撰文 / 盧衍良 審稿 / 成功大學交通管理科學系教授 張有恆
搭乘飛機的時候,常會聽到空服員廣播「飛機即將經過一段不穩定氣流,請確實扣緊安全帶!」不穩定氣流指的就是亂流,它會使飛機搖晃,甚至嚴重傷害機體。高空上如何形成亂流?什麼樣的現象稱得上亂流?生活中的亂流現象 想要了解亂流,可以從比較熟悉的「水」去觀察。站在河邊看著潺潺流水,便很容易發現,當流速非常緩慢時,水流會井然有序的前進,此時稱之為層流(laminar flow);若流速較快,水面則會產生擾動,有些地方會形成漩渦,水流變得混亂而不一致,這就是亂流(turbulent flow)的最基本現象。從層流變成亂流的過程中,稱為過渡流(transitional flow)(見右圖)。 同樣的情況也會發生在氣體流動。觀察燃燒中的香菸,當白色煙霧裊裊上升時,線條非常均勻平滑,但是當煙霧上升到一定高度後,也會變得混亂而形成漩渦狀,這也是亂流。形成亂流的條件很多,流速快慢只是其中一個因素,也是最容易觀測到的,其他如流體的黏性、流動規模大小、接觸表面的粗糙度等,也都會導致亂流的形成。 飛機航行在大氣中所遭遇的亂流有很多類型,典型且常見的有「雲雨亂流」與「山岳波亂流」。 空氣熱對流造成亂流 雲雨亂流的產生,多半是因為空氣的「熱對流」(heat convection)作用所致。受到強烈太陽照射、吸收許多熱量而升溫的地表,會加熱附近的空氣,地表附近空氣受熱後膨脹上升,擠壓上層冷空氣下降,形成熱對流;此時,由於空氣的密度發生變化,形成不均勻狀態,造成空氣與空氣之間彼此擠壓摩擦,無法維持井然有序的流動,這種對流的過程便會產生亂流。 熱對流跟用鍋子燒開水的對流現象很類似,之所以稱之為雲雨亂流,是因為在對流過程中,空氣中的水氣會形成積雲(cumulus cloud)(見右圖),因此飛機駕駛員如果觀察到積雲,就可以判斷該處可能有亂流而選擇避開。 山坡地形造成亂流 山岳波亂流主要是山坡地形作用所導致。當空氣在山的迎風面沿山坡上升時,風速隨著山的坡度升高而增快,在氣流爬升至山頂時達到最大。當氣流通過山頂後,受到地形障礙物高度降低的影響會迅速下降,於是產生下降氣流;隨後再因為地面摩擦作用,使得位居前端的底層空氣流動較緩慢,並導致後端持續前進的空氣向上推擠,造成空氣產生漩渦一樣的擾動。因山坡地形所產生的亂流通常發生在通過山峰後數公里處、形成浪花狀的滾軸雲(roll cloud),這就好像河水流過大石頭後,會在大石頭後方產生漩渦是一樣的(見下圖)。飛機駕駛通常也會避免進入此空域中。 平穩的氣流從圖左方流入,遭遇山坡地形後會隨山坡上升,並在通過山坡後產生漩渦狀的擾動,像波浪一樣。圖中上下起伏的線條即是飛機可能遭遇的亂流,高度越低線條起伏越顯著,意味亂流的規模越強烈。氣流通過山坡地形的流速,也會影響亂流的規模大小,有時強烈亂流的影響力甚至會持續向上直達對流層頂。(電腦繪圖:姚裕評) 閃過亂流的法寶 雲雨亂流與山岳波亂流都伴隨著水氣,可以利用氣象雷達偵測。飛機的氣象雷達裝在機鼻,主要功能是偵測前方大氣的狀態,雷達發出的電波在遭遇水氣時會反射回來,透過計算回波的強弱,即可換算前方水氣的多寡,若前方有大量水氣,就可能存在亂流,駕駛員會繞過該雲層,朝氣流較穩定的區域飛行。 儘管目前氣象雷達已可以偵測到伴隨水氣的亂流,但還是有些亂流無法被偵測出來,所以為了自身的安全,坐飛機時還是應該全程繫妥安全帶,以避免不預期的亂流造成傷害。
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