Fala górska to atmosferyczna fala grawitacyjna, która pojawia się, gdy masa powietrza jest wypychana w górę przez jej ruch nad terenem górzystym. Jeśli otoczenie jest stabilne , masa powietrza opuści się po dolnej stronie przeszkody i będzie oscylować wokół wysokości równej lub mniejszej niż wierzchołek przeszkody . Z drugiej strony, jeśli powietrze jest niestabilne, powietrze będzie nadal się unosić, z oscylacjami lub bez. Fala górska znana jest również pod nazwą „fala reliefowa” i „fala górska”.
Paczka powietrza, która właśnie przeleciała nad przeszkodą, ma określoną wagę. Jest zatem przyciągany w dół, ale także poddawany ciągowi Archimedesa, który przyciąga go do góry, jeśli jego gęstość staje się mniejsza niż gęstość środowiska. Zachowuje się mechanicznie w taki sam sposób, jak ciężarek zawieszony na pionowej sprężynie, która okresowo powraca do punktu równowagi. Ponieważ paczka powietrzna również ma ruch poziomy, maksima i minima fali rozprzestrzeniają się w dół rzeki.
Fala jest nieruchoma, gdy prędkość wiatru i wymiary rzeźby terenu spełniają pewne ograniczenia fizyczne i topograficzne. Jego amplituda jest następnie tłumiona, gdy strumień powietrza oddala się od pokonanej przeszkody, ale mimo to mogą objawiać się raczej niewielką liczbą dodatnich „ brzuchów ”, rozmieszczonych poziomo między nimi w odległości od 5 do 10 km, równolegle do reliefu. Ponadto nierzadko zdarza się, że fale stojące rozchodzą się pionowo (amplituda) na duże wysokości, aż do przekroczenia progu stratosfery w przypadku ważnych pasm górskich, takich jak Alpy . Są więc jedną z możliwych przyczyn wyraźnych turbulencji powietrza .
Kiedy wiatr synoptyczny przecina mniej więcej liniowe pasmo górskie, takie jak Sierra Nevada , nad Doliną Owens tworzy się ciąg fal równoległych do wspomnianego łańcucha, które materializują się przez soczewkowe chmury równoległe do łańcucha górskiego. Jednak gdy wiatr synoptyczny napotyka izolowany szczyt podobny do wulkanu, tworzy się kilwater kelwinów, który przypomina opór łodzi, jak pokazano na zdjęciu obok. Przebudzenie to jest również często materializowane przez chmury soczewkowe.
Modelowanie numeryczne fal górskich początkowo zaproponował Paul Queney, a następnie zajął się Richardem Scorer . Kiedy zakłada się, że góra jest dwuwymiarowa, obliczenie prędkości pionowych w ( x , z ) często można przeprowadzić analitycznie. Równanie Gola modelowania te fale skok jest w następujący sposób:
gdzie parametr Scorer jest
N to częstotliwość Brunt-Väisälä, a u 0 to pozioma synoptyczna prędkość wiatru.
Przepływ masy powietrza można porównać do przepływu cieczy. Używamy atmosferycznej liczby Froude'a
gdzie U to pozioma prędkość wiatru, N to częstotliwość Brunt-Väisälä, a W T to poprzeczna grubość góry w połowie stoku.
Inna definicja liczby Froude'a może wyglądać następująco:
gdzie U to pozioma prędkość wiatru, N to częstotliwość Brunt-Väisälä, a h to wysokość góry.
Jak wykazano w rozwijanej ramce artykułu Częstotliwość Brunta-Väisälä , powietrze będzie w stanie pokonać przeszkodę tylko wtedy, gdy liczba Froude'a będzie większa niż 1, w przeciwnym razie będziemy mieli do czynienia ze zjawiskiem blokowania w górę rzeki.
W teorii hydrodynamiki liczba Froude'a większa niż 1 generuje zjawisko skoku hydraulicznego , które może być potencjalnie wyjątkowo niebezpieczne dla statków powietrznych. Zaobserwowano zjawiska wirnika , które wyglądały na skoki hydrauliczne. Nie jest jednak jasne, czy teorię hydrodynamiczną można zastosować jako taką do fal grawitacyjnych, jak pokazują niektóre badania.
