W trakcie takich wydarzeń jak Szczyt Klimatyczny w Davos, czy imprez towarzyskich pokroju czerwcowego ślubu miliardera Jeffa Bezosa z Lauren Sanchez w Wenecji, z różnych stron padają pytania o to, dlaczego wielu uczestników podobnych wydarzeń musi koniecznie przylecieć na miejsce na pokładzie prywatnego odrzutowca. Odpowiedź jest dość prosta i od razu jej udzielę. Otóż, na wysokościach przelotowych samolotów pasażerskich panują skrajnie niekorzystne warunki dla bytowania człowieka, więc powinno się taką podróż odbywać w izolacji od nich, np. właśnie jako pasażer niewielkiego Learjeta.
Opiszę jakie warunki panują na zewnątrz samolotu lecącego na wysokości około kilkunastu kilometrów, jak bardzo nieprzyjemne, bądź przyjemne (sic!) byłoby wystawienie się na ich działanie i jak długo można tego doświadczać przed utratą przytomności lub zgonem.
Na #drogadokokpitu opowiadam o swojej (nadal trwającej) historii zostawania pilotem samolotu pasażerskiego. Znajdziecie tutaj mieszankę typowego bloga, ciekawostek 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 1. - czas potrzebny na przeczytanie: ~8 minut
W pierwszym - dość odległym już w czasie - wpisie zwierzyłem się ze swojej przypadłości polegającej na tym, że jestem niespecjalnie utalentowany w pisaniu wstępów i dlatego ten powyższy może brzmieć trochę cynicznie, choć na co dzień tej cechy raczej nie przejawiam. Uważam, że ekologia w ruchu powietrznym jest ważna i leży w interesie nas wszystkich. Chciałbym żeby wrogość w stosunkach ludzkość-atmosfera pozostała zwrócona jedynie przeciwko nam. Na każdym kroku powinno się o tym myśleć, nawet w sprawach tak błahych jak spasowanie elementów statków powietrznych. Wiedzieliście bowiem, że 5 milimetrów niedokładności w montażu drzwi wejściowych średniej wielkości samolotu turboodrzutowego skutkuje wzrostem spalania paliwa o około 9 100 kilogramów rocznie? 1 centymetr to już 21 100 kilogramów, a brak uszczelki w drzwiach cargo to ponad 2 000 kilogramów więcej spalonego paliwa na rok.
Co gdyby takich drzwi, bądź całego samolotu w ogóle nie było?
Przyjrzyjmy się następującym parametrom górnych warstw troposfery oraz dolnych stratosfery, które stanowią środowisko bytowania samolotów pasażerskich: ciśnieniu, temperaturze, promieniowaniu, zawartości tlenu, w tym tego w formie ozonu, wilgotności oraz pionowym i poziomym ruchom powietrza. Omówię je po kolei w następujących po sobie wpisach i składam w tym miejscu deklarację, że zawrę tu tylko skondensowane powtórki z geografii, fizyki, czy z mnóstwa materiałów o podstawach lotnictwa, które znajdują się w Internecie, a więcej miejsca poświęcę zagadnieniom „insiderskim” oraz ciekawostkom. W ten sposób zamierzam nie powielać wiedzy szkolnej i typowych „ciekawostek o lotnictwie”, ale jednak pewnych podstaw nie damy rady sobie darować.
Bro, you’re high…
Większość osób wie, że samoloty pasażerskie latają na wysokości około 8-12 kilometrów. Wartości wysokości w lotnictwie wyraża się jednak raczej w stopach i po takim przeliczeniu otrzymamy zakres od około 26 000 do blisko 40 000 stóp. Ten zakres można przedstawić jeszcze inaczej, tj. pod postacią poziomów lotu, czyli tak jak się to robi przede wszystkim w tak zwanym „dużym” lotnictwie. Taka operacja, o ile zadowoli nas mocno przybliżony wynik, jest bardzo prosta i polega jedynie na podzieleniu liczby stóp przez 1000. Zatem – po raz kolejny przekształcając te wartości – otrzymamy wynik FL260 – FL400 (FL – „_Flight Level_”, z ang – poziom lotu). Ten właśnie wycinek przestrzeni przeanalizujemy w najbliższej przyszłości.
