Publikace slouží ke školení jak létajících tak meteorologů na OLM. Námraza

Transkript

1 Pracovní pomůcka č. 02 / 2007 Publikace slouží ke školení jak létajících tak meteorologů na OLM. Námraza Článek shrnuje nejdůležitější poznatky o vzniku námrazy na letounech, metodách a trendech její předpovědi v dalším období, způsobech boje proti ní havaroval McDonnell Douglas MD - 80 (OY - KHO) SAS - Scandinavian Airline System (Stockholm) u Gottrory. Letoun byl před startem odmrazován, ale přesto se během vzletu na horních stranách křídel vytvořila téměř neviditelná námraza. Asi minutu po startu se led na horní straně levého křídla uvolnil a zcela vyřadil z provozu levý motor. Za okamžik se totéž stalo i na druhé straně. Letoun havaroval při nouzovém přistání. Jeden ze 129 lidí na palubě byl vážně zraněn Připravil: vasicek.j@chmi.cz

2 Svůj zážitek ze setkání s námrazou vypráví pilot (tehdejší kapitán vrtulníku Mi 4) Petr Zeleňák: "Bylo to Konec měsíce a z velení divize bylo potřeba odevzdat kurýrem hlášení na vyšší velitelství, tedy na 10. LA (letecká armáda) do Hradce Králové. Tím kurýrem by1 pplk. Eduard Huptych. Jej tam měla dopravit letková "Mi čtyřka" a k provedení letu byla určena moje osádka, jejímiž dalšími členy byli kpt. František Kasprišín a kpt. Zdeněk Mareš. Bylo velice špatné počasí. Oblačnost 8/8, dohlednost 500 metrů a výška spodní základny mraků byla v sedmdesáti metrech. Let do Hradce probíhal na hladině metrů v souvislé oblačnosti, ze které pršelo. Z Bechyně jsem letěl na pardubickou dálnou a odtud už rovnou do Hradce. Tam kurýr předal hlášení. Jak to bylo obvyklé, vyměnil jsem si před zpátečním letem s Kasprišínem místo za řízením a po opačné trati jsme se vydali zpět do Bechyně. Do Pardubic jsme letěli na hladině 2150 metrů. V Pardubicích nás však vyhnali na hladinu metrů a byli jsme nad mrakama. V prostoru Českomoravské vysočiny byla před náma jedna vyšší, asi o metrů vyčnívající kupa. Nechtěli jsme kvůli tomu jednomu mraku žádat o změnu letové hladiny a rozhodli jsme se tedy to prolétnout. Jak jsme se do toho dostali, kolem se setmělo a vrtulník začal nezvykle mručet. Jeho ocas se sklonil a Kasprišín si po chvíli začal stěžovat: "Němóžem to pretlačiť! Němóžem to pretlačiť! " Rychlost jsme měli už 200 km/h a vário přelezlo spodním obloukem až nahoru! Se skloněným ocasem jsme padali k zemi! Pád trval 19 vteřin a za tuhle dobu jsme spadli do metrů! Tam byla mezivrstva. V té se nám podařilo vrtulník srovnat a začal z něho odpadávat led, který nás v mraku zcela obalil. Jeho kusy odletovaly z nosného rotoru a ty, které byly vymrštěny směrem před vrtulník jsme dolétávali a byli jimi takto vlastně "ostřelováni". Podvědomě jsme těm ledovým "projektilům", těsně míjejícím náš stroj nebo zasahujícím prosklení kabiny a trup, uhýbali hlavou. Poté jsme nějakou náhodně objevenou dírou v mracích sklesali do výšky 100 metrů nad terénem a vrátili nás do Pardubic, kde jsme přistáli. Tento náš let byl označen za předpoklad letecké nehody a jako takový musel být vyšetřen komisí. Vrtulník jsme tam tedy až do objasnění tohoto předpokladu nechali a druhý den nás odvezli do Bechyně volhou. Po návratu domů jsem zjistil, že mám na hlavě pramínek šedivých vlasů." Dne v hod. mezi obcemi Přední Arnoštov a Městečko Trnávka došlo k leteckém nehodě ultra lehkého (UL) letounu Straton D 8 Moby Dick. Stručný popis události: Při letu v prostoru obce Přední Arnoštov, v horizontálním letu ve výšce cca 300 m nad mírně hornatým a zalesněným terénem přešel motor UL letounu zn. Trabant do nepravidelného chodu, který se postupně zhoršoval téměř do volnoběhu. Pilot ve složitém, dobře známém terénu, vybral plochu pro nouzové přistání, na kterou nedolétl, narazil do stromu a následně do země. Při nárazu došlo k destrukci UL letounu a k těžkému zranění obou členů posádky. Pravděpodobnou příčinou letecké nehody bylo nezvládnuté nouzové přistání do terénu pilotem. Nepravidelný chod motoru mohlo zapříčinit zamrzání karburátoru. V těchto zimních měsících bychom měli zvážit, jestli půjdeme létat, když jsou pohádkově ojíněné stromy. Jsou to ideální podmínky na tvoření námrazy nejenom v karburátoru ale i na náběžných hranách vrtule, nosných ploch a snímačů celkového tlaku pro rychloměr, který nám přestane udávat skutečnou rychlost letu. Zdeněk Doubek, hlavní inspektor provozu ULLa 2

3 I. Trocha teorie a pojmů: Námrazou rozumíme usazování (namrzání) ledu na obtékaných částech letadel, pohonných jednotkách (motorech) a na vnějších detailech speciálního vybavení, při letu v oblacích, mlze, dešti nebo mokrém sněžení. Nutnou podmínkou námrazy jsou přechlazené vodní kapky, na které letadlo za letu v určené výšce naráží, a záporná teplota povrchu letadla. Námraza je jedním z nejvýznamnějších povětrnostních jevů, na nichž do značné míry závisí bezpečnost a pravidelnost letů. Je to proto, že se námraza tvoří na všech typech letadlech včetně vrtulníků a nadzvukových letounů. Silná námraza na letadlech zhoršuje jejich letové charakteristiky a někdy může dokonce zapříčinit katastrofu. Nebezpečnost námrazy je závislá na její intenzitě. Intenzita námrazy je charakterizována tloušťkou namrzajícího ledu usazujícího se na ploše za jednotku času. Je závislá na povětrnostních a aerodynamických parametrech obtékaných částí. Obrázek č. 1: Námraza na křídle letounu. Spojitost mezi intenzitou a aerodynamickými podmínkami si vysvětlíme na křídle letadla. Představme si, že křídlo letadla je při záporné teplotě v mracích, mlze nebo silném kouřmu obtékáno vzduchem obsahujícím vodní kapky (obr. č. 2). Vodnost oblaku (vodní obsah oblaků označujeme symbolem δ) je hmotnost zkondenzované vody v jednotkovém objemu vzduchu obvykle se pohybuje v rozmezí 10-5 až kg.m -3. Rychlost proudícího (narážejícího) vzduchu na letadlo se rovná vzdušné rychlosti letu v (rychlosti letu). Při zanedbání zakřivení drah proudících částic v blízkosti přední (náběžné) hrany letadla bude na největší průřez křídla h 1 kolmého k proudění narážet za jednotku času množství vody m v1 rovnající se: m v1 = δ. h 1. v Obrázek č. 2: Stanovení koeficientu u- sazování (množství námrazy). h 1 příčka křídla h 2 průřez ze kterého skutečně dopadají přechlazené kapky na povrch letícího tělesa Vzorec je správný za podmínky, že dráhy proudícího vzduchu a vodních kapek jsou totožné a že kapky se nedostanou za hranice tečen ke krajním okrajům křídla. Jinými slovy řečeno, že všechny kapky nacházející se v průřezu křídla (v tloušťce profilu h 1 ) na něj dopadnou. 3

