8.5. 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:

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

  2. 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.

  3. 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

Nyomás

Magasság

Nyomás

Magasság

Nyomás

Magasság

Nyomás

Magasság

(hPa)

(láb)

(hPa)

(hPa)

(láb)

(hPa)

(hPa)

(láb)

(hPa)

(hPa)

(láb)

(hPa)

1050

–989

–302

850

4782

1458

650

11783

3591

450

20816

6345

1040

–723

–220

840

5098

1554

640

12176

3711

440

21348

6507

1030

–455

–139

830

5418

1651

630

12575

3833

430

21890

6672

1020

–184

–56

820

5741

1750

620

12979

3956

420

22442

6840

1010

89

27

810

6066

1849

610

13388

4081

410

23004

7012

1000

364

111

800

6396

1949

600

13803

4207

400

23578

7187

990

641

195

790

6728

2051

590

14223

4335

390

24164

7365

980

921

281

780

7064

2153

580

14650

4465

380

24762

7547

970

1202

366

770

7403

2256

570

15082

4597

370

25373

7734

960

1487

453

760

7746

2361

560

15520

4731

360

25997

7924

950

1773

540

750

8093

2467

550

15965

4866

350

26636

8119

940

2062

629

740

8443

2573

540

16416

5004

340

27290

8318

930

2354

717

730

8797

2681

530

16874

5143

330

27959

8522

920

2648

807

720

9156

2791

520

17340

5285

320

28645

8731

910

2944

897

710

9518

2901

510

17812

5429

310

29348

8945

900

3244

989

700

9884

3013

500

18292

5575

300

30071

9166

890

3546

1081

690

10255

3126

490

18780

5724

290

30812

9392

880

3851

1174

680

10630

3240

480

19276

5875

280

31575

9624

870

4158

1267

670

11010

3356

470

19780

6029

270

32361

9864

860

4469

1362

660

11394

3473

460

20294

6186

260

33170

10110

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 p0 és ps rendre 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 = cp/cv).

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 T1 a mért hőmérséklet, λ pedig a szenzor burkolásától függő tényező, értéke általában 0,97 (WMO, 2008).

Hőmérsékletmérés repülőgépen speciális kialakított kamrában

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-es nagyságrendtől (mikro-turbulencia) a néhány km-en turbulens örvényeken keresztül 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):

  1. vertikális gyorsulás,

  2. származtatott ekvivalens vertikális széllökés (derived equivalent vertical gust – DEVG),

  3. örvény disszipációs arány (eddy dissipation rate – EDR).

A turbulencia meghatározására több módszert is alkalmaznak:

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

  2. 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.

  3. 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 szerepelnek nedvesség adatok.