비행안전에 관련된 기상 현상
비행 안전에 관련된 기상 현상에 대해 정리한다. 비행 안전에 영향을 주는 기상현상에는 난류, 산악파, 뇌우, 다운 버스트, 우박, 번개, 천둥, 바람 시어, 마이크로버스트, 착빙, 해무, 황사 등이 있다. (Turbulence, Mountain Wave, Thunderstorm, downburst, hail, lightning, thunder, wind shear, microburst, microburst, icing, Sea Fog, Yellow Sand)
주요 참조 글;
1~14
25. 드론 - 항공기상 - 기단, 전선, 구름, 안개
이 글의 목차
- 난류(Turbulence)
- 산악파(Mountain Wave)
- 뇌우(Thunderstorm)
- 다운버스트(downburst)
- 우박(hail)
- 번개(lightning), 천둥(thunder)
- 바람시어(wind shear)
- 마이크로버스트(microburst)
- 착빙(icing)
- 해무(Sea Fog)
- 황사(Yellow Sand)
1. 난류
1) 난류(Turbulence)
지표면의 불균등한 가열과 기복, 수목, 건물 등에 의하여 생긴 회전 기류와 바람 급변의 결과로 불규칙한 변동을 하는 대기의 흐름을 난류라 하며, 일반적으로 난기류(Turbulence)라고도 한다. 난류는 아래의 기상 상황에서 발생한다.
- CB(적란운, Cumulonimbus) 구름이 형성될 때 발생하는 난류
- 산악파에서 기인한 난류
- 청천 난류(CAT : clear air turbulence, 晴天亂流)
- 지표면 전선에 의해 발생하는 난류
- 항공기 후류에 의해 발생하는 난류
- 저고도 바람 시어에 의해 발생하는 난류
난류는 시간적 및 공간적으로 큰 규모에서 작은 규모까지, 조그만 소용돌이부터 대기 상층 십여 km에 달하는 난류가 있고, 시간적으로도 수 초에서 수 시간까지의 난류가 있다. 지상에는 난류가 스콜(squall)이나 돌풍(gust) 등에서 나타난다.
2) 난류의 강도
난류의 강도는 비행 중 항공기가 만나는 난류에 대하여 수직방향의 가속도의 정도를 중력가속도 g를 사용하여 표시한다. 항공기가 받는 난류에 대한 충격은 항공기의 속도와 크기, 중량, 안정도 등에 좌우된다.
3) 기상조건에 따른 난류의 정도(약정도, 중정도, 심한 정도, 극심한 정도)
3-1) 약정도(light) 난류 조건
- 수직 가속도가 0.1~0.3G이고, 풍속의 변동폭이 15kt 이하
- 체감 정도는 약간의 흔들림이 있을 때
3-2) 중정도(moderate) 난류 조건
- 수직 가속도가 0.4~0.8G이고
- 풍속의 변동폭이 15~25kt
- 체감 정도는 상당한 흔들림이 있을 때
3-3) 심한 정도(severe) 난류 조건
- 수직 가속도가 0.9~1.2G이고, 풍속의 변동폭이 25~50kt
- 체감 정도는 흔들림이 크고 순간적으로 조종 통제력을 잃을 때
3-4) 극심한 정도(extreme) 난류 조건
- 수직 가속도가 1.2G 이상
- 풍속의 변동폭이 50kt 이상
- 체감 정도는 항공기 손상이나 심하게 흔들리며 조종 통제력을 잃을 때
2. 산악파(Mountain Wave)
1) 산악파(Mountain Wave)
역전층 기류가 있거나 대기가 안정되어 있는 산 정상에 강한 바람이 산등성이를 가로질러 불 때 산악파라고 한다. 산 정상에 습윤한 공기와 회전성 구름대가 일정한 부근에 정체하여 형성된다. 산악파는 봉우리가 하나 있는 지역보다 여러 개 연달아 있는 산맥 지역에서 자주 발생한다.
2) 산악파 지역의 구름 형태
모자 구름(cap cloud), 말린 구름(rotor cloud), 렌즈구름(lenticular cloud) 등의 형태
2-1) 모자 구름(cap cloud)
산맥 바로 정상에서 형성되는 구름으로 대부분 풍상 측에 몰려있고, 이는 기류가 상승하면서 응결되어 생긴다. 모자 구름은 산마루를 차폐하기 때문에 비행 중 항상 피해야 하며 산맥의 풍하면은 매우 위험한 지역이다.
2-2) 말린 구름(rotor cloud)
풍하측에 일렬로 늘어선 적운처럼 보인다. 구름은 거의 정체하며 상승 기류로 형성되고 하강기류로 소산되는 과정을 반복한다. 말린 구름 내부 및 그 하층이나 말린 구름의 풍하측의 하강기류 지역은 산악파에서 가장 위험한 지역이다.
