МЕТЕОРОЛОГИЯ ЗА ПАРАПЛАНЕРИСТИ

от Николай Йотов

          

Метеорологията е наука за процесите в атмосферата.

            

Атмосферата е въздушната обвивка около Земята. Въздухът е смес от газове, чиито молекули се задвижвани от различни процеси, но също така имат маса и се привличат надолу към Земята от гравитацията. Общият ефект на взаимодействие на въздушните молекули с околните обекти и повърхности се нарича атмосферно налягане.

В атмосферата, налягането предствлява теглото на молекулите над определено ниво. Колкото по-високо отиваме, толкова по-малко молекули ни тежат над главата, следователно налягането намалява с височина.

decrease of pressure with height

            

Налягането се мери в паскали (Pa) и представлява ефекта на сила с големина 1 N приложена върху площ с 1 m2 .

Налягането също се мери в барове = 102 Pa = 1 hPa

По стара единица е атмосферата, която представлява налягането на морското ниво, което е еквивалентно на тежестта на 760 мм живачен стълб:

1 atm=760 mm Hg = 101 325 Pa ≈ 1 bar

На метеорологичните карти височината е дадена с налягане вместо с метри над морското ниво. Една от причините е, че в миналото самолетите са използвали барометрични висотомери за да поддържат определено височина над земята. В днешни дни използването на налягането като вертикална координата опростява термодинамичните изчисления за метеорологични прогнози и карти.

Основните метеорологични карти са 850 милибара (~1500 метра над морска височина), 500 mb  (~5500 м нмв), 300 mb (~8000 м нмвl).

            

Тъй като въздухът е прозрачен, то основният източник на енергия в атмосферата идва от слънчевото нагряване на земната повърхност. Обикновено, колкото по-високо отиваме, толкова по-студено става.

Слънцето е основният двигател на атмосферните процеси, които са изключително разнообразни заради неравностите по земната повърхност (вода и суша, планини и равнини, снежни и тъмни повърхности и ткн) и също заради дневните и сезонни промени в слънчевото греене върху различните точки по земната сфера.

Например, когато слънцето нагрява едно тъмно поле, то ще загрява въздуха отгоре, което ще го разширява и повдига част от молекулите му нагоре. На определена височина ще има повече молекули и следователно по-голямо налягане в сравнение със съседна ненагрята зона. Въздухът протича от високото налягане (H) към ниското (L). Добавянето на въздух отгоре над студената съседна повърхност ще увеличи налягането на нивото на земята и отново ще има протичане на въздух към нагряваната повърхност. Така, докато има температурна разлика между две съседни повърхности ще има непрекъснато генериране на ниско налягане над по-топлата и на високо налягане над по-студената повърхност.

Тази елементрана температурна циркулационна клетка обяснява много явления като морски бриз, долинно-планински вятър, мусони, глобални циркулации…

elementary circulation cell

            

Въздушните циркулации зависят от температурната разлика и свойствата на въздушната маса като нестабилност и влага. Има всякакви форми и мащаби на температурни циркулационни клетки, които често се подтискат или усилват една друга. Най-осезаемият за нас ефект е движението на въздушната маса по земната повърхност, което наричаме вятър.

            

ВЯТЪР

            

 

Вятърът влияе съществено върху леките парапланери с относително голяма повърхност. Силните ветрове създават големи сили по време на излитане или приземяване, високи скорости спрямо земята и турбуленция по време на полет. В същото време пилотите се нуждаят от вятъра и въздушните циркулации за да летят по-високо и по-далеч. Ето защо, изучаването на вятъра е важно за безопасността и напредъка в парапланеризма.

            

Начинаещите първо започват с измерване на вятъра на старта, постепенно си създават навик за непрекъснато наблюдение и построяване мислен модел за характера на вятъра, докато достигнат състояние да откриват, обясняват и предсказват ветрове и циркулации.

Посоката на вятъра е посоката от където идва вятъра:


wind directions

            

       

Пилотите на земята често помагат на приземяващите се парапланеристи като им показват с една или две ръце посоката от която идва вятъра, особено ако наблизо няма ветропоказател.

