykładzie rzeki, powietrze jest znacznie gładsze. Można latać z wiatrem tylnym wynoszącym około 150 węzłów i być w całkowicie gładkim powietrzu. Zejście tylko kilka tysięcy stóp niżej może spowodować prędkość wiatru tylnego mniejszą o połowę. Wtedy cały przez cały rejs pasażerowie narażeni są na odczuwanie turbulencji.

Pogoda odgrywa ogromną rolę w tym, jak przebiega lot samolotu – czy wystartuje o czasie, czy będą i jakiego poziomu będą turbulencje i jak długo potrwa rejs. Właściwości atmosfery wpływają na całą pogodę, która się w niej tworzy. Wiatr i sposób, w jaki się zachowuje, ma największy wpływ na każdy odbywający się lot. Od tego, jak bardzo będzie trzęsło, do tego, jak prawdopodobne będzie przybycie do miejsca docelowego później niż o zaplanowanej godzinie.