Repülőgépes mérések

A repülőgépes mérések jelentős mennyiségű meteorológiai adatot szolgáltatnak a légkör magasabb részeiről. Ezek lehetnek speciális, célzott mérési programok és a légi-kereskedelmi, illetve légi-közlekedési repülőgépeken végzett mérések.

8.5.1. Speciális repülőgépes mérések

A speciális repülőgépes meteorológiai mérések különböző légkörkutatási célokat szolgának. Ilyenek például a következők:

a. Trópusi ciklon-kutatás: a repülőgéppel a trópusi ciklon fölé repülnek és ott végeznek in situ méréseket, vetőszondákat dobnak, illetve távérzékelési módszerekkel vizsgálják a légkört.

b. Felhő és zivatar-kutatás: speciálisan, szerkezetileg megerősített repülőgépekkel végeznek mérések a felhőkbe történő berepüléssel. Ez esetben is együtt alkalmazzák az in situ (közvetlen) és a repülőgépről végzett távérzékelésen alapuló (pl. radar) méréseket.

c. Magaslégkör-kutatás: ez esetben olyan különlegesen kialakított repülőgépeket alkalmaznak, melyek képesek akár 30–40 km-es magasságig, a sztratoszférába is felemelkedni. A magaslégköri mérések során elsősorban közvetlen sugárzásméréseket végeznek.

Az 1990-es évek elejétől (lásd pl. Holland et al., 1992) egyre terjednek a különböző meteorológiai célból végzett pilóta nélküli repülőgépekkel (UAV- Unmanned Air Vehicle) végzett mérések is.

8.5.2. Folyamatos repülőgépes mérések

A speciális repülőgépes mérések mellett a numerikus időjárás előrejelző-modellek számára folyamatosan szolgáltatják az adatokat a légi-kereskedelmi és légi-közlekedési forgalomban résztvevő repülőgépek is. Ezek a repülés szintjéről szolgáltatnak információt, illetve fel- és leszállás során a légkör vertikális metszetéről képet adnak. Az adatgyűjtést a Meteorológiai Világszervezet AMDAR és ASDAR rendszere végzi (részletesen lásd WMO, 2003).

Az AMDAR (Aircraft Meteorological DAta Relay – Repülőgépes Meteorológiai Adattovábbító Rendszer) a repülőgépeken elhelyezett műszerekkel mért meteorológiai adatok továbbítását végző rendszer. A kommunikáció a repülőgép és egy földi állomás között történik. Naponta körülbelül 130.000 észlelés történik ilyen módon.

Elsősorban a magaslégköri hőmérséklet és szél adatokat mérik, de egyre gyakrabban végzik a légnedvesség, a vertikális szélsebesség és a légköri turbulencia mérését is.

Az ASDAR (Aircraft to Satellite DAta Relay – Repülőgépekről Műholdakra történő Adattovábbító Rendszer) rendszer az AMDAR rendszertől annyiban különbözik, hogy a repülőgépeken mért adatokat műholdakon keresztül továbbítják.

8.5.3. Meteorológiai adatok mérése

8.5.3.1. Légnyomás mérése

A repülőgépeken a repülőgép testére erősített ún. Pitot-csöveket használnak, melyek segítségével meghatározható a statikus nyomás és az áramlásból adódó dinamikus nyomás. A nyomás mérésére nagy pontosságú szenzorokat használnak, melyek vagy valamilyen szelencés elektromechanikus műszerek, vagy elektronikus nyomásérzékelők.

A mért értékekből származtatható a nyomási magasság, és a Mach-szám (a repülőgép sebességének az adott közegre vonatkoztatott hangsebességnek a hányadosa).

Az AMDAR rendszerben általában nem a statikus nyomás értéket továbbítják, hanem a Nemzetközi Standard Légkör (ICAO – International Standard Atmosphere, ICAO, 1964) alapján számított nyomási magasságot.

A standard légkör a hőmérséklet lineáris csökkenését feltételezi 6,5 °C/km vertikális hőmérsékleti gradienssel 11 km (36 089 láb) magasságig. A standard légkörben az átlagos tengerszinti hőmérséklet 15 °C, a légnyomás 1013,25 hPa. 11 és 20 km magasság között a hőmérséklet állandó, –56,5 °C.