       

Силата на вятъра се измерва с анемометър (ветромер) в [m/s], [km/h] or [kt]. 1 m/s = 3.6 km/h = 2 knots

            

В парапланеризма казваме, че вятъра е:

тихо, безветрие: до 1 m/s (прав/челен старт; много бягане=голям старт)

слаб: 1-3 m/s; (прав или обратен старт; нужно е достатъчно място за разбягване)

умерен: 4-6 m/s; (обратен/гръбен старт, но прав/челен също е възможен; нужно е известно разбягване)

силен: 7-10 m/s; (гръбен старт; само за опитни пилоти; турбуленция във въздуха; скоростта на вятъра е близо до въздушната скорост на парапланера > опасност от издигане над хълма след излитане и издухване назад)

много силен: 11-13 m/s; (твърде силен за излитане; силна турбуленция; кацане назад; трудно погасяване на крилото след приземяване и влачене на пилота по земята)

шквал: над 14 m/s. (твърде опасно за летене)

            

Вятърът е постоянен ако скоростта му не се променя с повече от 2 m/s в продължение на 2 минути иначе казваме, че е поривист.

Вятърът е стабилен ако посоката му не се променя с повече от 1 румб (22.5°) в продължение на 2 минути иначе казваме, че е променлив.

Поривистите и променливите ветрове са признак за турбуленция!

Вятърът е ламинарен ако не си изменя осезаемо посоката и силата.

            

Важно е да се разграничава средната скорост на вятъра от моментните пориви. Например, някой порив може да те издуха временно назад, но ако средната скорост на вятъра е по-малка от въздушната скорост на парапланера, то ще продължаваш да летиш (пробиваш) напред.

Ако поривите превишават средната скорост на вятъра над 100%, то въздухът е твърде турбулентен за начинаещи. Същото важи ако умерен или силен вятър си променя посоката над 45° .

            

Вятърът може да бъде възходящ или низходящ т.е. не е хоризонтален, но има компонента нагоре или надолу.

            

Най-критичната част от полета е излитането и отдалечаването от земята след това. Излитането във възходящ цикъл на вятъра и отдалечаването от земята стават по-бързо, което дава повече височина и време за рекация при непридвидени ситуации и колапси. Често срещана причина за инциденти е, когато начинаещите пренебрегнат посланията на циклите на вятъра и просто търсят лесен вятър за напълване на крилото. Опитните пилоти изучават циклите на вятъра с години и формират интуиция кога е добре да се излети и кога е по-добре да се изчака. Трябва да се мисли за общата картина, включително какво може да стане след излитането, а не само да е лесно излитането.

Много инциденти с начинаещи стават при напълването на крилото, защото не могат да го контролират ефективно и го оставят да ги излети в нежелана посока. Дори някои добри пилоти са свикнали с лесни стартове и когато отидат на различни стартове и условия може да имат изненадващо лоши излитания. Големият нальот не може да компенсира умелото управление на крилото на земята, за което са нужни седмици и месеци упражнения.

            

Когато измерваме вятъра на земята трябва да съобразяваме т.нар. градиент на вятъра – промяната на силата и посоката на вятъра с височина.

Градиентът на вятъра се получава, защото долните слоеве на движещата се въздушна маса са забавени от триенето със земята. Ето защо трябва да очакваме усилване на вятъра с височина, особено след излитане. Често срещани инциденти са излитането в силен вятър, изстрелването нагоре в още по-силен вятър и издухването назад в турбуленцията зад хълма.

Градиентът на вятъра също променя траекторията ни планиране близо до земята и промяна на скоростта ни спрямо земята преди приземяване.

wind greadient

           

Градиентът на вятъра може да се наблюдава лесно навън: ако лежиш сред тревата почти не усещаш вятър, но като седнеш или се изправиш ще усетиш повече вятър, а ако се покатериш на кола, сграда или хълм ще усетиш още повече усилването на вятъра с височина.

Единичните пориви могат да причинят внезапни пропадания или издигания заради намаляването или увеличаването на въздушната скорост. Прелитането през слоеве с изразен градиент на вятъра могат да причинят същото, но за по-дълго време и с по-голяма сила.

            

Докато за начинаещите вятърът е просто вятър, то за опитните пилоти той има посока, сила (моментна, средна, максимална, минимална), характер (ламинарен, променлив, поривист), градиент, възходяща и низходяща компонента. Също така, опитните пилоти са чувствителни спрямо тенденциите на вятъра на промяна на параметрите му. Сприятеляването с вятъра става след разбиране на голямата картина – циркулациите, които задвижват вятъра.

