Nebezpečné meteorologické jevy: Námraza I.
Foto: Ivo Lukačovič; zdroj: https://unsplash.com/photos/MRPrsGX7lb4
Námraza je jedním z nejobávanějších meteorologických jevů pro veškerou, nejen leteckou dopravu. Vzpomeňme si jen kolik leteckých nehod bylo v seriálu Letecké katastrofy spojeno právě se vznikem námrazy na letounu či letištní ploše. Letecká doprava však za poslední roky udělala velký posun kupředu a letecké nehody spojené s námrazou se objevují jen zřídka. Za připomínku stojí přechod na nový formát zprávy SNOWTAM, která má právě přispět k větší bezpečnosti v podmínkách vhodných pro tvorbu námrazy.
O tom, jakou podobu má zpráva SNOWTAM po změně vydané 4. listopadu 2021, a jak takovou zprávu správně dekódovat, se dočtete v našem článku - SNOWTAM změnil svoji podobu.
Trend klesající nehodovosti však není totožný u „malého létání”, kde letadla většinou nejsou vybavena tak pokročilými systémy pro detekci a odstranění námrazy a ani posádky nejsou tak hluboce obeznámeny s touto problematikou.
V AirGuru.cz jsem pro Vás proto připravili tento naučný článek, který se vám pokusí problematiku vzniku námrazy a důsledky s tím spojené trochu více přiblížit.
Charakteristika námrazy
Jak již bylo zmíněno, jedná se o jeden z nejnebezpečnějších povětrnostních jevů pro všechny druhy dopravy. I přes moderní prostředky v podobě detekce, odmrazovacích systémů a ochrany před tvorbou námrazy, nejsme schopni říct, že bychom nad ní měli úplnou kontrolu.
Negativní dopady námrazy spočívají v zhoršení aerodynamických vlastností letadla, konkrétně ve ztrátě vztlaku a rychlosti za současného zvýšení odporu, čímž dochází i k zvýšení spotřeby paliva a ztížení pilotáže. Při silné námraze dochází vlivem nárůstu hmotnosti ledu na náběžných plochách (zejména na ocasních) k posunu těžiště a zhoršení stability. Vlivem změny obtékání povrchu může docházet ke vzniku kmitání, což nepříznivě ovlivňuje životnost konstrukce draku. Jako další jsou negativně ovlivňovány aerometrické sondy (Pitotova trubice, statická sonda atd), které vlivem námrazy můžou udávat nesprávné hodnoty. V neposlední řadě jde o negativní dopady ať už na motory pístové, zejména pak karburátorové, kde může docházet k zamrzání a omezení přístupu vzduchu do motoru, či proudové, u kterých může dojít k poškození vlivem nasátí kusu ledu.
Pozemní příprava
S námrazou se může setkat na zemi i ve vzduchu. Podmínky vzniku jsou rozmanité, ale podmínky ovlivňující vlastnosti (intenzita, množství, tvar, struktura) jsou ještě rozmanitější. Obecně však můžeme říct, že musí být naplněny alespoň tři požadavky ke vzniku ledu na konstrukci letadla:
přítomnost vody v tekutém stavu (některé typy oblačnosti, déšť, mlha atd.);
teplota okolního vzduchu pod bodem mrazu = pod 0°C;
teplota povrchu letadla pod bodem mrazu = pod 0°C.
V následujíc části si popíšeme dva základní principy vzniku námrazy na povrchu letadla:
Základní fyzika namrzání
Led na letounu za letu obvykle vzniká při srážce povrchu letounu s vodní kapkou, která je v tekutém stavu s teplotou pod bodem mrazu (přechlazené vodní kapky angl. super-cooled water droplets, tj. vodní kapky, které zůstávají v kapalném stavu i při teplotách pod bodem mrazu). Předpokládat možnost vzniku námrazy můžeme zvážením tří následujících faktorů:
Teplota
Množství, respektive poměr přechlazených vodních kapek s ledovými částicemi v oblačnosti, je závislý na teplotě okolního vzduchu, což nám může napovědět jestli máme očekávat tvorbu námrazy, či nikoliv. V obecné řeči můžeme říct, že
při teplotách mezi +2°C až -15°C můžeme očekávat převážné zastoupení přechlazených vodních kapek a jen malé množství ledových částic;
při teplotách mezi -15°C až -25°C můžeme říct, že poměry jsou přibližně vyrovnány (množství ledových částic převažuje, když se teplota dostává k -25°C);
při teplotách mezi -25°C až -40°C převažuje zastoupení ledových krystalů nad přechlazenými vodními kapkami;
při teplotách pod -40°C už nebývají přítomny žádné přechlazené vodní kapky - jen ledové krystaly;
O přechlazené vodě a ledové mlze, která je tvořena pouze ledovými krystalky jsme se již jednou zmínili v článku - Najděte se v mlze II.
