aircraft turbulence란 비행 중인 항공기의 불규칙한 움직임(특히 풍속의 급격한 변화로 인해 빠른 상하 움직임을 보이는 경우)을 말한다. 난기류의 강도는 성가신 흔들림부터 항공기의 구조적 손상 및/혹은 승객의 부상이 발생할 수 있는 심한 흔들림까지 다양하다. 난기류의 영향은 항공기의 크기에 따라 달라진다는 것을 유의해야 한다. 난기류의 강도와 이에 따른 항공기의 반응의 아래에 설명되어 있다:
∙Light – 고도 및/혹은 자세(pitch, roll, 혹은 yaw)가 약간 불규칙하게 변화한다. 이를 Light Turbulence라 보고한다.
고도나 자세의 눈에 띄는 변화 없이 약간 빠르고 다소 리드미컬한 흔들림이 발생한다. 이를 Light Chop이라 보고한다.
∙Moderate – Light와 비슷하지만 그 강도가 더 크다. 고도 및/혹은 자세가 변화하지만 항공기 제어가 항상 확실하게 유지된다. 보통 지시대기속도에 변화가 발생한다. 이를 Moderate Turbulence라 보고한다.
Light chop과 비슷하지만 그 강도가 더 크다. 고도나 자세의 눈에 띄는 변화 없이 급격한 흔들림이나 충격을 유발한다. 이를 Moderate Chop이라 보고한다.
∙Severe – 고도 및/혹은 자세가 크고 갑작스럽게 변화한다. 보통 지시대기속도에 큰 변화가 발생한다. 항공기 제어가 순간적으로 상실될 수 있다.
∙Extreme – 항공기가 심하게 흔들리며 사실상 제어가 불가능하다. 구조적 손상이 발생할 수 있다.
난기류는 대류로 인해(이를 convective turbulence라 부름), 바람의 흐름을 방해하는 장애물로 인해(이를 mechanical turbulence라 부름), 그리고 급변풍(wind shear)으로 인해 발생한다.
19.2.1 Convective turbulence
대류성 난류(convective turbulence)는 대류와 이로 인한 공기의 상승 및 하강으로 인해 발생하는 난류성 수직 움직임이다. 모든 상승 기류에는 이를 상쇄하는 하강 기류가 존재한다. 하강 기류는 상승 기류보다 더 넓은 영역에서 자주 발생하며 이로 인해 상승 기류보다 수직 속도가 더 느리다.
대류는 바람이 가벼운 따뜻한 여름 오후에 가장 활발하게 일어난다. 지표면에서 가열된 공기는 얕은 불안정 층을 형성하며 이 층 안에서 따뜻한 공기들이 위로 상승한다. 지표면 가열이 증가할수록 대류의 강도와 높이가 더 커진다. 척박한 표면(예를 들어 모래나 바위가 많은 황무지나 경작된 토지)은 넓은 물이나 초목으로 덮인 땅보다 더 뜨거워진다. 따라서 지표면 근처의 공기는 불균등하게 가열된다. 불균등한 가열로 인해 대류의 강도는 짧은 거리 내에서도 상당히 달라질 수 있다.
공기는 위로 상승하면서 팽창으로 인해 냉각된다. 상승 공기의 온도가 냉각으로 인해 주변 공기와 같아지는 고도에 도달할 때까지 대류가 계속 위쪽으로 발생한다. 상승 공기가 포화 상태까지 냉각되면 적운형 구름(cumuliform cloud)이 형성된다.
맑은 오후에 주로 육지 상공에서 볼 수 있는 뭉게구름은 대류성 난류를 나타내는 지표이다. 구름의 상단은 일반적으로 대류의 대략적인 상한선을 나타낸다. 조종사는 구름 아래나 구름 속에서 난기류를 만날 수 있다고 예상할 수 있다(반면 구름 위는 일반적으로 공기가 잔잔하다. 그림 19-1 참조). 대류가 높은 고도까지 확장되면 탑적운(towering cumulus), 그리고 모루 모양의 상단을 가진 적란운(cumulonimbus)이 형성된다. 적란운은 격렬한 대류성 난류에 대한 시각적 경고를 제공한다.