Zacznijmy od początku, tj. od ustalenia, że rzeczywiście znajdujemy się w odległości 8-12 kilometrów od powierzchni, a w kolejnych wpisach sprawdzimy co stałoby się z człowiekiem, który wystawiłby się na warunki tam panujące.
100 000 kłamstw dziennie
Niewielu pasażerów zdaje sobie sprawę z tego, że kiedy kapitan informuje o osiągnięciu wysokości przelotowej np. na poziomie 33 000 stóp, czyli 10 kilometrów, to mija się z prawdą. Gdyby bowiem wyrzucić za okno bardzo długą miarkę (np. centymetr krawiecki używany przez rodzicielkę Twojego kolegi), to rzeczywisty pomiar będzie różnił się od deklaracji kapitana, czasem o dość znaczną wartość. Podstawowym powodem takiego stanu rzeczy jest ciągła zmienność gęstości powietrza w przebiegu słupa powietrza znajdującego się pod samolotem. Biorąc pod uwagę liczbę dzienną liczbę operacji samolotów pasażerskich na świecie – takie kłamstwo pada około 100 000 razy na dobę.
Nasza atmosfera składa się z materii, a zatem ma masę. Wobec tego, że znajduje się ona w polu działania grawitacji Ziemi – ma również wagę. I to nie małą, bowiem słup powietrza o podstawie 30x20 centymetrów i wysokości 130 kilometrów (przybliżona górna granica atmosfery), z uwzględnieniem standardowego gradientu spadku jego gęstości ze wzrostem wysokości, to około 650 kilogramów.
Siła przyciągania utrzymuje atmosferę wokół planety. Współistnienie masy atmosfery oraz grawitacji odczuwamy jako ciśnienie. W świetle tego, że powietrze jest płynem – jest ono ściśliwe, a jego ciśnienie podlega ciągłym fluktuacjom. Z tych powodów – co do zasady – ciśnienie jest wyższe w niższych partiach atmosfery, a w wyższych – niższe. Nie miażdży nas, gdyż działa prawie równomiernie ze wszystkich kierunków, co umożliwia osiągnięcie równowagi sił zewnętrznych i wewnętrznych, tj. działających na powietrze ze strony organizmu.
Ciśnienie nie spada też o taką samą wartość ze wzrostem wysokości, tylko w pierwszych kilku kilometrach robi to zdecydowanie szybciej niż w kolejnych. Spadek nie jest liniowy. 50% masy atmosfery mieści się w pierwszych 5 kilometrach jej wysokości, a ta sięga (w zależności od źródła) do około 120 kilometrów, choć niektóre publikacje podają wartości dużo wyższe.
Precyzja (nie)godna zegarmistrza
Wspomniany kapitan nie dysponuje tak długim centymetrem krawieckim, ale za to ma podstawowe przyrządy pomiarowe w postaci kilku wysokościomierzy barometrycznych (zwykle 4 na samolot pasażerski), które są barometrami – urządzeniami, których zasadą działania jest pomiar ciśnienia. Barometry te – aby były przydatnymi – nie mogą zakładać liniowego spadku ciśnienia wraz z wysokością, ponieważ – jak już ustaliliśmy – spadek ten nie jest liniowy. Na poziomie morza 1 hektopaskal różnicy w pomiarze to 27 stóp, czyli około 8 metrów. W rejonach, które nas bardziej interesują, czyli np. powyżej 8 kilometrów – spadek ciśnienia o 1 hektopaskal to już około 50 stóp, a zatem niewiele ponad 15 metrów. Stąd, wysokościomierze wymagają pewnych poprawek – kalibracji. Można to osiągnąć mechanicznie lub elektronicznie w ten sposób, że żeby pokazać zmianę wysokości np. o wartość 100 stóp, wysokościomierz będzie oczekiwał innego spadku lub wzrostu ciśnienia na wysokości poziomu morza, a innego na wysokości przelotowej. Szczególnie ciekawe są poprawki mechaniczne, gdyż te stosowane są za pomocą elementów mechaniki precyzyjnej, podobnych do tych, które tworzą tradycyjne zegarki. Na wysokościach przelotowych te korekty są bardzo znaczne. Prawidłowo skalibrowany wysokościomierz pokaże wysokość 8 kilometrów jako około 26 000 stóp, czyli FL260. Jego ubogi w zębatki kolega powie, że znajduje się w odległości około 5.3 kilometra od ziemi, tj. wskaże niewiele ponad 17 700 stóp – FL177. Nie uwzględni przecież, że każdy kolejny hektopaskal to coraz większa różnica wysokości.
