Russian English French German Italian Spanish
Препятствия для полета
Прочие
Препятствия для полета

Препятствия для полета: сдвиг ветра, шквал, смерч, гроза, молния, ливень

 

Сдвиг ветра - это изменение его скорости и (или) направления в пространстве. Такое изменение возможно, как в горизонтальном (горизонтальный СВ), так и в вертикальном (вертикальный СВ) направлениях. Термином «сдвиг ветра» описывают широкий спектр состояния атмосферы.

Сдвиг ветра порождают разные метеорологические явления: гроза, ливень, вирга (дождевой поток, который испаряется, не достигая земли), нисходящие потоки холодного воздуха, восходящие потоки, температурный инверсионный сдвиг, струйные течения, шквалы и пр. Гроза, ливень и вирга вызывают микро-порывы ветра - основную причину появления СВ [60].

Наблюдения показывают, что приблизительно 5 % гроз сопровождаются микро-порывами. Связанные с ними нисходящие воздушные потоки распространяются в зоне размерами от 500 м до нескольких километров. Когда такой поток достигает земли, он растекается в приземном слое воздуха в горизонтальной плоскости, иногда с образованием вихревых колец по границам зоны растекания. Показано формирование микро-порыва вертикальным нисходящим потоком (симметричный микропорыв).

Зона распространения вихревых колец достигает высоты 500 м над землей и покрывает площадь от 2 до 4 км в диаметре. Микро-порывы могут возникать и достигать поверхности земли без дождя в случае вирги. Образовавшийся на высоте дождь будет испаряться, вызывая тем самым охлаждение воздуха и, как следствие, нисходящий поток ветра.

Грозовые облака могут находиться в движении, и микро-порыв, вызванный ими, станет несимметричной формы. Жизненный цикл микро-порыва - 15-20 мин. Максимальной интенсивности сдвиг ветра достигает приблизительно через 5 мин после контакта нисходящего потока с землей.

сдвиг ветра 1сдвиг ветра 1 2сдвиг ветра 1 3

 

Сильный СВ (особенно на низкой высоте) может быть вызван шквалом на расстоянии нескольких километров от зоны СВ. Его механизм - боковое растекание горизонтального потока, скорость которого достигает 150-185 км/ч. Очень часто шквал грозового фронта, который развивается, сопровождается другими видами облачности, мешающей его идентификации.

Температурный инверсионный сдвиг ветра чаще всего обусловливает изменение скорости и (или) направления ветра в небольшом приземном слое, если теплая масса воздуха перемещается над холодной воздушной массой, - преимущественно в районах прибрежных или предгорных аэропортов. Здесь восходящий поток охлаждается при подъеме, но с такой же скоростью нагревается, когда стекает сверху вниз. В результате нагревания инверсия над холодным воздухом предгорной долины усиливается. При этом температурный градиент чрезвычайно возрастает. Такой СВ возникает вследствие трения медленно двигающихся приземных потоков и теплого воздуха, который быстро перемещается над ними.

Летние грозы вблизи ветреных склонов гор также создают значительные СВ при соответствующих условиях. Эти грозы характеризуются относительно высокими основами облаков, часто на высотах 2500-3000 м (иногда - более) над землей, в воздушных массах, которые создают высокие температуры на поверхности земли (38.40 °С), но сравнительно низкой точкой росы (от-6 до +3 °С). Дождь, выпадающий из кучево-дождевых облаков на большой высоте, может целиком испариться до того, как достигнет земли.

Кучево-дождевые облака в зависимости от своего развития делятся на внутримассовые и фронтальные, а также ливневые и градовые. Облака отличаются не только интенсивностью и видами осадков, но и механизмом возникновения и развития.

В случае слабых усреднено-массовых кучево-дождевых облаков многочисленные капли, возникающие в результате конденсации и коагуляции, достигнув максимальных критических размеров, начинают выпадать из облака навстречу восходящим воздушным потокам. Когда эффект действия падающих капель превосходит эффект подъема воздуха, гроза затихает.

