מטוסים מקורקעים בגלל חום כבד, שכבות אוויר לא יציבות בשחקים ונתיבי טיס שצפויים להשתנות – משבר האקלים משפיע גם על ענף התעופה
מאת אסף בן נריה, זווית, סוכנות ידיעות למדע ולסביבה
27 נוסעים פצועים, חלקם עם שברים וחבלות קשות – אלו היו תוצאותיה של טיסה בין מוסקבה לבנגקוק שהיתה אמורה להיות שגרתית למדי. מטוס הבואינג 777 של חברת התעופה הרוסית אירופלוט היה במרחק של 40 דקות טיסה בלבד משדה התעופה של בנגקוק, כשלפתע צנח וטולטל באוויר במשך שניות ארוכות. “דם על התקרה, אנשים עם אף שבור, תינוקות שנפצעו”, כך תיאר אחד הנוסעים את מה שאירע באותן שניות לכתב CNN. “זה בא משום מקום, המטוס קפץ לכל הכיוונים. זה הרגיש כמו לנסוע ברכב שבו אחד הגלגלים לפתע מתפוצץ”.
לפי הודעת חברת התעופה, הגורם לטלטלות הקשות שחווה המטוס הוא מעבר דרך שכבת אוויר לא יציבה – טורבולנציה. כיום, אין אמצעים מדויקים שיכולים לחזות את מיקומם המדויק של השמיים הטורבולנטיים, מה שמסביר את העובדה שנורית חגורות הבטיחות כלל לא נדלקה לפני שהמטוס הרוסי החל לרקוד באוויר. מסיבה זו בדיוק, לאחר הגעה לגובה השיוט, בדרך כלל ימליץ הטייס לנוסעים לחגור את חגורת הבטיחות כל זמן שהם ישובים. אם עד עכשיו לא התייחסתם להודעת הקברניט בנושא, אולי כדי להתחיל להקשיב לו, משום ששינוי האקלים יהפוך את הטיסות של העתיד לקופצניות הרבה יותר, כך עולה ממחקר שפורסם לאחרונה.
חם יותר – מטלטל יותר
הקשר בין שינוי האקלים לענף התעופה שעולה מהמחקר החדש הוא עוד הוכחה לכך שמשבר האקלים העולמי הוא לא רק הבעיה של כמה תושבי איים נידחים שהים מאיים לכסות, אלא משפיע על החיים של כולנו – בים, ביבשה וגם באוויר. ואכן, עלייה בתדירותם ועוצמם של אירועי מזג אוויר קיצוני כתוצאה משינוי האקלים מאיימת על ענף התעופה, המושפע מהאקלים יותר מכל סוג תחבורה אחר. לפי מחלקת התחבורה האמריקאית, עיכובי טיסה שקשורים במזג אוויר קיצוני הם הגורם הגדול ביותר לעיכובי טיסה כיום. רק לאחרונה, למשל, נאלצה חברת התעופה אמריקן אירליינס לבטל טיסות רבות לאחר שטמפרטורת האוויר בשדה התעופה באריזונה שבארצות הברית הגיעה ל-48 מעלות.
מחקר שבחן את השפעת התחממות טמפרטורת האוויר על פני כדור הארץ, והעלייה במספר אירועי החום הקיצוניים, מצא שיהיו לכך השלכות קשות על המראות מטוסים, במיוחד כאשר מדובר בשדות עם מסלול המראה קצר ובמטוסים קטנים יחסית. המחקר בחן ארבעה שדות תעופה גדולים בארה”ב ומצא שמספר הימים שבהם יחולו הגבלות על משקל ההמראה צפוי לגדול ב-200 אחוזים ב-30-50 השנים הבאות בהשוואה להיום. בפיניקס בירת אריזונה, למשל, מספר ימי ההגבלה צפוי לעלות מאפס כיום ל-20 בשנת 2050.
וכמו שכבר ראינו, אם המטוס יקבל אישור להמריא, הוא צפוי להיקלע לשכבת אוויר בלתי יציבה. מחקר שפורסם בחודש מאי האחרון מתריע כי עם העלייה בריכוז הפחמן הדו חמצני באטמוספירה, כתוצאה ממשבר האקלים העולמי, השכיחות של המקרים בהם המטוס יפגוש בזרמי אוויר טורבולנטיים (Clear Air Turbulance) במהלך הטיסה תגבר. בעוד שמחקרים קודמים הצביעו על קשר בין שינוי האקלים לבין עליה במקרים של טורבולנציה חמורה עד קשה, המחקר הנוכחי מצא כי העלייה תהיה בכל רמות החומרה של הטורבולנציה – מהקלה ועד החמורה. במחקר נבדק תרחיש שבו ריכוז הפחמן הדו חמצני באטמוספירה מוכפל ביחס לעידן הטרום תעשייתי, מה שלפי הערכות שונות עלול להתרחש כבר בסוף המאה הנוכחית. לאור העובדה שריכוז הפחמן הדו חמצני באוויר, שנמדד באופן רציף על הר מאונה לואה שבהוואי, חצה כבר מזמן את רף ה-400 ppm ומתקרב כעת ל 410 חלקים למיליון, תרחיש זה נראה מציאותי מתמיד.