4 Ve skutečnosti je potřeba počítat se zakřivením drah proudících částic v blízkosti náběžné hrany křídla a s neúplným strháváním vodních kapek proudem vzduchu vlivem setrvačnosti. Proto množství vody, které naráží na křídlo, se bude nacházet ve vyšrafované části obrázku č. 2. Toto množství vody bude: m v2 = δ. h 2. v Je zřejmé, že množství dopadlé vody na profil bude úměrné velikosti kapiček (hmotnosti) a nepřímo úměrné velikosti zakřivení jejich dráhy (profilu). To znamená, že čím větší bude h 1, tím více bude docházet k deformaci proudnic a tím méně bude dopadat kapiček na profil. Proto zavádíme koeficient usazování E, který charakterizuje vztah počtu kapek narážející na náběžné hrany křídla k počtu těch kapek, jejichž středy by prošly náběžnou hranou křídla, kdyby se vodní kapky pohybovaly přímočaře. Jednodušeji řečeno - tento koeficient vyjadřuje podíl skutečného množství kapiček, které naráží na povrch, k maximálně možnému. Koeficient usazování je tedy roven: E = m v2 h 2 = m v1 h 1 Předpokládáme-li, že veškerá voda, která dopadne na křídlo zmrzne, potom platí pro jednotku délky, plochy a času: m v2 = δ. h 2. v = ρ led. h 1. I odtud: I = v. δ. E ρ led Intenzita námrazy (obvykle vyjadřovaná v mm.min -1 ) je tedy přímo úměrná rychlosti letu, vodnosti oblaků a koeficientu usazování a je nepřímo úměrná hustotě tvořícího se ledu. Pro její hodnocení používáme pojmy uvedené v tabulce č. 1. Ve vzorci pro intenzitu námrazy je přímo zahrnutá rychlost letu letadla. Proto při letech relativně malými rychlostmi (do 0,5 M) probíhá namrzání letu tím rychleji, čím je větší rychlost letadla. Avšak při rychlostech letu větších než 0,5 M dochází Název Anglické názvy Značka na mapách Rychlost usazování ledu Slabá Light Menší jak 0,5 mm.min -1 Mírná Moderate 0,6 až 1,0 mm.min -1 Silná Severe, vyjímečně strong 1,1 až 2,0 mm.min -1 Velmi silná Více jak 2,0 mm.min -1 Tabulka č. 1: Hodnocení intenzity námrazy. v důsledku stlačitelnosti vzduchu ke zmenšení koeficientu usazování kapek (stlačitelnost vzduchu má vliv převážně na usazování středně velkých kapek). Zároveň dochází ke kinetickému ohřevu letadla, což brání rozvoji procesu tvoření námrazy. K tomuto ohřevu dochází v důsledku brzdění a stlačování proudu vzduchu před obtékaným profilem. Někdy se tomu říká také dynamický ohřev, a tím se zdůrazňuje, že současně s růstem teploty a hustoty vzduchu výrazně roste i tlak. Toto 4

5 ohřívání letounu zabraňuje vzniku námrazy. Hodnota tohoto ohřevu vně oblaku se při úplném zastavení vzduchu na profilu (náběžné hraně) rovná: T v 2 / 2000 Pro představu jakých hodnot nabývá tento ohřev jsou v tabulce č. 2 uvedeny hodnoty kinetického ohřevu pro různé rychlosti letu v bezoblačném prostoru (v oblačnosti je tato hodnota menší především z důvodu odpařování vody z letounu). Předpokládá se, že v oblačnosti ohřev činí asi 60% zde vypočítané hodnoty. Jeho efekt se tedy zřetelně projevuje při rychlostech asi nad 350 km.hod -1. km.hod T [ C] 0,4 1,6 3,5 6,2 9,6 13,9 19,0 24,6 31,2 38,7 Tabulka č. 2: Hodnoty kinetického ohřevu v bezoblačném prostoru. Rychlost letu (velikost kinetického ohřevu) také ovlivňuje výšku, v níž se začíná vytvářet námraza. Čím je tato rychlost větší, tím jsou nižší teploty při nichž se může začít tvořit. V následující tabulce je orientačně uvedeno převýšení hladiny možného začátku tvorby námrazy vzhledem k rychlosti letu. Rychlost letu [km.hod -1 ] Možné převýšení hranice tvorby námrazy [m] Tabulka č. 3: Možné zvýšení hranice tvorby námrazy z důvodu kinetického ohřevu. Protože veškerá voda, která narazí na náběžnou hranu křídla nestačí zmrznout (část vody strhne proud vzduchu), zavedl se pojem koeficient namrzání. Pod tímto koeficientem se rozumí vztah množství narostlého ledu k množství vody, která by za stejnou dobu narazila na tutéž plochu. Tuto hodnotu namrzání je obtížné přesně stanovit. Ale platí, že při teplotě vzduchu pod -5ºC se koeficient namrzání přibližně rovná jedné. Abychom si mohli udělat představu, jak rychle námraza může růst, vyjdeme z předpokladu, že intenzita námrazy pro letouny letící malými rychlostmi (do 0,5M) je dána vzorcem: I = δ. v I intenzita námrazy v rychlost letu δ vodní obsah oblaku [mm.min -1 ] [km.hod -1 ] [g.m -3 ] S jakou intenzitou námrazy se pilot může setkat ukazuje tabulka č. 4. Oblak Vodní obsah Rychlost letu [km.hod -1 ] St, As 0,2 až 0,3 g.m -3 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 Sc 0,67 g.m -3 0,7 1,3 1,7 2,0 2,7 3,4 Cu hum 0,5 g.m -3 0,5 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 Cu cong, 2,5 g.m -3 2,5 5,0 6,2 7,5 10,0 12,5 Cb 3,9 g.m -3 3,9 7,8 9,8 11,7 15,6 19,5 Tabulka č. 4: Orientační hodnoty rychlosti růstu námrazy v [mm.min -1 ] na pomalu letícím letounu. 5

