Pomysł polskich fizyków na uniknięcie turbulencji

Turbulencji można będzie unikać, korzystając z danych standardowo przesyłanych z pokładów samolotów komercyjnych linii lotniczych. Dotąd najczęściej stosowaną metodą były – nie zawsze dokładne – raporty pilotów.

Gwałtowne wstrząsy, z jakimi możemy mieć do czynienia lecąc samolotem, to wynik turbulencji w atmosferze. To zawirowania powietrza związane z różnicą prędkości wiatru na różnych wysokościach. Mimo rozwoju techniki, wykrywanie tych groźnych zjawisk atmosferycznych wciąż jest dalekie od doskonałości. Wszystko wskazuje jednak na to, że dane pozwalające omijać obszary turbulencji, a nawet przewidywać ich występowanie, są już rejestrowane rutynowo – i to od wielu lat!

Jacek Kopeć, doktorant z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) oraz pracownik Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego UW, wydobył te cenne informacje z parametrów lotu standardowo wysyłanych przez transpondery zainstalowane na pokładach większości nowoczesnych samolotów komercyjnych. Nowa metoda detekcji turbulencji okazała się tak oryginalna i potencjalnie łatwa do szybkiego wprowadzenia na szeroką skalę, że opisujący ją artykuł został wyróżniony przez redakcję czasopisma „Atmospheric Measurement Techniques”. O badaniach poinformowali przedstawiciele FUW w przesłanym PAP komunikacie.

System detekcji turbulencji, opracowany w Instytucie Geofizyki FUW, nie wymaga żadnych znaczących inwestycji w infrastrukturę lotniczą: do jego działania wystarczy odpowiedni program i komputer w prosty sposób podłączony do aparatury odbierającej dane z transponderów samolotów, należącej do standardowego wyposażenia instytucji zajmujących się nadzorem ruchu lotniczego w Europie. Rolę czujników w tak skonstruowanym systemie pełnią same samoloty pasażerskie, które nad Europą tworzą gęstą sieć punktów pomiarowych.

Fizycy pokazali, że obszary turbulencji można lokalizować z dokładnością do 20 km. Taką odległość samoloty pasażerskie pokonują w ok. 100 sekund, zatem osiągnięta dokładność pozwalałaby pilotom podjąć skuteczny manewr omijania.

„Dzisiejsze samoloty komercyjne latają na wysokościach 10-15 km, gdzie temperatura spada do – 60 stopni Celsjusza. Warunki do pomiarów parametrów atmosfery są bardzo trudne i to tłumaczy, dlaczego nie prowadzi się ich ani systematycznie, ani na szeroką skalę. Brak dostatecznie dokładnych i aktualnych danych nie tylko powoduje, że samoloty i ich pasażerowie są wystawiani na niebezpieczeństwo, ale także ogranicza rozwój teorii i narzędzi służących do przewidywania turbulencji” – mówi Jacek Kopeć.

Obecnie podstawową metodą gromadzenia danych o turbulencjach jest PIREP, czyli raporty pilotów przekazywane drogą radiową i rozpowszechniane przez kontrolera ruchu wśród pilotów innych samolotów. Z uwagi na subiektywność ocen, tak zebrane dane są obarczone znacznymi niedokładnościami: zarówno miejsce wystąpienia turbulencji, jak i jej intensywność, często są raportowane błędnie. Bardziej precyzyjnych danych dostarczają specjalne samoloty AMDAR (Aircraft Meteorological Data Relay). To jednak sposób zbyt kosztowny.

Samoloty pasażerskie są wyposażone w czujniki rejestrujące wiele parametrów lotu. Niestety, większość danych nie jest upubliczniana, a powszechnie dostępna reszta zawiera tylko najbardziej podstawowe informacje, takie jak położenie samolotu (transmisje w trybie ADS-B; na ich podstawie działa m.in. popularny serwis www.FlightRadar24.com) czy jego prędkość względem ziemi oraz powietrza (dane z trybu Mode-S). Tymczasem wykrycie turbulencji wymaga wiedzy o przyspieszeniu doznawanym przez samolot w kierunku pionowym.

„Przyspieszenia pionowe są najdotkliwiej odczuwane zarówno przez pasażerów, jak i sam samolot. Niestety, akurat do materiałów o przyspieszeniach pionowych nie ma dostępu" – przyznaje Jacek Kopeć. Badacze postanowili więc sprawdzić, czy nie można byłoby tych informacji wywnioskować z innych parametrów lotu, dostępnych w transmisjach Mode-S I ADS-B. "Samolot wykonujący pomiary na potrzeby projektu, w którym uczestniczyłem, był wyposażony w odpowiedni transponder. Dzięki zbiegowi okoliczności transmisje z transpondera zostały nagrane przez naszego współautora, Siebrena de Haana z Royal Netherlands Meteorological Institute w Holandii” – wyjaśnia Jacek Kopeć.

Naukowcy z FUW przetestowali trzy algorytmy wykrywania turbulencji. Pierwszy bazował na informacjach o położeniu samolotu (transmisje ADS-B). Wstępne testy i ich porównanie z parametrami zarejestrowanymi przez znajdujący się w tym samym rejonie przestrzeni powietrznej samolot pomiarowy nie przyniosły jednak zadowalających rezultatów. Dwa pozostałe algorytmy korzystały – każdy w nieco inny sposób – z napływających co cztery sekundy parametrów transmitowanych w trybie Mode-S. W jednym podejściu do ich analizy użyto standardowej teorii turbulencji, w drugim zaadaptowano metodę wyznaczania intensywności turbulencji stosowaną dotychczas w pomiarach turbulencji w poszyciu leśnym, w bardzo małych skalach.

„W najbliższych miesiącach czeka nas jeszcze praca nad udoskonalaniem oprogramowania. Najważniejsze mamy jednak już za sobą: udowodniliśmy, że zaproponowana przez nas metoda detekcji turbulencji rzeczywiście działa i jest w stanie dostarczać informacji pozwalających pilotom ominąć niebezpieczne obszary atmosfery. Detekcja turbulencji pozwoli też udoskonalić metody prognoz lotniczych” – podkreśla promotor pracy doktorskiej Jacka Kopcia i współautor publikacji prof. Szymon Malinowski z FUW.

Prace nad systemem detekcji turbulencji zrealizowano w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki. Samolotowa kampania pomiarowa, która stanowiła źródło danych do badań, została sfinansowana z VII Programu Ramowego Unii Europejskiej.