То, что атмосфера влияет на полеты самолетов, было ясно еще со времен первого полета братьев Райт. Поэтому значительная часть метеорологов всего мира занята удовлетворением потребностей авиации в метеоинформации. Федеральное законодательство Соединенных Штатов обязывает Национальную службу погоды и Федеральное управление по делам гражданской авиации заниматься метеорологическим обеспечением авиации. Частные пилоты также могут получать информацию от государственных метеорологических учреждений.
В то же время люди, путешествующие по автомобильным дорогам Америки, получают сравнительно мало специализированной метеоинформации. Конечно, грузо-пассажирские автомобильные перевозки сравнительно редко сталкиваются с вызванными погодой задержками, опасностями или просто неудобствами. Однако многие водители, даже отправляясь в путешествие через всю страну, не слишком много думают о возможной погоде на трассе. Но даже если бы они захотели получить необходимую информацию, то единственно доступным ее источником окажутся последние известия по местному радио.
Люди, отправляющиеся в плавание на кораблях или шлюпках, страдают от недостатка метеорологической информации почти в такой же мере, как и сухопутные путешественники. Моряки получают общие прогнозы скорости и направления ветра и высоты волн, однако в отличие от летчиков, как правило, не обеспечиваются непрерывными конкретными консультациями.
Для того чтобы свести к минимуму воздействие на транспорт и перевозки опасных погодных явлений и по мере возможности снизить себестоимость перевозок, необходимо хорошо представлять себе природу опасных погодных явлений.
Погода на автомагистралях
Когда государственные служащие проектируют автомагистрали, они должны отчетливо понимать, какое влияние оказывает погода на пропускную способность автотрассы и безопасность движения автотранспорта. Необходимо знать повторяемость и густоту туманов, силу метелей и песчаных бурь, поперечных ветров и наводнений и уже на основании этих сведений выбирать такой маршрут трассы, чтобы вероятность опасных погодных явлений была минимальной. Тщательность проектирования, начиная с самых ранних его стадий, принесет в дальнейшем пользу в виде уменьшения числа дорожно-транспортных происшествий и увеличения пропускной способности автомагистрали.
Для того чтобы избежать опасных погодных явлений и связанных с ними задержек в движении, водитель в первую очередь должен следить за передачами о погоде местного радио. Как известно, иногда метеорологи ошибаются, но в среднем краткосрочные прогнозы имеют хорошую оправдываемость. Если прогноз предсказывает наступление опасных погодных явлений, то водитель может принять решение прервать поездку до тех пор, пока погода не улучшится. Прежде чем начать долгое путешествие по незнакомым дорогам, необходимо узнать, какая там местность, каков климат, какова вероятность выпадения на трассе дождя или снега. Так, зимой горные перевалы могут быть закрыты из-за снежных заносов, серьезную опасность представляет собой вождение автомобиля по покрытым льдом дорогам с подъемами или спусками.
Туман представляет собой помеху движению, требует снижения скорости и очень осторожного вождения. Поскольку туманы образуются при охлаждении влажного воздуха, они будут чаще встречаться и будут более плотными в наиболее холодное время суток. Поэтому в качестве общего правила можно рекомендовать проезжать наиболее туманные участки в самое теплое и солнечное время дня.
В некоторых прибрежных районах туман регулярно наступает с моря вечером и ночью. Так обстоит дело, например, летом на побережье Калифорнии, когда теплый влажный воздух, проходя над холодными водами прибрежного северного течения, попадает на сушу. Иногда очень плотный, обширный и продолжительный туман образуется перед теплым фронтом, когда при испарении выпавшего дождя в воздух попадает достаточное для начала конденсации количество водяного пара.
Ясными безоблачными ночами при наличии в воздухе достаточного количества влаги туманы образуются за счет излучения в ночное небо. В восточных районах Соединенных Штатов это происходит, как правило, ранней осенью, на западе — осенью и зимой. Холодный воздух стекает в низкие места-горные или речные долины, где образуются вначале клочья тумана, переходящие во все расширяющийся слой приземного тумана. Водитель должен знать, что если в таких местах встречаются отдельные небольшие клочья тумана, то впереди его может ожидать уже сплошной туман.
Чтобы туман не застал вас врасплох, необходимо все время следить за прогнозами погоды и за передачами о погоде в настоящий момент и быть очень внимательным за рулем.
Снег — это еще одно опасное погодное явление. Кроме того, что он делает скользкой проезжую часть дороги, выпадение 30-40 см снега может практически полностью парализовать движение в крупном городе. В сельской местности различные снегоочистители могут сгрести или сдуть снег с дороги в поле, но куда его убирать с узких улиц Нью-Йорка, Чикаго или Сент-Луиса? В городах с теплым климатом, где снег выпадает редко, а люди не привыкли к обледенелым улицам, даже 10 см выпавшего снега могут вызвать многочисленные аварии и транспортные пробки.