6 Pro výpočet byly použity přibližné hodnoty vodního obsahu jednotlivých druhů oblaků zprůměrované podle několika autorů. Odtud vidíme, jak nebezpečně rychle může růst námraza. Ve vertikálně vyvinuté oblačnosti (Cu, Cu cong a Cb) při rychlostech letu km.hod -1 můžeme očekávat námrazu v tloušťce od 0,1 do 1,5 cm.min -1!! Již během desítek vteřin může na náběžných hranách namrznout obrovské množství ledu a výrazně změnit hmotnost letadla, přesunout těžiště a změnit aerodynamické vlastnosti křídla atd. II. Druhy a tvary ledu namrzajícího na letadlech Jsou velmi různorodé a závisí na mnoha vlivech. Zvlášť velký význam má velikost kapiček, teplota vzduchu, režim letu a výskyt ledových krystalků v oblačnosti. U namrzajícího ledu rozeznáváme tyto základní druhy: a) Led může být průzračný, matový a bílý (zrnitý). Průzračný se tvoří zpravidla při letu v oblacích obsahující pouze velké přechlazené kapky obvykle v rozmezí 0 až -10 C. Led namrzá velmi intenzivně. Obtížně se odstraňuje. Profil ale deformuje nepatrně. Matový vzniká ve smíšených oblacích. Velké kapky se nejprve rozlijí a pak zmrznou, malé mrznou okamžitě. Na nich se zachytávají vločky a ledové krystalky. Povrch je drsný a významně se zhoršují aerodynamické charakteristiky letadla. Tvoří se nejčastěji při teplotách v rozmezí -6 až -10 C. Je nejtěžším a nejnebezpečnějším druhem námrazy. Bílý (zrnitý) led se tvoří v důsledkum mrznutí malých přechlazených kapiček při teplotách -10 C a menších. Za těchto teplot vzniká porézní led (nepevně přimknutý k povrchu), který se odlupuje. b) Jíní tvoří se v oblacích při značně menších teplotách než -8 C. Vzniká při mrznutí malých kapiček a ledových krystalků. Lehce se odlupuje, protože má nerovný a drsný povrch. c) Jinovatka vzniká v důsledku sublimace vodních par. Většinou pouze zhoršuje výhled z letounu. Tvary námrazy závisí na zvláštnostech obtékání různých profilů a na rychlosti letu. Dělíme ji zpravidla do třech skupin podle tvaru (obrázek č. 3): a) Klínovitá (profilová) nejčastěji z průhledného ledu. Tvoří se nejčastěji v oblačnosti s malou vodností a při teplotě obvykle nižší než -20 C. Led se usazuje rovnoměrně, profil není významně deformován. b) Žlábkovitá se vyskytuje tehdy, když voda na čelní straně nestačí zmrznout, pak je unášená dál od náběžné hrany. Žlábek vzniká proto, že při velkých rychlostech dochází ke kinetickému ohřevu, který udržuje náběžnou hranu nad bodem Obrázek č. 3: Hlavní tvary námrazy. mrazu. Obvykle k ní dochází mezi -5 až -7 C. Led mrzne na zadní části křídel (kde jsou klapky), zároveň podstatně zhoršuje aerodynamické vlastnosti křídla (viz obr. č. 3b). Proto je tento tvar námrazy velmi nebezpečný. 6

7 c) Hrbolkovitá (hřibovitá) - vzniká při letu ve smíšených oblacích, kdy proud vzduchu unáší vodní kapky za nulovou izotermu, kde mrznou. Rovněž významně zhoršuje odpor letounu a jeho aerodynamické vlastnosti. Proto je námraza tohoto tvaru rovněž značně nebezpečná (obr. 3c) III. Krátce ke vlivu námrazy na aerodynamické charakteristiky letadel a chod motorů Námraza podstatně zhoršuje aerodynamické a letové charakteristiky letadel, především pak křídel a ocasních ploch letounů. V důsledku námrazy se mění tvar obtékaných části, vzrůstá čelní odpor a zmenšuje se vztlak, roste hmotnost, roste potřebný a snižuje se přebytečný tah motorů. To vše způsobuje zmenšení vertikální rychlosti stoupání, snížení dostupu a maximální rychlosti letu, vede ke zvýšené spotřebě paliva a ovlivňuje přistávací charakteristiky letadel. Námraza na snímačích letounů může způsobit vysazení některých přístrojů (respektive jejich čidel). Námraza na náběžné hraně křídla způsobuje zvýšení čelního odporu letounu a zhoršuje jeho nosné vlastnosti. Do jaké míry se zmenšuje koeficient vztlaku C y max je vidět na obrázku č. 4. K tomuto zmenšení dochází v důsledku odtržení proudnic při menších úhlech náběhu než za normální Obrázek č. 4: Charakter vlivu námrazy na C y a na úhel náběhu při níž se začínají odtrhávat proudnice. situace bez námrazy. Zmenšení kritických úhlů náběhu a ocasních ploch z důsledku námrazy je zvláštně nebezpečné při malých rychlostech letu, zvláštně pak při přistání. Velice nebezpečný je led namrzající na předním okraji kormidel, v místech uchycení křidélek a klapek. Ten totiž může způsobit jejich zaklínění za letu, což je velice nebezpečné. Protože vertikální a horizontální stabilizátory mají většinou tenčí profil než křídla, jsou k námraze mnohem náchylnější (námraza se tvoří rychleji). Navíc na nich námraza není vidět a je také na těchto místech mnohem nebezpečnější (hrozí zablokování řízení). Zde se také může projevit dost nečekaně. Například vznikne po vysunutí klapek. Velmi nebezpečná je námraza na pohonné jednotce. Usazení ledu na vstupním hrdle může způsobit pumpáž motoru. Po dosažení určité síly je vlivem vibrace a pulsace prodění led strháván do motoru. Tyto kousky poškozují lopatky prvních stupňů kompresorů. Nebezpečná je námraza sacího sytému karburátoru u pístových motorů, která se může vytvářet i při kladných teplotách vzduchu. Je to z toho důvodu, že vzduch prudce expanduje a přitom se do něho vypařuje palivo. Z těchto dvou důvodu prudce klesá teplota palivové směsi. Rovněž dobrý výhled z kabiny je mimořádně důležitý pro orientaci a přistání. Za zmínku taky stojí vyhřívání čelních skel v kabině. Ty se vyhřívají nejen proto, aby se nemlžily zevnitř a netvořila se na nich námraza, ale taky aby měly zachovanou pružnost proti nárazu (skla mají certifikaci např. na dvoukilového ptáka při cestovní rychlosti u hladiny moře). Vyhřívání je taky několikrát jištěné - vidět ven z okýnka je prostě velmi důležité a již pouhé ojínění výrazně snižuje výhled. Velmi nebezpečná námraza na vrtulnících. Je to proto, že vrtulník při stoupání a klesání a klesání letí relativně pomalu. Námraza vzniká především na rotoru a vrtulce tyto místa jsou podstatně náchylnější k námraze než křídla letadla!!, protože mají vysokou 7

