W pierwszym wpisie serii o ekstremalnych warunkach panujących za oknem samolotu pisałem o ciśnieniu i związanym z nim pięknym, 100 000 razy dziennie powtarzanym „kłamstwie” kapitanów odnośnie do wysokości, na której samolot leci (sic!). Dzisiaj przyjrzymy się zjawisku temperatury powietrza. Ustalimy jak zimno może być na wysokości przelotowej, dlaczego w zasadzie im wyżej tym zimniej, skoro to Słońce nas ogrzewa oraz przyjrzymy się powodom, dla których samoloty uwielbiają zimno i dlaczego tak trudno jest zmierzyć temperaturę zewnętrzną. Wyjmiemy termometr spod pachy, umieścimy go za oknem samolotu i wspólnie się zaskoczymy nieraz. Zapraszam!
Na #drogadokokpitu opowiadam o swojej (nadal trwającej) historii zostawania pilotem samolotu pasażerskiego. Znajdziecie tutaj mieszankę typowego bloga, #ciekawostki o #lotnictwo i #samoloty oraz praktycznych informacji dla osób, które również chciałyby podjąć takie wyzwanie, np. ile to wszystko mnie kosztuje, a także ile trwa.
Tu się nie da żyć
Część 2. - czas potrzebny na przeczytanie: ~12 minut
Zero absolutnie ważne
Znajomość obecnej, przyszłej i często przeszłej (sic!) wartości temperatury jest kluczowa dla każdej osoby zaangażowanej w transport lotniczy. Począwszy od specjalisty obsługi naziemnej, pilota, członka personelu pokładowego, mechanika, przez kontrolera ruchu lotniczego, informatora służby informacji powietrznej, ratownika SAR, po pasażera – nie sposób wskazać na kogo ten parametr nie oddziałuje. Temperatura to nie tylko ryzyko oblodzenia, czy czynnik rzutujący na grubość kurtki zabranej w podróż, bądź do pracy. To chociażby krytycznie ważna zmienna warunkująca to, czy samolot w ogóle zdąży się rozpędzić i oderwać od drogi startowej, wznosić na tyle wartko aby przewyższyć wszelkie potencjalne przeszkody, albo nie zderzyć się z takowymi podczas schodzenia do lądowania. To od temperatury zależy prędkość dźwięku, parametry spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, czy widzialność, albo też maksymalna wysokość występowania takich zjawisk atmosferycznych jak burze.
Drop it like it’s hot
Moje wpisy nie mają charakteru wyczerpujących temat. Mogą co najwyżej wyczerpać czytelnika. Nie poczuwam się do opisania wszystkiego tego, co pilot winien wiedzieć, albowiem nie wystarczyłoby mi do tego wiedzy, miejsca oraz czasu. Pozwolę sobie pominąć kwestie wysoce zaawansowane, o których – w miarę moich możliwości – możemy na życzenie pogadać w komentarzach oraz te najbardziej banalne i oczywiste.
Tytuł tego akapitu dość dobrze opisuje ogólną zasadę obowiązującą w lotnictwie – samolot lubi się z niską temperaturą. Im zimniej, tym lepsze są parametry wszelkiej maści silników oraz właściwości lotne płatowca. Wynika to z faktu, że niska temperatura koresponduje z większą gęstością powietrza, a zatem – z jednej strony obficiej go w komorze spalania, więc pozwala to na zwiększenie mocy jak przy działaniu naturalnej turbosprężarki, a z drugiej gęstsze powietrze generuje większą siłę nośną. Siarczysty mróz skraca więc rozbieg samolotu oraz ułatwia mu wznoszenie. Zjawisko to nie jest teoretyczne. W strefach tropikalnych i subtropikalnych wytycza się dłuższe drogi startowe, a trasy odlotowe z lotniska należy projektować z większą rozwagą. Sam niejednokrotnie poczułem praktyczny wpływ niskiej temperatury na to jak latają lekkie samoloty. Taki Tecnam P2006 całkiem sprawnie wznosi zimą w trakcie ćwiczenia lotu na jednym silniku, a latem trudno mu utrzymać wysokość. Z kolei niektóre szkoły lotnicze zawieszają operacje w czasie największych fal upału i bynajmniej chodzi tu o komfort w kabinie.