Если снежная буря случилась ночью, то мэр города может объявить чрезвычайное положение. В этом случае жители могут оставаться дома, пока будут расчищать улицы и посыпать их песком и солью. Однако если сильный снегопад происходит днем, то к моменту возвращения людей с работы улицы могут оказаться в непроезжем состоянии. В результате на улицах останутся брошенные, занесенные снегом автомобили, которые значительно увеличат трудности по приведению города в нормальное состояние. Когда надвигаются сильные снегопады, то наиболее разумным может оказаться закрыть школы и учреждения, посоветовать горожанам по возможности оставаться дома и привести в состояние повышенной готовности снегоочистительную технику.
Очень опасным для транспорта явлением — и не только зимой — является лед на автодорогах. Достаточно большое, чтобы вызвать серьезные последствия, количество града может выпасть и весной или летом. Однако при выпадении зимой дождя с образованием гололеда дорога может превратиться в настоящий каток. В Соединенных Штатах наиболее часто выпадение дождя с образованием гололеда случается в северо — восточных штатах, где часты сильные холодные ветры циклонического происхождения. Не стоит заниматься вождением автомобиля в гололед, когда опасным может оказаться даже хождение пешком.
Не меньшую опасность на дороге представляют собой метели и песчаные бури, которые могут сильно ограничить видимость. В пустынных районах сильные ветры поднимают в воздух песок и частицы почвы, и в образующихся при этом пыльных бурях видимость практически равна нулю. Такой ветер, как пескоструйный аппарат, может сдирать краску с автомобилей, уменьшить прозрачность боковых и ветровых стекол. Сильный боковой ветер может сдувать с проезжей части высокие грузовые автомобили и автофургоны. При слишком сильном ветре или при малой видимости лучше подыскать себе место для ночлега.
Люди, профессия которых связана с частыми поездками, особенно занятые на междугородных перевозках водители автофургонов, должны получать регулярную информацию о погоде по трассе и должны пользоваться услугами специалистов, которые могли бы правильно интерпретировать такую информацию. Для этого проще всего обращаться к услугам промышленных метеорологов, которые могли бы планировать поездки подобно тому, как это делают на авиалиниях авиационные метеорологи.
На движение по железнодорожным линиям погода оказывает значительно меньше влияния, чем на поездки на легковых и грузовых автомобилях. Поезда, как правило, могут двигаться сквозь ветер, снег и дождь, хотя иногда при этом приходится принимать меры предосторожности и снижать скорость. Однако сильные снежные заносы могут вызвать остановку поездов, а проливные дожди могут затопить или размыть железнодорожные пути. Однако в большинстве случаев железнодорожные перевозки не подвергаются воздействию метеорологических явлений.
Мореплавание
Значение, которое имеют погодные условия в открытых водных просторах, в большой степени зависит от типа судна-парусный корабль вообще не сможет двигаться при отсутствии ветра. Во времена трансокеанских переходов на парусных судах капитан должен был знать, с какими климатическими условиями ему предстоит встретиться, должен был уметь «читать» небо и море. Конечно, современные пароходы не испугаешь легким ветром, однако они по-прежнему должны опасаться ураганов, бурного моря, плотных туманов и морских льдин.
1 узел равняется 1 морской миле в час или 1,852 км в час. 15 узлов составляют 27,78 км в час.
Ветры очень важны по нескольким причинам. С попутным ветром судно будет двигаться быстрее и истратит меньше топлива, чем при встречном ветре; при трансатлантическом плавании потери времени и средств могут быть значительными. Огибание районов сильных ветров и высоких волн может удлинить путешествие, однако в этом случае пассажиры и груз будут подвергаться меньшему риску. Еще один довод в пользу такого маршрута заключается в большем комфорте путешествия, что имеет особое значение для пассажиров, страдающих морской болезнью.
Морское путешествие из Нью-Йорка в Англию должно быть более приятным, чем обратное. На восток судно плывет, как правило, с попутным ветром. Если западный ветер достигает скорости 10 м/с, то пассажир на палубе судна, идущего на восток со скоростью 15 узлов, будет ощущать только освежающий ветерок со скоростью около 3 м/с. На обратном же курсе судно шло бы против сильного встречного ветра, скорость которого составляла бы уже около 20 м/с.
В Северной Атлантике зимой, а в тропической — с июля по октябрь циклоны представляют собой серьезную угрозу мореплаванию. Северные циклоны очень холодные, иногда они могут вызвать обледенение судна. Ветер в них может достигать скорости 25 м/с и более-этого недостаточно, чтобы повредить или потопить крупный пароход, но вполне хватит, чтобы море стало весьма бурным. Многие пассажиры роскошных трансатлантических лайнеров (и еще большее число моряков на спасательных судах во время второй мировой войны) пережили бесконечные из-за страданий дни во время плавания через суровую Северную Атлантику.