2-3) 렌즈구름(lenticular cloud)
렌즈 모양의 구름으로서 말린 구름과 같이 정체성이며 계속적으로 형성된다. 렌즈구름은 말린 구름보다 고고도인 20,000ft 이상에서 형성되며 윤곽은 부드럽지만 그 층의 기류에 요란이 있을 때는 거칠게 보이기도 한다.
3. 뇌우(Thunderstorm)
1) 뇌우(Thunderstorm)
- 뇌우는 천둥과 번개를 동반하는 적란운 또는 적란운의 집합체이다.
- 강한 대류 활동을 가진 뇌우는 폭우, 우박, 돌풍, 번개 등을 동반함으로써 짧은 시간 동안에 큰 항공 재해를 가져올 수 있는 기상 현상이다.
- 열대지방에서는 연중 뇌우가 발생하며, 우리나라와 같은 중위도 지방에서는 봄과 여름을 거쳐 가을까지 뇌우의 가능성이 존재한다.
2) 뇌우의 형성 원인
- ① 불안정 대기 : 잠재 불안정한 공기가 주위보다 따뜻해지는 고도까지 상승되면, 그때부터 자유롭게 상승하게 된다.
- ② 상승 운동 : 상승작용이 일어나야 지표 부근의 따뜻한 공기가 자유롭게 상승하는 고도에 도달하고, 상승작용은 대류에 의한 일사, 지형에 의한 강제 상승, 전선상에서의 온난 공기의 상승, 저기압성 수렴, 상층 냉각에 의한 대기 불안정으로 상승, 이류 등의 여러 요인이 있다.
- ③ 높은 습도 : 따뜻한 공기에 더해서 공기가 상승해 수증기가 응결하면서 구름이 형성
4. 다운 버스트(downburst)
뇌우 발달 과정에서 성숙 단계의 하강 기류는 지표면에 도달하면 빠르게 번지며 유출 기류를 만든다. 유출 기류의 지름은 유출된 후 선형적으로 빠르게 증가하는데 10분∼15분 안에 최대로 유출되고 발산된다. 이를 다운 버스트(downburst)이라 한다.
5. 우박(hail)
1) 우박
적운과 적란운 속에 강한 상승 운동에 의해 얼음 조각 입자가 직경 2cm 이상의 성장하여 떨어지는 얼음 덩어리가 우박이다.
2) 우박의 형성
얼음 조각 과정으로 형성된 작은 입자는 적란운 속의 강한 상승 기류에 의해 더 높은 고도로 이동한다. 이 과정에서 얼음 입자가 과냉각 물방울들 충돌하면서 얼게 된다. 이 과정에서 서로 흡착하여 성장하게 된다.
상승 기류가 충분히 강하면 우박은 다시 적란운을 통해 위쪽으로 옮겨가고, 지며, 지상으로 떨어질 정도로 충분히 커질 때까지 계속 성장한다.
우박은 매우 강한 상승 기류가 있는 적란운의 정상 부근에서 적란운 밖으로 떨어질 수 있다.
6. 번개와 천둥(lightning, thunder)
천둥(thunder)이 동반된 폭풍우 현상이 "뇌우"이다. 천둥은 번개(lightning)에 의해 만들어지기 때문에 두 현상은 동시에 발생한다.
1. 번개(lightning)
번개는 적란운의 발달과 함께 구름 내부에 축적된 음 전하와 양 전하 사이에서 발생하는 불꽃이다. 또는 구름 하부의 음 전하와 지면의 양 전하 사이에서 발생하는 불꽃 방전이다. 번개는 구름 내부, 또는 구름과 구름 사이, 구름과 주위 공기 사이, 구름과 지면 사이의 방전을 포함하여 여러 가지 형태로 발생한다.
1-1) 번개의 발생
번개는 여러 가지 과정으로 어떤 공간 안에서 전하가 분리되고 전하차가 있을 때 발생한다. 관측에 의하면 적란운 상부에는 양 전하가, 하부에는 음 전하가 축적되며, 지면에는 양 전하가 유도된다.
1-2) 번개의 방전
구름 하부에서 방출된 음 전하는 전기력 이 가장 큰 경로를 따라 조금씩 이동하면 서 이온화된 통로인 계단 선도를 만든다. 계단 선도가 지표의 돌출부에 있는 양 전 하와 만나 불꽃 방전을 발생시킨다.
- 계단 선도에 의해 만들어진 구불구불한 도전로(Electrical Conductive Path)를 따라 지면의 양 전하가 위로 올라가면서 방전이 일어난다. 이로 인해 밝은 빛과 천둥처럼 소리가 발생한다.
