Кратко

• Турбулентность — это хаотичное, неупорядоченное движение жидкости или газа с вихрями разных размеров, когда инерционные силы преобладают над вязкими.
• Переход от спокойного (ламинарного) к турбулентному потоку определяет число Рейнольдса: для труб оно обычно превышает примерно 2300–4000.
• В атмосфере турбулентность возникает из-за сдвига ветра, гор, конвекции и струйных течений; самая коварная — турбулентность ясного неба.
• Для самолётов это ощутимая «болтанка», но современные конструкции выдерживают даже сильные толчки без повреждений.
• Интенсивность оценивают как лёгкую, умеренную, сильную или экстремальную; большинство пассажиров сталкиваются лишь с первыми двумя.
• Предсказать все случаи невозможно, но ремни безопасности и профессиональная подготовка экипажа существенно снижают риски.

Турбулентность — это режим течения жидкости или газа, в котором скорость и давление в каждой точке хаотично меняются во времени и пространстве. Вместо ровных слоёв, скользящих один по другому, появляются вихри, закрученные струи и резкие колебания. Именно так ведёт себя вода в быстрой горной реке, дым от сигареты на расстоянии от фильтра или воздух вокруг самолёта, когда его начинает трясти.

В физике это одно из самых сложных и до сих пор не до конца разгаданных явлений. Ричард Фейнман как-то назвал турбулентность важнейшей нерешённой проблемой классической физики. Вместе с тем мы сталкиваемся с ней ежедневно: от перемешивания кофе ложкой до полётов на высоте 10–12 километров. Разберём, как она устроена, почему появляется и что с этим делать, особенно в авиации.

Научное определение и ключевой параметр

В гидродинамике турбулентный поток характеризуется тремя основными чертами: нерегулярностью, диффузией (быстрым перемешиванием) и диссипацией энергии. Крупные вихри передают энергию меньшим, те — ещё меньшим, пока вязкость не превращает её в тепло. Этот каскад описывал ещё Льюис Фрай Ричардсон в 1920-х годах словами: «Большие вихри имеют маленькие вихри, которые питаются их скоростью…».

Главный критерий, который показывает, будет поток спокойным или бурным, — безразмерное число Рейнольдса. Оно равно отношению инерционных сил к силам вязкости:

Re = ρ · u · L / μ

где ρ — плотность, u — характерная скорость, L — характерный размер (диаметр трубы, размах крыла и т. д.), μ — динамическая вязкость. Для течения в круглой трубе ламинарный режим обычно сохраняется при Re меньше примерно 2300. В переходной зоне (2300–4000) поток может «прыгать» туда-сюда. Свыше 4000 почти всегда становится турбулентным. Эти границы не абсолютны: если вход в трубу очень гладкий и нет возмущений, ламинарность иногда сохраняется даже при значительно более высоких значениях.

На практике я замечал, как в узком садовом шланге при слабом напоре вода течёт ровно, а стоит открыть кран сильнее — струя сразу разбивается на хаотичные брызги. Это и есть переход через критическое число Рейнольдса.

Ламинарный и турбулентный режимы: в чём разница

В ламинарном потоке частицы движутся параллельными слоями. Скорость меняется плавно от стенок к центру. Перемешивание минимально, сопротивление трения относительно низкое. Такой режим встречается в очень вязких жидкостях, в тонких капиллярах или при малых скоростях.

Турбулентный поток — противоположность. Частицы хаотично перескакивают между слоями, образуя вихри разного масштаба. Из-за этого:

• растёт эффективная вязкость и теплообмен;
• увеличивается сопротивление трения (поэтому трубы для нефти или газа проектируют с учётом турбулентности);
• улучшается перемешивание (полезно в химических реакторах и двигателях).

Интересный нюанс: иногда турбулентность даже снижает общее сопротивление. Классический пример — ямочки на поверхности мяча для гольфа. Они провоцируют ранний переход к турбулентности в пограничном слое, отодвигают точку отрыва потока и уменьшают зону разрежения позади мяча. Мяч летит дальше.

Турбулентность в атмосфере: почему трясёт самолёт

Воздух — тоже жидкость (газ с очень малой вязкостью). На высотах крейсерского полёта число Рейнольдса для самолёта огромное, поэтому почти любое возмущение быстро перерастает в турбулентность. Чаще всего пассажиры ощущают её по трём причинам.