Zmíněna tvrzení jsou velmi obecná a jak již v našem vesmíru bývá, praxe vždy nemusí odpovídat teorii. V některých situacích se tak můžeme setkat s jistými anomáliemi. Jednou z takových je ta, že v oblačnosti typu cumulonimbus (CB) se můžeme setkat s velkým množstvím přechlazených vodních kapek až u teploty -25°C. Viníkem jsou silné vzestupné a sestupné proudy vzduchu.
Co se týče tvaru námrazy, nebezpečnější tvary vznikají při teplotách blízkých bodu mrazu. Teplejší podmínky podporují mechanismus, kdy přechlazené vodní kapky po dopadu na povrch jsou proudem vzduchu rozptýlené dále dozadu před jejich zamrznutím. Výsledkem je rozsáhlejší pokrytí ledem obvykle ve tvaru rohů (horns), které podstatně ovlivňují proud vzduchu kolem křídla. Taková námraza je též nazývána jako ledovka a z hlediska tvaru se označuje jako žlábkovitá námraza.
Za nižších teplot dochází k okamžitému zmrznutí přechlazených vodních kapek po jejich dopadu. Tento proces vede ke vzniku zrnité námrazy ve tvaru označovaném jako profilová námraza.
Vlhkost
Jak již je z předchozího textu vidno, vznik námrazy ve značné míře závisí na vodním obsahu oblaků (tj. úhrnná hmotnost částic vody v kapalném nebo pevném stavu v jednotce objemu) - standardně se pohybuje okolo 0,5 gramu na metr krychlový.
Obecně lze říci, že čím je nižší a teplejší základna oblaku, tím je vyšší jeho vodní obsah. Čím je vyšší vodní obsah oblaku, tím je intenzivnější námraza. Avšak voda ve formě páry, sněhu nebo ledu se spíše neusazuje na povrchu letadla a v celkovém důsledku vede ke vzniku malého nebo žádného množství ledu.
Je-li ve vzduchu dostatek kapalné vody, která by představovala hrozbu námrazy, bude viditelná ve formě oblačnosti nebo vodních srážek.
Velikost vodní kapky
Pohybem letadla podchlazenou oblačností nebo srážkami, naráží vodní kapky do křídla a ocasních ploch v úzkém pásu poblíž náběžné hrany, kde vytvoří štíhlou linii ledu.
Čím je kapka větší, tím dál je schopna se roztéct a její větší hmotnost jí umožní zasáhnout povrch letadla dál od náběžné plochy. Plocha pokrytá ledem je pak mnohem rozsáhlejší a zasahuje i oblasti, které nejsou chráněny odmrazovacím systémem. Námraza z větších kapiček se navíc s větší pravděpodobností zformuje do tvarů, které mohou přerušit proudění vzduchu po křídle nebo ocasních plochách a způsobit problémy s výkonem (žlábkovitá námraza), důsledkem nárůstu odporu, a ovladatelností, kdy nárůst hmoty na ocasních plochách změní polohu těžiště.
2. Přechlazené velké vodní kapky
(Supercooled Large Droplets - SLD)
Druhý způsob vzniku ledu na letadlech sice využívá stejných fyzikálních zákonů, ale procesy, podmínky vzniku a důsledky jsou někdy až enormně odlišné. Jak jsme již zmínili, velikost vodních kapek má přímý dopad na intenzitu a rozměry námrazy:
malé kapky (∅ = 10 - 50 mikronů) mrznou okamžitě → malá/slabá námraza
velké přechlazené vodní kapky (∅ až 1000 mikronů = 1 mm) se nejprve rozlévají a pak teprve mrznou → rozsáhlá námraza
Velké přechlazené kapky angl. Supercooled Large Droplets (SLD) jsou tak pro let svými důsledky mnohem nebezpečnější. Meteorologické jevy jako mrznoucí déšť a mrznoucí mrholení jsou formy SLD, které jsou pozorovány a předpovídány jako pozemní jevy. Nicméně, SLD existují pouze nad určitou výškou a nebývají detekovatelné na zemi. SLD se většinou objevují v pásech s vertikálním rozvojem 3 000 ft a ve výšce pod 12 000 ft. Přesto byly SLD pozorovány ve větších pásech a vyšších výškách.