Настоящим бичом мореплавания являются ураганы. Те, которые угрожают Соединенным Штатам, зарождаются в поясе пассатных ветров в тропической части Северной Атлантики. Как правило, ураганы движутся на запад через зону пассатов, по достижении Северной Америки сворачивают на север, а затем на северо-восток. Иногда же их траектории бывают такими странными, что их почти невозможно предугадать. Если ураган движется над сушей или над холодными северными водами, то он отрывается от своего основного источника энергии-теплых океанских вод. В этом случае скорость ветра уменьшается и буря стихает.
Скорость ветра в ураганах иногда превышает 70 м/с или 250 км/ч в области диаметром более 80 км. Ветер в атлантическом урагане в открытом океане может нагонять волны высотой свыше 10 м. Если же сталкиваются волны, образованные в различных местах урагана, то высота суммарных волн может поразить воображение. Так, японский военно-морской корабль, попавший в 1935 г. по неосторожности в тайфун, успел сообщить о волнах высотой от 20 до 30 м.
С искусственных спутников Земли ведется постоянное наблюдение за ураганами и другими тропическими циклонами с момента их возникновения до полного исчезновения. Со спутника можно наблюдать расположение облаков в урагане, но нельзя с удовлетворительной точностью измерить максимальную скорость ветра. Когда шторм приближается к берегу на несколько сотен километров, для определения его траектории и силы применяются метеорологические радары и специально оборудованные самолеты-лаборатории. Постоянно слушая сообщения по радио, капитан судна может все время быть в курсе координат тропического циклона и постараться уклониться от встречи с ним.
Иногда, чаще всего зимой, в прибрежных районах или в открытом море не удается вовремя обнаружить тропический циклон или предсказать его появление. Последствия могут быть катастрофическими. Например, 22 ноября 1980 г. неожиданный свирепый шторм обрушился на богатый рыбный промысловый район Джорджес-банки в 200 км от о-ва Нантакет. Пятнадцатиметровые волны и ветер со скоростью 35 м/с потопили четыре рыболовных судна и сильно повредили четыре других. Четверо рыбаков погибли.
Точное определение состояния атмосферы над огромными океанскими просторами является задачей колоссальной трудности. Такие параметры, как ветер, температура, облачность, осадки, состояние поверхности океана, непосредственно наблюдаются в очень немногих местах. Измерения проводятся в основном на островных метеостанциях и на военно-морских и грузовых судах, а также на небольшом числе оборудованных соответствующей аппаратурой буях и самолетах-лабораториях. Время от времени некоторые из этих параметров могут измерять метеорологические искусственные спутники, однако они не могут наблюдать океанские течения, волнение моря, температуру воды при наличии облаков, не могут они проводить и достаточно точные измерения максимальной скорости ветра. Принципиальная возможность для проведения таких наблюдений из космоса существует, однако для конструирования, запуска и работы спутниковой сети слежения за океаном требуются слишком большие средства.
Серьезную опасность для кораблей представляют морские льдины. Особое беспокойство айсберги в Северной Атлантике вызывают с тех пор, как якобы непотопляемый «Титаник» столкнулся с айсбергом и затонул во время своего первого рейса из Англии в Нью-Йорк в апреле 1912 г. Большинство айсбергов Атлантического океана представляют собой огромные глыбы льда, которые откололись от ледников на западном побережье Гренландии или на восточном побережье о-ва Элсмир. Попав в океан, айсберги переносятся Лабрадорским течением вдоль восточного побережья Канады на юг. Некоторые, попав в Северо-Атлантическое течение, поворачивают на восток в сторону Европы.
Как правило, айсберги в Атлантическом океане имеют длину порядка 100 м. Самый большой из отмеченных в Арктике айсбергов был длиной около 450 м. В Антарктике огромные глыбы льда откалываются от шельфовых ледников, сползающих с континента в океан. Такие айсберги могут достигать 80 км в длину и 30 км в ширину.
Лед плавает, поскольку его плотность меньше плотности воды, однако над водой выступает только 1/7 часть его объема. Когда вы видите, что верхушка айсберга возвышается над водой на 30 м, то можете быть уверены, что под водой скрывается значительно больше.
Обширные районы Арктики покрыты слоем льда, толщина и распространенность которого меняются в зависимости от сезона и климата. Не тающий круглый год полярный ледяной покров распространяется к югу и занимает в настоящее время около 3/4 поверхности Северного Ледовитого океана. Средняя толщина льда составляет около трех метров, однако местами она значительно больше. Летом происходит таяние льда и уменьшение массы ледяного покрова.
Площадь ледяного покрова составляет в марте 87%, а в сентябре — 53% площади Северного Ледовитого океана. Прим. перев.
За полярным льдом следует область пакового льда. Толщина льда здесь сравнительно мала, доходит зимой до 1-2 м, летом же лед частично тает и ломается. При наступлении более холодных периодов, как это было, например, в начале нашего столетия, толщина и область распространения пакового льда увеличиваются.
В последние годы для определения границ распространения морского льда применяются спутники погоды. Эта информация передается штурманам в полярные районы, поскольку плавание в северные порты Канады, Гренландии, Аляски и Скандинавии в холодные зимы может стать затруднительным.
