Турбулентность атмосферы [1983 Осташов В.Г.

Каждому дельтапланеристу приходится сталкиваться с довольно опасным свойством - турбулентностью атмосферы; оно проявляется в неожиданных бросках дельтаплана по высоте или крене. Различают четыре типа турбулентности: околоземная при ясном небе; около и внутри кучевых облаков; в областях струйных течений, с подветренной стороны гор. В практике дельтапланеризма пока сталкиваются только с первым типом турбулентности. О нем и пойдет речь.

Большинство полетов на дельтапланах проводится на высотах 200-300 м от земной поверхности. Как раз такую толщину имеет [5] приземный пограничный воздушный слой при неустойчивой атмосфере, практически всегда находящийся в возмущенном состоянии.

Причины возникновения турбулентности. Если на поток воздуха не действуют внешние силы, он перемещается над земной поверхностью прямолинейно с постоянной скоростью по всему потоку. При появлении внешних возмущающих сил энергия переходит в поток или из потока. В результате воздух турбулизуется, т. е. происходит перемешивание большого количества его частиц, возникают и исчезают вихри. При сравнительно небольших переходах энергии ноток может продолжать движение примерно с той же средней скоростью, только теперь он начинен вихрями, размеры которых определяются источником внешних возмущающих, сил.

Различают три источника сил, турбулизующих поток воздуха:

Механическим препятствием может быть гора или дерева. Размеры и интенсивность турбулентности определяются величиной шероховатости, формой препятствия, скоростью потока относительно препятствия, плотностью воздуха. Так, чем выше шероховатость, тем крупнее вихри. В свою очередь, размер вихря определяет скорость его вращения, т. е. интенсивность. При уменьшении размера вихря его интенсивность возрастает, так как перенос энергии по цепочке вихрей от больших к меньшим происходит с сохранением момента количества движения. Говоря иначе, большой, медленно вращающийся вихрь воздуха распадается на несколько более мелких, но вращающихся с большей скоростью. Подобный процесс можно проследить, наблюдая быстрое течение воды в реке над неглубоким местом.

Поток воздуха под действием возмущающих сил непрерывно турбулизуется, но одновременно идет и обратный процесс распада, вырождения вихрей, что вызвано:

Процесс распада продолжается до возникновения микровихрей размером порядка 0,25 мм. На этом этапе в действие вступают силы вязкости, препятствующие дальнейшему дроблению, и энергия микровихрей превращается в тепло.

Форма препятствия играет существенную роль. Угловатое тело с резкими изменениями кривизны поверхности обтекается хуже, чем тело с плавными очертаниями и незначительными изменениями кривизны. Частицам воздуха, как и всем материальным телам, присуще свойство инерциальности, что не позволяет им двигаться, повторяя форму препятствия. Поэтому в потоке воздуха появляются напряжения, что и вызывает развитие вихрей.

Дельтапланеристу следует помнить, что резкий излом поверхности (ярко выраженная вершина холма или горный хребет, острая кромка склона, крутизна склона более чем 1:10) уже при слабом ветре бывает причиной достаточно устойчивого вихря сразу за вершиной. При повышении скорости ветра там образуется не очень устойчивая вихревая зона, в которой направление ветра довольно изменчиво. Если скорость его превысит 10 ^м/_с, возникшие турбулентные вихри становятся интенсивными и сносятся по потоку прежде, чем успевают разрушиться. В этих условиях изменчивость направления ветра уменьшается, зато сильно изменяется скорость ветра, что следует учитывать пилоту.

Плотность воздуха на интенсивность вихрей действует однозначно - чем. она выше, тем интенсивнее вихри. Зимой при прочих равных условиях турбулентность сильнее, поскольку при низких температурах плотность воздуха выше.

Устойчивость или неустойчивость воздуха в значительной мере определяется вертикальным градиентом температуры. При величине градиента 10 ^град/_км атмосфера находится в безразличном равновесии [5]. Если величина градиента превышает 10 ^град/_км (в случае сухого воздуха), говорят о неустойчивости слоя воздуха.

Выше приземного воздушного слоя такой градиент встречается редко: как только он возникает, воздух начинает интенсивно перемешиваться до восстановления состояния, близкого к безразличному равновесию.

Величина градиента менее 10 ^град/_км (при сухом воздухе) указывает на устойчивость слоя воздуха. В этом случае частица воздуха, смещенная по вертикали, стремится вернуться в исходное положение.

Практически для определения устойчивости или неустойчивости воздуха пользуются так называемым числом Ричардсона (отношением энергии свободной конвекции к энергии от изменения горизонтальной скорости воздуха по высоте)

Здесь g - ускорение силы тяжести; Г - градиент температуры, соответствующий безразличному равновесию сухого воздуха; r - действительный градиент температуры; T - абсолютная температура; U - средняя скорость ветра на высоте H.