8 vzdušnou rychlost. Navíc se led na rotorovém listu v podélném směru usazuje nerovnoměrně. Na tvořící se námrazu působí odstředivá síla. Led namrzající na listech zvětšuje jejich zatížení (zvětšuje odstředivé síly na rotoru, je příčinou vzniku silných vibracích, atd.). IV. Závěry pro praxi: Z výše uvedeného vyplývá, že pohyb kapek je složitý a závisí na jejich poloměru, rozměru (tloušťce) křídla a rychlosti letu. Při sbližování kapky s obtékaným profilem působí na ni síla setrvačnosti, která má kapku udržet v přímé dráze. Čím větší jsou v oblaku kapky a čím větší je rychlost obtékání, tím mají kapky také větší setrvačnou sílu a tím je také větší pravděpodobnost, že jich více narazí na tenký profil za jednotku času. Odpor proudícího vzduchu působí na kapku silou, která se ji snaží udržet na dráze proudícího vzduchu obtékajícího profil křídla. Slabší profil způsobuje, že se vzduch začíná dělit v menší vzdálenosti než u profilu tlustšího. To vede k tomu, že se na tenkých profilech obtékající proud vzduchu deformuje méně, což vytváří lepší podmínky pro usazování kapek (tzn. námraza je intenzivnější). Závěr pro praxi: Na úzkém profilu bude tedy větší námraza než na profilu tlustém. Námraza se nejprve začíná vytvářet na koncích křídel a pomaleji na křídle v blízkosti trupu. Úplně nejdříve se ale obalují ledem takové tenké profily jako jsou snímače tlaku, antény, atd. Na těchto místech (pokud nejsou vyhřívány) je tedy nutné sledovat první příznaky její tvorby. Rychlost růstu námrazy je úměrná velikosti kapek (největší se vyskytují v kupovité oblačnosti) a rychlosti letu. Námraza vzniká hlavně při letech v mracích, v mlze, dešti, mrholení nebo mokrém sněhu, tj. v těch vrstvách atmosféry, kde se nachází zkondenzovaná vodní pára. Ta musí být ve stavu přechlazené vody nebo ve směsy přechlazených vodních kapek a ledových krystalků. Mrznutí přechlazených vodních kapek při styku s povrchem letadla je hlavní příčinou vzniku ledu na letounu. Vedle namrzání vodních kapek při styku s letounem může na povrchu sublimovat vodní pára. Sublimace má vliv tehdy, jestliže tlak vodní páry je vyšší než tlak nasycené vodní páry vzhledem k ledu. To lze pozorovat při styku vodní páry s daleko chladnějšími částmi povrchu (například při prudkém klesáni letadla z chladnějších horních vrstev atmosféry do teplejších spodních vrstev nebo při vlétnutí do inverzní vrstvy). Závěr pro praxi: Na povrchu letadla se vytváří při jeho letu z chladnějšího do teplejšího vzduchu ledové krystalky, které po určité době (když se teplota letadla vyrovná s teplotou okolního vzduchu) roztají. Obvykle je to ale tenká vrstva, která nevytváří nebezpečí pro let. Nesmíme však s ní startovat nebo vletět do oblasti s tvorbou silné námrazy. Závěr pro praxi: Rovněž start se sněhem na křídlech je také velmi nebezpečný. Sníh z povrchu křídla se nikdy neodfoukne, je cca tak tlustý jako aktuální mezní vrstva. A právě tahle vrstvička je největším problémem jak pro vztlak, tak pro odpor. Provést vzlet se sněhem na křídle (byť by vypadal sebevíc jako milimetr tlustá vrstva čerstvého suchého prašanu) je velmi hazardní. 8

9 Zdaleka ale ne ve všech mracích se při záporných teplotách vyskytuje námraza. Velkou roli tu hraje mikrostruktura oblaku a zvláště fázový stav oblačnosti, rozměry a množství kapek. Nejpravděpodobnější fázový stav zobrazuje obrázek č. 5. V čistě krystalických oblacích se námraza nevyskytuje. Proto při vzniku námrazy se v oblačnosti musí vyskytovat přechlazené vodní kapičky. Ty se vytváří na kondenzačních jádrech při záporných teplotách a mohou dlouhou dobu setrvávat v přechlazeném stavu. Čím menší je poloměr kapky, tím nižší je teplota mrznutí. Například kapku o poloměru 1 mm se podařilo ochladit na -9,6ºC; při r = 0,33 mm to už bylo -11ºC; při ještě menší kapce byly dosaženy teploty -20ºC a nižší. V konkrétních případech Obrázek č. 5: Nejčastější fázový stav vody v oblačnosti. v šedesátých letech minulého století byla zjištěna námraza ve výšce 8.500m při teplotě vnějšího vzduchu -44 až -46ºC nebo ve výšce m při teplotě 47ºC pod nulou. Největší výška v níž byla pozorována námraza je m. S námrazou se tedy můžeme setkat (byť vzácně) i při letu ve výšce větší než m nad mořem. [Letecká meteorologie (L-51-24), MNO, Praha 1978] Mikroskopické kapky vody, které mají mnohdy velikost jen 50 mikronů a méně, mohou tedy zůstat v kapalné formě i přesto, že teplota výrazně poklesne pod bod mrazu. Tato skutečnost je velmi nebezpečná z toho důvodu, že tyto kapičky mají tendenci se zachytávat na křídlech letadel a nabalovat na sebe další kapky. Podobná tendence nabalování dalších kapek je při vlétnutí letounu s vrstvičkou sněhu nebo jíní na trupu a křídlech do oblasti tvorby námrazy. Malé kapičky tedy nejsou nebezpečné proto, že by na letounu vznikala intenzivní námraza, ale proto, že po vlétnutí do oblasti mírné nebo silné námrazy (která vzniká zpravidla mezi -3 až -10 C) významně zvyšují intenzitu tvorby námrazy. Ačkoli se milimetrové odchylky, které takto vznikají, mohou zdát jako bezpředmětné, ve skutečnosti se mohou při vzletu velmi negativně projevit. Již jemná jinovatka zamezuje správnému obtékání křídla vzduchem (laminární proudění) a místo toho vznikne proudění turbulentní. V důsledku turbulence dojde ke snížení vztlaku, zvýšení odporu. Každé letadlo má určitou rychlost, při jejímž dosažení se odtrhne od země. Pokud by v důsledku námrazy křídel došlo k poklesu vztlaku, při této rychlosti by se letadlo nezvedlo od země v předpokládaném místě a dále by jelo po dráze. Mohlo by tak skončit mimo vzletovou a přistávací dráhu. Aby to nebylo jednoduché - v mracích složených z přechlazené vody a krystalků ledu se někdy námraza vyskytuje, jindy chybí nebo je velmi slabá. Tak například v mohutných mracích typu Ns - As, ze kterých vypadávají trvalé srážky ve většině případů námraza chybí nebo je slabá. Naproti tomu z mraků typu Cb, složených 9

10 rovněž z přechlazených vodních kapiček a krystalků ledu a z kterých také vypadávají srážky se námraza tvoří a to často velmi silná. Pro předpověď námrazy platí následující pravidla: Dosáhl-li mrak úrovně izotermy -10ºC, potom zpravidla můžeme očekávat vypadávání srážek. Tento mrak má obvykle menší schopnost vyvolat námrazu než mrak, který této izotermy nedosáhl a zachovává si svoji kapalnou strukturu. Je to proto, že vypadávání srážek a krystalky ledu ochuzují mrak o kapky vody (tento závěr platí pro vrstevnatou oblačnost). Jestliže však dochází k neustálému dodávání nové vody do mraku (typický příklad konvekce, kdy dochází k neustálému nasávání okolního vzduchu do oblaku přes jeho základnu), pak i přes vypadávání srážek a přeměně vody v ledové krystalky nacházíme v mraku dostatečné množství kapek různých velikostí. Je to proto, že kapičky častěji do sebe narážejí, spojují se a jejich průměr se rychleji zvětšuje. V takovém mraku se může vyskytnout silná námraza i při teplotách značně menších než -10ºC. U teplých front je, jak známo, spojena tvorba oblačnosti s uspořádanými výstupným pohyby teplého vzduchu nad frontální plochou. Turbulence se v těchto mracích zpravidla nevyskytuje. Na rozdíl od výše popisované oblačnosti je největší množství vodnosti soustředěno ve spodní části mraku a postupně se bude s výškou zmenšovat. Silná námraza ve vrstevnaté oblačnosti se bude proto vyskytovat v nejnižších vrstvách, to je tam, kde oblačnost je blízko k povrchu. Při teplotách pod -10ºC (kdy oblačnost je tvořena převážně ledovými krystalky) je námraza slabá nebo chybí. Ale pozor, některé teplé fronty jsou charakterizovány nestejnoměrnými srážkami (vytrvalý déšť přechází v přeháňky). Tento typ srážek je spojen s vlhkostně instabilní stratifikací teplého vzduchu a oblačnost typu Ns - As má místy charakter Cb. Při prolétávání oblačnosti tohoto typu fronty se může letadlo místy setkat s intenzivní námrazou při teplotách značně nižších než -10ºC. 0 C teplý vzduch Oblačnost fronty zemský povrch 0 C studený vzduch Oblast silného namrzajícího deště se často vyskytuje v oblasti teplých front v chladnější Obrázek č. 6: Oblast vzniku silné ledovky v oblasti teplé fronty. polovině roku (viz obr. č. 6). Jev je způsoben tím, že teplý vzduch který je lehčí se nasouvá nad klín chladnějšího vzduchu. Srážky vypadávající z oblačnosti pak propadávají vrstvou vzduchu, která má zápornou teplotu. Ve znázorněné oblasti se pak vyskytuje silná ledovka. Závěr pro praxi: Při uspořádaném výstupu vzduchové masy a malé vertikální rychlosti se vyskytuje námraza podstatně méně než při neuspořádaných výstupech v podobě termické nebo dynamické konvekce a rychlostech vertikálních pohybů v řádech metrů za vteřinu (pozor ale na oblast vzniku silné ledovky pod frontální plochou teplé fronty - obr. č. 6). Proto námrazu zpravidla doprovází slabé nebo mírné kymácení. Z toho také vyplývá další praktický závěr: v případech, kdy je St doprovázen mlhou u zemského povrchu nebo silným kouřmem při slabém větru (ale beze srážek) bude v mracích námraza slabá. Naopak při velké dohlednosti a u země, což je obyčejně doprovázeno silným větrem, bude vznik námrazy v St nebo Sc mnohem intenzivnější. 10

