Почему трясёт самолёт: пять главных причин турбулентности

Ключевые факты

• Турбулентность возникает из-за вихрей в атмосфере и обычно делится по источникам: конвекция, сдвиг ветра в ясном небе, горные волны, неровности земной поверхности и спутный след самолётов [1].
• Конвективная турбулентность присутствовала в 57,7% происшествий с турбулентностью на авиалиниях США в 2009–2018 годах, а турбулентность ясного неба — в 28,8% [1].
• Струйные течения — узкие полосы сильного ветра на высоте 6–13 км (4–8 миль), где скорость может превышать 440 км/ч (275 миль в час) [2].
• Когда сдвиг ветра становится достаточно сильным по сравнению с устойчивостью воздуха (число Ричардсона ниже примерно 0,25), воздух может распадаться на волны и турбулентность [3].
• Горные волны образуются, когда ветер сильнее 28 км/ч (15 узлов) дует поперёк хребта; восходящие и нисходящие потоки в них могут достигать 610 м в минуту (2000 футов в минуту) [4].
• Вихри спутного следа за самолётом обычно живут 1–3 минуты и опускаются ниже его траектории [5].
• В типичной точке над Северной Атлантикой сильная турбулентность ясного неба в 2020 году встречалась на 55% чаще, чем в 1979-м [3].

Что такое турбулентность

Турбулентность — это неупорядоченное, закрученное движение воздуха, которое покачивает самолёт вверх-вниз или из стороны в сторону. Воздух во многом ведёт себя как вода: течёт потоками, закручивается вихрями вокруг препятствий и образует волны там, где встречаются слои с разной скоростью. Лайнер в таком воздухе похож на лодку, которая пересекает озеро в ветреный день.

То, что пассажиры называют «воздушной ямой», тоже отсюда. Пустоты в воздухе не бывает: самолёт попадает в нисходящий поток, на мгновение проседает, а затем снова входит в обычный или восходящий поток. Опасна ли такая тряска, подробно разобрано в статье опасна ли турбулентность для самолёта; короткий ответ: для пристёгнутого пассажира — редко.

Исследование турбулентности NTSB (Национального совета по безопасности на транспорте США) делит её на пять источников [1]. Вот они, от самого обсуждаемого до самого местного.

1. Турбулентность ясного неба и струйное течение

Турбулентность ясного неба — это болтанка на средних и больших высотах, вызванная сильным сдвигом ветра, без облаков, которые бы её выдавали [6]. Именно её имеют в виду, когда говорят «затрясло на ровном месте».

Главный виновник — струйное течение. Струйные течения — это относительно узкие полосы сильного ветра в верхних слоях атмосферы, обычно около 9100 м (30 000 футов), на высоте от 6 до 13 км (4–8 миль), и скорость ветра в них может превышать 440 км/ч (275 миль в час) [2]. Они образуются там, где встречаются тёплый и холодный воздух, и сильнее всего зимой, когда разница температур наибольшая [2]. Руководство ВМО (Всемирной метеорологической организации) отмечает, что турбулентность может встречаться у края струйного течения на тех высотах, где летают лайнеры [6].

Почему быстрый ветер трясёт? Потому что скорость резко меняется с высотой. Там, где один слой воздуха быстро скользит по другому, граница может сворачиваться в волны, как ветер поднимает волны на воде. Метеорологи измеряют эту точку перелома числом Ричардсона: когда сдвиг пересиливает устойчивость воздуха (значение ниже примерно 0,25), могут образоваться волны Кельвина — Гельмгольца, которые разрушаются в турбулентность [3].

Турбулентность ясного неба трудно заметить заранее. Её не видно на метеорадаре, который стоит на лайнерах, и её трудно наблюдать дистанционно впереди по курсу самолёта [3]. Погодные модели тоже не видят мелкие вихри напрямую, поэтому синоптики вычисляют по модельным ветрам индексы турбулентности [3]. Так и работает прогноз турбулентности на рейс.