            

ТУРБУЛЕНЦИЯ

            

Когато въздушен поток се движи бавно, то няма обмен между слоевете му и го наричаме ламинарен поток. Когато обаче скоростта му се увеличи над определена критична стойност, то потокът става турбулентен от само себе си. Турбулентният поток означава хаотични движения на въздушните частици в произволни посоки. Превключването от ламинарен в турбулентен поток зависи от свойствата на потока (размери, вискозитет) и грапавината на съседните повърхности ако контактува с такива. Издигащият се (цигарен) дим се ускорява нагоре и щом достигне критична скорост за дадените условия става турбулентен от само себе си.

Практически, ветрове със скорост над 5-6 m/s се считат за турбулентни, а интензивността на турбуленцията нараства експоненциално (Vwind2) спрямо скоростта на вятъра (това означава че при двойно увеличаване скоростта на вятъра ще има четворно увеличаване на интензивността т.е вместо два счупени крайника ще имаш 4).

            

Летенето в турбуленция е опасно, защото крилото спира да работи като крило ако няма спокоен поток около него. Летенето с меките и направени от плат парапланери означава сривове, колапси, внезапни издигания/пропадания/завивания, недостигане до безопасна кацалка поради извънредна загуба на височина. Не е приятно дори за опитните пилоти. Дори птиците си губят елегантния стил на летене в турбуленция.

            

Въпреки хаотичната природа на невидимия въздух, турнуленцията може да се наблюдава непряко, изследва, предсказва и избягва.

Класическата механична турбуленция се причинява от взаимодействието на вятъра с твърди обекти като дървета, сгради, терена. Колкото обектите са по-малки и заоблени, толкова по-малко турбуленция ще създават. Обектите, които силно блокират вятъра създават и по-силна турбуленция зад себе си.

Ускорението на потока около източника на турбуленция създава зони на засмукване, които благоприятстват създаването на вихри. Тяхната форма, големина и интензивност зависят формата на обекта (профила), скоростта на вятъра и свойствата на въздушната маса. Кръговите движения съхраняват енергията и можем да кажем, че вихрите живеят свой собствен живот. При постоянни ветрове и стабилен въздух някой обекти създават “привързани” към тях и дълго съществуващи зад тях вихри наречени ротори. При спадане на вятъра, вихърът губи скорост. При усилване на вятъра, поривът може буквално да избута вихрите по вятъра, където те постепенно се разпадат на подпомагащи и пречещи се по-малки и малки вихри. Все пак, отделни вихри могат да пътуват изненадващо надалеч, тъй като кръговото движение им помага да запазят енергията си.

И стационарните (роторите) и пътуващите вихри иницират и увличат съседни вихрови движения, които се предават нататък. Това води до разширяване на турбулентната зона зад препятсвията, но и до намаляване на интензивността й с отдалечаване от източника на турбуленция.  

Като правило, турбулентата зона се разпростира зад препятсвието на разстояние 7 пъти височината му (опасно е да се лети на по-малко от 700 метра зад 100 метра висок хълм), но все пак това зависи от формата на обекта, от свойствата на въздушната маса и от скоростта на вятъра.

Mechanical turbulence behind a hill

           

Трябва да се внимава с изложените на вятъра остри ръбове тъй като те иницират вихри зад себе си. Дори малка промяна в посоката на вятъра може да активира един ръб и деактивира друг.

           

Класически случай на ротор и турбуленция е зад ръба на плато или тераса. Има много стартове на ръба на плато, където имат проблем с напълването на крилото в ротора на ръба и издигането му в несмутения поток малко по-високо. Кацанията на старта трябва да са по-далеч от ръба. Наклонът на терена отзад може да усилва или отслабва ефекта на ръба.

Turbulence behind an edge

           

A high and well blocking the wind vertical slope can even create rotor and turbulence in front of them. It’s not so energetic like the turbulence behind the edges and pilots sometimes call it “dead air” because they may fall in parachutal stall, but collapses and surprising back wind may also occur.

Multiple terraces (edges) create multiple turbulent zones which disturb the next one downwind because even slight change of wind strength and direction decide the role of the next edge and resultant intensity of its turbulent zone. Often experienced pilots fly safe close to the terrain, but unlike beginners they “read” well the terrain irregularities, resultant turbulent zones and possible variations.

Multiple terrace turbulence

           

Airflow goes well around tiny single objects and doesn’t make strong turbulence behind.