Druga strona medalu to przede wszystkim ryzyko związane z oblodzeniem silnika i płatowca. Nie ma przy tym liniowej zależności temperatury do poziomu zagrożenia. To ma miejsce przeważnie przy wartościach od +10 stopni Celsjusza do -40 stopni Celsjusza. Powyżej tej wartości nie powinno dochodzić do oblodzenia wlotów silnika, płatowca oraz gaźnika w przypadku samolotów o napędzie tłokowym, albowiem nawet w chmurze odpowiednio kontakt zimnej powierzchni z wilgocią (jeżeli chodzi o wlot i płatowiec) oraz dalsze zmniejszenie wysokości temperatury w wyniku dyfuzji, do której dochodzi w gaźniku, nie powinny stwarzać ryzyka. Przy takich wartościach jak -40 stopni Celsjusza powietrze jest już na tyle suche, że lód nigdzie nie powinien się gromadzić. Nawet chmury o takiej temperaturze składają się jedynie z kryształków lodu, które nie mają tendencji do osadzania się gdziekolwiek.
Przy znacznych mrozach stwarza się jednak problem z wysokością. W chłodnym powietrzu wysokościomierze barometryczne zawyżają wskazania – znowuż w wyniku wahań gęstości ośrodka. Istnieje nawet pewna mnemotechnika dla pilotów – if it’s cold, don’t be bold (jeśli jest zimno to pilnuj się synek). Procedury dla niektórych lotnisk posiadają oznaczenie temperatury granicznej, poniżej której należy zastosować określone poprawki wysokości.
Poza tym, więcej powietrza w komorze spalania – o czym dwa akapity wyżej – stwarza konieczność zwiększenia ilości spalanego paliwa w czasie celem zachowania odpowiedniej proporcji mieszkanki. Samoloty o napędzie turbośmigłowym oraz turboodrzutowym potrzebują bardzo dokładnych pomiarów do precyzyjnego sterowania pracą silników, które odbywa się za pośrednictwem automatycznych systemów FADEC – Full Authority Digital Engine Control.
Czasem istotna jest nie tylko wartość bezwzględna, ale relacja dwóch temperatur – tej zewnętrznej oraz aktualnej temperatury punktu rosy – wartości, przy której w danych warunkach dojdzie do kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu. Zasada jest prosta – im bliżej one się znajdują, tym mniej przejrzyście za oknem. Ich zrównanie oznacza wystąpienie mgły (przy gruncie) lub chmury (powyżej ziemi). Temperatura zewnętrzna nigdy jednak nie będzie niższa od temperatury punktu rosy. Nie ma jednak oczywiście przeszkód, by obie były ujemne. Ten temat jest silnie związany z oblodzeniem.
Zaznaczę tylko z kronikarskiego obowiązku, że temperatura jest jedynym parametrem, od którego zależy lokalna prędkość dźwięku. Im zimniej, tym dźwięk podróżuje wolniej. Fizyka fali uderzeniowej, krytyczna liczba Macha, przepływ nadkrytyczny i inne takie to tematy, do których obiecałem sobie wrócić jedynie wówczas, gdy zmusi mnie do tego konieczność uosobiona w potencjalnym przyszłym pracodawcy.
Zadajmy sobie jednak pytanie – skąd wiemy jaka temperatura panuje na lotnisku lub na zewnątrz lecącego samolotu? „Termometr, @PositiveRate, think!” to nie jest wystarczająca odpowiedź. Powodzenia przy posługiwaniu się termometrem umieszczonym na rozgrzanym nosie samolotu, który właśnie wleciał z prędkością 800 km/h w chmurę kryształków lodu.