대기가 너무 건조해서 적란운이 형성되지 않는다 해도 대류가 여전히 활동할 수 있다. 이를 dry convection이나 thermal이라 부른다(그림 19-2 참조). 이러한 난기류를 만나기 전까지 조종사는 난기류의 존재를 거의 알 수 없다.
19.2.1.1 Thunderstorms
모든 뇌우 내에는 난기류가 존재하며 그 강도는 severe이나 extreme이 일반적이다. severe thunderstorm은 항공기를 파괴할 수도 있다. maneuvering speed에서 항공기가 실속에 빠지거나 cruising speed에서 구조적 손상이 발생할 정도로 돌풍 하중(gust load)이 심할 수도 있다. 구름 내에서 가장 강한 난기류는 상승기류와 하강기류 사이에서 발생한다.
구름 바깥에서는 severe storm으로부터 수천 피트 상공에서, 그리고 최대 20마일 수평거리에서 shear turbulence가 발생한다. 또한 모루 구름(anvil cloud)의 가장자리로부터 20마일 이상 떨어진 곳에서는 청천난류(CAT – clear air turbulence)가 발생할 수 있다. 이러한 종류의 난기류들을 대류에 의한 난류(CIT - Convectively Induced Turbulence)라고도 한다.
뇌우 속에서 일정한 고도를 유지하는 것은 거의 불가능하며 만약 일정한 고도를 유지하려 시도하면 항공기에 가해지는 응력이 크게 증가한다. 항공기가 일정한 자세를 유지할 때 응력이 가장 적다.
돌풍 전선(gust front)과 주변 공기 사이의 low-level wind-shear zone은 난기류가 매우 심한 영역이다. 종종 지면을 따라 늘어선 먼지나 파편의 선을 통해, 혹은 수면을 따라 늘어선 물보라의 선을 통해 돌풍 전선의 위치가 나타난다. 돌풍 전선은 종종 관련 기상 현상(강수)으로부터 최대 15마일 전방까지 이동한다. 돌풍 전선은 폭풍이 접근하기 전에 지표면의 바람을 빠르고 급격하게 변화시킨다. 종종 폭풍의 앞 가장자리에 있는 “roll cloud”나 “shelf cloud”가 극심한 난기류 영역의 상단을 나타내는데, 이는 돌풍 전선에 의해 따뜻하고 습한 공기가 상승하면서 형성된다(그림 19-3 참조). shelf cloud는 multicell line thunderstorms에서 가장 흔하다.
19.2.2 Mechanical Turbulence
역학적 난류(mechanical turbulence)는 바람의 흐름을 방해하는 장애물(예를 들어 나무, 건물, 산, 그리고 등등)로 인해 발생하는 난기류이다. 장애물은 원활한 바람의 흐름을 방해해서 복잡한 소용돌이를 일으킨다(그림 19-4 참조). 이러한 소용돌이 속을 비행하는 항공기는 역학적 난류를 경험하게 된다.
역학적 난류의 강도는 풍속, 그리고 장애물의 거칠기에 따라 달라진다. 풍속이 높아질수록, 그리고/혹은 표면이 거칠어질수록 난기류가 강해진다.
바람은 난류 소용돌이를 풍하쪽으로 운반하는데 그 거리는 풍속, 그리고 공기의 안정성에 따라 달라진다. 불안정한 공기에서 형성되는 소용돌이는 안정된 공기에서 형성되는 소용돌이보다 더 크다. 대신 불안정한 공기에서는 소용돌이가 빠르게 소멸되는 반면 안정된 공기에서는 소용돌이가 천천히 소멸된다.
19.2.2.1 Mountain Waves
산악파(mountain waves)는 역학적 난류의 한 형태로 산의 상공에서, 그리고 산의 풍하쪽에서 발생한다. 산악파에 대한 자세한 내용은 Chapter 16, Mountain Weather를 참조하라.
19.2.3 Wind Shear Turbulence
급변풍(wind shear)은 Section 19.2.4에 정의되어 있다. 급변풍은 방향 및/혹은 속도가 다른 두 바람 사이에서 난기류를 생성한다(그림 19-5 참조). 급변풍은 모든 고도에서 wind shift나 풍속 변화도와 연관될 수 있다.