No dobrze – to skoro posiadamy te wszystkie precyzyjne narzędzia, to dlaczego podważam prawdziwość deklaracji kapitana o wysokości? Właśnie dlatego, że odczyty i kalibracje bazują na pewnym idealnym założeniu wobec materii tak zmiennej, jaką jest atmosfera.
Wiersz, w którym autor grzecznie, acz stanowczo uprasza liczne zastępy bliźnich, aby mu atmosferę opomiarowały
Już w połowie XIX wieku, w Bostonie, Stirling i Krefeld, mądrale, ścisłowiedy, chlipały swą intelektualną zupę i radziły nad przyjęciem wzorcowych parametrów atmosfery takich jak temperatura, ciśnienie, gęstość powietrza, lepkość kinetyczna, czy prędkość dźwięku oraz ich zmienność w zależności od wysokości. Było to potrzebne wówczas do obliczeń związanych z wysokością lotu załogowych balonów, czy – niewiele później – także na potrzeby balistyki jako dziedziny nauki. Różne gremia czcicieli radia i fizyki przyjęły swoje wzorce i w ten sposób, w jednym czasie mieliśmy osobne założenia w USA, Wielkiej Brytanii, Włoszech, Niemczech i we Francji. Wraz z umiędzynarodawianiem się lotnictwa… i balistyki, pojawiła się potrzeba standaryzacji na większym obszarze niż jedno państwo. W latach 20. XX wieku poczęto zawierać porozumienia w formie umów międzynarodowych, ale i to nie wystarczyło. Dopiero w 1952 roku przyjęliśmy w skali globalnej jeden model atmosfery – ISA („International Standard Atmosphere_” – z ang. atmosfera wzorcowa). Światowe porozumienie umożliwił fakt ówczesnego zrzeszenia większości państw jako członków związanej z ONZ organizacji ICAO („_International Civil Aviation Organization” – z ang. Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego). Orzekliśmy, że w naszej Globalnej Wiosce, na poziomie morza temperatura wynosi +15 stopni Celsjusza i spada o 6,5 stopnia z każdym kilometrem wysokości aż do 11 kilometrów, gdzie zatrzymuje się na wartości -56,5 stopnia Celsjusza (potem jeszcze wzrasta, ale to wykracza poza zakres tematyczny tego wpisu), ciśnienie w miejscowościach nadmorskich wynosi 1013,25 hektopaskala, a jego spadek nie jest stały z wysokością itd.
Ten brak stałości spadku ciśnienia jest też widoczny w definicji poziomu lotu (FL). Na wstępie przybliżyliśmy sobie różnicę pomiędzy poziomami lotu w ten sposób, że dzieliliśmy liczbę stóp przez 1000. Jednak zgodnie ze sztuką jest przyjmować różnicę między nimi nie w odległości pionowej wyrażonej np. w stopach, a w zmianach ciśnienia pomiędzy nimi. Widzicie – poziomy lotu są tylko teoretycznie i w przybliżeniu oddalone od siebie o 1000 stóp, a w praktyce zdefiniowano je tak, że ustanowiono pomiędzy nimi sztywne różnice wyrażone w hektopaskalach i może być tak, że z uwagi na ciśnienie i temperaturę, pomiędzy mijającymi się samolotami na różnych poziomach lotu nie będzie np. 1000 stóp, tylko np. 800 lub 1100. Trochę szerzej piszę o tym dalej.
