Według słownika termin "turbulencja" oznacza "stan zakłócony". Z lotniczego punktu widzenia odnosi się to do zakłóconego, niespokojnego powietrza. Istnieją różne sposoby powstawania turbulencji oraz w różnych partiach atmosfery może ona występować. Bardzo silna turbulencja może stanowić istotne zagrożenie dla statków powietrznych.

Przyczyny powstawania turbulencji

Turbulencja spowodowana jest pionowymi ruchami powietrza (w górę i w dół), które wywoływane są zazwyczaj w dwojaki sposób. W związku z tym wyróżniamy dwa podstawowe typy turbulencji:

Strefy występowania turbulencji

Turbulencja termiczna

Turbulencja termiczna spowodowana jest prądami konwekcyjnymi (pionowe ruchy powietrza), wywołanymi nasłonecznieniem gruntu. Mechanizm powstawania jest następujący. Promienie słoneczne ogrzewają ziemię. W wyniku przewodzenia następuje przekazanie ciepła od gruntu do powietrza, znajdującego się tuż nad powierzchnią ziemi. Ogrzane powietrza ulega zwiększeniu swej objętości, czyli jego gęstość maleje. Oznacza to, że pewna objętość powietrza jest cieplejsza (jednocześnie posiada mniejszą gęstość) od powietrza, które ją otacza. W związku z tym zaczyna ona się unosić. W ten sposó powstaje prąd konwekcyjny, który jest jedną z przyczyn turbulencji.

Różne elementy krajobrazu w różnym stopniu ogrzewają się, prowadząc do nierównomiernego rozkładu prądów pionowych, co wzmaga turbulencję.

Mechanizm powstawania tubulencji termicznej

Turbulencja mechaniczna

Spowodowana jest fizycznymi przeszkodami dla przepływającego powietrza, wymuszając jego ruch pionowy. Takimi przeszkodami mogą być: wzniesienia, szczyty, wybrzeża, drzewa, budynki itp.

Mechanizm powstawania turbulencji mechanicznej

Turbulencja w chmurach

Ten rodzaj turbulencji spowodowany jest prądami pionowymi, występującymi wewnątrz chmur. Są one związane z procesem formowania chmury, a ich intensywność zależy od budowy pionowej. Najsilniejsza turbulencja występuje w chmurach o znacznym rozwoju pionowym oraz w niestabilnych masach powietrza (chmury typu Cumulus, Cumulonimbus).

Turbulencja w czystym powietrzu (ang. CAT - Clear Air Turbulence)

W warstwie atmosfery zwanej tropopauzą (znajdującą się pomiędzy troposferą a stratosferą - na wys. około 10-12km) występuje zjawisko turbulencji w czystym powietrzu. Może być ona wywołana kilkoma czynnikami, do których zaliczamy:

Prądy strumieniowe

Prądy strumieniowe to silne i stosunkowo wąskie pasy powietrza, poruszającego się z prędkościami powyżej 110 km/h. Nierzadko jednak prędkości jet-streamów osiągają 200 a nawet 300 km/h. Jet-streamy występują na wysokościach od 10 do 14 km na pograniczu dwóch różnych mas powietrza. Ich siłą napędową jest różnica w horyzontalnym rozkładzie temperatur, jaka ma miejsce w strefie styku ciepłej i zimnej masy powietrza (polarnej i tropikalnej).

Cechą charakterystyczną prądów strumieniowych jest bardzo gwałtowny uskok prędkości wiatru zarówno w płaszczyźnie pionowej, jak i poziomej. W związku z tym jet-streamom towarzyszy bardzo silna turbulencja.

Prądy strumieniowe są zaznaczane na mapach pogodowych, jednak ich rozpoznanie w trakcie lotu najczęściej następuje dopiero, gdy samolot znajdzie się w ich strefie. Fakt trudnego rozpoznania i przewidywania tego zjawiska powoduje, że turbulencja związana z jet-streamami jest najgorszym z przypadków turbulencji w czystym powietrzu.

Zafalowania atmosfery

Zafalowanie atmosfery częściej spotykane jest pod nazwą tzw. fali górskiej. Powstaje ona, gdy silny wiatr wieje prostopadle do łańcucha górskiego. Wówczas po stronie zawietrznej oraz ponad górami powstaje zafalowanie, którego zasięg pionowy rozciąga się od kilkuset metrów ponad szczyt, aż do tropopauzy, a czasem ponad nią.

Turbulencja towarzysząca zjawisku fali górskiej może mieć kilka źródeł.

Najsilniejsza turbulencja występuje w strefie tzw. rotorów, czyli wirującego powietrza znajdującego się pod grzbietetm fali. Znacznikiem rotorów są tzw. chmury rotorowe (ang. roll clouds). Najsilniejsze rotory znajdują się pod grzbietem pierwotnego zafalowania (pierwszy grzbiet fali po zawietrznej stronie góry).

W wyższych partiach atmosfery rotory nie występują, lecz turbulencja wywołana jest faktem samego zafalowania, które powoduje zmienny rozkład prędkości i kierunku wiatru. Znacznikiem fali górskiej na większych wysokościach są chmury soczewkowate (altocumulus lenticularis). Tworzą się one nad grzbietami fal. Ich poszarpane krawędzie są oznaką silnej turbulencji związanej z występowaniem fali górskiej.

Mechanizm powstawania fali górskiej

Chmury altocumulus lenticularis - znacznik fali górskiej

Strefy w pobliżu chmur burzowych

Cumulonimbus - chmura burzowa, którą z natury charakteryzują bardzo silne prądy pionowe. W związku z silną konwekcją wewnątrz chmury, również poza nią, występują pionowe ruchy powietrza. Powoduje to turbulencję pod, obok oraz w mniejszym stopniu ponad chmurą.

Turbulencja w pobliżu chmury burzowej Cumulonimbus

Koryta niskiego oraz wały wysokiego ciśnienia

Korytem niskiego ciśnienia (ang. trough of low pressure) nazywamy obszar niskiego ciśnienia, którego długość jest znacznie większa od szerokości.

Wałem wysokiego ciśnienia (ang. ridge of high pressure) nazywamy obszar wysokiego ciśnienia, którego długość jest znacznie większa od szerokości.

Gdy koryto lub wał występują na dużych wysokościach, prędkości wiatru są znacznie większe niż w warstwie przyziemnej. Ponadto ukształtowanie koryta i wału powoduje, że wiejące w nich wiatry gwałtownie zmieniają swój kierunek. W krańcowej strefie tych obszarów występuje turbulencja.

Turbulencja w korycie niskiego i wale wysokiego ciśnienia

Oprac. Mateusz Kowalski