地球科學

當飛機碰上亂流

飛機航行中難免遭遇亂流,而嚴重亂流導致飛航事故時有所聞。2008年國內航空公司陸續有班機在國內外上空碰到嚴重亂流,造成多人受傷。亂流如何產生?能否藉由科學儀器的預測及早避開,讓飛行更安全?

撰文/盧衍良
審稿/張有恆(成功大學交通管理科學系教授)

地球科學

當飛機碰上亂流

飛機航行中難免遭遇亂流,而嚴重亂流導致飛航事故時有所聞。2008年國內航空公司陸續有班機在國內外上空碰到嚴重亂流,造成多人受傷。亂流如何產生?能否藉由科學儀器的預測及早避開,讓飛行更安全?

撰文/盧衍良
審稿/張有恆(成功大學交通管理科學系教授)

 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)。


流體(氣體或液體)流動會有層次分明的「層流」與漩渦擾動遍佈的「亂流」,從層流到亂流的過程中則有「過渡流」的形態存在。(電腦繪圖:姚裕評)


 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),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。


地面吸收太陽熱量後,便開始產生熱對流現象,熱空氣上升同時擠壓冷空氣下降,就像是鍋中燒開的熱水攪動一樣(圖右)。熱對流的過程會吸收水氣,伴隨「成雲造雨」現象,當雲層高如塔狀,表示此區域熱對流效應非常強烈,氣流很不穩定。(電腦繪圖:姚裕評)


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。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份,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份時會反射回來,透過計算回波的強弱,即可換算前方水份的多寡,若前方有大量降雨,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。


氣象雷達裝在飛機機鼻,螢幕依照水氣分佈的強弱程度而有不同顏色(如右側圖例),深紅色表示水氣極度旺盛,淺藍色代表水氣稀疏。(影像來源:盧衍良)


 儘管目前氣象雷達已可以偵測到伴隨水份的亂流,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。




無聲無息的晴空亂流


 氣象雷達雖然可以協助飛行員避開嚴重的亂流,卻躲不過晴空亂流(clear air turbulence)。晴空亂流是指在晴朗無雲的環境下發生之亂流,它通常沒有很明顯的水氣存在,因此無法由氣象雷達偵測出來,也不能藉由觀察雲層分佈加以判斷,往往在遭遇後才知道它的存在。

 晴空亂流的成因很多,根據一般經驗判斷,當風速超過每小時200公里,就可能伴隨晴空亂流。例如在冬季北緯25~50度的高空西風帶內,常常會有噴射氣流存在,它的內部和周遭區域多半都是晴朗狀態,偶爾伴隨些許卷雲(cirrus),所引起的亂流往往非常強勁,因流速極快而得「噴射」之名,最快可達每小時數百公里(比強烈颱風還要快上1~2倍);這就好像是在裝滿水的浴缸中用水管強力噴出的水流,水流周圍往往都會有很多擾動的現象,因此噴射氣流附近的空域很容易造成晴空亂流。

 然而,噴射氣流的存在並不意味著一定會出現晴空亂流,駕駛員雖然可以透過氣象資料知道噴射氣流的存在,但並無法確切預測是否有亂流。正因為晴空亂流的不可預測性,飛機一旦遭遇到它,後果常常不堪設想,甚至造成人員傷亡,例如1997年12月28日一架自東京飛往夏威夷的客機,就遇上了強烈的晴空亂流,飛機瞬間急降30多公尺,並且持續上下巨幅擺動,造成一名乘客死亡、100多人受傷。這一類的案例非常多,就算幸運無人傷亡,過程仍然叫人膽顫心驚。

 目前運用在飛航安全上的科技,還沒有辦法偵測到晴空亂流,只能靠已經通過亂流空域的飛機駕駛向航管單位回報,再由相關單位向其後可能通過此空域的飛機發出警告,不過已有研究人員嘗試發展新一代的氣象雷達。新式氣象雷達將不只偵測前方水氣存在與否,也偵測空氣中懸浮粒子的動態,遇到像晴空亂流這類的氣象型態,縱使沒有水氣存在,雷達仍能夠偵測出前方空氣懸浮粒子的震盪現象,並藉此判斷是否存在晴空亂流,這項科技仍處於實驗階段,尚未通過航空主管機關的認證,待經過一系列嚴謹的實驗認證後,也許在不久的將來,新一代的氣象雷達就可問世,為飛航安全注入更多的保障。






延伸閱讀

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《揭開飛行的奧祕》,王懷柱著,全華科技出版

《飛航事故調查報告-長榮航空公司靠近日本東京公海上空遭遇晴空亂流》,行政院飛航安全委員會編著、發行

高一課本《基礎地球科學》