Береговой охране США вменено в обязанность следить за передвижением айсбергов и публиковать данные об их координатах. Судно, оборудованное радаром и управляемое бдительным экипажем, в состоянии избежать столкновения с айсбергом и в дневное, и в ночное время, в хорошую погоду и в туман. Судовой радар служит также для предупреждения о других судах, не видных в густом тумане. Если сирена или радио могут только предупредить о нахождении вблизи другого корабля, то радар дает точное направление и расстояние до него. Поскольку радары установлены сейчас на всех больших судах, то кажется, что столкновений не должно происходить вообще. Однако суда, как и все другие средства передвижения, управляются людьми, а люди могут ошибаться.
Капитаны океанских судов должны постоянно консультироваться с метеорологами, которые знают, как погода влияет на условия плавания. Метеорологи должны следить за изменением погоды, состоянием моря, ледовой обстановкой и при необходимости сообщать эти сведения на находящиеся в плавании суда. Такая практика должна увеличить эффективность морских перевозок.
Авиация
Каждый, кто поднимается в воздух на самолете, планере или на воздушном шаре, перед тем, как оторваться от земли, должен иметь сведения о погодных условиях. Пилоты гражданской и военной авиации получают такую информацию непрерывно. Современные самолеты сконструированы с учетом того, чтобы они могли противостоять распространенным опасным погодным явлениям, описанным в этой главе. К сожалению, все еще бывают случаи, когда суровая погода в сочетании с ошибками летчиков приводит к катастрофам. Однако, чем больше знания и опыт летчика, тем реже происходят подобные случаи.
Основными метеорологическими факторами, которые влияют на самолет во время полета, являются ветер, турбулентность, молнии, град и обледенение самолета (нарастание льда на несущих поверхностях самолета во время полета через переохлажденные облака). Однако погодные условия необходимо принимать во внимание уже на взлетно-посадочной полосе.
Длина необходимой для взлета взлетно-посадочной полосы зависит от типа и веса самолета, высоты аэропорта над уровнем моря, скорости ветра, температуры воздуха и влажности. Действующая на крылья самолета подъемная сила при любой скорости зависит от плотности воздуха (массы воздуха в единице объема), которая уменьшается с высотой. Для того чтобы оторваться от земли, самолет в аэропорту г. Денвер (высота над уровнем моря 1615 м) должен достичь большей скорости, чем в аэропорту г. Чикаго (высота над уровнем моря 204 м). Для того чтобы самолет мог достичь большей скорости, взлетно-посадочная полоса в Денвере должна быть длиннее. Кроме того, плотность воздуха уменьшается с повышением температуры воздуха и (в меньшей степени) влажности; летом для взлета требуется более длинный разбег, чем зимой.
Высота полета самолета определяется, как правило, с помощью барометрического высотомера, который калибруется по усредненной зависимости атмосферного давления от высоты. Хотя шкала прибора маркируется в единицах высоты, он измеряет давление воздуха, которое является функцией высоты. Поскольку степень уменьшения с высотой температуры и плотности воздуха меняется в пространстве и времени, меняется и атмосферное давление на уровне моря, и степень его уменьшения с высотой. Для того чтобы учесть эти отклонения от среднего значения, летчик регулирует высотомер перед взлетом и посадкой. Зная величину атмосферного давления в аэропорту, он устанавливает высотомер таким образом, чтобы в тот момент, когда самолет будет находиться на земле, он показывал бы высоту аэропорта над уровнем моря. В настоящее время данные для регулировки высотомера регулярно сообщаются пилотам по радио контрольными службами аэропорта.
Когда температура воздуха на высоте полета меньше среднего значения, использовавшегося при калибровке высотомера, истинная высота самолета будет меньше высоты, определяемой по прибору; и наоборот, если температура превышает среднее значение, то истинная высота будет больше высоты по прибору. Зная температуру за бортом, пилот может легко вычислить поправку к показаниям высотомера.
При полетах большое значение имеют два параметра — потолок, который определяется как высота основания нижнего слоя облаков или других явлений, закрывающих больше половины неба, и видимость — наибольшее расстояние, на котором можно увидеть и идентифицировать достаточно крупный объект. Низкие потолок и видимость вызываются, как правило, туманами и слоистыми облаками, однако могут быть следствием и сильных снегопадов, проливных дождей, песчаных бурь, густого дыма и плотной дымки. Особое значение эти параметры приобретают при взлетах и посадках самолетов.
При очень плотном тумане потолок и видимость могут практически равняться нулю, что приведет к прекращению полетов. К счастью, такие «нулевые» одновременно по обоим параметрам условия встречаются довольно редко. Чаще встречаются условия, когда потолок уменьшается до 100-150 м, а видимость — до 1 км. В этом случае в аэропортах, имеющих хорошее радио — и радарное оснащение, способное обеспечить самолетам безопасное приземление, продолжаются взлеты и посадки самолетов, хотя и с меньшей, чем обычно, интенсивностью.