11 Z těchto důvodů je nutné si všímat při hodnocení námrazy toho, na základě jakých procesů došlo k tvorbě mraku. Mraky se někdy hodně sobě podobají, ale podmínky jejich vniku jsou různé (vznikají na základě různých procesů). Například v zimě je často pozorovateli zaměňován Cb za Ns; rovněž St a Sc jsou často označovány za Ns a Ns je často označován jako St. Na základě chybného určení druhu mraku mohou vzniknout i značné odchylky v předpovědi námrazy. Oblaka typu Cb, Cu, Sc a St (nacházející se uvnitř vzduchových hmot a na frontách) vznikají v důsledku dynamického a/nebo teplotně turbulentního přenosu vlhkosti od spodu nahoru. Mají typickou mikrostrukturu. V základně je nejmenší vodnost a nejmenší rozměry kapek. Postupujeme-li od spodu nahoru, vodnost a rozměry kapek se zvětšují. U oblaků druhu Cu cong a Cb, které dosahují svými vrcholky do značně nízkých teplot, se námraza vyskytuje v důsledku velmi značných vertikálních pohybů ve velmi velkém vertikálním rozsahu (viz obr. č. 7). Závěry pro praxi: Není vhodné doporučovat a provádět lety v horní polovině oblačné vrstvy. U Cb a Cu cong se v důsledku značné turbulence vyskytuje námraza i ve spodní části oblačnosti. Námraza (obvykle mírná až silná) se tedy často vyskytuje (leží-li oblak v zóně záporných teplot) v celé vrstvě mraku. Nejčastější bývá (co se týče míst, kde je zapotřebí počítat s námrazou) na návětrných stranách kopců. Všeobecně jsou to hory, které velmi často vytvářejí podmínky pro vznik námrazy, neboť na jejich návětrné straně vznikají turbulentní proudy vzduchu. Navíc je tu často vysoká přesycenost vzduchu vzhledem k nucenému výstupu po úbočí kopce. Máme-li vzlétnout z letiště ležícího blízko návětrné strany hory, neletíme přímo k horám (směr A ), kde turbulence a často i nucený výstup vzduchu po úbočí kopce vytváří podmínky pro vznik námrazy. Ale letíme od hor tak daleko (směr B ), až dosáhneme takové výšky, která je potřebná k přeletu kopců nad oblačností. Proleťte vždy tou částí mraku, kde jsou nejméně příznivé podmínky pro její vznik. Musíte-li prolétnout oblastí námrazy, proleťte ji co nejrychleji a nejkratší cestou!! Obrázek č. 7: Oblasti výskytu a intenzita námrazy v kupovité oblačnosti. Na závětrných stranách kopců naopak námraza chybí nebo je slabá. 11

12 Dalším častým místem vzniku intenzivní námrazy bývají týlové části cyklony nedaleko jejich centrálních částí (v těchto místech jsou nejintenzivnější výstupné pohyby). Letadla, která nemají odmrazovací prostředky pochopitelně nemají nic, co by si dokázalo poradit s námrazou. Proto letíme-li s letounem, vybaveným pro IFR a dostaneme se do oblačnosti se zápornou teplotou, přičemž naše letadlo není vybaveno prostředky pro odmrazování, musíme okamžitě z oblačnosti ven. Nyní si uveďme jaký je výskyt námrazy v jednotlivých druzích oblačnosti Jako určité shrnutí pohledů různých autorů lze považovat níže uvedenou tabulku. Je nutno ji ale chápat pouze jako určité zprůměrování výskytu námrazy v jednotlivých druzích oblačnosti. Druh oblaku Pravděpodobnost námrazy Intenzita námrazy Cu menší slabá Horní část oblaku. Cu cong Cb St Sc velká nejčastější výskyt častý výskyt námrazy častý výskyt námrazy velmi intenzivní a silně proměnlivá velmi intenzivní a silně proměnlivá silná silná Ns střední slabší Část oblaku Nejsilnější námraza se vyskytuje v oblasti ohraničené teplotami 0 C a -10 C. Námraza se ale často tvoří v celé nebo velké části oblaku. Nejsilnější námraza se vyskytuje v oblasti ohraničené teplotami 0 C a -10 C. Námraza se ale často tvoří v celé nebo velké části oblaku. Nejintenzivnější je pod horní hranicí oblačnosti. Nejintenzivnější je pod horní hranicí oblačnosti. Nejnebezpečnější oblast je pod vrstevnatými oblaky v místech s přechlazeným deštěm a v oblasti mezi izotermami 0 a -10 C. Pokud vypadávají trvalé srážky, vyskytuje se obvykle v oblaku pouze slabá námraza. As střední slabší Ac vyšší než střední silnější než v As Nejnebezpečnější oblast je pod vrstevnatými oblaky v místech výskytu, kde jsou oblasti s přechlazeným deštěm nebo mrholením. V případě trvalých srážek se zpravidla v oblaku vytváří pouze námraza slabá. Má menší vodní obsah. Ci minimální slabá Nelze specifikovat. Cs minimální slabá Nelze specifikovat. Cc minimální slabá Nelze specifikovat. Tabulka č. 5: Pravděpodobnost a místo výskytu námrazy v různých druzích oblačnosti. 12