19.2.3.1 Temperature Inversion
기온 역전(temperature inversion)이란 고도가 높아질수록 온도가 상승하는 대기층을 말한다. 기온 역전은 보통 지면으로부터 몇 천 피트 이내의 낮은 고도에서 발생한다. 기온 역전은 야간 복사 냉각으로 인해, 전선대 부근에서, 그리고 차가운 공기가 계곡에 갇힐 때 발생한다.
종종 강한 급변풍이 기온 역전 층에서 발생하며 이는 난기류를 생성할 수 있다(그림 19-6 참조).
19.2.3.2 Clear-Air Turbulence(CAT)
CAT는 구름이 없는 지역에서 갑자기 발생하는 severe turbulence로 정의되며 이는 항공기에 격렬한 진동을 유발한다. CAT는 높은 고도(보통 15,000ft 너머)에서 발생하는(특히 제트기류의 중심부와 주변 공기 사이에서 발생하는) 난기류를 말한다. 여기에는 권운 내부의 난기류, 렌즈구름(standing lenticular clouds) 내부 및 그 주변의 난기류, 그리고 경우에 따라 뇌우 부근의 맑은 하늘에서 발생하는 난기류가 포함된다. 하지만 일반적으로 CAT의 정의는 뇌우, 저고도 기온 역전, 상승 온난기류(thermal), 강한 지상풍, 혹은 지형 특성으로 인한 난기류를 제외한다.
CAT는 모든 항공기의 운항에 영향을 미치는 것으로 알려진 문제이다. CAT가 특히나 문제가 되는 이유는 조종사에게 위험을 경고하는 시각적 단서 없이 예상치 못하게 발생하기 때문이다.
19.2.3.2.1 CAT Discussion
CAT가 주로 발견되는 지역 중 하나는 제트 기류의 근처이다. 제트 기류에는 세 가지 종류가 있다: polar front jet stream, subtropical jet stream, 그리고 polar night jet stream. polar night jet stream은 성층권에서 발생하는 현상이므로 본 교재에서는 이 제트 기류를 다루지 않는다(polar front jet stream과 subtropical jet stream의 위치와 자세한 정보를 위해 Chapter 9, Global Circulations and Jet Streams와 그림 9-4 및 9-5를 참조하라).
제트기류와 관련된 CAT는 대류권 부근에서 가장 흔하게 발견된다. CAT는 제트기류의 극 쪽 방향에서 가장 자주 발견된다(미국 상공의 경우 배풍을 따라 비행하고 있을 때 CAT가 왼쪽에 위치함). 또한 CAT는 jet stream maxima(제트기류 내에서 강풍이 강한 지역으로 제트기류의 중심을 따라 이동함) 부근에서도 흔하게 볼 수 있다.
CAT와 관련된 상층풍들은 몇 가지 패턴을 가지고 있다. 그 중 하나는 고고도에서의 깊은 기압골(trough)이다. CAT는 기압골의 가장 낮은 지점에서, 그리고 이 지점의 풍상쪽에서 자주 발생하며 특히 강한 기온 이류가 일어나는 지역의 풍하쪽에서도 잘 발생한다. CAT가 발생할 수 있는 또 다른 위치는 기압골의 중심선을 따라 위치하는데, 이곳에서는 제트기류의 중심과 극지방 쪽 바람 사이에 강한 수평 급변풍이 존재한다. 또한 CAT는 기압골의 서쪽 부분에서 풍속 최대 지점이 기압골을 따라 이동하는 동안 그 근처에서 자주 발생한다.
CAT의 생성 요인 중 하나는 두 제트기류가 만나는 것이다. 때때로 polar front jet stream이 남쪽으로 내려와 subtropical jet stream 아래를 지나가기도 한다. 이 두 제트기류가 만나는 지역과 그 풍하쪽에서 두 제트기류간의 급변풍으로 인해 난류가 매우 심하게 발생하는 경우가 많다.
CAT의 강도는 비행경로에 따라 크게 달라질 수 있다. 제트기류와 관련된 난기류 영역의 일반적인 범위는 약 길이 100 ~ 300마일로 바람 방향으로 뻗어있고, 폭 50 ~ 100마일이고, 깊이 5,000ft 정도이다. 이러한 영역은 30분에서 하루까지 지속될 수 있다.