Механическая и орографическая турбулентность

Когда ветер обтекает горы, здания или даже лесной массив, за препятствием образуются вихри. Особенно сильные — горные волны. Стабильный воздух, перетекающий через хребет, колеблется вниз по ветру, иногда на сотни километров. Под волнами могут возникать роторы — мощные закрученные структуры, опасные для лёгких самолётов.

Конвективная (термическая) турбулентность

В тёплый день земля нагревается неравномерно. Тёмные поля, асфальт, скалы отдают тепло быстрее. Поднимаются «термики» — столбы тёплого воздуха. Более холодный воздух опускается. Самолёт, попадающий в такой столб, резко подбрасывает или проваливается. Сильнее всего это ощущается летом днём на малых и средних высотах, особенно под кучевыми облаками.

Турбулентность ясного неба (Clear Air Turbulence)

Самая коварная. Нет облаков, радар ничего не показывает, а самолёт вдруг начинает трясти. Главная причина — сдвиг ветра вблизи струйных течений. Это узкие «реки» быстрого воздуха на высоте 9–15 км. Скорость в ядре может отличаться от окружающего воздуха на 100–150 км/ч и больше. На краях струи возникают зоны сильного сдвига, порождающие вихри.

По данным исследований последних десятилетий, частота умеренной и сильной турбулентности ясного неба в некоторых регионах (Северная Атлантика, например) заметно выросла. Связывают это с изменением интенсивности струйных течений из-за потепления.

Интенсивность и что чувствует пассажир

Пилоты и диспетчеры пользуются четырьмя градациями:

Большинство людей за всю жизнь полётов никогда не сталкиваются с чем-то сильнее умеренной. Сильная случается значительно реже, а экстремальная — исключительно. Современные пассажирские самолёты рассчитаны с огромным запасом прочности. Крыло Boeing 787, например, во время сертификационных испытаний гнули до тех пор, пока оно не сломалось — нагрузка значительно превышала любую реальную турбулентность.

По наблюдениям коллег-пилотов и собственному опыту перелётов, самое неприятное — именно внезапность. Когда ремень отстёгнут, а бортпроводники раздают еду, даже умеренный толчок может закончиться синяком. Поэтому правило «пристегнуться и сидеть» работает лучше любых прогнозов.

Как экипаж и наземные службы пытаются её обойти

Пилоты получают SIGMET и AIRMET — специальные сообщения об опасных явлениях. Используют бортовой радар (он видит лишь влажную конвекцию), отчёты других экипажей и модели прогноза. Для турбулентности ясного неба модели становятся всё точнее, но полностью предсказать её до сих пор трудно.

Если зона известна заранее, маршрут меняют на несколько десятков миль в сторону или меняют эшелон. Иногда помогает уменьшить скорость до рекомендованной для турбулентности — это снижает нагрузку на конструкцию.

На земле диспетчеры разносят самолёты по высоте и горизонтали, чтобы избежать спутной турбулентности от тяжёлых машин. Вихри за большим Airbus или Boeing могут быть опасны для следующего лёгкого самолёта ещё несколько минут.

Что делать пассажиру

Самое простое и самое действенное — держать ремень пристёгнутым в течение всего полёта, даже когда табло погасло. Не ставить тяжёлые вещи на полку над головой так, чтобы они могли выпасть. Если чувствуете, что начинает трясти, сразу сядьте и пристегнитесь. Детям и тем, кто боится, лучше занять место у крыла — там амплитуда колебаний меньше.

Алкоголь и кофе перед возможными «ямками» не лучшие союзники: они усиливают ощущение дискомфорта. Лучше вода и спокойный разговор или музыка.

Турбулентность — естественная часть полёта, как волны для корабля. Она редко становится причиной серьёзных инцидентов именно потому, что самолёты и экипажи к ней готовы. Понимание механизма снимает лишний страх и позволяет просто пережить несколько минут тряски, зная, что всё под контролем.

Если летите впервые или особенно волнуетесь — выберите место ближе к центру фюзеляжа, держите ремень застёгнутым и помните: то, что кажется вам сильным толчком, для конструкции самолёта — обычная рабочая нагрузка. А после посадки можно будет с улыбкой вспомнить, как «покатались на американских горках» на высоте десяти километров.