13 Kdy se s námrazou setkáme nejčastěji? V jarním a letním období se vyskytuje velmi přibližně v 75% námraza málo intenzivní a ve zbytku případu námraza mírná. Silná se většinou nevyskytuje. V podzimním období slabá námraza je přibližně v 65% případů, mírná ve více než 30% a silná asi ve 3% případů. V zimním období se slabá nachází v necelých 50%, mírná ve 45% a silná v necelých 10% případů. [Letecká meteorologie (L-51-24), MNO, Praha 1978] Toto je důvod, proč právě na podzim a v zimě se nejvíce mluví o námraze a jejím vlivu na leteckou dopravu. Podíváme-li se na obrázek č. 8, pak vidíme, že nejčetnější výskyt námrazy je pozorován v intervalu mezi -5 až -10 C (proto některé vyhodnocovací metody jsou konstruovány tak, aby v tomto intervalu Obrázek č. 8: Závislost výskytu námrazy na teplotě vnějšího vzduchu. [Letecká meteorologie (L-51-24), MNO, Praha 1978] 1 Podle údajů získaných při letech na dopravních linkách (2732 případů) 2 podle údajů ze zkušebních letu (1775 případů). 3 podle údajů ze zkušebních letů zahraničních letedel (220 případů) Poznámka: údaje jsou ze ruských statistik. indikovaly maximální pravděpodobnost výskytu námrazy). Současně z grafu vyplývá, že při letu v oblačnosti za těchto teplot je námraza nejčastější a nejintenzivnější. Proto je vhodné se těmto výškám vyhýbat. Podle statistických údajů se námraza tvoří nejčastěji (asi z 90%) při rychlostech letu do 600 km.hod -1. U vyšších rychlosti její tvorbu ovlivňuje kinetický ohřev. Proto u nadzvukových letounů lze při cestovních režimech letu očekávat námrazu převážně jen v době vzletu, stoupání, klesání a manévru na přistání. Tedy v době, kdy letí podzvukovou rychlostí. Závěr pro praxi: Nejčastěji se s mírnou, případně silnou námrazou setkáváme v podzimních a zimních období roku. Na jaře a v létě se potkáme s největší pravděpodobností jen s námrazou slabou, případně mírnou. Námraza se nejčastěji vytváří při rychlostech do 600 km.hod -1. U nadzvukových letounů tedy převážně jen v době letu podzvukovou rychlostí. Letíme-li v oblačnosti je vhodné se vyhýbat výšce v níž je teplota mezi 0 až -10 C. Činnost meteorologa při předpovědi oblastí a výšek, ve kterých jsou vhodné podmínky pro tvorbu námrazy Zda jsou nebo nejsou podmínky pro její vznik, zjistíme tedy následujícím postupem: 13

14 1) Pro předpověď námrazy tedy musíme nejprve určit rozdělení teploty vzduchu na trati letu. Určíme v jaké výšce leží izotermy 0ºC, -5ºC, -10ºC a -20ºC. To proto, že nejpravděpodobnější je její výskyt ve vrstvě vzduchu od 0 do -20ºC, zvláště pak mezi izotermami 0 až -10ºC. Okolo -5ºC je námraza nejčastěji hlášena a je často mírné až silné intenzity. Dále je potřeba si uvědomit, že základna vzniku námrazy není vyjádřena ostře a nekryje se s nulovou izotermou, ale je přibližně o 200m výše. Při vlétnutí z oblasti kladných hodnot do oblasti záporných teplot (např. při výstupu letedla), námraza nevzniká okamžitě při poklesu teploty na 0ºC, ale až tehdy vlétá-li letoun do vrstvy vzduchu s teplotami -2 až -3ºC. Jiné podmínky jsou ale při letu z oblasti záporných hodnot do kladných. Letoun je podchlazen a může na něm vytvářet slabá námraza (jíní) i pod oblačností. Vodní obsah oblaku však většinou neznáme (jeho výpočet numerickým modelem a praktické použití této veličiny se zatím zkoumá). Běžně dostupnými vlhkostními charakteristikami jsou: relativní (poměrová) vlhkost RV, teplota rosného bodu t d a teplotní deficit D (rozdíl mezi teplotou a teplotou rosného bodu). Alespoň jedna z uvedených vlhkostních charakteristik se dnes běžně měří nebo je výstupem z numerických modelů. Tyto vlhkostní charakteristiky nám sice nemohou nahradit znalost vodního obsahu oblaku, ale podávají nám alespoň informaci o tom, jaké množství vody může být dostupné (při poklesu teploty) pro tvorbu přechlazených vodních kapiček. Mají tedy jistou korelaci k vodnosti oblačnosti. Vzhledem k tomu, že v oblaku dochází k významnému transportu těchto vodních kapiček, je tento vztah velmi volný (nemáme však prozatím v provozní praxi bohužel jinou možnost, jak vodnost oblaku předpovědět). Pro RV platí vztah: a RV [%] = A. 100 kde a je absolutní vlhkost vzduchu v kg.m -3 a A je maximální možné množství vodní páry. Pro každou teplotu totiž existuje stav nasycení, tj. existuje určitá hraniční hodnota obsahu vlhkosti ve vzduchu, která nemůže být překročená. Její množství je exponenciálně závislé na teplotě. Největší dosažitelná hodnota vlhkosti vzduchu (maximální množství vodní páry, kterou může pojmout vzduch) při různých teplotách je následující: teplota [ºC] A [gram.m - ³] 0,3 1,1 2,3 4,9 9,4 17,3 30,4 Tabulka č. 6: Maximální množství vodní páry, které je ovzduší schopno pojmout za určité teploty. Odtud vyplývá: že: a) Při nižších teplotách než při -15 C až -20 C není v atmosféře dostatečné množství vodní páry pro tvorbu většího množství přechlazených kapiček a tím pádem i pro tvorbu významnější námrazy (pokud sem tyto kapičky nebyly transportovány odjinud). Byla sice zjištěna námraza i při -45 C v cirovité oblačnosti (to znamená, že i při této teplotě se může vyskytovat přechlazená voda), ale let musel probíhat v těchto podmínkách velmi dlouho a velikost námrazy neměla zásadní vliv na bezpečnost letu. b) Ve vzduchu musí být dostatečné množství vodní páry, aby tyto kapičky mohly vznikat nebo existovat (ovzduší musí mít vysokou relativní vlhkost). V literatuře 14

15 se uvádí, že RV má být větší než 70%, pracujeme-li s teplotním deficitem, pak rozdíl mezi teplotou a teplotou rosného bodu (t - t d ) musí být menší než 3 C. Závěr pro praxi: Při nízkých teplotách (-20 C a nižších) velmi zřídka přesahuje vodnost oblaku hodnotu 0,1 g.m -3 a proto při těchto teplotách je intenzita tvoření námrazy na letadlech malá (viz tabulka č. 6). Vlétneme-li do námrazy snažíme se dostat pod (nad) mrak nebo alespoň stoupáme do oblasti s nižší teplotou vzduchu. Ale pozor - v zimním období je podlétávání teplých front velmi nebezpečné, protože jsou intenzivnější než v letním období a oblačnost dosahuje často až téměř k zemi. Současně se před nimi často nacházejí oblasti s mlhami a silnými kouřmi. Proto hrozí srážka se zemí. Můžeme se také dostat do oblasti přechlazeného deště v klínu studeného vzduchu (obr. č. 6), kde se tvoří intenzivní námraza v důsledku vlétnutí do oblasti přechlazeného deště. Další závěr pro praxi: Dopadá-li na letoun mokrý sníh, a tvoří se námraza (při teplotě blízké bodu mrazu), musíme vzlétnout do takové výše, kde je chladněji a kde se sníh nebude již na letoun tak snadno přilepovat. Padající sníh je důkazem toho, že ve výši panuje teplota hluboko pod bodem mrazu a nejsou zde četné přechlazené kapičky vody. Vlétnete-li do oblasti smíšených srážek, dodržujte i nadále výšku letu. Smíšené srážky nejsou pro Vás nebezpečné. Ale nad Vámi je pravděpodobně oblast silné námrazy. 2) Meteorolog vypočítá hodnotu indexu, který nám pomůže zjistit, zda jsou příznivé podmínky pro tvorbu námrazy v oblačnosti. (Po zjištění aktuálních a předpovídaných výšek výše vzpomenutých izoterem a některé vlhkostní charakteristiky se zpravidla provede výpočet indexu za použití některého níže uvedeného vzorce. Jeho hodnota nám napoví, zda jsou podmínky pro tvorbu námrazy či nikoliv. Nejpoužívanější indexy jsou uvedeny v další časti tohoto článku). 3) Po zjištění tohoto indexu meteorolog na základě svých zkušeností a znalostí předpoví její intenzitu a výškový interval, ve kterém by se námraza měla vytvářet (některé důležité empirické poznatky jsou uvedeny v této publikaci). 4) a) Doporučuje (navrhuje) létajícímu na základě aktuálního stavu počasí a jeho dalšího předpokládaného vývoje (při znalosti spodní a horní základny oblačnosti a povětrnostních minim letounu nebo pilota) nejvhodnější trať a výšku letu. b) Vydává výstrahu na tento jev. Tady pozor, tyto informace se píší zpravidla jen na silné jevy. Závěrem si proveďme shrnutí: Proč je předpověď tohoto jevů tak složité. Proto, že pravděpodobnost tvoření námrazy je určována řadou činitelů, které lze obtížně matematicky popsat. Mezi hlavní patří: - pravděpodobnost, že ve výšce letu bude oblačnost; - vodnost oblačnosti a jeho fázový stav; - teplota vzduchu, koeficient namrzání, rychlost mrznutí kapek; 15