2. Грозы и конвекция

Конвекция — это вертикальное перемещение тепла и влаги в атмосфере, особенно в восходящих и нисходящих потоках [1]. Грозы — самая известная её форма, но не единственная [1]. Пухлые кучевые облака в тёплый день — небольшие признаки того же поднимающегося воздуха. Руководство ВМО формулирует просто: конвекция всегда сопровождается турбулентностью [6].

Именно конвективная турбулентность важнее всего для травм. В исследовании NTSB по происшествиям с турбулентностью на авиалиниях США в 2009–2018 годах она присутствовала в 57,7% случаев [1]. Зато грозы легче всего обойти: они видны на метеорадаре, и пилоты облетают их. Это одна из причин, почему табло «Пристегните ремни» часто загорается около облаков, при наборе высоты и снижении.

3. Горные волны

Горные волны — это колебания воздуха вверх-вниз с подветренной стороны возвышенностей [4]. Представьте воду, которая перетекает через камень в ручье: за ним остаётся рябь.

Они обычно образуются, когда [4]:

• ветер дует почти поперёк хребта, отклоняясь не больше чем на 30 градусов, и мало меняет направление с высотой;
• ветер на уровне вершин сильнее 28 км/ч (15 узлов) и усиливается с высотой;
• прямо над горами лежит слой устойчивого воздуха (инверсия).

Внутри волн вертикальные потоки могут достигать 610 м в минуту (2000 футов в минуту) [4]. Если воздух влажный, на гребнях волн могут появляться гладкие линзовидные (лентикулярные) облака, видимый признак волн [4]. Синоптики выпускают прогнозы и предупреждения о горных волнах, а американские карты прогноза турбулентности их включают [7]. Почувствовать их вероятнее всего на маршрутах над крупными горными хребтами: Кавказом, Альпами, Андами или Скалистыми горами. Подробнее — в статье о самых турбулентных маршрутах (на английском).

4. Приземная (механическая) турбулентность

У земли ветер, задевая холмы, деревья и здания, распадается на вихри, как вода, которая бурлит на каменистом дне ручья. NTSB называет это турбулентностью от неровностей поверхности: трение воздуха о неровный рельеф и постройки [1].

Её чувствуют в основном в ветреные дни на взлёте и в последние минуты перед посадкой. Она кратковременна, из-за неё посадка в ветер бывает немного «вертлявой», и пилоты постоянно к ней тренируются.

5. Спутный след

Каждое крыло, создающее подъёмную силу, оставляет за концами крыльев два закрученных вихря [5]. Чем тяжелее самолёт, тем сильнее вихри, и самые сильные оставляют большие широкофюзеляжные лайнеры [5]. После образования вихри обычно опускаются и сносятся ветром, а живут, как правило, от одной до трёх минут [5].

Диспетчеры выдерживают интервалы между самолётами, причём за крупными самолётами больше, чтобы след успел опуститься и ослабнуть [5]. В тех редких случаях, когда лайнер на эшелоне пересекает старый след, пассажиры обычно чувствуют короткий резкий толчок или крен.

Становится ли турбулентность сильнее из-за изменения климата?

Для турбулентности ясного неба данные говорят: да. Исследование 2023 года в журнале Geophysical Research Letters проанализировало период с 1979 по 2020 год с помощью 21 способа расчёта турбулентности [3]. В типичной точке над Северной Атлантикой годовое время с сильной или ещё более сильной турбулентностью ясного неба выросло на 55%, с 17,7 до 27,4 часа; умеренной и выше — на 37%, слабой и выше — на 17% [3]. Сильнее всего рост был над США и Северной Атлантикой [3].

То же исследование отмечает, что прогнозы становятся лучше, и это должно снижать шанс действительно попасть в турбулентность, даже если её стало больше [3]. Насколько это важно для вашей безопасности, рассказывает статья опасна ли турбулентность.

Почему одни рейсы трясёт сильнее других

Если сложить все причины, становится понятно, откуда берётся большинство тряских рейсов:

• Маршрут: рейсы вдоль сильного струйного течения или через крупные горные хребты чаще встречают турбулентность ясного неба и горные волны.
• Сезон: струйные течения сильнее всего зимой [2], а грозы играют большую роль в тёплую влажную погоду.
• Этап полёта: при наборе высоты и снижении самолёт проходит слои облаков и грозовые районы; около половины происшествий с турбулентностью на авиалиниях США случается на снижении или заходе на посадку [1].
• Время суток: смотрите статью когда лучше лететь, чтобы меньше трясло (на английском).