החוקרים מצאו כי באטמוספירה עם ריכוז גזי חממה כפול מספר הפעמים בהם מטוס נוסעים יפגוש באוויר עם טורבולנציה המוגדרת כ”קלה” יגדל ב-59 אחוז. טורבולנציה מהסוג הקל היא גם השכיחה ביותר, לכן מדובר בנתון משמעותי עם השלכות על נוחות הנוסעים בטיסה ועל עלויות הטיסה, שכן אוויר טורבולנטי מגביר את צריכת הדלק של המטוס ולעתים גם מאלץ את הטייס לשנות נתיב במהלך הטיסה.
קפיצה של 30 מטר באוויר
לפי המודל בו השתמשו החוקרים, המקרים בהם הטייס ייאלץ לתמרן דרך טורבולנציה בינונית יכפילו את עצמם בעוד מספר המקרים של טורבולנציה קשה צפוי להיות מוכפל פי 1.5. לנתון האחרון תהיה השפעה לא רק על נוחות הנוסעים, אלא גם על בטיחותם, שכן טורבולנציה קשה עלולה לגרום לנזקים מכניים למטוס.
טורבולנציה מתארת מצב של אוויר לא יציב, והיא נובעת לרוב מזרמים אנכיים של אוויר או אזורים עם לחץ נמוך (“כיסי אוויר”). טייסים מתקשים להתחמק מכניסה לטורבולנציה, משום שהיא לרוב נעלמת ממערכות הלוויינים וההתראה של המטוס, וכמובן גם מעיני הטייס.
הטורבולנציות מסווגות בהתאם לחומרתן. הסוג הקל מאופיין ברעידות קלות ובתנועה אנכית של המטוס מעלה או מטה מספר מטרים בודדים, ולבד מחוסר הנוחות הזמני, לרוב אין סכנה לנוסעים או למטוס במצב זה. טורבולנציה בחומרה בינונית, לעומת זאת, מתרחשת כיום אחת לכמה אלפי שעות טיסה. במקרה כזה כלי הטייס עלול לסטות כעשרה מטרים למעלה או למטה, מה שעלול לגרום לתחושת חוסר נוחות בקרב הנוסעים. טורבולנציה חמורה נדירה הרבה יותר, ובה עלול המטוס לקפוץ עד לגובה של 30 מטרים בפרק זמן קצר מאוד. במקרים אלה עלולים נוסעים שאינם חגורים להיפצע, ומספר מקרי מוות אף תועדו במשך השנים.
בגובה שבו טסות מרבית הטיסות האזרחיות קיימים שטפי אוויר מהירים המכונים זרמי הסילון. מרבית זרמי הסילון בכדור הארץ הם ממערב למזרח, ומטוסים לעתים משתמשים בזרמים אלה כדי לקצר את זמני הטיסה (לכן טיסה מניו יורק לתל אביב תהיה לעתים קצרה יותר מאשר המסלול הנגדי). חוקרים סבורים כי שינוי האקלים ישפיע גם על זרמי הסילון ובתזוזה שלהם כלפי נתיבי הטיסה הטרנס-אטלנטיים הנפוצים כיום. האוויר שנמצא בקצוות של זרמי הסילון אינו יציב, ושם יימצאו לרוב האזורים שחשופים לטורבולנציות. לכן, עם שינוי הזרמים צופים החוקרים כי המטוסים – ומי שטס בהם – יפגשו אותם בתכיפות גדולה בהרבה בעתיד הלא-רחוק.
22 תגובות
ישראל
אני לא מכיר נתונים של מסוקים אבל ריחוף צורך הרבה דלק, וריחוף גבוה צורך הרבה יותר. הסיבה לנצילות הנמוכה היא משטר הזרימה סביב הרוטור. זה לא שונה מהותית מהמצב במטוס כנף קבועה במהירות איטית.
בטיסה קדימה המסוק מתקדם לתוך אוויר עומד. בריחוף האוויר הדחוס מתחת לרוטור נשאב ללחץ הנמוך שמעליו. יש דונאט של מערבולות מסביב לרוטור שגורם לרוח אנכית יורדת – המשמעות היא הקטנה בזוווית ההתקפה.
