当飞机碰上乱流：解析高空乱流与因应之道

　　搭乘飞机的时候，常会听到乘务员广播“飞机即将经过一段不稳定气流，请确实扣紧安全带！”不稳定气流指的就是乱流，它会使飞机摇晃，甚至严重伤害机体。高空上如何形成乱流？什么样的现象称得上乱流？

　　生活中的乱流现象

　　想要了解乱流，可以从比较熟悉的“水”去观察。站在河边看着潺潺流水，便很容易发现，当流速非常缓慢时，水流会井然有序的前进，此时称之为层流(laminar flow)；若流速较快，水面则会产生扰动，有些地方会形成漩涡，水流变得混乱而不一致，这就是乱流(turbulent flow)的最基本现象。从层流变成乱流的过程中，称为过渡流(transitional flow)。

　　同样的情况也会发生在气体流动。观察燃烧中的香烟，当白色烟雾袅袅上升时，线条非常均匀平滑，但是当烟雾上升到一定高度后，也会变得混乱而形成漩涡状，这也是乱流。形成乱流的条件很多，流速快慢只是其中一个因素，也是最容易观测到的，其它如流体的黏性、流动规模大小、接触表面的粗糙度等，也都会导致乱流的形成。

　　飞机航行在大气中所遭遇的乱流有很多类型，典型且常见的有“云雨乱流”与“山岳波乱流”。

　　空气热对流造成乱流

　　云雨乱流的产生，多半是因为空气的“热对流”(heat convection)作用所致。受到强烈太阳照射、吸收许多热量而升温的地表，会加热附近的空气，地表附近空气受热后膨胀上升，挤压上层冷空气下降，形成热对流；此时，由于空气的密度发生变化，形成不均匀状态，造成空气与空气之间彼此挤压摩擦，无法维持井然有序的流动，这种对流的过程便会产生乱流。

　　热对流跟用锅子烧开水的对流现象很类似，之所以称之为云雨乱流，是因为在对流过程中，空气中的水气会形成积云(cumulus)，因此飞机驾驶员如果观察到积云，就可以判断该处可能有乱流而选择避开。

　　山坡地形造成乱流

　　山岳波乱流主要是山坡地形作用所导致。当空气在山的迎风面沿山坡上升时，风速随着山的坡度升高而增快，在气流爬升至山顶时达到最大。当气流通过山顶后，受到地形障碍物高度降低的影响会迅速下降，于是产生下降气流；随后再因为地面摩擦作用，使得位居前端的底层空气流动较缓慢，并导致后端持续前进的空气向上推挤，造成空气产生漩涡一样的扰动。因山坡地形所产生的乱流通常发生在通过山峰后数公里处、形成浪花状的涡动云(roll cloud)，这就好像河水流过大石头后，会在大石头后方产生漩涡是一样的。飞机驾驶通常也会避免进入此空域中。

　　闪过乱流的法宝

　　云雨乱流与山岳波乱流都伴随着水气，可以利用气象雷达侦测。飞机的气象雷达装在机鼻，主要功能是侦测前方大气的状态，雷达发出的电波在遭遇水气时会反射回来，透过计算回波的强弱，即可换算前方水气的多寡，若前方有大量水气，就可能存在乱流，驾驶员会绕过该云层，朝气流较稳定的区域飞行。

　　尽管目前气象雷达已可以侦测到伴随水气的乱流，但还是有些乱流无法被侦测出来，所以为了自身的安全，坐飞机时还是应该全程系妥安全带，以避免不预期的乱流造成伤害。

　　无声无息的晴空乱流

　　气象雷达虽然可以协助飞行员避开严重的乱流，却躲不过晴空乱流(clear air turbulence)。晴空乱流是指在晴朗无云的环境下发生之乱流，它通常没有很明显的水气存在，因此无法由气象雷达侦测出来，也不能藉由观察云层分布加以判断，往往在遭遇后才知道它的存在。

　　晴空乱流的成因很多，根据一般经验判断，当风速超过每小时200公里，就可能伴随晴空乱流。例如在冬季北纬25~50度的高空西风带内，常常会有喷射气流存在，它的内部和周遭区域多半都是晴朗状态，偶尔伴随些许卷云(cirrus)，所引起的乱流往往非常强劲，因流速极快而得“喷射”之名，最快可达每小时数百公里(比强烈台风还要快上1~2倍)；这就好像是在装满水的浴缸中用水管强力喷出的水流，水流周围往往都会有很多扰动的现象，因此喷射气流附近的空域很容易造成晴空乱流。

　　然而，喷射气流的存在并不意味着一定会出现晴空乱流，驾驶员虽然可以透过气象数据知道喷射气流的存在，但并无法确切预测是否有乱流。正因为晴空乱流的不可预测性，飞机一旦遭遇到它，后果常常不堪设想，甚至造成人员伤亡，例如1997年12月28日一架自东京飞往夏威夷的客机，就遇上了强烈的晴空乱流，飞机瞬间急降30多米，并且持续上下巨幅摆动，造成一名乘客死亡、100多人受伤。这一类的案例非常多，就算幸运无人伤亡，过程仍然叫人胆颤心惊。

　　目前运用在飞航安全上的科技，还没有办法侦测到晴空乱流，只能靠已经通过乱流空域的飞机驾驶向航管单位回报，再由相关单位向其后可能通过此空域的飞机发出警告，不过已有研究人员尝试发展新一代的气象雷达。新式气象雷达将不只侦测前方水气存在与否，也侦测空气中悬浮粒子的动态，遇到像晴空乱流这类的气象型态，纵使没有水气存在，雷达仍能够侦测出前方空气悬浮粒子的震荡现象，并藉此判断是否存在晴空乱流，这项科技仍处于实验阶段，尚未通过航空主管机关的认证，待经过一系列严谨的实验认证后，也许在不久的将来，新一代的气象雷达就可问世，为飞航安全注入更多的保障。

　　(摘自台湾《科学人》杂志2008年12月号 作者：卢衍良)