[항공기상학] 정상류와 난류

대기는 바람이 거의 없는 잔잔한 날에도 끊임없이 순환하며 움직인다. 이때 공기의 흐름이 규칙적이고 매끄러운 모양이면 정상류 (Steady Flow)라 부르고 그 흐름이 예측할 수 없이 불규칙할 때는 난류(Turbulence)라고 부른다. 해당 정의에 대해 조금 더 자세히 알아보자.

 

정상류(Steady Flow)
균일하고 매끄러운 유체의 흐름을 정상류라고 한다. 여기서 균일하다는 의미는 유체가 흐르는 각 점에서 유체의 속도가 시간에 무관하게 일정하다는 의미이다. 매끄럽다는 것은 유선(Streamline)이 연속적이며 서로 교차하지 않음을 의미한다. 담배에 불을 붙인다 가정해보자. 처음 나오는 연기는 규칙적이고 매끄러운 흐름으로 정상류에 가까운 흐름이다. 하지만 어느 정도 상승한 연기는 패턴이 종잡을 수 없을 정도로 불규칙한 난류의 모습을 보이게 된다. 대부분 공기흐름은 이러한 난류의 유형에 속한다. 

난류(Turbulence)
위에서 살펴본 정상류의 흐름에 속하지 않는 공기의 흐름은 다 난류에 속한다고 볼 수 있다. 물론 난류의 크기도 매우 다양하다. 하지만 항공기상에서는 비행 중인 항공기에 불규칙적인 동요를 줄 수 있을 정도의 강도가 큰 흐트러진 공기의 움직임을 난류라고 부른다. 이렇게 항공기의 운항에 큰 악영향을 미치는 난류에는 윈드시어, 저고도 윈드시어, 산악파 등이 있다. 이런 난류의 특징을 하나하나 살펴보도록 하자.

-윈드시어
단위 거리당 풍향과 풍속의 변화율에 비례하여 윈드시어의 강도가 결정된다. 이러한 변화율은 수평적 방향의 윈드시어와 연직적 방향의 윈드시어로 구분되며, 제트기류와도 함께 발생한다. 보통 윈드시어는 풍향과 풍속의 차이에 의해 발생한 빈 공간을 채우기 위해 발생한다. 이러한 회전하는 바람인 윈드시어는 비행 중 어떤 고도에서도 발생 할 수 있으며 아래의 기상현상에서 발생확률이 높아진다.

-Temperature Inversion Layer

-Frontal Zone

-TS Zone with strong vertical circulation in the atmosphere

-Jet Stream and CAT

 

첫 번째는 Temperature Inversion Layer (기온역전층)이다. 일반적으로 대기의 온도분포는 고도가 증가함에 따라 점점 낮아지는데 이는 태양복사 에너지로 인해 지면의 온도가 가장 높기 때문이다. 하지만 어떤 경우에는 고도가 높아짐에 따라 온도가 함께 높아지는 현상이 발생하는 데 이러한 구간을 기온역전층이라고 한다. 기온역전층이 발생하면 고도에 따른 온도 차이에 의해 공기가 섞이면서 윈드시어가 발생할 수 있다. 온도 차가 크면 클수록 열적평형 상태 (Thermal Equilibrium State)에 도달하기 위한 공기의 섞임, 즉 윈드시어의 강도는 더 강력해진다. 역전층 위쪽에 분포하고 있는 공기는 역전층 아래에 분포하고 있는 공기보다 온도가 더 낮고 무겁다. 고도가 높아짐에 따라 대기온도는 더 낮아지고 공기는 수축하여 무거워지기 때문이다. 

 

두 번째는 전선면이다. 한랭전선과 온난전선을 경계에는 온도 차가 크게 ㅂ랏애하고 이 온도 차를 상쇄시키기 위해 공기가 활발히 섞이면서 윈드시어가 발생한다. 이러한 온도 차는 한랭전선을 경계로 더 크게 발생하고 윈드시어도 더 강하게 발생한다. 

세 번째는 Thunderstorm 발생지역의 CB 구름에서 만들어지는 상승 및 하강기류는 강력한 윈드시어를 동반하므로 비행 중 항상 회피하여야 한다. CB 구름은 천둥, 번개, 강수 및 우박, 강풍, Microbust, Tornado 등을 동반하므로 대단히 위험하다. 레이더에 수신된 강한 echo는 20NM 이상 거리를 두고 회피해야 한다.

마지막으로는 Jet Stream과 거기에 동반되는 청천난류이다. Jet stream은 수평적, 연직적 방향의 윈드시어가 발생할 수 있고 CAT는 맑은 하늘에서 갑자기 발생하는 수평 또는 연직적 바람시어를 가리킨다. 항공기의 순항고도가 높아짐에 따라 상층에서는 지상에서와 같은 난류가 없을 것으로 예상할 수 있으나 구름 한 점 없는 날 예기치 못한 CAT를 만날 수 있다. CAT의 발생 고도는 여객기가 주로 순항하는 고도와 거의 일치하고 있어 중요하다. CAT는 겨울철에 출현 빈도가 높아지며 약 75% 이상이 제트기류의 골과 능 사이에서 발생한다. 평균적으로 CAT는 15,000ft 이상에서 발견되며 두께는 약 600m이고 수평 폭은 30km, 길이는 80km 정도인 것으로 알려져 있다. 제트기류와 관련된 CAT는 두께가 얇다는 것이 특징이다. 이러한 CAT는 레이더에도 나타나지 않으므로 PIREP을 참고해야 한다. ICAO에서는 난류 강도에 대해 분류도표를 발표했다. 난류는 특성상 실제 비행하는 조종사의 주관에 의해 분류되고 있으며 그 구분은 아래와 같다.


Light Turbulance. 비행체에 약간의 동요가 있으며 탑승객 입장에서는 불편하며 안전벨트 착용을 필요로 한다. 물건은 많이 움직이지 않으며 0.1~0.3 정도의 가속도를 경험하게 된다. 풍속변동률은 15kts 이하이다. 

Moderate Turbulence. 비행체에 상당한 동요가 있으며 조종력 상실까지는 아니다. 승객은 걷기가 힘들며 물건은 조금씩 움직인다. 0.4~0.8 정도의 가속도를 경험하게 된다. 풍속변동률은 15kts 에서 25 kts 사이이다. 

Severe Turbulence. 비행체에 상당한 동요와 고도 변화가 있고 순간적으로 조종 능력을 상실할 수 있다. 승객은 심한 충격을 받을 수 있으며 걷기가 거의 불가능해진다. 기체 내 물건은 심하게 흔들린다. 풍속변동률은 25kt 이상이다.

Extreme Turbulence. 비행체가 심하게 흔들리며 조종 능력을 상실하게 된다. 사람이나 물건은 어느 정도 흔들리는지 측정할 수 없다. 풍속변동률 또한 측정하기 힘들고 연직풍속은 30ft/sec이다.