ISA podlegała później dalszym zmianom, udoskonaleniom i rozwinięciom. I tak, zaczęto standaryzować coraz wyższe wysokości, czy uszczegóławiać różnice dzielące niskie i średnie szerokości geograficzne od tych wysokich, znajdujących się w pobliżu biegunów geograficznych. Co prawda różne ośrodki badawcze, naukowe i inżynieryjne nadal posługiwały i posługują się swoimi modelami, niemniej operacje lotnicze wykonuje się w zasadzie wyłącznie w oparciu o ISA.
15 stopni i dorsz za 150
Dzisiaj (12 lipca 2025 roku) rzeczywiście w Gdańsku panuje +15 stopni Celsjusza, ale ciśnienie nie wynosi 1013,25 hektopaskala, a 1010. Nie mówiąc już o wspomnianym wyżej Bostonie, gdzie wartości te aktualnie stanowią odpowiednio 21 stopni i 1019 hektopaskali. Dziś wieczorem, za tydzień w południe, lub w Wigilię Bożego Narodzenia pomiary pokażą jeszcze inne parametry. Co więcej, obecnie w Gdańsku temperatura punktu rosy to 14 stopni Celsjusza, co implikuje możliwość występowania tam chmur o niskiej podstawie (sprawdziłem – tak jest rzeczywiście), a w tych chmurach powietrze nie ochładza się o 6,5 stopnia na kilometr wysokości, lecz wolniej i jest to związane z takim pojęciem jak gradient wilgotnoadiabatyczny.
Są to tylko niektóre wartości, które należy wziąć pod uwagę analizując prawdziwą odległość statku powietrznego od ziemi, względem tej deklarowanej przez wysokościomierz barometryczny. Szczęście w nieszczęściu jest takie, że pomimo tych różnic, przybliżenia wskazane w ISA nadal zasadniczo działają. 3 hektopaskale różnicy pomiędzy ciśnieniem w Gdańsku i wg ISA powodują, że obiekty latające poruszają się jedynie o około 100 stóp, tj. 30 metrów niżej niżby to było w ISA. Temperatura w Bostonie sprawia, że te z nich, które znajdują się na wysokości przelotowej, są o około 700 stóp wyżej niż w ISA, czyli trochę ponad 200 metrów. Co więcej, z uwagi na to, że wszystkie one są poddane działaniom tych samych rozbieżności od atmosfery wzorcowej – nie ma większego ryzyka zderzenia, gdyż każdy samolot, śmigłowiec, czy szybowiec w okolicy jest odpowiednio o tych 30 metrów niżej, czy 200 metrów wyżej niż wskazuje mu na to wysokościomierz barometryczny.
Zasadniczo wysokościomierze umożliwiają ustawienie na nich odpowiedniego ciśnienia i w ten sposób część błędu jest usuwana. Do tego celu służy pokrętło, a ustawiona wartość ciśnienia pokazana jest w odpowiednim okienku. Niestety, na wysokościach przelotowych ustawia się ciśnienie STD - 1013 hPa lub 29.92 inHg (cali słupa rtęci). Zdarza się, że wysokościomierz umożliwia też nastawę w mmHg (milimetrach słupa rtęci - wówczas ciśnienie STD wynosi 760 mmHg). Wobec ustawienia wysokościomierza do wartości odpowiedniej dla ISA - powstaje ten błąd, choć załatwia się w ten sposób problem ujednolicenia nastaw wysokościomierzy pomiędzy wieloma statkami powietrznymi w odległych lotach.