16 - velikost kapek a ledových krystalů z nichž je oblačnost složena; - množství kapek dopadajících na jednotku času (rychlost letounu); - zvláštnosti obtékání různých částí letadla; - úspěšnost předpovědi prvků používaných k vyhodnocení oblastí s námrazou; - atd. Nelze tedy vytvořit model (a bude tomu tak i v budoucnu), který by byl schopen vypočítat oblasti tvorby a intenzity námrazy. I kdybychom ho měli, do modelu by bylo potřeba zadávat konkrétní typ letounu, jeho rychlost (horizontální i vertikální) apod. Zatím platí, že z důvodu velké prostorové i časové proměnlivosti některých výše uvedených prvků a problému výpočtu některých charakteristik (pomineme-li vliv dalších faktorů, které neumíme ani dostatečně přesně matematicky vyjádřit), je velice obtížné předpovědět či dokonce zpětně vyhodnotit výskyt námrazy a její intenzitu. Proto předpověď námrazy je proto nutné brát (a nadále tomu tak bude) jako veličinu, kde se předpověď omezuje jen na předpověď vhodných podmínek pro její vznik!!!! Je potřeba si dále uvědomit, že předpovědi meteorologických modelů mají určitou míru pravděpodobnosti a přesnosti. Navíc vodní obsah oblaku je zastoupen relativní vlhkostí a současně nám také není znám fázový stav vody v oblaku. Proto oblasti, které nám označí jednotlivé metody či indexy je nutné chápat jako nejpravděpodobnější místa výskytu námrazy. 16

17 V. Metody vyhodnocení námrazy: Pro vyhodnocení námrazy z dat popisujících vertikální profil teploty a vlhkosti vzduchu je možné použít relativně širokou škálu různých metod. Tyto postupy je možné rozdělit na dvě základní oblasti: empirické metody numerické metody Prvně uvedené pracovní postupy (označené jako empirické metody ) jsou složeny z množství kroků, které je potřeba uskutečnit pro to, aby zpracovatel byl schopen provést analýzu námrazy jako nebezpečného jevu. Numerické metody jsou z hlediska zpracování poněkud monotónní. Každá numerická metoda má stanovit určitý komplex matematických vzorců, které mohou být triviální (tak jako je výpočet deficitu rosného bodu), ale i velice složité (jako například výpočet vodního obsahu oblaku nebo fázového stavu srážek). Většina metod má stanoven i nějaký interval teplot nebo vlhkosti, ve kterém (po zpracování vstupních dat) se zjišťují podmínky pro vznik námrazy. Empirické metody vyhodnocení námrazy pomocí aerologických diagramů Mezi základní metody vyhodnocení námrazy pomocí aerologických diagramů patří empirické metody analýzy tohoto nebezpečného meteorologického prvku. Tyto pracovní postupy jsou výsledkem mnohaleté zkušenosti. Použitelné byly především v minulosti před masivním nástupem výpočetní techniky, díky které jsou v současnosti používány mnohem více numerické metody pro zjištění námrazy. Přesto není nutné tyto empirické postupy zatracovat. Jsou totiž použitelné i v současnosti a to pro rychlý úsudek zda se námraza vyskytuje či nikoliv. Bohužel se tyto zkušenosti s nástupem mladých meteorologů postupně ztrácí. Níže uvedené empirické metody vyhodnocení námrazy jsou určeny výhradně pro práci s aerologickými diagramy. Tyto metody jsou založeny na porovnání vertikálního profilu teploty vzdychu a teploty rosného bodu. Podle vzorových případů potom meteorolog hodnotí vertikální profil ve stanovém teplotním rozsahu a při odpovídajícím průběhu vyhodnotí námrazu. Je samozřejmě možné přihlédnout i k dalším vlivům a empirickým zkušenostem, které jsou popsány v tomto článku. Výhody metody Rychlost Jednoduchost Není nutné použít vzorce Nevýhody metody Někdy nejednoznačné vyjádření o námraze Nejednoznačné vyjádření hraničních podmínek Výrazný vliv subjektivního hodnocení Nutné zkušenosti Námraza se vyskytuje v těch vrstvách, kde je dostatečný stupeň nasycení vzduchu (malé rozdíly t t d ). Nejcharakterističtější je pro oblast námrazy nasycení vyjádřené rozdíly teploty t t d od 0 do 3 C což přibližně odpovídá (při záporných teplotách) relativní vlhkosti %. Nejpříznivějšími pro námrazu bývají ty vrstvy mraků, při kterých se vyskytuje 17

18 zmenšování rozdílů t t d s výškou. Studujeme-li radiosondážní výstup musíme tedy věnovat pozornost nejen absolutním rozdílům, ale i jejím změnám s výškou. Při vyhodnocení aerologických výstupů se s námrazou nejčastěji (ne)setkáváme za těchto podmínek: Pokles deficitu rosného bodu Pokud se vyskytuje zadržující vrstva inverze, izotermie nebo s malým vertikálním teplotním gradientem, a pokud se deficit rosného bodu s výškou zmenšuje a dosahuje nejmenší hodnoty na spodní hranici vrstvy, oblast možné námrazy se nachází pod zadržující vrstvou. Klesající deficit rosného bodu v inverzní vrstvě Častěji se námraza vyskytuje pod inverzí. Jestli ale hodnota deficitu rosného bodu uvnitř zadržující vrstvy s výškou nadále klesá nebo se nemění, pak námraza se může vyskytovat nejen pod zadržující vrstvou ale i ve vrstvě inverze. Tento typ zvrstvení je typický pro oblast frontálních rozhraní. Pokles teploty s výškou s poklesem deficitu rosného bodu Pokud se v některé výšce zvětšuje rychlost poklesu teploty s výškou (zvětšuje se γ) při současném zmenšování hodnoty deficitu rosného bodu, je v této vrstvě vysoká pravděpodobnost tvorby námrazy. γ γ γ Zvyšování deficitu rosného bodu s výškou Pokud se hodnota deficitu rosného bodu D s výškou rychle zvětšuje, je výrazná námraza málo pravděpodobná Poznámka: červená čára průběh teploty v závislosti na výšce modrá čára průběh rosného bodu Poznámka: U zde popsaných empirických metod si musíme uvědomit, že vznikaly v době, kdy čidla (zvláště relativní vlhkosti), měla menší přesnost měření a poměrně velkou setrvačnost. Při průletu oblačností tato čidla reagovala výrazně pomaleji než dnes. Například relativní vlhkost přesahovala i v oblačné vrstvě zřídka hodnotu 95%. Proto bylo nutné se více zaměřit na změnu prvku s výškou než na jeho absolutní hodnotu. 18