В сильных фронтальных кучево-дождевых облаках под влиянием СВ в средних и верхних слоях атмосферы восходящий поток может выгибаться. В таком случае тормозящее действие осадков уменьшается, поскольку они находятся вне наклона поднимающегося воздушного потока. При образовании наклоненного восходящего потока над относительно ровной местностью иногда возникают вращательные движения, в результате чего резко увеличивается вертикальная скорость, а вместе с ней и скорость вращения.

Исследования сильных гроз в 1990—2005 гг. показали, что они связаны с термодинамической неустойчивостью, обусловленной перегреванием приземного слоя воздуха, или неравномерным распределением по высоте адвекции тепла и холода, а также конвергенцией и дивергенцией воздушных потоков. При этом кучево-дождевые облака с градом, шквалами и торнадо (смерчами) возникают и развиваются тогда, когда в верхней части тропосферы наблюдаются струйные течения. В целом проведенные исследования свидетельствуют о том, что вместо общей картины распределения воздушных потоков под кучево-дождевыми облаками имеем лишь описание отдельных ее фрагментов, причем достаточно противоречивое.

Шквал - резкое кратковременное усиление ветра с изменением его направления. Шквалы связаны с кучево-дождевыми облаками и чаще всего наблюдаются во время грозы. Для шквала характерно вихревое движение воздуха с горизонтальной осью в облаках или под ними. Скорость ветра во время шквала нередко превышает 20 м/с; продолжительность явления обычно составляет несколько минут; иногда наблюдаются повторные порывы шквала.

Смерч - сильный вихрь небольшого размера под облаками с почти вертикальной осью вращения. Имеет вид темного облачного столба (диаметр до нескольких сотен метров), одна часть которого опускается воронкообразным сужением с низкого основания кучево-дождевого облака, а навстречу из земной поверхности может подниматься вторая часть из брызг и пыли, которая соединяется с первой. Наиболее узкая часть столба — в середине. Скорость ветра в смерче достигает 50- 100 м/с при сильной восходящей составляющей. Воздух в смерче вращается и вправо, и влево. Смерч может вызвать катастрофические разрушения и человеческие жертвы на пути своего движения, хотя вблизи него будет почти полное затишье. Смерч над сушей иногда называют тромбом, а в США - торнадо.

 

Грозы и электрические разряды

Гроза — это комплексное атмосферное явление, которое характеризуется интенсивным возникновением конвективной облачности и сопровождается значительной турбулентностью, шквалами, смерчами, сдвигом ветра, осадками в виде дождя, снега, града, частыми электрическими разрядами и громом.

Грозы делятся на 6 уровней. Грозы уровня 1 (слабые) и уровня 2 (умеренные) характеризуются слабой или умеренной атмосферной турбулентностью и молниями; грозы уровней 3 и 4 (сильные и очень сильные) - значительной турбулентностью, молниями, осадками в виде сильного дождя; грозы уровня 5 - сильной турбулентностью, молниями, резкими порывами ветра, возможен град; грозы уровня 6 - значительной турбулентностью, сильным градом, многочисленными молниями и продолжительными порывами ветра. Главный признак грозы - молния.

В любой момент времени в мире одновременно происходит около 180 отдельных гроз при разрядах молнии в среднем каждые 20 с.

Молния - гигантский искровой разряд атмосферного электричества между облаками, между облаками и землей, а также внутри-облачный раз ряд.

Если для наземных объектов главную опасность представляют разряды облако- земля, то для объектов, находящихся в атмосфере, опасны молнии всех видов.

Различают несколько типов молний. Зарница (тепловая молния) - молния или свечение облака, вызванное молнией, не сопровождающееся громом (из-за большого расстояния к наблюдателю). Для полосчатой молнии характерно полосчатое освещение ею облака. Ракето-образной молнией называют длинный разряд в атмосфере, который создает впечатление медленного развития разряда вдоль канала. Ленточная молния образуется в том случае, если за время между импульсами канал разряда облако-земля смещается (возможно, ветром). Импульсы в такой вспышке разделены в горизонтальном направлении, хотя глаз фиксирует все ленты одновременно. Неточная молния имеет форму, канал которой разбивается (или кажется разбитым) на светящиеся фрагменты, их длина составляет несколько десятков метров. Шаровой молнией называется светящаяся подвижная сфера диаметром до 20 см, продолжительность ее жизни несколько секунд.