Некоторые виды туманов и низких облаков образуются или становятся более плотными ясными ночами в результате охлаждения за счет излучения тепла в ночное небо. Поэтому потолок и видимость могут уменьшиться ночью или ранним утром. Пилоты маленьких самолетов, которые, как правило, летают в видимости земли, должны планировать свой вылет из аэропортов, в которых часты туманы, таким образом, чтобы солнце уже успело разогнать утренний туман, а вечерний еще не успел бы образоваться.
Обширные циклоны, которые так часты зимой в средних широтах, низкие облака, обильные осадки могут сильно ухудшить полетные условия на много дней подряд. Сильная снежная буря в Чикаго может закрыть аэропорты в городе, уменьшив потолок и видимость ниже предельно допустимых для полета значений и завалив снегом взлетно-посадочные полосы. Летние проливные дожди также могут ограничить воздушные сообщения, однако, как правило, только на короткое время. Серьезную опасность могут представлять также сильный переменный ветер и нисходящие потоки под грозовым облаком.
Если взлет и посадка самолетов в аэропорту затруднены туманом, то иногда можно исправить создавшееся положение. Часто оказывается возможным рассеять переохлажденный туман, т. е. туман, состоящий из капелек воды с температурой ниже точки замерзания. Засеивание такого тумана сухим льдом или другим льдообразующим реагентом превращает жидкие переохлажденные капельки в растущие ледяные кристаллы. По мере их выпадения на землю видимость и потолок увеличиваются.
С начала 60-х годов для рассеивания переохлажденных туманов над аэропортами в Соединенных Штатах, Советском Союзе и Западной Европе применяется засев льдообразующими ядрами. Плотные переохлажденные туманы образуются достаточно редко, но когда это происходит, они могут принести значительные убытки.
Около 95% туманов над аэропортами в Соединенных Штатах являются теплыми, т. е. температура составляющих их капелек воды выше точки замерзания. Такие туманы не могут быть рассеяны с помощью засева льдообразующими ядрами. В течение последних десятилетий проводятся опыты по изучению эффективности рассеивания теплых туманов с помощью горячих газов, выбрасываемых реактивными двигателями. Эти исследования продолжаются в Соединенных Штатах и в настоящее время, однако пока еще ни один аэропорт не оборудован для постоянного рассеивания таких туманов.
Турбулентность в атмосфере является еще одной помехой для воздушных сообщений. Как правило, турбулентность только вызывает раздражение у экипажа самолета и становится причиной дискомфорта для пассажиров. Однако иногда она может быть достаточно сильной, чтобы причинить ранение людям, не застегнувшим привязные ремни в своих креслах, и даже чтобы вызвать разрушение отдельных частей конструкции самолета.
Турбулентность появляется при значительном изменении скорости ветра на небольшом расстоянии. В этом случае в воздухе образуются вихри, напоминающие водовороты вокруг скал или других препятствий на пути быстрой реки. Сами самолеты, особенно огромные широкофюзеляжные реактивные машины, также вызывают образование турбулентных потоков в спутной струе. При полете самолета на каждом крыле возникают так называемые «концевые вихри крыла». Эти вихри срываются и движутся по ветру в воздухе или вдоль поверхности земли, создавая помехи заходящим на посадку или взлетающим самолетам, а также самолетам, летящим непосредственно за своим огромным собратом. Когда самолет пролетает через область вихрей, он подвергается сильным ускорениям, которые бросают его вверх и вниз, из стороны в сторону.
Создаваемые самолетом концевые вихри крыла вызывают опасную для летящего следом самолета турбулентность
Степень воздействия турбулентности зависит от размера и веса самолета, от высоты и скорости его полета — чем медленнее летит самолет, тем меньше воздействие на него турбулентности. Это аналогично тому, что испытывает человек, ведущий автомобиль по железнодорожным путям, чем меньше скорость, тем меньше воздействие тряски на автомобиль и пассажиров. При полете через области турбулентности в атмосфере очень важно следовать инструкциям конструкторов самолета по поводу безопасной скорости полета.
Турбулентность в атмосфере вызывается основными причинами: конвективными течениями, т. е. восходящими потоками масс теплого воздуха и нисходящими потоками холодного, как это имеет место, например, под грозовым облаком; вертикальными потоками, вызванными динамическим взаимодействием воздушного потока с холмами или горами; сильными сдвигами ветра, т. е. большими изменениями скорости ветра на маленьком расстоянии.
Конвективная турбулентность возникает, когда температура достигает максимального значения у поверхности земли и понижается с высотой. Такие условия чаще всего встречаются летом, однако возникают и зимой, когда, например, холодные массы движутся из Канады над более теплой поверхностью Великих озер. Над пустынными районами часто встречаются низкие конвективные течения, иногда называемые тепловыми. Около земли самолет подвергается воздействию почти непрерывной слабой турбулентности. Хотя она существует во всем слое конвективного движения воздуха, высота которого зимой может достигать 1000 м, а летом — превышать 3000 м, турбулентность при ясном небе на небольших высотах может только причинять неудобства и не представляет, как правило, опасности для полетов.