Как пилоты делятся встреченной болтанкой, объясняет статья о PIREP и SIGMET (на английском).

Как помогает Sorapuff

Прогноз турбулентности по маршруту в Sorapuff смотрит на те причины, которых не видно глазом. Он загружает ветра модели GFS от NOAA вдоль вашего маршрута, прямо на телефоне считает известный индекс турбулентности ясного неба и добавляет предупреждения о грозах и горных волнах (SIGMET) и свежие доклады пилотов с aviationweather.gov. Прогноз сверен с тысячами реальных докладов пилотов, и это вероятность, а не обещание. Один прогноз бесплатный; Pro добавляет безлимитные прогнозы (цены).

Частые вопросы

Что такое турбулентность ясного неба?

Турбулентность ясного неба — это болтанка на средних и больших высотах, вызванная сильным сдвигом ветра, обычно у струйного течения, в воздухе без облаков. Она невидима и не отображается на метеорадаре, поэтому чаще всего кажется, что тряхнуло «на ровном месте». Синоптики предсказывают её по ветрам погодных моделей, а пилоты сообщают о ней друг другу.

Что такое воздушная яма?

Так в народе называют резкое проседание самолёта в болтанку. На самом деле ям и пустот в воздухе не бывает: самолёт входит в нисходящий поток, на мгновение проседает, а затем попадает в обычный или восходящий поток. В кресле даже небольшое снижение ощущается как провал, но для пристёгнутого пассажира это безопасно: лайнер рассчитан на нагрузки гораздо больше.

Почему пилоты не видят турбулентность на радаре?

Метеорадар лайнера улавливает капли воды и кристаллы льда, поэтому хорошо показывает грозы и сильный дождь. Турбулентность ясного неба возникает в сухом безоблачном воздухе, и радару просто не от чего отразиться. Поэтому для неё пилоты полагаются на прогнозы и доклады других экипажей и включают табло «Пристегните ремни», когда ожидают тряску.

Струйное течение вызывает турбулентность?

Часто да. Само струйное течение быстрое, но в его ядре может быть спокойно. Турбулентность обычно возникает на его краях, где скорость ветра резко меняется с высотой или на расстоянии. Авиакомпании любят лететь на восток по струйному течению ради попутного ветра, а когда становится тряско, экипаж меняет высоту в поисках более спокойного воздуха.

Почему над горами трясёт сильнее?

Ветер, который дует через горный хребет, может раскачать воздух вверх-вниз с подветренной стороны, как рябь за камнем в ручье. Такие горные волны лучше всего образуются, когда сильный ветер дует прямо поперёк хребта, а над ним лежит устойчивый воздух. Синоптики предупреждают о них, а пилоты выбирают высоты и маршруты, чтобы полёт был как можно спокойнее.

Может ли другой самолёт вызвать турбулентность?

Да. Каждое крыло оставляет за собой два закрученных вихря, самые сильные за тяжёлыми самолётами. Они опускаются и ослабевают за несколько минут. Диспетчеры выдерживают интервалы между самолётами, чтобы след успел рассеяться, поэтому пассажиры чувствуют его редко, а если и чувствуют, то обычно это короткий толчок.

Источники

1. Preventing Turbulence-Related Injuries in Air Carrier Operations Conducted Under Title 14 CFR Part 121, Safety Research Report SS-21/01 (2021), NTSB
2. The Jet Stream, NOAA JetStream: An Online School for Weather
3. Evidence for Large Increases in Clear-Air Turbulence Over the Past Four Decades, Geophysical Research Letters (2023)
4. Mountain Waves, SKYbrary Aviation Safety
5. Wake Vortex Turbulence, SKYbrary Aviation Safety
6. Aviation Hazards: Turbulence and Wind Shear, World Meteorological Organization
7. Graphical Forecasts for Aviation help: Turbulence, Aviation Weather Center (NOAA)