Между числом Ричардсона и турбулентностью в приземном пограничном слое воздуха существует четкая связь. Безразличное равновесие слоя воздуха наблюдается, когда R_i<0,03 по абсолютному значению. При R_i>0,25 возникает турбулентность [5]. Общее правило таково: если число Ричардсона уменьшается, доминирующей становится турбулентность от вертикального градиента скорости ветра, если возрастает, начинает преобладать турбулентность от свободной конвекции.

По какой же все-таки причине при неустойчивом слое воздуха происходит турбулизация потока? Считают, что причиной турбулентности является разность импульсов (произведение плотности воздуха на его скорость) поднимающейся и неподвижной масс воздуха. Обмен импульсами между этими массами нарушает плавное течение потоков, что быстро приводит к их турбулизации.

Если два слоя воздуха движутся по отношению друг к другу с разными по величине или направлению скоростями, то и в этом случае возникает вертикальный градиент скорости. Тонкий слой воздуха вдоль поверхности нулевой скорости ветра под действием противоположно направленных сил трения будет разрушаться, и поскольку в этом слое всегда имеются неоднородности, произойдет быстрая его турбулизация.

Наиболее очевидное место существования сдвиговой турбулентности - теплый и холодный фронты, причем максимальную опасность представляет холодный фронт, так как его турбулентность достигает максимальной интенсивности в приземном воздушном слое. Однажды автору пришлось лететь на дельтаплане именно в таких условиях. Из-за сильного ветра поступательного движения дельтаплана вперед относительно местности практически не было, поэтому траектория полета напоминала больше всего кривую спуска парашютиста. При этом немилосердно швыряло во все стороны.

Другим распространенным случаем является сдвиг ветра в слое инверсии, толщина которого составляет всего несколько сотен метров. Инверсия возникает, когда вертикальный градиент температуры становится отрицательным, т. е. при увеличении высоты температура воздуха также возрастает. Слой инверсии гасит вертикальные движения воздуха, вызванные нагревом. Вероятно, многим доводилось видеть, как дым, поднимающийся ясным морозным утром из печных труб, достигнув определенной высоты, не идет больше вверх, а растекается по горизонтали. Этим как раз и обнаруживает свое присутствие слой инверсии. Для инверсии характерен сдвиг ветра из-за простых изменений скорости ветра в связи с большими перепадами температур.

Турбулентность, возникающая в этом случае, обычно Слабая и ограничивается узкой полосой вдоль поверхности раздела меж слоем инверсии и слоем с нормальным Температурным градиентом, т. е. выше слоя инверсии. Ко зафиксированы случаи, когда турбулентность в указанной зоне достигала опасной интенсивности, поэтому рекомендуется избегать полетов вблизи слоя инверсии.

Характер турбулентности в приземном воздушном слое. Как правило, все три источника турбулентности действуют одновременно и в любой комбинации. Обычно преобладает турбулентность механического происхождения. Наиболее сильна она через 2-3 ч после полудня, когда ветер достигает максимальной силы. Считают, что влияние ярко выраженной вершины сказывается на высоте, равной примерно 0,3 ее высоты [61, а горного хребта бесконечной протяженности - на высоте, равной четырем его высотам. В практике планеризма зафиксированы случаи, когда влияние горы высотой несколько сотен метров ощущалось на границе стратосферы!

Начиная с некоторой высоты главным источником турбулентности становится свободная конвекция. Над водой эта высота составляет всего несколько сантиметров даже при наличии слабых волн), над ровной открытой Местностью - около 6 м, над холмистой и горной местностями - примерно 300 м [5].

Термическая турбулентность в сухом воздухе существует до высоты 600-800 м, а при наличии влажности (мощные кучево-дождевые облака) - до нескольким километров. Наибольшей силы она достигает в полдень, когда нагрев земной поверхности максимален.

Сдвиговая турбулентность может возникнуть на любой высоте, чаще всего в утренние часы, а в холодное время года может быть и в течение всего дня.

Атмосфера на высотах менее 300 м состоит из участков, в которых турбулентность непрерывна и изотропна [32]. Это значит, что при любых условиях в атмосфере должны существовать малые вихри, практически не влияющие на перенос тепла и количества движения. Характер более крупных вихрей существенно зависит от того, имеет ли место устойчивое, близкое к безразличному состояние атмосферы со слабым ветром или же преобладают конвективные условия. В первом случае турбулентность развита очень слабо, во втором довольно заметна и, как указывается в работе [5], при значительной силе ветра вихри стремятся закрутиться в спирали, оси которых параллельны среднему ветру. Видимо, так рождается горизонтальный вихрь, размеры которого соизмеримы с размерами дельтаплана. Попав в такой вихрь, особенно на больших углах атаки, дельтаплан может испытать сваливание на крыло.

По данным исследований [32], в горизонтальных вихрях горизонтальная компонента скорости мало меняется с высотой, тогда как вертикальная растет по высоте линейно. Можно сделать вывод о том, что у земной поверхности одновременно присутствуют вихри разных размеров, причем наименьшие из них вносят наибольший вклад в пульсации вертикальной скорости. Другими словами, чем ближе к склону производится полет, тем сильнее болтанка. С увеличением высоты полета все большую роль начинают играть крупные вихри, которые ощущаются в полете как плавные подъемы и опускания аппарата. Горизонтальные размеры таких вихрей - несколько сотен метров, время существования - более 5 мин.