При сильной нестабильности атмосферы и большой влажности конвективные течения могут быть очень сильными и существовать на значительных высотах. Кучевообразные облака могут расти и развиваться, становясь мощными грозовыми облаками. Скорость восходящих и нисходящих потоков в таких облаках может превышать 100 км/ч. Такие потоки сами по себе не порождают болтанку — они могут перенести самолет на несколько сотен метров вверх и вниз, однако, по крайней мере теоретически, изменение высоты внутри потока происходит достаточно плавно. Однако на границах потоков, где вертикальная скорость воздуха сильно меняется на очень небольшом расстоянии, возникают вихри, вызывающие жестокую болтанку самолета.
Особую опасность представляют собой сильные нисходящие потоки воздуха. Т. Т. Фуджита из Чикагского университета, назвавший их «прорывами воздуха вниз», показал, что они явились причиной нескольких катастроф, происшедших с самолетами гражданской авиации. Он определяет «прорыв воздуха вниз» как событие, которое происходит, когда скорость нисходящего потока воздуха на высоте 90 м становится равной или превышает примерную скорость подъема или снижения реактивного самолета в момент взлета или посадки. Стремительно несущийся вниз воздух ударяется о землю и распространяется во все стороны в виде сильного горизонтального порывистого ветра.
В активном грозовом облаке пилот сталкивается также с проливным дождем, молниями и иногда с градом. С начала 50-х годов самолеты гражданской авиации стали оборудоваться навигационными радиолокаторами. Кроме того, Федеральное управление по делам гражданской авиации создало наземную сеть радиолокационных станций для регистрации гроз, что позволяет направлять самолеты в обход их. К сожалению, летчикам иногда все-таки приходится попадать в грозовые облака, особенно на взлете и при посадке, и это представляет собой серьезную опасность.
Схематическое изображение турбулентности и ветров под грозовым облаком
24 июня 1975 г. в 16 час. 05 мин. местного времени самолет «Боинг-727», летевший рейсом 66 авиакомпании «Истерн эйрлайнз», при заходе на посадку в Международный аэропорт им. Джона Ф. Кеннеди в Нью-Йорке попал на высоте 150 м в сильную грозу. Когда самолет на высоте 120 м влетел в прорыв воздуха вниз, его скорость в течение 7 с упала с 256 до 226 км/ч. На высоте 60 м самолет столкнулся с нисходящим потоком воздуха со скоростью около 7 м/с, из-за чего коснулся земли, не долетев до взлетно-посадочной полосы. В результате катастрофы погибли 113 человек.
Известны и другие авиакатастрофы, вызванные прорывами воздуха вниз. 7 августа 1975 г. при вылете из аэропорта Стэплтон в г. Денвере разбился самолет авиакомпании «Континентал эйрлайнз». Самолет авиакомпании «Аллегани эйрлайнз» разбился 23 июня 1976 г. при заходе на посадку в Международный аэропорт Филадельфия, столкнувшись со встречным отраженным от земли потоком воздуха. Несмотря на предупреждение командно-диспетчерского пункта о возможности сильных сдвигов ветра, вызванных проходящей грозой, 23 июня 1976 г. вскоре после вылета из Международного аэропорта Нового Орлеана потерпел катастрофу самолет «Боинг-727» авиакомпании «Панамерикен». Смерть унесла 153 человека, 145 из которых находились на борту самолета. Эта трагедия заставила авиадиспетчеров и пилотов уделять еще больше внимания опасностям полета через мощные грозовые облака.
При сильном ветре даже такие небольшие препятствия, как авиационные ангары, создают вихри, вызывающие болтанку самолета. Если взлет самолета или заход на посадку происходят при сильном порывистом ветре, то очень важно, чтобы имелся запас скорости, достаточный, чтобы предотвратить потерю управления или бороться с потерей скорости при срыве потока.
Порождаемая холмами или горами турбулентность является одним из видов турбулентности при ясном небе, которую обычно сокращенно называют ТЯН. Турбулентность, вызванная дующими над горами сильными ветрами, может быть очень сильной и распространяться на большую высоту. При некоторых условиях воздушные потоки могут вызывать сильные волновые завихрения с подветренной стороны горной гряды. Сразу же за гребнем горы воздух опускается вниз, при этом образуются гигантские завихрения, которые продолжают двигаться дальше с восходящими потоками воздуха.
Типичные линии воздушного потока при встрече сильного ветра с горной грядой. С подветренной стороны гребня горы могут быть опасные нисходящие потоки воздуха, а образующиеся волны и вихри могут вызывать сильную турбулентность
Восходящие потоки в горах иногда прослеживаются до высоты порядка 10 км. Планеры, парящие в потоках воздуха в горах Сьерра-Невада в Калифорнии, иногда забираются еще выше. Связанная с восходящими потоками воздуха турбулентность иногда бывает настолько сильной, что может повредить некоторые узлы самолета. Пилот, ведущий самолет по ветру в направлении горной вершины, должен быть готов к тому, что за гребнем горы попадает в сильный нисходящий поток воздуха, который может прижать машину к земле.