בגובה נמוך הקרקע מפריעה למערבולת הזאת ומקטין את האפקט. אותה תופעה קיימת בנחיתה במטוסים אזרחיים – עליה מסויימת בעילוי באפקט הקרקע.
נכון..
אז בשביל כל הוואג׳רס – מנועים, מדחפים, עמאיית – אם כל כדור פורח יכול להישאר שנים באוויר בלי לשרוף אפילו נר?
ותכלס, במציאות, כמה אנרגיה צריך באמת לשרוף כדי להחזיק 10 טונות שעה באוויר? (לא שאני יודע) ולמה כל כך הרבה (למרות שאני לא יודע כמה)?
ישראל
אני חושב שההספק המינימלי הוא 0.
כדאי גם להוסיף בעניין המדחף ככנף מסתובבת את נושא פרופיל הכנף וזווית ההתקפה: אנו רואים שבמטוסים איטיים הפרופיל עבה וזווית ההתקפה – נטיית הכנף ביחס לכיוון הטיסה – גבוהה. כך מקבלים עילוי מקסימלי.
במדחף המסתובב המהירות גדלה ביחס ישיר למרחק מציר הסיבוב, כמו בכל גלגל. לכן במדחף בקרבת הציר הפרופיל עבה וזווית ההתקפה גבוהה, והפרופיל הולך וצר וזווית ההתקפה הולכת וקטנה לקראת הקצה, כדי לקבל דחף אופטימלי ביחס להספק המנוע.
ועכשיו שאלת קיטבג קטנה: תאורטית, מבחינת הפיזיקה נטו, מהו הספק המנוע המינימלי הדרוש כדי להחזיק מסוק שמשקלו 10 טונות מרחף באוויר?
א
לגבי ה F-22 (וגם מטוסים חדישים אחרים כמו הטייפון): יש טריק במנועים האלה – הכונס מקטין את מהירות האוויר הניכנס למניפה. האוויר מואץ, ואז הנחיר מעלה את מהירות האוויר לעל-קולי, יותר מהיר מהאוויר שניכנס לכונס. יש כאן עוד סיבוך שנובע מזה שמהירות הקול תלוי בטמפרטורה של הגז אבל זה לא חשוב כרגע.
שים לב לחוק השני של ניוטון: הדחף הוא מכפלת המסה במהירות. לא מעניינים אותנו הטמפרטורה או הלחץ. כמובן שאם ניקח כלי עם חור ונחמם בו גז אז עליית הטמפרטורה תעלה את לחץ הגז ואז הוא ייפלט מהחור וייצר דחף. אבל צריך למצוא דרך למלא את הכלי מחדש. זה בעצם מה שקורה במנוע סילון – גזי הפליטה מתא השריפה מסובבים טורבינה שמסובבת מדחס שמכניסה אוויר לתא השריפה.
א
אנסה להבהיר את נושא המדחף. קח משהו כמו ביסלי גריל (שנראה כמו בורג) ודלי מלא בג’לי. תבריג פנימה את הביסלי בקצב של סיבוב בשניה. אם ביסלי חופשי והמרחק בין הפיתולים הוא 6 מ”מ אז הביסלי יתקדם 6 מ”מ בשניה, נכון? אם תמנע מהביסלי לזוז אז הוא יגרון לג’לי לנוע לאחור, כמו שאתה קודח בתוך עץ אם מקדח סלילי.
אם תנסה לדחוף את הביסלי קדימה יותר מהר מ-6 מ”מ בשניה אז יווצר התנגדות נכון?
אולי יותר קל לדמיין הברבת בורג לתוך עץ. כל אחד והדימיון שלו 🙂
זה הסבר מאד גס, אבל מספיק טוב להבנת מגבלת המהירות של כל מדחף.
מה שאמרתי על פיצוץ רק נועד להדגים שמבחינת מקור האנרגיה בלבד אין כמעט הגבלה למהירות שאפשר לשחרר את האנרגיה שבדלק ( כמובן שיש הגבלה מבחינת המנוע )
אני לא לגמרי הבנתי איך מדחף של אוניה שמסתובב מהר מידי מאט אותה. וגם לא הבנתי האם מדובר במגבלה אמתית או במשהו שתמיד אפשר לפתור ע”י מבנה של מנוע. אם הבנתי נכון אפשר אפילו לעבור את מהירות הקול בלי שימוש במבערים לדוגמה ב f-22 (במנוע יבש אתה מתכוון ללא מבער כך שהדחף נוצר רק מסיבוב? ) בכל מקרה עיקר השאלה שלי היא לגבי מטוסי נוסעים.