Ponadto zauważamy, że jeśli częstotliwość Brunt-Väisälä jest wyimaginowana, tj. Potencjalna temperatura spada wraz z wysokością (lub równoważnie atmosfera jest niestabilna), fale górskie nie mogą powstać. Dlatego fale górskie występują głównie w nocy lub wczesnym rankiem lub późnym popołudniem, kiedy powietrze jest stabilne.
Gdy powietrze jest niestabilne, obecność przeszkód będzie sprzyjać tworzeniu się silnych podjazdów w górę rzeki i będziemy w obecności chmur konwekcyjnych, które mogą powodować ulewy, a nawet burze .
Wraz ze wzrostem wysokości masa powietrza rozszerza się i ochładza w wyniku ekspansji adiabatycznej . To chłodzenie powoduje wzrost wilgotności względnej i może osiągnąć nasycenie . Jeśli tak się stanie, widzimy pojawienie się chmur lub opadów atmosferycznych zarówno powyżej szczytu przeszkody, jak i poniżej, w rejonach maksimów fal. Z falami górskimi kojarzone są zazwyczaj trzy rodzaje chmur:
W opadających strefach fali powietrze się nagrzewa, a wilgotność względna spada poniżej nasycenia, co oczyszcza tam niebo. Mamy wtedy sytuację z efektem fenowym .
Meteorologiczny widok satelitarny chmur pasmowych utworzonych w fali górskiej
Chmura fal górskich widoczna nad Korsyką ze stacji Corte
Szczytowa chmura obserwowana na Alasce
Chmura soczewkowa nad Mount Washington, New Hampshire , USA
Fala / wirnik systemu w Owens Valley ( Kalifornia )
Fale górskie pozwalają szybowcom na zdobywanie wysokości podczas każdej wznoszącej się fazy powietrza. Umożliwia to szybowanie na bardzo dużych odległościach. Światowy rekord odległości (3009 km ) został ustanowiony w Argentynie przez Klausa Ohlmanna za pomocą fal skokowych generowanych przez pasmo górskie Andów . Jednak pod falami skoków znajduje się blisko ziemi obszar bardzo silnych turbulencji związanych z wirnikami, które mogą złamać samolot. Wirniki te są materializowane przez chmury pseudocumulus, które są wyjątkowo postrzępione. Turbulencje związane z tymi wirnikami mogą być bardziej gwałtowne niż wewnątrz chmury cumulonimbus . O ile szybowce mogą, w pewnych warunkach, używać wirników, inne samoloty muszą ich unikać. Wzniesienie będzie odbywać się przed chmurą wirnika. Dźwigi związane z wirnikami zachowują się jak stałe windy termiczne, które są bardzo mocne i bardzo wąskie. Szybowiec będzie musiał na stałe otworzyć spiralę po nawietrznej i zamknąć zakręt zawietrzny. Kiedy szybowiec zetknie się z warstwą laminarną , szybowiec zostanie poddany bardzo silnym turbulencjom przez bardzo krótki czas (z powodu niestabilności Kelvina-Helmholtza ), a następnie turbulencja prawie nie istnieje, a pilot ma wtedy wrażenie wlatującego do środka. olej, gdy wariometr wydaje się nie wyregulować. Następnie wskazuje prędkość wynurzania wynoszącą kilka metrów na sekundę (w Minden prędkości wynurzania mogą przekraczać 10 m / s ), gdy jest pozornie martwy spokój. Często może być zablokowany podczas wznoszenia. Szybowiec jest po prostu umieszczany we wznoszącej się strefie fali grawitacyjnej . Z tego samego zjawiska korzystają ptaki.
W przeciwieństwie do pilotów szybowcowych , którzy wiedzą, jak wykorzystywać fale górskie i którzy będą wykonywać niestandardowe loty, jak pokazano powyżej, piloci samolotów z napędem często mają bardzo fragmentaryczne rozumienie fal górskich , jak wyjaśniono w Podręczniku informacji lotniczych opublikowanym przez FAA . Tak więc mówi się:
„ Wielu pilotów przez całe życie nie rozumie, czym jest fala górska. Sporo osób straciło życie z powodu tego braku zrozumienia. "
(Tłumaczenie: Wielu pilotów lata całe życie, nie rozumiejąc, czym jest fala górska. Sporo straciło życie z powodu tego nieporozumienia ). Dlatego FAA uważa fale górskie za zagrożenie dla lotnictwa ogólnego i atut dla lotników. W istocie FAA wyjaśnia pilotom szybowców, jak wykorzystać tę windę.