A nyomási magasság (Pressure altitude – PALT) és a légnyomás közötti összefüggést 36 089 láb (11 km) magasságig az alábbi (8-1) összefüggés írja le:

(8-1) ,

ahol PALT mértékegysége láb.

A nyomás és a magasság kapcsolatát a standard légkörben a 8.5. táblázat mutatja.

8.5. táblázat: A légnyomás és a magasság kapcsolata a standard légkörben

Magasság

7547

36 089 láb (11 km) magasság fölött a nyomási magasság és a légnyomás közti kapcsolatot a 8-2 egyenlet írja le:

(8-2) ,

ahol PALT mértékegysége láb.

A Mach-szám meghatározásához a statikus és a dinamikus nyomás értékeket is felhasználják:

(8-3)

,

ahol p₀és p_srendre a statikus nyomás és a teljes nyomás (mindkét érték a Pitot-csöves mérésből származik), γ a száraz levegő állandó nyomáson és állandó térfogaton vett fajhőjének aránya (γ = c_p/c_v).

8.5.3.2. Hőmérséklet mérése

Az áramlás befolyásolja a hőmérséklet értékét, ezért a mérést speciálisan kialakított kamrában mérik (8.13. ábra).

A hőmérséklet mérésére platina ellenállás használnak. A tényleges hőmérséklet értékét (T₀) a Mach szám (M) alapján korrigálják:

(8-4) ,

ahol T₁a mért hőmérséklet, λ pedig a szenzor burkolásától függő tényező, értéke általában 0,97 (WMO, 2008).

8.13. ábra: Hőmérsékletmérés repülőgépen speciális kialakított kamrában. A platina ellenállás hőmérőt a kamrába lógatják bele. Ez védi az áramlás hőmérsékletmérést módosító hatásától.

8.5.3.3. Szélirány és szélsebesség mérése

A háromdimenziós szélvektor meghatározása repülőgépes mérések során meglehetősen bonyolult feladat. A tényleges szélsebességet a repülőgép Földhöz viszonyított sebessége és az áramlás repülőgéphez viszonyított sebessége alapján számítják. A repülőgép sebességét és az áramlás repülőgéphez viszonyított sebességét a Pitot csöves mérések, valamint a navigációs rendszer segítségével határozzák meg.

8.5.3.4. Turbulencia mérése

A légkörben a rendezetlen áramlást turbulenciának nevezzük. A turbulencia karakterisztikus mérete a néhány mm-es vagy cm-mm-es nagyságrendtől (mikro-turbulencia) a néhány km-en turbulens örvényeken kermm-esztül a több ezer km-es nagyságrendig (planetáris hullámok) terjed. A turbulencia fontos mennyiség repülés biztonsága érdekében.

A repülőgépen a következő mennyiségek valamelyikének mérése alapján határozzák meg (részleteket lásd: WMO, 2003):

a. vertikális gyorsulás,

b. származtatott ekvivalens vertikális széllökés (derived equivalent vertical gust – DEVG), c. örvény disszipációs arány (eddy dissipation rate – EDR).

A turbulencia meghatározására több módszert is alkalmaznak:

a. Szubjektív észlelés: a repülőgépek repülés közben tapasztalt turbulencia helyét, idejét és erősségét határozzák meg (az adatokat az AIREP távirat formájában jelentik).

b. Mérőműszerrel a repülőgép súlypontjának turbulencia következtében történő elmozdulását, a vertikális gyorsulást mérik. E mérés során nem magát a turbulenciát mérik, hanem annak a repülőkre gyakorolt hatását, amiből megfelelő algoritmusokkal származtatják a turbulenciát.

c. A turbulencia távérzékelő műszerekkel is meghatározható, ezeket akár kutatórepülőkre is telepíthetik.

Felhős időben gyakori a turbulencia, de tiszta időben is előfordulhat (Clear Air Turbulence – CAT), ami hirtelen, minden átmenet nélkül fellépve potenciális veszélyt jelenthet a repülés számára.

8.5.3.5. Légnedvesség mérése

A levegő nedvességtartalmát (általában a relatív nedvességet) a nagy sebesség miatt csak nagyon pontatlanul lehet meghatározni. Leginkább csak kutatási célú repülések során mérik, az AMDAR és ASDAR rendszerben kevésbé