Nie znasz – oceniaj
Wiemy już czym jest ISA (International Standard Atmosphere) oraz jak burzliwa była historia jej ustanawiania. Standard ten określa omówione już założenia odnośnie do ciśnienia, ale dotyczy także m.in. pionowego rozkładu temperatury w atmosferze. Przyjęto na potrzeby standaryzacji, że na poziomie morza panuje temperatura +15 stopni Celsjusza, a spada ona w troposferze o 0,65 stopnia Celsjusza na każde 100 metrów wysokości. W ten sposób 0 stopni Celsjusza można by było odczytać stojąc na szczycie Świnicy – góry wyrosłej na 2302 metry ponad poziom morza. Tymczasem, kiedy publikuję niniejszy tekst, tj. 21 lutego 2026 roku – o ile wierzyć pani pogodynce – za oknem mam 1 stopień Celsjusza powyżej zera. Zapewniam jednak wszelkich czytelników, że nie atakuję właśnie żadnego tatrzańskiego szczytu. Nie jestem też pewien, czy woda umieszczona w garnku wyniesionym na 200 metrów ponad moją głowę zamarzłaby. ISA przydaje się jednak w wielu sytuacjach, w których dokonywanie pewnych przybliżeń nie sprowadzi kłopotów, a pozwoli na szybkie oszacowanie sytuacji.
Chłodna kalkulacja
Jak widać – znajomość obecnej temperatury jest bardzo ważna. Źródłem wiedzy o niej może być szereg depesz meteorologicznych będących owocem pracy służb meteorologicznych w postaci przede wszystkim IMGW oraz kilku podmiotów pracujących lokalnie, na pojedynczych lotniskach. Polecam pobawić się trochę stroną https://awiacja.imgw.pl/ lub zadzwonić sobie do lokalnego portu lotniczego, gdzie można odsłuchać automatycznej informacji pogodowej (nie trzeba nic gadać i znać się na tym wszystkim – informacja o temperaturze jest poprzedzona słowem „temperature”, a o punkcie rosy „dew point”. Poniżej numery telefonów:
-
Bydgoszcz: +48-52-324-7137
-
Gdańsk: +48-58-340-7457
-
Kraków: +48 12 639 7557
-
Katowice: +48-32-392-7857
-
Łódź: +48-22-574-7257
-
Modlin: +48-22-574-5557
-
Poznań: +48-61-896-7357
-
Rzeszów: +48-22-574-7657
-
Szczecin: +48-91-496-7957
-
Warszawa: +48-22-574-5957
-
Wrocław: +48-71-323-4857
Na każdym z portów lotniczych znajduje się ogródek meteorologiczny, którego nieodzowną częścią jest budka umieszczona na standardowej międzynarodowo wysokości 2 metrów nad poziomem gruntu. W niej znajdują się m.in. dwa termometry, zwykły i „mokry”. Pierwszy mierzy temperaturę powietrza jako OAT – Outside Air Temperature, a długi służy określeniu wartości punktu rosy. Pomiary są dostarczane w kilka miejsc, z których jednym jest biuro służby meteorologicznej.
Aby poznać wartości na innych wysokościach można posłużyć się satelitą meteorologicznym, który wykorzystuje mikrofale oraz pomiary podczerwieni, bądź radiosondą, czyli urządzeniem przytwierdzonym do balonu meteorologicznego, która to sonda ma dość zwykłe termometry. Balony te wypuszcza się w Polsce dwa razy na dobę, tj. o północy i w południe. Mamy cztery stałe bazy, na obszarze których się to odbywa – Legionowo (koło Warszawy), Łeba, Tarnów oraz Wrocław. Oprócz tego pasjonaci i naukowcy puszczają inne balony, niemniej to już niekoniecznie na potrzeby bieżącej informacji meteorologicznej.