Волновые завихрения в горах часто образуются при безоблачном небе и могут распространяться на расстояние 150-200 км за гребень горы. Однако, при достаточной влажности воздуха облака могут образовываться в восходящей части волнового завихрения. В некоторых случаях такие облака бывают практически неподвижными и держатся в течение часов; фотографирование с большой выдержкой позволяет показать, что облака в волновых завихрениях постоянно образуются в восходящих потоках воздуха и испаряются в нисходящих.
При полетах в гористой местности пилоты должны помнить, что они могут встретиться с турбулентностью, если скорость ветра на высоте вершины горы превышает 13 м/с. Шансы неожиданно встретиться с турбулентностью значительно повышаются при больших скоростях ветра и наличии волнистых облаков. Опытный пилот старается определить, в каком месте возможно появление турбулентных потоков, и по возможности избежать встречи с ними. Лучше всего, конечно, постоянно поддерживать связь с ближайшим метеорологическим бюро, в котором есть данные о ветре, облачности и других метеопараметрах в интересующем вас районе, а также сообщения пролетавших здесь ранее летчиков.
Еще один важный вид турбулентности при ясном небе возникает при больших скоростях и сильных сдвигах ветра. В некоторых случаях траектория движения воздушного потока в слое атмосферы с сильным сдвигом ветра напоминает по форме волны, похожие на волны в океане около побережья. По мере того как в воздухе появляется все больше и больше вихрей различного размера, амплитуда этих волн растет, они теряют свою форму и распадаются. Благоприятные для этого условия часто образуются при струйных течениях.
При полете в струйном течении самолеты могут пользоваться попутным ветром для уменьшения полетного времени и потребления горючего. Например, самолет, летящий со скоростью относительно воздуха 900 км/ч при попутном ветре, скорость которого составляет 150 км/ч, будет иметь скорость относительно земли 1050 км/ч. Эта прибавка в скорости позволит сократить время полета от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка примерно на час.
Одна из основных задач авиационных метеорологов заключается в прокладывании маршрутов таким образом, чтобы максимально сократить полетное время и при этом не вводить самолет в зону сильной турбулентности. В течение многих лет ученые и инженеры стараются разработать эффективный способ обнаружения турбулентности при ясном небе впереди по курсу самолета, чтобы заранее предупредить о ней летчика и дать ему возможность постараться обогнуть эту зону.
Последствия турбулентности при ясном небе могут быть весьма серьезными. Так, 3 апреля 1981 г. самолет ДС-10 авиакомпании «Юнайтед Эйрлайнз» во время полета над Миссури попал в область очень сильной турбулентности при ясном небе. Самолет стало очень сильно трясти, и он потерял около 600 м высоты. Тех пассажиров, у которых не были застегнуты привязные ремни, швыряло по всему салону, некоторые ударились даже о потолок. Четырнадцать человек были ранены, семерых из них пришлось госпитализировать. Сам самолет не пострадал, и пассажиры, привязные ремни у которых были застегнуты, только получили тему для страшных рассказов. Из-за возможности внезапно попасть в зону сильной турбулентности при ясном небе лучше весь полет проводить с застегнутым привязным ремнем вне зависимости от того, горит табло с таким указанием или нет.
К счастью, толщина зоны, в которой наблюдается турбулентность при ясном небе, как правило, невелика и составляет обычно не более 1000 м. Поэтому самолет может выйти из зоны сильной турбулентности с помощью изменения высоты. К такому же результату иногда может привести отклонение маршрута полета на несколько километров от оси струйного течения.
Стандартного самолетного прибора для обнаружения турбулентности при ясном небе не существует, однако во время работы в Лаборатории по исследованию окружающей среды в г. Боулдер, шт. Колорадо, Петер М. Кун создал предназначенное для этой цели устройство. Оно представляет собой инфракрасный спектрометр, реагирующий на неоднородности концентрации водяного пара, характерные для области, в которой происходит сдвиг ветра. В 1981 г. Кун получил патент под названием «Устройство для регистрации турбулентности при ясном небе с помощью дистанционной индикации направления».
В соответствии с описанием Куна данное устройство должно предупредить пилота о зоне турбулентности при ясном небе за 3-4 минуты до входа в нее. В настоящее время крупная компания по производству авиационного электронного оборудования совместно с основными авиакомпаниями стремится наладить серийное производство детектора ТЯН Куна. Если это устройство оправдает возглагающиеся на него надежды, то его внедрение явится крупным шагом вперед по пути повышения безопасности и комфорта при полетах на реактивных авиалайнерах.
Молния — это, по мнению мало летавших авиапассажиров, очень опасное явление. К счастью, она почти не представляет опасности для гражданских и военных самолетов. Удар молнии способен прожечь несколько дырок до сантиметра в диаметре около концов крыльев, повредить электронное и навигационное оборудование, не нарушая, однако, безопасности полета. Пока не было разработано защитное оборудование, несколько самолетов были сильно повреждены электрической дугой, которая вызывала пожары или даже взрывы, если молния воспламеняла пары горючего в бензобаках. В настоящее время вероятность такого происшествия минимальна, однако неметаллический самолет или самолет без металлического соединения всех его частей может быть серьезно поврежден молнией. Поэтому летчики не должны поднимать такие самолеты в воздух, если возможна гроза.