דבר נוסף, אמרת שלא אפשרי היום לדחוס אוויר בעוצמה של לחץ שנוצר מבעירה של מבער. נשמע הגיוני אבל האם אפשר לייצר את הלחץ על ידי חימום של אוויר (באופן חשמלי) כמו שנעשה בבעירה?
א
שום מערכת הנעה שאני מכיר לא מסתמך על פיצוץ – אפילו לא פגז בתותח או קליע ברובה. בכלי טייס צריך דחף יחסית קבוע.
יש בגדול שני דרכים לייצר דחף בכלי טייס – מדחף או זרם גזים. בוא נסגור תחילה את נושא המדחף.
אפשר להסתכל על מדחף כעל כנף סובבת. העילוי על כנף תלוי בשני גורמים (אני מפשט כדי להדגיש את מה שחשוב): מהירות וזווית ההתקפה. הזווית הזו היא הזווית בין מיתר הכנף (בערך קו דימיוני מהחלק הקידמי של הכנף לחלק האחורי) לבין הרוח היחסית, ויש לה ערך מירבי שאסור לעבור. במדחף הרוח היחסית תלויה ביחס בין מהירות הסיבוב למהירות הטיסה. כדי לדמיין את זה, תחשוב על מדחף של אוניה ונסובב אותה בקצב קבוע. במהירות איטית המדחף דוחף מים לאחור, אבל במהירות מסויימת המדחף בדיוק “מתברג” לתוך המים. במהירות גבוהה יותר המדחף בעצם יגרום להאטת האוניה!
כלומר – יש מהירות סופית של כלי טייס עם מדחף. מנוע טורבו-מניפה לא שונה מהותית. במנוע כזה, המדחף נמצא בתוך כונס, והכונס בנוי כך שהוא מאט את מהירות האוייר הניכנס למנוע. לדוגמה, במטוסי F-15/16 האוויר שמגיע למניפה הוא תת-קולי תמיד, למרות שהמטוס יכול לטוס על-קולי.
עקרונית – אין בעיה שמנוע חשמלי יסובב מנוע של מטוס קרב כמו F-15/16 אבל המנוע יפעל רק בתחום היבש (כלומר עד לכחצי מהדחף המירבי).
זרם גזים הרבה פשוט להבנה – כל מה שצריך זה את החוק השני של ניוטון. זה העקרון של מנועי סילון ללא מניפה, מצב מבער ומנועים רקטיים. עקרונית אפשר לבנות מדחס חשמלי שלא יהיה מוגבל ע”י הבעיות של המדחף (למשל – מדחס בוכנות), אבל זה קצת עתידני.
ניסים
אני מניח שהבעיה היא לא רק באנרגיה לנפח אלה גם בהספק האפשרי. דלק כעיקרון יכול לשחרר את כל האנרגיה שלו ברגע אחד (פיצוץ כמו במגדלי התאומים)
אני מניח שלסוללה יש הגבלה בעניין הזה ( מצד שני יש גם טכנולוגיה של קבלי על )
אבל בא נדבר בלי קשר למקור הזרם החשמלי.
אם אני מבין נכון מנועי סילון של מטוסי נוסעים הם מסוג טורבו מניפה. שאם הבנתי נכון משתמש בעיקר בסיבוב של הציר לצורך דחף. אז האם יש בעיה עקרונית לסובב את המניפה ע”י מנוע חשמלי או שלמנוע חשמלי יש גבול עליון של הספק.
ודבר נוסף, מלבד יצירת סיבוב על ידי שדות מגנטים לא קיימת עוד אפשרות להנעה בעזרת חשמל?
א
היום כמות האנרגיה ליחידת נפח של מצברים חשמליים מתחרה יפה בדלק נוזלי, ובקרוב גם המשקל יתחרה. אז מבחינת נשיאת משקל לטווח יש על מה לדבר.
אבל, חשמל יכול היום רק לסובב מדחף, והדחף של מדחף יורד עם המהירות. כדי לקבל דחף גבוה במהירות גבוהה צריך מנוע סילוני או רקטי.
ניסים
לא ממש קשור לכתבה אבל בנושא תעופה.
רציתי לשאול שאלה
בעקבות דיון באתר אחר על כתבה שהוצג בה מטוס חשמלי. כמובן מטוס קל ודומה למטוסי בוכנה.
ועלתה השאלה האם אפשרי בכלל מנוע חשמלי עם ביצועים שדומים למנועי סילון.( אני מדבר לאו דווקא על טכנולוגיה בשלה, אבל לפחות על משהו שהוצג בתנאי מעבדה, בעצם גם על רעיון תאורטי) אינטואיטיבי נראה שלא.