Samoloty zaś posiadają pokładowe termometry. Najbardziej prymitywne – rtęciowe są już niespotykane. Lekkie samoloty wyposaża się w urządzenia oparte o zjawisko skracania się i wydłużania metalowej spirali albo termometry elektroniczne, dość podobne do samochodowych.
Załogi dużych, czyli przede wszystkim szybkich, samolotów niestety nie mogą czerpać wiedzy zebranej w ten sposób. Wcześniej skierowałem życzenia „powodzenia” w stosunku do każdego, kto chciałby oprzeć się o wskazania zwykłego termometru przyczepionego do takowej maszyny. Stosuje się tam rurki, do których powietrze wpada, a jego część zakręca o 90 stopni i trafia na odpowiedni czujnik.
Najbardziej oczywistym problemem jest działanie światła słonecznego, które padając bezpośrednio na termometr, powodowałoby błędy w odczycie. Stąd, termometr musi być odpowiednio osłonięty. To jest przyczyna umieszczenia całości w rurce, która – z dalej przytoczonych powodów – ma zakręt, a całość przypomina wewnątrz literę „T”. Ponadto, prędkość samolotu względem powietrza powoduje, że to trafiające do rurki najpierw znacznie przyspiesza, a potem zwalnia w trakcie zakrętu, by znowu przyspieszyć na wylocie. Konsekwencją takiego przepływu są znaczne wahania energii gazu i przez to jego temperatury. Powietrze to może prowadzić do oblodzenia układu, więc należy podgrzewać wlot. Tego efekt musi zostać znowu ujęty w ostatecznym odczycie. Powodem rozgałęzienia do kształtu litery „T” jest konieczność odseparowania kropel wody oraz drobin lodu. Cząsteczki te posiadają bezwładność, zatem nie dają się zakręcić i, a to właśnie za zakrętem montuje się czujnik, z którym wilgoć nie ma kontaktu. Sam pędzący samolot nagrzewa się, a ciepło roznosi się także na przymocowane do niego elementy i rzeczona rurka nie jest wyjątkiem. Trzeba zatem zastosować specjalną izolację samego czujnika od rurki. Efektem działania tak skonstruowanego urządzenia jest TAT – True Air Temperature. Jego wartość jest wyświetlana w kokpicie samolotu, a ponadto trafia do ADC – Air Data Computer, gdzie jest jeszcze przeliczana m.in. na SAT – Static Air Temperature oraz wykorzystywana na potrzeby działania szeregu urządzeń. Od FMS – Flight Management System, przez wspomniany wcześniej FADEC, systemy klimatyzacji PACK – Pneumatic Air Cycle Kit or Pressure & Air Conditioning Kit I wiele innych.
TAT posiada wartość co najmniej SAT, ale w czasie lotu taka temperatura może być wyższa o 20-30 stopni od temperatury zewnętrznej. Po co w ogóle stosuje się dwie wartości? TAT jest bardzo przydatny do obliczeń osiągowych, a w szczególności do kalkulacji prędkości TAS – True Air Speed, czyli prędkości rzeczywistej względem powietrza, która uwzględnia błąd ściśliwości powietrza przy znacznych prędkościach. SAT mówi nam m.in. o lokalnej prędkości dźwięku – bo przypominam, że tylko od temperatury jest ona zależna.
Pamiętacie OAT omawiany jako wynik pracy ogródka meteorologicznego w porcie lotniczym? Możemy przyjąć, że SAT to taki OAT w locie.
No to jak zimno jest na wysokości przelotowej?