SLD vznikají jako výsledek jedné ze dvou odlišných atmosférických podmínek:
Teplotní inverze
Sněhové vločky ze studené vrstvy (myšlena vrstva s teplotou pod bodem mrazu) padají skrz teplou vrstvu (teplota nad bodem mrazu), kde roztají. Následně se dostávají opět do studené vrstvy, tentokrát ale pod teplou vrstvou. V některých případech dojde k jejich zmrznutí do podoby ledových pelet, které mohou být pozorovány na zemi. Tento jev je označován jako mrznoucí déšť (∅ > 0,5 mm), výjimečně se může jednat o mrznoucí mrholení (∅ < 0,5 mm). Teplotní inverze je většinou spojována s přecházející teplou frontou
SLD je možné pozorovat od spodní hranice horní studené vrstvy dolů až k zemi. Obecně není širší než 3 000 ft, ale byly pozorovány v rozsahu až 7 000 ft.
Pokud pozorujete mrznoucí mrholení nespoléhejte na teplejší vrstvu nad vámi. Mrznoucí mrholení bývá častěji způsobeno procesem kolizní koalescence.
Mrznoucí déšť ve spojení s teplou frontou; zdroj: https://skybrary.aero/articles/freezing-rain
Kolizní koalescence
Mnohem častěji vznikají SLD důsledkem procesu kolizní koalescence. Ve stručnosti jde o srážení malých kapek uvnitř oblaku, čímž se spojí do větších. Díky stoupavým a klesavým proudům se kapky pohybují v celém prostoru oblaku. Jakmile dosáhne kapka určité velikosti vypadne z oblaku a dosáhne země, aniž by se vypařila.
Tento proces častěji probíhá v relativně teplých a nízkých oblacích s vrcholem pod 12 000 ft a s teplotou na vrcholu teplejší než -12°C.
Doporučená reakce pilota na SLD
Indikace
Následky mrznoucího deště na kuželu vrtule; zdroj: aircrafticing.grc.nasa.gov
Námraza na bočních oknech kokpitu, za oblastmi chráněnými odmrazovacím systémem, na kuželu vrtule nebo jakékoli jiné neobvyklé nebo rozsáhlejší ledové útvary než obvyklé.
Reakce
Opusťte okamžitě takové povětrnostní podmínky. Obyčejně je dostačující změna o 3 000 ft
Proč?
Certifikace pro lety v podmínkách tvorby námrazy NEZNAMENÁ, že letadlo je schopno bezpečného letu skrze podmínky SLD. Za těchto podmínek led často vzniká za chráněnými oblastmi. Systém odmrazování letadla vás tak nemusí dostatečně ochránit. Z testů NASA vychází, že i krátký pobyt v podmínkách SLD je pro většinu letadel velmi rizikový.
Závěr 1. části
Shrnutím tohoto pojednání o podmínkách vzniku námrazy je, že:
vhodné podmínky pro tvorbu námrazy na letounu nastávají při letu v oblačnosti při teplotách blízkých bodu mrazu (+2°C až -15°C);
v případě letu v oblačnosti typu CB při teplotách až -25°C;
čím je teplota okolního vzduchu blíže bodu mrazu, tím jsou důsledky kritičtější;
SLD jsou přechlazené velké vodní kapky o velikosti až 1 mm. Jejich důsledek je kritický v rozsáhlém rozlévání kapaliny po plochách letounu a až následném tuhnutí za oblastmi chráněnými odmrazovacím systémem;
led za odmrazovacími prvky je možné odstranit pouze ohřevem → letadla certifikovaná pro let v podmínkách námrazy nemusí být schopna poskytnout ochranu před SLD;
ke vzniku SLD je zapotřebí jedné ze dvou podmínek:
teplotní inverze většinou mrznoucí déšť → kritičtější;
kolizní koalescence způsobuje mrznoucí mrholení;
pokud pozorujeme SLD musíme okamžitě opustit daný prostor (šířka většinou do 3 000 ft);
do několika málo minut může mít SLD katastrofické dopady.