19 V současnosti jsou čidla vlhkosti daleko citlivější. Měřená relativní vlhkost dosahuje v oblačnosti běžně hodnot okolo 100%, rychleji reagují na změny vlhkosti při výletu z oblačnosti (jak je vidět z výše publikovaných obrázků). Numerické metody vyhodnocení námrazy Numerické metody vycházejí buď z reálně naměřených dat nebo z předpovědí numerických modelů. Zde uvedené metody je možné rozdělit podle prvků se kterými pracují na dvě základní skupiny. a) Pro první skupinu je základním kritériem porovnání teploty, teploty rosného bodu, respektive deficitu teploty rosného bodu, a někdy i tlaku. Při překročení implicitně nastavených kritérií je potom vyhodnocena námraza. Tuto skupinu je možné na základě prvků se kterými pracují rozdělit na tyto podskupiny: Porovnání deficitu rosného bodu s nastavenou podmínkou Ve stanoveném teplotním intervalu se vypočte hodnota deficitu rosného bodu ve všech hladinách vertikálního profilu teploty a vlhkosti. Výsledek je potom porovnáván se stanovenými podmínkami. 1. D = t - t d 2. Porovnání D se stanovenými podmínkami -> vyhodnocení námrazy metoda D3, metoda 8*D a metoda RNLAF Posouzení poměrné ( relativní ) vlhkosti s hraniční hodnotou V daném teplotním intervalu se zjistí velikost poměrné ( relativní ) vlhkosti vzduchu ve všech hladinách vertikálního profilu teploty a vlhkosti, a porovná se s hraniční velikostí této vlhkosti. 1. Výpočet RV 2. Porovnání RV s hraniční velikostí tohoto prvku -> vyhodnocení námrazy metoda Teteryukova, Icing index Výpočet a porovnání teploty sublimace Ve stanoveném teplotním intervalu se vypočte velikost teploty sublimace t f ve všech hladinách vertikálního profilu teploty a vlhkosti. 1. Výpočet t f 2. Porovnání t f s odpovídající teplotou -> vyhodnocení námrazy Poznámka: Bod sublimace, respektive jeho teplota, je bod v němž existuje rovnováha mezi pevnou a plynnou fází. metoda Frost Point Výpočet parciálních a absolutních tlaků vodní páry a jejich porovnání Ve všech hladinách vertikálního profilu teploty a vlhkosti, které obsahuje stanovený teplotní interval, se vypočte velikost parciálního tlaku vodní páry nad vodou pro teplotu vzduchu a maximální napětí vodní páry nad ledem pro teplotu rosného bodu. Výsledek je potom porovnáván se stanovenými podmínkami. 1. Výpočet e w a E i max 2. Porovnání e w a E i max s odpovídající podmínkou -> vyhodnocení námrazy (indexy: i = ice; w = water) Robitschova metoda, použití Smithsonovy tabulky 19

20 b) Druhou skupinou je skupina přímo pracující s charakteristikami oblačnosti v průběhu výstupu. Tato skupina obsahuje celý komplex vzorců a kritérií, která musí být splněny, aby meteorolog mohl vyhodnotit námrazu. Při určitém zjednodušení je možné tuto skupinu popsat pomocí následujících kroků: 1. Zadání typu oblačnosti a výšky spodní základny 2. Výpočet veličiny LWC (Liquid Water Content) 3. Vyhodnocení námrazy, popřípadě určení indexu intenzity námrazy Případně: 1. Zadání typu oblačnosti a výšky spodní základny 2. Výpočet obsahu vodních par v jednotlivých hladinách od spodní základny oblačnosti 3. Výpočet pravděpodobnosti, že celý oblak je složen z vodních kapek 4. Výpočet velikosti vodních kapek oblaku 5. Vyhodnocení námrazy 6. Určení indexu intenzity námrazy Druhá možnost je poměrně náročná na výpočty. Některé z metod obsahují i množství konstant empiricky získaných při vývoji těchto metod. Tyto konstanty potom vnáší do matematického aparátu určité zjednodušení a s tím související chybu. Je otázkou zda tato skupina metod analýzy námrazy má pro svoji náročnost zpracování opodstatnění. triviální LWC metoda, metoda SAFHQ VI. Popis některých numerických metod: Metoda D3 Jedná se o velice triviální metodu, která je v současné době používaná pouze vyjímečně. Pro vyhodnocení výskytu námrazy ve vrstvě je potřeba, aby byla splněna podmínka, že hodnota deficitu rosného bodu je rovna nebo menší jak -3 C. Její hlavní nevýhodou je to, že pro celý teplotní interval používá jen jedno kritérium. Lze ji použít pouze pro rychlou orientaci v terénu. Matematicky: Teplotní interval:. Podmínka: Intenzita:.. D = t - t d -20 C až 0 C D 3 C nelze stanovit Obdobná je metoda Teteryukova metoda, která pracuje s relativní (poměrnou) vlhkostí. Její podmínka zní: RV > 85%. 20

21 Metoda 8*D Další poměrně jednoduchá metoda vyhodnocení námrazy má oproti předchozí metodě D3 výhodu v tom, že v daném teplotním intervalu používá podmínku, která se mění v závislosti na teplotě vzduchu. Je nutné vyhodnotit uvedený matematický vztah a na jeho základě určit, zda se vyskytuje námraza. Toto vyhodnocení se provádí porovnáním hodnoty teploty a teploty rosného bodu. Matematicky:... Teplotní interval:.. Podmínky:... (musí platit současně) Intenzita:.. D = t t d -25 C až 0 C -8. D t -8. D -15 C nelze stanovit Jejím velkým negativem je ale to, že v teplotním intervalu <-25 C,-16 C > je podmínka pro vyhodnocení námrazy konstantní. Je to z toho důvodu, že pro zkoumaný interval musí také platit, že -8. D -15 C. Z této podmínky je zřejmé, že deficit používaný pro analýzu námrazy dosáhne maximální hodnoty při teplotě rovné -15 C. Při nižších teplotách (-16 C a méně) je nutnou podmínkou pro vyhodnocení námrazy to, aby pro deficit platilo: D cca 2 C (15 C / 8). Tento fakt výrazně omezuje využití této metody v celém teplotním intervalu. Metoda RNLAF Opět se jedná o poměrně triviální metodu, která byla v nedávné době používaná Holandským královským letectvem ( odtud název metody). Pro vyhodnocení výskytu námrazy ve vrstvě je potřeba, aby byla splněna podmínka, že hodnota deficitu rosného bodu je rovna nebo menší jak nastavené kritérium. Tato podmínka je ale oproti metodě D3 závislá na teplotě vzduchu. Matematicky: Teplotní interval:.. D = t t d -22 C až 0 C Podmínky: D 2 C pro interval < 0 C, -8 C> D 3 C pro interval < -8 C, -16 C> D 4 C v intervalu < -16 C, -22 C> 21