제트기류에서 CAT가 발생하는 최소한의 풍속은 보통 110kt로 간주된다. 제트기류 중심으로부터 멀어질수록 풍속이 감소하는 비율에 비례해서 CAT가 발생할 확률이 증가한다. 이것이 바로 급변풍이다. CAT를 유발하는 것은 풍속 그 자체가 아니라 급변풍이다. 급변풍으로 인해 대기가 물결치듯 흔들리거나 실제로 뒤집어지면서 항공기에 난기류로 작용하게 되는 것이다. vertical wind shear가 1,000ft 당 5kt 이상이면, 그리고/혹은 horizontal wind shear가 150마일 당 40kt 이상이면 moderate CAT가 발생할 가능성이 있다고 간주된다.
중심부의 풍속이 110kt보다 강한 제트 기류에서는 중심부 위쪽의 sloping tropopause 근처에서, 중심부 아래쪽의 제트기류 전선 내에서, 그리고 중심부의 저기압 쪽 방향에서 강한 난기류가 발생할 가능성이 있다.
제트기류 내에서 발생하는 급변풍과 이로 인한 CAT는 산악파가 발생하는 지역의 상공과 그 지역의 풍하 측에서 더 강하게 나타난다. 산악지형 부근에서 비행경로가 강한 제트기류를 횡단한다면 CAT를 예상해야 한다.
산악파 조건에서는 vertical wind shear와 horizontal wind shear가 모두 크게 강해진다. 따라서 비행경로가 산악파 형태의 흐름을 통과하는 경우에는 turbulence penetration speed로 비행하는 것이 바람직하며 지형이 급격히 낮아지는 지역의 상공을 피하는 것이 좋다(설령 이러한 조건을 나타내는 렌즈구름이 없다 하더라도).
또한 CAT는 vertical shear와도 관련이 있다. 만약 vertical shear가 1,000ft 당 5kt보다 크면 난기류가 발생할 가능성이 높다.
구불구불한 제트기류의 가장자리에서는 곧은 제트기류의 가장자리에서보다 난류가 발생할 가능성이 높다(특히 제트기류가 깊은 기압골을 따라 흐르는 경우).
기압골, 그리고 기압마루와 관련된 wind shift 영역에서는 난류가 자주 발생한다. 중요한 요소는 바로 급변풍의 규모이다.
19.2.4 Wind Shear
급변풍(wind shear)이란 좁은 지역 내에서 한 지점∙고도와 다른 지점∙고도간에 풍속 및/혹은 풍향이 갑작스럽고 급격하게 변하는 현상을 말한다(그림 19-7 참조). 급변풍은 모든 방향에서 발생할 수 있지만 편의를 위해 보통 수직축과 수평축을 따라 측정된다. 따라서 급변풍은 horizontal wind shear와 vertical wind shear로 나뉜다.
급변풍은 모든 고도에서 모든 비행에 영향을 미칠 수 있다는 점을 기억해야 한다(예를 들어 고고도에서는 제트기류로 인해, 혹은 지면 근처에서는 대류로 인해). 급변풍은 항공기에 격렬한 상승기류와 하강기류를 가할 수 있으며 항공기의 수평 움직임에 갑작스러운 변화를 가할 수 있다. 급변풍은 보고가 가능하긴 하지만 감지되지 않는 경우가 많다. 항상 급변풍의 가능성을 경계해야 한다(특히 뇌우와 전선 시스템의 안팎을 비행하는 경우). 일부 교재는 “severe wind shear”라는 용어를 사용할 수 있다. 해당 교재는 그 용어를 항공기의 성능을 초과하는 급변풍, 혹은 15kt 이상의 대기속도 변화나 500fpm 이상의 수직속도 변화를 발생시키는 급변풍이라 정의할 수 있다.
저고도에서 발생하는 바람 변화는 이륙 및 접근 중인 항공기에게 심각한 위험으로 인식된다. 이러한 바람 변화는 다양한 기상 조건(예를 들어 지형 조건, 기온 역전, 해풍, 전선 시스템, 그리고 강한 지상풍)으로 인해 발생할 수 있다.