Удар молнии опасен еще и тем, что яркая вспышка может, особенно ночью, временно ослепить летчика. Чтобы уменьшить время ослепления, можно, как это делается уже давно, включить свет в кабине пилота или надеть солнцезащитные очки.
Град представляет собой угрозу самолетам везде, где происходят грозы с градом, а наиболее часты они на Великих равнинах. Если самолет встречается с градинами диаметром более сантиметра, то он может быть очень серьезно поврежден. Чаще всего градины встречаются внутри грозовых облаков, поэтому чтобы избежать встречи с ними, летчик должен стараться держаться в чистом небе и не заходить в облака. В некоторых случаях, однако, градины вылетают из наклонной стороны кучево-дождевого облака. Иногда град бывает настолько редким, что становится невидимым невооруженным глазом с расстояния несколько километров. Самолетный же радар обнаруживает градины и позволяет летчику обойти опасную зону. В целях безопасности не следует, особенно в районах, где град — частое явление, подходить ближе, чем на восемь-десять километров к грозовым облакам и летать под кучево-дождевыми облаками.
С проблемой обледенения летчики сталкиваются, как правило, при полетах на высотах меньше 7500 м. На больших высотах облака состоят в основном из ледяных кристаллов, которые не прилипают к самолету. При столкновении самолета с переохлажденными каплями облаков и осадков лед может нарастать на пропеллерах и на передних поверхностях самолета. Нарастание довольно значительных количеств льда вызывает увеличение веса и лобового сопротивления самолета. Уменьшение реактивной тяги и подъемной силы ведет к уменьшению скорости и потере высоты. Обледенение ведет также к ухудшению характеристик двигателей некоторых самолетов. В редких случаях, каждый из которых представляет собой, однако, серьезную опасность, лед может нарастать на задней поверхности крыла или хвостового оперения, покрывая закрылки и другие управляющие поверхности.
Полет через растущее кучевое облако на высотах, где температура держится в интервале от 0°С до — 15°С, ведет, как правило, к обледенению самолета. Однако самолет пролетает такое облако обычно в течение нескольких минут, и поэтому на нем успевает образоваться только тонкий слой льда. Однако, если самолет летит в переохлажденных облаках длительное время, обледенение может превратиться в очень серьезную проблему. Летчики должны сознавать опасность обледенения и постоянно консультироваться относительно его вероятности с авиационными метеорологами.
Во время сильных буранов, особенно при достаточно высоких температурах, когда снег мокрый, на крыльях и других поверхностях самолета может нарасти очень много льда. Если его не счистить перед взлетом, то он может изменить летные характеристики самолета и вызвать катастрофу. Так, 13 января 1982 года реактивный самолет авиакомпании «Эйр Флорида» во время вылета из Национального аэропорта Вашингтон (округ Колумбия) из-за сильного обледенения не смог набрать достаточную скорость на взлетно-посадочной полосе. В результате он врезался в мост через р. Потомак на Четырнадцатой улице и упал в реку. Из 79 человек, находившихся на борту самолета, в живых осталось только пятеро, кроме того, погибли еще четверо, проезжавшие в это время по мосту в автомобилях.
Лед на взлетно-посадочной полосе — это еще одна очень серьезная опасность, особенно часто подстерегающая пилотов в районах, для которых обычно выпадение дождя со снегом или с образованием гололеда. 23 января 1982 года самолет ДС-10 авиакомпании «Уорлд Эйруэйз», на борту которого находилось 190 пассажиров, занесло в конце покрытой льдом взлетно-посадочной полосы в Международном аэропорту Логан в Бостоне, и он угодил в мелкие воды бухты Бостон-харбер. Два пассажира погибли, по-видимому, из-за того, что захлебнулись, остальные отделались испугом или ушибами.
Перед взлетом пилотов самолетов коротко информируют о важнейших метеопараметрах, ожидаемых по маршруту, а во время полета им сообщают обо всех происходящих изменениях. Это делается для того, чтобы свести к минимуму опасности и неудобства, испытываемые пассажирами и экипажем во время полета. Несмотря на это, расписание движения самолетов иногда сильно нарушается из-за погодных условий, в особенности из-за турбулентности в полете, низкого потолка и видимости, проливного дождя или сильного снегопада в аэропорту приземления. Однако временные неудобства, вызванные болтанкой в полете, задержки при взлете или посадке являются терпимой ценой за скорость и комфорт путешествия, особенно если учесть, что число связанных с погодными условиями катастроф самолетов гражданской авиации очень мало. Пилоты частных самолетов также должны по примеру своих коллег в кабинах пассажирских авиалайнеров эффективно использовать информацию о погоде.