Mając już tę całą wiedzę będzie nam dużo prościej odpowiedzieć na tytułowe pytanie. Ale musimy jeszcze jedną rzecz wiedzieć – temperatura jest zasadniczo najwyższa przy ziemi, potem spada do osiągnięcia tzw. tropopauzy, która wieńczy troposferę. Od tej wysokości temperatura osiąga stałą wartość na kolejne 1-3 kilometry wysokości. Rzeczone wyhamowanie spadku temperatury powoduje zatrzymanie wszelkich zjawisk konwekcyjnych, takich jak chmury, czy burze, które nie są w stanie rosnąć już wyżej. Powyżej tropopauzy temperatura nieznacznie… rośnie. Dzieje się to w stratosferze, w której dolnych częściach napotykamy jeszcze samoloty. Z dalszym wzrostem wysokości temperatura jeszcze się waha, czasem bardzo istotnie. Termosfera nieprzypadkowo otrzymała taką nazwę, albowiem setki kilometrów nad nami powietrze – choć ekstremalnie rzadkie – ma temperaturę około 1500 stopni Celsjusza. To już dalece wykracza poza zakres niniejszego wpisu.
Dlaczego jednak w troposferze, w której spędzamy większość naszego życia, temperatura w zasadzie spada z wysokością, skoro to Słońce jest źródłem większości ciepła na Ziemi? Otóż troposfera nagrzewa się dość nieintuicyjnie. Promienie słoneczne przedzierające się przez tę warstwę atmosfery nieznacznie ją podgrzewają, a następnie trafiają na powierzchnię Ziemi. Ta absorbuje energię i oddaje ją jak nagrzany w słońcu kamień – im bliżej niej tym silniej. Im dalej tym powietrze powinno być zimniejsze, natomiast są od tego wyjątki – inwersje, będące przyczyną np. porannych mgieł, które nie mogą się unieść, bo powietrze nad nimi jest cieplejsze. Często można wydedukować pojawienie się inwersji w słoneczne, zimowe dni, kiedy to dym z kominów rozlewa się poziomo. Te wahania są istotne dla pilotów, albowiem wraz z inwersjami występują turbulencje. Spadek temperatury z wysokością może być też szybszy, albo wolniejszy i z tym wiążą się pojęcia gradientów suchoadiabatycznych i wilgotnoadiabatycznych, o których kiedyś na pewno opowiem, ponieważ są bardzo ważne dla fizyki chmur.
Wiedząc to wszystko, odpowiadam na pytanie na dwójnasób.
Bazując na ISA - -56,5 stopnia Celsjusza. Jest to wartość przyjęta tam na sztywno i bywa ona przyczyną błędnych odpowiedzi na pytania egzaminacyjne do licencji pilota samolotowego liniowego ATPL – Air Traffic Pilot Licence, które na szczęście mam za sobą. Otóż czasem każą oni dokonać obliczeń jakiegoś parametru na danej wysokości i łatwo jest zapomnieć, że spadek o ustalone 0,65 stopnia Celsjusza kończy się na tej wartości.
Jeżeli chodzi o doświadczenia empiryczne – na wysokości przelotowej raczej nie można spodziewać się wartości dodatnich, a okolic od około -30 stopni Celsjusza do nawet -85 stopni Celsjusza. Ale jak widzicie – bez względu na ostateczny wynik – proces i metoda otrzymania takiego pomiaru wymaga solidnej dawki inżynierii.
Załączniki:
-
schemat termometru dużego samolotu;
-
pionowy rozkład temperatury wraz z wzrostem wysokości;
-
termometr dużego samolotu;
-
wyświetlacz z Airbusa pokazujący temperatury TAT, SAT, ISA;
-
termometr z lekkiego samolotu.
Źródła:
-
Załącznik 3 do Konwencji Chicagowskiej z 1944 r. - Służba meteorologiczna dla międzynarodowej żeglugi powietrznej;
-
Padpilot Ltd. Meteorology. 2nd ed., Version 1.18. Gloucester, UK: Padpilot Ltd., December 2022. ISBN 978-1-909600- 68-3;
-
Padpilot Ltd. Basic Instruments. 2nd ed., Version 1.10. Gloucester, UK: Padpilot Ltd., October 2022. ISBN 978-1- 909600-70-6.