급변풍은 모든 고도에서 발생할 수 있다. 다만 non-convective LLWS의 경우에는 항공기가 지상에 근접해 있기 때문에 특히나 더 위험하다. non-convective LLWS는 지표면으로부터 2,000ft 내 두께 200ft 이상의 층에서 100ft 당 10kt 이상이 변화하는 급변풍으로 정의된다. 그렇다면 이것이 무엇을 의미할까? 이는 2,000ft 내 두께 200ft의 층에서 풍속 및/혹은 풍향이 빠르게 변화하고 있음을 나타낸다(그림 19-8 참조). non-convective LLWS는 보통 전선 시스템의 통과, 기온 역전, 그리고 강한 상층풍(25kt 이상)과 관련이 있다.
19.2.4.2 Convective Wind Shear
convective wind shear에 대한 자세한 정보는 Section 22.7.3을 참조하라.
19.2.5 The Effects of Orographic Winds and Turbulence on Aviation Operations
19.2.5.1 High-Altitude Operations
산악지형 근처에서 FL180 이상을 순항하는 터빈 항공기는 orographic winds와 관련된 moderate 이상의 난기류를 마주할 수 있다. 이러한 유형의 난기류는 비교적 빠르게 발생하는 것이 특징이며 구조적 손상이나 기체 고장으로 이어질 수도 있다.
고고도 난기류와 관련된 위험은 구조적 손상 말고도 더 있다. 일부 터빈 항공기는 특정 무게 및 고도에서 운항할 수 있는데, 이때 Mach buffet이 발생하는 속도보다 불과 몇 노트 느리면서 stall buffet이 발생하는 속도보다는 불과 몇 노트 빠르게 순항할 수 있다. 이러한 상황을 소위 “coffin corner”라 부르는데, 이때 moderate 이상의 난기류(15kt 이상)로 인해 속도 변동이 발생하면 high-speed upset, Mach tuck, 그리고 loss of control로 이어질 수 있다.
이륙 및 착륙 시 우려되는 사항들로는 다음이 있다: 실속 여유가 충분하지 않은 상태에서 난기류를 마주하는 경우, 활주로(혹은 활주로 근처)에서 방향 제어가 상실되는 경우, 항공기의 roll authority를 초과하는 rolling moments가 발생한 경우, 그리고 항공기의 상승 성능을 초과하는 하강기류가 발생한 경우(특히 고익[high wing]이고 출력 당 무게[power loading]가 높은 비행기의 경우). 50kt를 초과하는 국지적인 돌풍(gust)과 1,500fpm을 초과하는 하강기류가 발생할 수도 있다.
강한 바람과 높은 지형의 상호작용으로 인해 발생한 소용돌이가 severe turbulence를, 그리고 조종사의 조종 능력을 초과하는 rolling moments를 유발할 수 있다.
19.2.5.3 Low-Level Mountain Flying
능선에서의 풍속이 20kt 이상인 산악 지형 상공에서 저고도 비행을 수행하는 항공기는 moderate 이상의 난기류, 강한 상승기류와 하강기류, 그리고 rotor zone과 shear zone을 마주할 수 있다. 이는 범용항공(General Aviation) 항공기의 경우에 특히나 그러하다.
산악 비행 교재에서 바람을 “강풍”으로 분류하는 기준으로 보통 20kt를 사용한다. 이 기준은 항공기로부터 풍상쪽에 위치한 능선의 정상이나 산봉우리에서 부는 넓은 범위의 바람(우세풍)을 가리킨다. 이러한 주변 바람이 능선에 수직으로 흐르면 지상풍이 상당히 강해지며 난기류가 발생할 가능성이 높아진다. 주변에 다른 산이 없는 고립된 산봉우리 근처에서도 이와 유사한 바람 강화 현상이 예상될 수 있다. 이와 반대로 숲이 우거진 지역 상공의 하강기류는 설령 항공기가 best rate-of-climb speed로 상승한다 하더라도 항공기를 하강시킬 만큼 강할 수 있다. 항공기에 미치는 이러한 영향은 높은 밀도고도로 인한 항공기 성능 감소로 인해 더욱 악화될 수 있다.