A dense group of objects or a single wide object which block wind well, create strong and big zone of turbulence behind.

A group of similar size objects with openings between them (resembling mesh grid) slow down the wind without creating strong turbulence behind.

Single vs multiple source turbulence

            

Tree lines are broadly used to protect fields and roads from strong winds which dry the soil, pile snow or cause icing. Solid walls are not so good because their vortex patterns behind, concentrate zones of strong wind streams hitting the ground. The efficient uniform decrease of wind speed behind tree lines causes pronounced vertical wind gradient, which may cause sudden stalls or increase of ground speed behind them.

           

The turbulence behind obstacles is reduced and even disappears when many streams of wind bring order in the chaos and restore the initial wind speed and directions – like combing bushy hair.

           

When you “read“ the terrain for possible turbulence, keep in mind the so called traps of the terrain. These are zones which can restrict your freedom of movement due to strong sink or wind against the direction you want to go.

Normally, we fly in light and moderate winds, but convex shapes like the top of the hill or a rib from the slope compress and accelerate the nearby flow more than the average winds around. It’s called a venturi effect.

A classic accident is taking off in strong wind, being lifted up in venture zone and then forcefully being blown backward.

traps of terrain

            

Apart from flow acceleration around convex shapes (venturi effect) , the concave shapes can also be a trap of the terrain. They can concentrate the flow in a narrow sections and increase its speed beyond the paraglider max airspeed.

Valleys as trap of terrain

           

Also, big concave shapes like mountain valleys, ravines and gullies tend to concentrate the nearby sinking flow, which can quickly land the pilot on unsuitable place.

           

Frequent observations of water flow around river stones, smoke and other wind indicators helps understand the various interactions with the terrain. Try to explain every significant change of flow direction and speed. Find “suction zones”; circulation zones and flow penetration streams into them; creation and dead of vortexes; stationary and travelling vortexes. Don’t remember details but principles of flow nature. This may save your life one day.

           

When an air mass layer is moving in relative to another neighboring layer, then shear turbulence occurs around the bordering surfaces. The shear turbulence intensity depends on the relative movement and different properties of air masses (density, viscosity, temperature…).

Shear turbulence

           

Classic example is when cool sea breeze wind enters inland under warmer air above. Frontal surfaces also have shear turbulence. Even thermals’ surfaces create shear turbulence when rising through the surrounding cooler air.

Early in the morning, later in the evening, in autumn or in winter and at sea coast we may experience mainly mechanical and shear turbulence. In the middle of the day, especially in summer and in mountains, the sun’s heated surfaces create warm light volumes of air which rise throughout cooler and more dense surrounding air. These are the so called thermals, which birds and gliding pilots soar to get high and fly far.

Thermals can raise us to heaven, but can also throw us to hell. Apart from the shear turbulence at the edges of rising thermals, thermals themselves are source of thermal turbulence because these thousands of tons of air interact with surrounding air and cause chaotic vortexes and turbulence inside and outside them.

Thermal turbulence

           

Thermals are part of the invisible air and their effect can surprise us everywhere –  on take off, higher up or near the clouds they feed.  Taking off in strong thermic conditions is the most common reason for accidents (collapses and stalls close to the ground).

Experienced pilots, who’re using thermals to fly high and far, are ready to cope with their turbulence at all altitudes at any time during the flight. Beginner’s shouldn’t envy the climbs of others, but first should learn fly actively and safe in turbulent conditions, before attempting to fly thermals.

           

The best way to fight your enemy is to study it. Thermic turbulence comes in many variations and requires years of experience. As a beginning, observe the wind on takeoff and compare it with the behavior of other gliders in the sky. Strong turbulence causes significant pitch, roll and yaw movements. Collapses of wingtips are common even for experience pilots.

Study general meteorology and learn to asses the atmospheric instability for the given day.

           

When listening to other pilots, mind that unstable might have opposite meanings – good conditions for flying because there are thermals for soaring high and far or dangerous conditions because there is a possibility for thunderstorm development.  Stable doesn’t always mean lack of turbulence, because local thermal bubbles might get quite deformed and turbulent when rise, hit and squeeze through a stable layer (inversion). Some bored or crazy pilots might look for more dynamic and exciting conditions, while pilots with more fear or stress might prefer relaxing conditions. Good or bad for flying conditions is quite an individual thing. It’s better to ask experienced pilots more specific questions like “When do you expect (thunderstorm) Over Development?”, “Are thermals turbulent?”, “Are there strong winds near the cloud base?”.  Gather more independent information and then decide yourself if it’s good or bad for flying.