Для дельтапланериста наиболее опасны вихри, размеры которых соизмеримы с размерами аппарата. В полете они воспринимаются как довольно резкие удары по крылу, повторяющиеся с определенной частотой. Степень их опасности характеризуется знаком и величиной перегрузок, которые они способны создать.

Основные параметры турбулентности. Эффект действия вихрей на дельтаплан определяется их размерами и интенсивностью.

Принято рассматривать интенсивность турбулентности как среднюю кинетическую энергию турбулентности, приходящуюся на единицу массы воздуха. Вблизи земной поверхности энергия турбулентности зависит от высоты, шероховатости, градиента температуры, градиента скорости ветра, или просто скорости ветра на фиксированном уровне. Для безразличного равновесия атмосферы в [5] дается выражение, характеризующее полную кинетическую энергию турбулентности:

где V - скорость ветра на высоте h; h₀ - высота шероховатости, изменяющаяся от 0,07 см (песчаная поверхность) до нескольких метров.

В работе [5] указывается на то, что интенсивность турбулентности выше там, где велика скорость производства E. В этом случае горизонтальный и вертикальный градиенты скорости ветра, а также статическая неустойчивость воздуха будут способствовать развитию турбулентности.

Размеры вихрей принято оценивать масштабом атмосферной турбулентности. Результаты многочисленных экспериментов в разных частях земного шара свидетельствуют о том, что в приземном воздушном слое масштаб турбулентности воздуха прямо пропорционален высоте. Этим подтверждается, что наибольшей болтанке подвержен дельтаплан на самых малых высотах, где масштаб турбулентности мал, т. е. размеры вихрей соизмеримы с размерами аппарата, и почти всю энергию турбулентности приходится принимать на себя дельтаплану (пилот ощущает это, как удары воздуха в крыло). На высотах 100-300 м полет протекает более спокойно, поскольку масштаб турбулентности тоже составляет в среднем 100-800 м. Такая турбулентность воспринимается пилотом как мягкие провалы или подъемы аппарата, что не представляет особой опасности для дельтаплана.

На высотах более 300 м масштаб турбулентности принято определять по эмпирической зависимости [5]

где ρ₀ - массовая плотность воздуха на нулевой высоте; ρ - то же, на рассматриваемой высоте.

Дельтапланеристу, кроме того, важно знать, как изменяются составляющие скоростей порывов в условиях турбулентного приземного слоя воздуха. Это непосредственно позволит ему оценить степень риска полета. Обычно различают три среднеквадратичные составляющие скорости порыва: вертикальную, поперечную и продольную.

Несмотря на то, что измерять среднеквадратичную вертикальную скорость довольно затруднительно, она изучена сравнительно хорошо. В работе [5] приводится простая полуэмпирическая зависимость этой величины от скорости ветра на данной высоте h, высоты шероховатости h₀ (эти величины легко поддаются измерению):

Большое количество экспериментальных данных, полученных в разное время суток, в разных местах земного шара и в разных климатических условиях, свидетельствует о зависимости среднеквадратичной поперечной скорости от скорости ветра, шероховатости земной поверхности (особенно в ночное время) и состояния атмосферы. В работе [5] указывается на то, что для определения среднеквадратичной поперечной скорости можно в первом приближении воспользоваться формулой

где C = 1 - безразмерная постоянная; u^* - "скорость трения", постоянная по высоте. Вблизи земной поверхности при любом состоянии атмосферы u^* определяется из выражения

- универсальная постоянная. Подставив все эти значения в формулу для σ_v, получим

Эта формула относится к дневным условиям. В ночное время среднеквадратичная поперечная скорость порыва

Среднеквадратичную продольную скорость порыва при сильном ветре можно выразить простой полуэмпирической зависимостью [5]

которая важна для практики полетов в силу своей достаточно высокой точности (в пределах 20%). Видно, что главное влияние на величину σ_u оказывает скорость ветра, особенно на малых высотах и над земной поверхностью со значительной шероховатостью,

Рис. 47. Предельная безопасная скорость полета V (^км/_ч) дельтаплана в условиях турбулентной атмосферы при различных значениях высоты шероховатости, а - 0,13 м (трава), б - 0,92 м (кусты), в - 12,20 м (деревья)

Для практической оценки степени риска и максимально допустимой скорости полета в условиях турбулентной атмосферы удобнее пользоваться диаграммой - зависимостью предельной безопасной скорости полета от скорости ветра и типа (шероховатости) местности. Такую диаграмму, представленную на рис. 47, разработал планерист и ученый П. Мак-Криди. На ней любое сочетание скорости ветра и высоты полета (точки пересечения перпендикуляров к осям координат), находящееся выше кривой соответствующей скорости полета дельтаплана, будет безопасным.