- 번개의 방전은 지표면까지 최소 저항의 통로를 선호하기 때문에 산 정상이나 높은 건물, 나무 꼭대기, 안테나 등, 높은 지점이 번개를 잘 맞는다.
- 양으로 전리된 물체에 가까울수록 벼락 맞기가 더욱 쉬우며, 물체가 양 전하의 구름에 가까울수록 벼락 맞기가 쉽다.
2 천둥(thunder)
번개가 경로를 따라 방전이 발생하는데, 방전은 공기를 순식간에 15,000∼20,000℃까지 가열시킨다.
갑작스러운 가열로 공기는 폭발적으로 팽창하고, 팽창에 의해 만들어진 충격파가 그 중심에서 멀리 퍼져 나가면서 음파로 바뀌어 천둥소리가 된다.
- 번개는 발생 순간 우리가 눈으로 보게 된다.
- 음파의 속도는 빛의 속도보다 느리기 때문에 번개가 친 후 얼마 지나서 듣게 된다.
7. 바람시어(wind shear)
바람시어(wind shear)는 항공기의 이륙과 착륙 과정에서 매우 큰 영향을 준다. 조종사는 비행경로를 따라 정풍 또는 배풍이 얼마나 변할 것인가에 대해 주의해야 한다. 바람의 경도로 바람이 얼마나 변할 것인가에 관심을 가져야 한다.
항공기가 이륙하고 착륙할 때에 활주로 근처의 바람시어는 정풍이나 배풍의 급격한 증가 또는 감소를 초래하여 항공기의 실속이나 비정상적인 고도 상승을 초래하고, 측풍에 의해 활주로 이탈을 초래하기도 한다.
초기 이륙 직후의 고도 상승로를 따라 발생하는 지상 2,000ft 이하의 바람 시어를 저층 바람 시어(low level wind shear)라고 한다.
8. 마이크로버스트(microburst)
마이크로버스트(microburst)는 특수한 바람시어이다. 비교적 단순한 형태의 난류이며, 뇌우뿐만 아니라, 여름철의 천둥과 번개를 동반하지 않는 소규모의 대류 구름과 관련되어 발생하는 강한 하강기류(downdraft)이다. 이 기류는 가시적인 강수를 동반하지만, 때로는 지표에 도달하기 전에 강수가 증발되어 하강기류가 눈에 보이지 않게 되는 경우가 있다. 그래서 위험이 없어 보이는 지역에서 항공기 사고가 일어나기도 한다.
9. 착빙(icing)
얼음이 어는 온도 이하의 상태에서 어떤 물체에 과냉각 물방울 혹은 구름 입자가 충돌하면 "착빙" 현상이 일어난다. 얼음이 피막을 형성하는 것이 착빙 현상인데, 항공기 안전에 위험 요소이다.
항공기가 비 또는 구름 속을 비행할 때 대기 중에 과냉각 물방울이 존재하고, 항공기 표면의 자유대기온도가 0℃ 미만일 때 발생한다. 청명한 대기 속에서는 심한 착빙이 생기지 않지만, 상대습도가 높고 영하의 기온일 때는 프로펠러나 날개 위를 통과하는 공기의 팽창으로 수분이 응결하여 착빙이 생긴다. 과냉각 물방울은 0~-20℃에서 많이 보이고, 이 온도 범위 안에 있는 구름은 착빙의 가능성이 있다.
10. 해무(Sea Fog)
초여름부터 중순까지 아래와 같은 기상조건일 때 해안 지역에서 자주 발생한다.
- 넓은 고기압권에 위치할 때
- 저기압이나 전선 영향이 없을 때
- 바다 수면의 온도가 20℃ 보다 낮을 때
- 온도와 이슬점 온도차가 0∼2℃ 정도일 때
- 바다 수면 온도와 이슬점 온도차가 0∼1℃일 때
- 바람이 거의 없을 때
- 지상 역전층 현상이 관찰될 때
- 4,000∼5,000ft 대기에서 역전층 현상이 보일 때
11. 황사(Yellow Sand)
황사(Yellow Sand)는 중국 고비사막과 몽골 사막에 발생한 후 편서풍을 타고 수십 미터 상공까지 올라간다. 그리고 수백 킬로 평방미터 지역까지 그 영향을 미치는데, 우리나라에는 2월 ∼4월에 자주 나타나 항공기 안전 운항에 지장이 있다.
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다음 글: 항공사업법 및 드론자격증 4종 기출문제
※ 위 참고 자료: 국토교통부 "초경량 비행장치 조종자 표준교재"에서 참고 및 인용.
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