Dewiacje na Mount Everest
Problem jest gdzieś indziej niż w ryzyku kolizji z innym ruchem. Cały czas mówimy bowiem o wysokości nad poziomem morza, pomijając to, że od poziomu gruntu możemy być dużo bliżej, co rodzi ryzyko zdarzeń takich jak CFIT („_Controlled Flight Into Terrain_” – z ang. kontrolowany lot ku ziemi). Jeżeli bowiem przyjąć, że samolot ma przelecieć nad Mount Everest, która ma wysokość około 8 848 metrów, a załoga planuje wykonać ten lot na wysokości 10 000 metrów, czyli na FL330, to nadal może nastąpić zderzenie z ziemią! Wg ISA – temperatura zewnętrzna winna tam wynieść -51 stopni Celsjusza, a ciśnienie 265 hektopaskali. Gdyby jednak temperatura rzeczywista spadła do -84 stopni Celsjusza, a ciśnienie do 230 hektopaskali, to samolot zderzyłby się z górą około 150 metrów poniżej jej szczytu. Implikuje to konieczność zwracania uwagi na różnice pomiędzy wskazaniami wysokościomierza i rzeczywistością, biorąc pod uwagę właśnie odstępstwa – lub inaczej dewiacje – od ISA.
Podając bowiem pasażerom informację, że właśnie osiągnęliśmy wysokość 33 000 stóp lub 10 000 metrów, kapitan przekazuje jedynie odczyt z wysokościomierza barometrycznego, bez brania poprawki na ciśnienie, temperaturę i ich inne od standardowych pionowe zmiany, np. związane z gradientem sucho i wilgotnoadiabatycznym, a także nie uwzględniając tego, że teren nad którym wykonywana jest operacja, w istocie nie musi być poziomem morza. Tych parametrów można wymieniać jeszcze wiele, gdyż np. lot w wietrznej dolinie – za sprawą działania Prawa Bernoulliego – będzie wykonywany w rzeczywistości niżej niż nad otwartym terenem, niemniej przedmiotowa ściana tekstu zaczyna budzić moje obawy o to, czy w ogóle technicznie uda się niniejszy tekst opublikować na hejto.pl.
Inne rozwiązania
Zapytacie – to nie można jakoś lepiej mierzyć wysokości? Można i tak się też robi. Na niedużych wysokościach (do 2 500 stóp nad terenem, czyli około 760 metrów), szczególnie w trakcie manewrowania w górzystym terenie lub podczas podejścia do lądowania, wykorzystuje się radiowysokościomierze, które działają na zasadzie emisji fal radiowych i liczenia czasu potrzebnego na ich powrót po odbiciu od terenu. To jest jednak rozwiązanie – jak pisałem – na niższych wysokościach niż typowa przelotowa oraz tutaj też występują błędy – szczególnie w zakrętach. Inna metoda to odczyt tzw. pseudoodległości z dość licznych satelitów GNSS (np. GPS, GLONASS, Beidou). Jeżeli mamy dostępną odpowiednią konstelację satelitów, tj. jest ich odpowiednio dużo, wówczas wysokość ta jest możliwa do odczytania. Problem tylko jest taki, że model Ziemi wykorzystywany przez satelity (Np. WGS-84), a rzeczywisty kształt naszej planety, nie pokrywają się idealnie i powodują tzw. zjawisko undulacji, które także bierze się pod uwagę i wprowadza stosowne poprawki, niemniej dotyczy to szczególnie podejść do lądowania.
Co dalej?
W następnych wpisach opowiem o tym jakie warunki atmosferyczne można napotkać na wysokościach przelotowych i jak groźne są one dla człowieka, ale określając np. ciśnienie parcjalne tlenu na danej wysokości, temperaturę, promieniowanie, czy czas potrzebny na zgon w takich okolicznościach, posługiwać się będę wysokościami odniesionymi do ISA. Kłamstwo powtarzane 100 000 razy dziennie musi jednak stać się prawdą właśnie pod postacią pewnego wzorca, bez którego nie umiemy opowiadać o lotnictwie.
Zdjęcia:
-
Wysokościomierz barometryczny z widocznym okienkiem na ustawienie ciśnienia w calach słupa rtęci;
-
Wysokościomierz barometryczny z widocznymi okienkami na ustawienie ciśnienia w calach słupa rtęci i w milibarach (mb/hPa).
Źródła (wybrane):
-
ICAO Doc 10013 - Operational Opportunities to Reduce Fuel Burn and Emissions;
-
ICAO Doc 8168 - Procedury Służb Żeglugi Powietrznej Operacje Statków Powietrznych;
-
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.