אבי
המדף ה-ת-נ-ת-ק… הוא לא גלש מהיבשה לים. גם כשיימס פני הים לא יעלו, אבל הסכנה היא אחרת. הקרח הלבן מחזיר את רוב קרינת השמש, אבל אחרי שיימס זה כבר לא יקרה.
קצב ההתחממות היא יותר גבוהה ממה שאמרת, בין פי 2 לפי 6. לפי מה שאתה אומר, כדור הארץ התחמם כבר 0.5 מעלות במשך החיים שלי. האם בכלל אתה מבין מה המשמעות של חצי מעלה בכל העולם? אנחנו חיים באיזון מאד עדין, ולחצי מעלה משמעות עצומה!! תוסיף לזה שמספר האנשים בעולם יותר מהוכפלה בתקופה זו, גם כיסוי היערות ירד בהמון.
אבי, כדאי שתפתח עיניים. כדור הארץ לא בסכנה, אבל חיי נכדייך בפירוש כן!
תיקון – לפי הצילומים שהתפרסמו נראה שהמשטח עדיין נמצא במקומו והוא רק נשבר, אם הוא יושב על יבשה כפי שאתה טוען אז כן, ברגע שהוא יגלוש לים פני המים יעלו קצת.
אבי,
האם אתה טוען שמדף הקרח הזה ישב על יבשה וגלש ממנו הצידה אל האוקיאנוס? אתה בטוח בזה? בכל מקרה הוא עדיין לא נמס, אז מדוע שמפלס המים ישתנה? תסתכל בצילומים הוא עדיין שלם…
ואני לא נגד התאוריה של ההתחממות הגלובלית אני נגד ההגזמות האלה שלדעתי רק גורמות להגברת אי האמון של אלה שלא מאמינים בזה.
ליריב
מדף הקרח הנ”ל התנתק מיבשת אנטארטיקה מעל היבשת, ולכן לפי המדענים היה אמור להעלות את המפלס.
אבי,
מדף הקרח שהתנתק צף על פני המים ולכן גם אם כולו יימס מפלס המים לא ישתנה (שים קוביית קרח גדולה בכוס מים ותן לה להינמס, אתה תראה שמפלס המים לא ישתנה). החשש עד כמה שאני מבין הוא שמדף הקרח הזה הוא רק הסנונית הראשונה, וככל שמשטח הקרח בקטבים ילך ויקטן כך יהיה פחות משטח לבן שמחזיר את קרינת השמש, ויותר שטח ימי שבולע את קרינת השמש ותורם להתחממות הגלובלית.
מה שכן יכול להעלות את מפלס המים אלו קרחונים שיושבים על קרקע מוצקה ועל פסגות הרים, כאשר אלו יינמסו ויזרמו לאוקיאנוסים המפלס מן הסתם יעלה.
ואתמול ראיתי כתבה בחדשות באחד הערוצים ה”רציניים” שהמלחמה בסוריה היא גם תוצאה של משבר האקלים.
להזכירכם , כולנו מסכימים שיש התחממות גלובלית, ושזה בגלל עליה בריכוז ה CO2 באוויר…
אבל בנתיים מדובר על עליה ממוצעת של עשירית מעלה בעשר שנים, שאפשר למדוד רק עם ציוד מיוחד .
וגם בנתיים התנתק מדף הקרח באנטארטיקה שכלכף פחדו ממנו – מה קרה למפלס הים ?.
הרצל
זה נכון. יש סכנה גם בגובה אבל הסכנה משמעותית גבוהה יותר בנחיתה.
ניסים: אתה צודק. רק שליד שדה התעופה זה נגמר בדרך כלל בהתרסקות בגלל הגובה הנמוך.
הרצל
הבעיה היא שמערכות כאלה מגלות גזירת רוח רק באיזור השדה. אני לא מכיר מערכת שיכולה לזהות CAT בגובה, ובטח לא בכל מקום בו טסים.
דווקא כן יש אמצעים לגילוי רוחות גזירה וטורבולנציות. בשדה התעופה של דנוור, קולורדו, ארה”ב, מותקנים מכ”מי לייזר (LIDAR – LASER RADAR) כבר כ-20 שנה. הם מודדים את זרמי האויר באזור השדה ומתריעים לבקרה. אני מניח שבעוד שדות הציוד הזה מותקן, אבל ידוע לי שבדנוור היתה ההתקנה הראשונה. לפני כ-30 שנה התרסק בקולורדו מוטס נוסעים עקב גזירת רוח.