           

Cumulu nimbus and thunderstorm clouds have powerful vertical development and are extreme form of thermic turbulence, where apart from uncomfortable flying there are dangers of cloudsuck, getting wet (easier stalls), icing (can tear the canopy), deadly electricity and sharp increase of wind (gust front, squall).

           

Some signs of thermic turbulence are:

  • Gusty and variable wind on the ground. Especially when min and max winds are more than 50% from the average wind speed.

It’s more difficult to inflate and control your glider on take off in turbulent conditions. Thus, if you fail to take off 2-3 times, then consider it as a warning sign of turbulence and don’t fly at all. Go practice ground handling in the flats and choose calmer conditions for flying. There are pilots who compensate their lack of glider control with crazy running or just rely on lucky lift to take them off. If you cannot control your glider well on take off, you won’t have good control in the air too. Use inflation and prolong your control stage to let the glider ”speak” what’s  the air  like. Continue with the take off only if you’re comfortable with the conditions.    

  • Signs of thermic activity like: high soaring birds and gliders; dry leaves, grass or light rubbish lifted up by thermals; presence of fed by thermals cumulus clouds and their behavior; strong sun but fresh surrounding air;
  • Energetic pitch, roll, course change, collapses and stalls of paragliders in the air. Even birds lose their elegant flying style in turbulence.
  • Dust devils and other wind indicators (as tree leaves, flags, smoke, water surface) visualizing vortexes and turbulence.

           

For less turbulent experience, as a beginner:

  • Avoid flying between 11 am and 16 pm in spring and summer when sun and thermic turbulence are strongest
  • Avoid flying in more than 6 m/s average winds, especially if gusty and variable. Fast moving clouds and their shadows indicate strong winds, but there are also stationary clouds which are product of strong winds and air wave motions. They sare constantly created (condensing) on their upwind and lift side and constantly dying (evaporating) on their downwind and sink side. These are called lenticularis clouds and orographic caps
  • Fly when ground is cool because it’s overcasted by clouds for a long time, because it’s green or wet after rain
  • Sea coast soaring is very relaxing because the laminar wind is formed and comes from the cool flat water surface. Things might be very different 5 km inland, when thermals from sunny surfaces accelerate upward in the cool sea breeze air (strong wind with strong updrafts can be very turbulent)
  • Mountain terrain is more turbulent than flatland or gentle hilly terrain
  • Humid air is less turbulent than dry air
  • In thermic conditions, it’s usually more turbulent at higher altitudes where thermals speed up and have more interactions with stronger winds or stable layers above. Of course there can be strong turbulence at lower altitudes too where thermals are still chaotic and influenced by the terrain. The most dangerous turbulence is the one close to the ground because there might not be enough time and height for the glider to recover from a situation or for opening of rescue parachute (the higher, the safer)

           

If you enter turbulent zone:

  • Trust your harness (it will hold you even upside down) and wing (it’s designed for 16 G loads and in turbulence you have max 3-4 G). The paragliders are huge stable pendulums and are designed and tested for self-recovery from various situations
  • Help the paraglider recover quicker by keeping it above your head (hands up if a gust pushes the wing backward; pull the brakes quickly to stop any dives forward and then quickly release them to let the wing regain airspeed; if one side of the wing soften, quickly weight shift your body to the other side to let it carry more of your weight;  bend your legs to let your body easily follow glider’s sharp turns ). Don’t panic holding the risers but work with your arms and body
  • Find which is the turbulent source to know where to escape
  • Exit the turbulent zone the shortest way plus slightly downwind (this increases your glide ratio). If possible, chose a direction which will increase your height above the terrain to give more space and time for recovery from collapses, cravats, stalls, spins
  • Maintain your course without directly opposing gusts and vortexes. Maintaining your airspeed is more important than your course (by pulling too much brakes). Good airspeed means high pressure inside the canopy and more resistance against collapses and stalls

           

If turbulent zone seems everywhere (usually because of too strong winds or too deep entry inside a turbulent zone), then choose the biggest and cleanest from obstacles landing fields. Low dense forest can provide soft landing if things go out of control (and you deploy your rescue parachute).