當飛機碰上亂流

撰文 / 盧衍良；審稿 / 成功大學交通管理科學系教授 張有恆
 

　　搭乘飛機的時候，常會聽到空服員廣播「飛機即將經過一段不穩定氣流，請確實扣緊安全帶！」不穩定氣流指的就是亂流，它會使飛機搖晃，甚至嚴重傷害機體。高空上如何形成亂流？什麼樣的現象
稱得上亂流？

生活中的亂流現象 
　　想要了解亂流，可以從比較熟悉的「水」去觀察。站在河邊看著潺潺流水，便很容易發現，當流速非常緩慢時，水流會井然有序的前進，此時稱之為層流（laminar flow）；若流速較快，水面則會產生擾動，有些地方會形成漩渦，水流變得混亂而不一致，這就是亂流（turbulent flow）的最基本現象。從層流變成亂流的過程中，稱為過渡流（transitional flow）。

　　同樣的情況也會發生在氣體流動。觀察燃燒中的香菸，當白色煙霧裊裊上升時，線條非常均勻平滑，但是當煙霧上升到一定高度後，也會變得混亂而形成漩渦狀，這也是亂流。形成亂流的條件很多，流速快慢只是其中一個因素，也是最容易觀測到的，其他如流體的黏性、流動規模大小、接觸表面的粗糙度等，也都會導致亂流的形成。

　　飛機航行在大氣中所遭遇的亂流有很多類型，典型且常見的有「雲雨亂流」與「山岳波亂流」。

空氣熱對流造成亂流 
　　雲雨亂流的產生，多半是因為空氣的「熱對流」（heat convection）作用所致。受到強烈太陽照射、吸收許多熱量而升溫的地表，會加熱附近的空氣，地表附近空氣受熱後膨脹上升，擠壓上層冷空氣下降，形成熱對流；此時，由於空氣的密度發生變化，形成不均勻狀態，造成空氣與空氣之間彼此擠壓摩擦，無法維持井然有序的流動，這種對流的過程便會產生亂流。

　　熱對流跟用鍋子燒開水的對流現象很類似，之所以稱之為雲雨亂流，是因為在對流過程中，空氣中的水氣會形成積雲（cumulus），因此飛機駕駛員如果觀察到積雲，就可以判斷該處可能有亂流而選擇避開。

山坡地形造成亂流 
　　山岳波亂流主要是山坡地形作用所導致。當空氣在山的迎風面沿山坡上升時，風速隨著山的坡度升高而增快，在氣流爬升至山頂時達到最大。當氣流通過山頂後，受到地形障礙物高度降低的影響會迅速下降，於是產生下降氣流；隨後再因為地面摩擦作用，使得位居前端的底層空氣流動較緩慢，並導致後端持續前進的空氣向上推擠，造成空氣產生漩渦一樣的擾動。因山坡地形所產生的亂流通常發生在通過山峰後數公里處、形成浪花狀的渦動雲（roll cloud），這就好像河水流過大石頭後，會在大石頭後方產生漩渦是一樣的。飛機駕駛通常也會避免進入此空域中。

閃過亂流的法寶 
　　雲雨亂流與山岳波亂流都伴隨著水氣，可以利用氣象雷達偵測。飛機的氣象雷達裝在機鼻，主要功能是偵測前方大氣的狀態，雷達發出的電波在遭遇水氣時會反射回來，透過計算回波的強弱，即可換算前方水氣的多寡，若前方有大量水氣，就可能存在亂流，駕駛員會繞過該雲層，朝氣流較穩定的區域飛行。

　　儘管目前氣象雷達已可以偵測到伴隨水氣的亂流，但還是有些亂流無法被偵測出來，所以為了自身的安全，坐飛機時還是應該全程繫妥安全帶，以避免不預期的亂流造成傷害。

無聲無息的晴空亂流 
　　氣象雷達雖然可以協助飛行員避開嚴重的亂流，卻躲不過晴空亂流（clear air turbulence）。晴空亂流是指在晴朗無雲的環境下發生之亂流，它通常沒有很明顯的水氣存在，因此無法由氣象雷達偵測出來，也不能藉由觀察雲層分佈加以判斷，往往在遭遇後才知道它的存在。

　　晴空亂流的成因很多，根據一般經驗判斷，當風速超過每小時200公里，就可能伴隨晴空亂流。例如在冬季北緯25~50度的高空西風帶內，常常會有噴射氣流存在，它的內部和周遭區域多半都是晴朗狀態，偶爾伴隨些許卷雲（cirrus），所引起的亂流往往非常強勁，因流速極快而得「噴射」之名，最快可達每小時數百公里（比強烈颱風還要快上1~2倍）；這就好像是在裝滿水的浴缸中用水管強力噴出的水流，水流周圍往往都會有很多擾動的現象，因此噴射氣流附近的空域很容易造成晴空亂流。

　　然而，噴射氣流的存在並不意味著一定會出現晴空亂流，駕駛員雖然可以透過氣象資料知道噴射氣流的存在，但並無法確切預測是否有亂流。正因為晴空亂流的不可預測性，飛機一旦遭遇到它，後果常常不堪設想，甚至造成人員傷亡，例如1997年12月28日一架自東京飛往夏威夷的客機，就遇上了強烈的晴空亂流，飛機瞬間急降30多公尺，並且持續上下巨幅擺動，造成一名乘客死亡、100多人受傷。這一類的案例非常多，就算幸運無人傷亡，過程仍然叫人膽顫心驚。

　　目前運用在飛航安全上的科技，還沒有辦法偵測到晴空亂流，只能靠已經通過亂流空域的飛機駕駛向航管單位回報，再由相關單位向其後可能通過此空域的飛機發出警告，不過已有研究人員嘗試發展新一代的氣象雷達。新式氣象雷達將不只偵測前方水氣存在與否，也偵測空氣中懸浮粒子的動態，遇到像晴空亂流這類的氣象型態，縱使沒有水氣存在，雷達仍能夠偵測出前方空氣懸浮粒子的震盪現象，並藉此判斷是否存在晴空亂流，這項科技仍處於實驗階段，尚未通過航空主管機關的認證，待經過一系列嚴謹的實驗認證後，也許在不久的將來，新一代的氣象雷達就可問世，為飛航安全注入更多的保障。

延伸閱讀
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高一課本《基礎地球科學》

【本文轉載自《科學人雜誌》2008年12月號，科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】