 

Линейная молния - относится к так называемым без электродным разрядам. Длина ее составляет несколько километров и может достигать даже 20 км. От основного канала имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км. что повышает вероятность ее удара в самолет. Средняя скорость движения молнии - 150 км/с, сила тока внутри ее канала достигает 200 000 А, а температура плазмы в канале превышает 10 000 °С.

Источником молнии являются грозовые облака (чаще всего, кучево-дождевые) и электрические заряды в них. Мощность грозовых облаков, как правило, невелика, что характерно для субтропиков, хотя может достигать больших размеров в гигантских грозовых облаках, простирающихся на высоту более чем 20 км. Высота типичных грозовых облаков - 8-12 км (верхняя граница) и 0,5-2 км (нижняя граница). Их высоту определяет только географическая местность.

Процесс развития молнии в атмосфере начинается при определенных условиях. В частности, необходимо, чтобы напряженность электрического поля превысила некоторое предельное значение. Для грозовых зон 0,4 МВ/м < Екр < 1 МВ/м.

Протяженность отдельных грозовых центров по горизонтали не более 10 км, поэтому размеры основных областей зарядов в них не превышают нескольких километров. Объемы с максимальной плотностью зарядов, где инициируются молнии, должны быть еще меньше, т. е. их линейные размеры составляют несколько сотен метров.

Таким образом, можно вычислить плотность объемного заряда, достаточную для образования напряженности пробоя: Е = 106 В/м. Она составляет приблизительно 45 Кл/м3, что на один-два порядка выше средней плотности заряда в кучево-дождевых и грозовых облаках.

Энергия электрического поля, вырабатываемая молнией, переносится теплым воздухом, который поднимается в облаке вверх.

В типичном грозовом облаке хаотически дует ветер, вода и лед находятся в гравитационном поле, а также в поле градиента температур и давлений.

Именно эти движущие силы распределения и накопления электрического заряда приводят в конечном итоге к формированию электрически активной области в атмосфере.

Механизм образования электрических зарядов в облаках до конца не ясен, но считается, что он связан с сильным восходящим движением воздуха в центре облачного образования и со столкновениями капелек переохлажденной воды с кристаллами льда.

Поднимаясь вверх, влажный воздух охлаждается и в точке росы его избыточный водяной пар конденсируется в водные капли, формируя облако. При дальнейшем движении вверх (до 20 км) температура воздуха уменьшается до -40 °С. Водяной пар в нем превращается в ледяные кристаллы, которые срастаются в небольшие, довольно тяжелые градины. Последние, падая сквозь облако, собирают переохлажденные водные капли. Мелкие легкие кусочки льда взлетают вверх, неся положительный заряд и оставляя более тяжелые градины с отрицательным зарядом. Вертикальные течения воздуха несут кусочки льда в верхнюю часть облака, где накапливаются положительные заряды, а в основании облака создается центр отрицательного заряда.

Как показал физический анализ процессов, связанных с электрическим пробоем воздуха и формированием молнии в атмосфере, источниками молний могут быть только зоны атмосферной неоднородности (в частности, облака), которые содержат избыточный электрический заряд и создают довольно интенсивное и протяженное электрическое поле. Именно такие зоны и являются молние-опасными. Подобные атмосферные образования имеют свои источники и динамические характеристики.

Наиболее вероятный источник молние-опасных зон - интенсивное конвективное движение воздушных потоков в грозовых ячейках. Это приводит к распределению и выносу одноименно заряженных капель. Другие источники молние-опасной зоны - пылевые бури, выбросы действующих вулканов и ядерные взрывы.

Анализ механизмов распределения и выноса заряда в атмосфере довольно сложен. Поэтому до настоящего времени отсутствует общепризнанная теория подобных процессов для указанных источников. Такая теория позволяла бы вычислять некоторые характеристики молние-опасной зоны - максимальную напряженность электрического поля, распределение электрического поля в пространстве, скорость генерации электрических зарядов и зону их локализации.