Wiele wypadków zostało spowodowanych przez fale górskie podczas lotu według wskazań przyrządów . Scenariusz jest następujący: samolot leci na zachód i otrzymuje polecenie przestrzegania przypisanej wysokości (powiedzmy 12 000 stóp). Zmierza w kierunku Gór Skalistych z silnym zachodnim wiatrem . W dole rzeki znajduje się zatem w obecności fal orograficznych. Gdy samolot zbliżył się do pierwszego skoku, znalazł się w strefie wznoszenia fali, która mogła mieć około 30 węzłów. Aby uszanować zadaną wysokość, zredukował silnik i użył jego klap do pogorszenia osiągów samolotu. Następnie, kiedy idzie do kontaktu z potomstwem, będzie miał prąd zstępujący 30 węzłów z pełnym silnikiem generującym tylko 5 do 6 węzłów prędkości pionowej. i nie będzie już w stanie utrzymać wyznaczonej wysokości 12 000 stóp : opadnie do 24 węzłów. Więc ostatecznie rozbije się w górach. Dlatego sugeruje się, aby przypisać samolotom „blok wysokości”, a nie instrukcje dotyczące wysokości i pozwolić, aby samolot wznosił się w fazie wznoszenia, aby móc później wyrównać.
Na przykład rozbił się samolot Piper Malibu9 stycznia 2011w górach Sangre de Cristo po bardzo gwałtownych falach górskich. Samolot stracił 1400 stóp w 19 sekund, co spowodowało spadek prędkości 22 m / s . Następnie odzyskał 1600 stóp w 20 sekund, dając prędkość wznoszenia 24 m / s . W końcu uderzył w las na wysokości 2967 metrów. Taki przykład pokazuje, że samolot z napędem nie jest w stanie przeciwdziałać takim siłom natury, a wręcz przeciwnie, powinien je wykorzystywać w taki sam sposób jak szybowce .
Ponadto silnik samolotu przechodzący przez strefę fal górskich obserwuje wzrost prędkości wraz ze wzrostem obszarów i spadkiem w dół, co utrudnia lub utrudnia kontrolę wysokości i może prowadzić do spadku `` urządzenia '', jeśli zmiany są słabo skompensowane. .
Te nożyce może również generować fale atmosferyczne. Fale te są często naznaczane przez altocumulus (lub cirrocumulus ) w postaci rolek lub kamyków, które mogą zwiastować zmianę pogody. Uważa się, że te fale nie nadają się do użytku przez szybowce. Mogą wystąpić, gdy inwersja temperatury oddzieli dwie masy powietrza poruszające się w różnych kierunkach, gdy mamy do czynienia z prądami wstępującymi cieplnymi dochodzącymi z gruntu i na poziomie warstwy inwersyjnej mamy do czynienia ze znaczną zmianą kierunku wiatru, Fale grawitacyjne o stosunkowo dużej amplitudzie utworzą się poniżej chmur cumulus, które będą użyteczne dla pilotów szybowcowych. Fale te są często naznaczone kapeluszem na szczycie chmur cumulusowych, które mają charakterystyczny kształt haczyka. Fale te powstają z prawdopodobieństwem od 65% do 90%, gdy ścinanie przekracza 3 m / s / km (lub 0,003 Hz).
Zstępującego rozerwanie spowodowane cumulonimbus chmury generuje fale grawitacji daleko na burzę . Te fale grawitacyjne mogą być odczuwalne do 50 kilometrów, aw niektórych przypadkach nawet do kilkuset kilometrów. Gwałtowna burza generująca te fale grawitacyjne zlokalizowane na ponad 40 km (zgodnie z zaleceniami Federalnej Administracji Lotniczej ) nie powinna wpływać na bezpieczeństwo tych statków powietrznych. Te fale grawitacyjne mogą mieć taki sam kształt jak fale górskie i mogą być używane przez pilota szybowcowego , lotniowego lub paralotniowego .
Zimny front jest często zmaterializowane przez szkwał linii która zachowuje się jak przeszkoda dla cyrkulacji wiatrów. Podobnie jak w górach, jeśli powietrze jest stabilne w dole rzeki od frontu (co jest na ogół przypadek), pojawią się fale skokowe. Fale te mogą rozprzestrzeniać się do 100, a nawet 500 km w dół od przodu. Fale te utworzą się szczególnie, gdy postęp frontu jest spowalniany przez pasmo górskie, takie jak Góry Skaliste .