Электрический заряд самолета может сформироваться в кучево-дождевых, мощных кучевых, высокослоистых и слоисто-дождевых облаках. Для этого необходимо, чтобы в облаке существовало неоднородное электрическое поле. Чем неоднороднее облако по фазовому составу, тем менее однородным будет в нем электрическое поле. Заряд Q самолета, который в зоне осадков (под облаком) очень мал, резко увеличивается при входе в облако. Основной причиной накопления электрического заряда самолета является взаимодействие его с облачными частицами. Наибольшая электризация самолета происходит в области минусовых температур (до -15 °С). Это заметно сказывается на вероятности поражения молнией. По данным NASA зона поражения самолетов молниями в облаках сосредоточена в основном в области, ограниченной изотермами 0, -10 °С. Электризация самолета влияет на траектории возникших молний и на вероятность их генерации.

Электростатический заряд ВС влияет на безопасность полета не только в связи с повышением вероятности поражения его молнией. Он также вызывает эффекты, ухудшающие качество радиоприема на борту, снижает точность показаний радиокомпаса и качество функционирования бортового РЭО в целом. Электрический заряд самолета иногда сказывается даже на аэродинамике полета. Кроме того, заряд может вызвать взрыв при заправке ВС топливом в полете. Важным является то, что в облаках всех типов (кроме высокослоистых) самолет при обледенении электризуется сильнее. В частности, в слоисто-дождевых облаках значение заряда Q обмерзшего самолета в два раза выше, чем чистого самолета. Для обеспечения безопасности полетов при возникновении значительной электризации самолета рекомендуется по согласованию с диспетчером изменить высоту полета.

 

Ливневые осадки

Интенсивные ливневые осадки (ИЛО) выпадают из внутримассовых и фронтальных кучево-дождевых облаков.

Кучево-дождевые облака - один из 10 видов облаков по международной классификации. Их международное название - Cumulonimbus (Cb). В умеренных широтах СЬ достигают высоты 12- 14 км, а в тропиках - 15-16 км. Одно облако может занимать площадь до 50-100 км2. Эти облака часто образуют фронтальные полосы длиной в несколько тысяч километров. Они характеризуются резко выраженными вертикальными потоками воздуха, турбулентностью, электрическим полем. Тем не менее зоны, опасные для полетов в СЬ, относительно небольшие по размерам, и во фронтальной облачности практически всегда существуют промежутки, достаточные для безопасного пролета ВС.

Различают три стадии в жизни СЬ. На первой стадии развития (кучевое облако) превалирует восходящий поток (10-15 мин от момента, когда облако обнаруживается радиолокатором). Вторая стадия - период зрелости (15-30 мин), который отличается наличием восходящих и нисходящих потоков воздуха, выпадением осадков, возникновением молний. На третьей стадии (свыше 30 мин) облако распадается, уменьшается интенсивность осадков, снижается электрическая активность и турбулентность.

В метеорологии интенсивность осадков принято определять высотой столба воды, который выпал на горизонтальную поверхность на протяжении определенного времени. Например, дождь с интенсивностью 100 мм/ч является довольно сильным, хотя содержание воды в воздухе при этом составляет 2-3 г/м3. Измерения на протяжении одного часа дают существенно усредненные значения.

В г. Юконвилль (штат Северная Дакота, США) 4   июля 1956 г. была зафиксирована наибольшая в мире интенсивность осадков 1870 мм/ч при измерении на протяжении 1 мин. В 1962 г. проводили измерения содержания воды в воздухе во время грозы на специально оборудованном самолете F-100. Хотя наземные измерения давали умеренные значения интенсивности осадков (37 мм/ч) и содержания воды (1,1 г/м3), измерения, проведенные с самолета, показали средний уровень водности 8,4 r/м3 и максимальный - до 44  г/м3. На территории бывшего СССР максимальная зафиксированная интенсивность осадков составляла около 1000 мм/ч.

Относительно влияния ИЛО на аэродинамические характеристики ВС представляют интерес такие числовые характеристики, как интенсивность осадков, водность.

 

Комментарии

CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.
.
наверх