Termikens historie – del 2

Link to automatic translation

I del 1 av artikelserien granskade vi de tidiga erfarenheterna med termikflygning. I början av 30-talet hade man lärt sig hur man flyger i termik och hade hjälpmedel för det.

Men hur ser termiken ut och hur är den strukturerad (om den nu är det)? Man har gjort mätningar i termikblåsor över hur stiget fördelar sig, se bilderna nedan. Det ser ju onekligen ganska ostrukturerat ut!

Bilder från två olika undersökningar om hur en termikblåsa ser ut inuti. Figuren i mitten visar att blåsan till vänster består av en mängd blåsor som ”sugs” upp i ett konvektivt system.

En av de första att undersöka termikblåsans profil var amerikanen Bruce Carmichael. 1954 skrev han en artikel i Soaring Magazine med rubriken ”What price performance?”. I denna lanserade han sin modell om hur termikblåsan ser ut (eller dess gradient).  Carmichael var en amerikansk ingenjör, vetenskapsman och segelflygare med special inriktning på laminär strömning. Han belönades med bl a OSTIV Klemperer Award 2014.

Bruce Carmichael

Carmichaels tes är att termikblåsor kan delas in i tre grupper;

• De har en radie på ca 100 m och stiget är svagt.
• De har också liten radie men stiget är kraftigt.
• Vida, eller kontinental termik. Bra stig och med stor radie över 200 m. Dessa hittar man i inlandsklimat (t ex i Mellaneuropa, mitt inne i USA och Ryssland)

Carmichaels termikmodell. Tre typer av blåsor; weak, strong and wide. På horisontella axeln är avståndet från termikblåsans centrum, på den vertikala stighastigheten (ur What price performance?). Denna modell har använts av konstruktörer i många decennier när de designar sina segelflygplan.

Carmichaels modell användes, än idag, av konstruktörer när de designar sina flygplan. Men om Carmichaels teori är riktig så skulle det ju knappast löna sig med vattenbarlast (läs här https://nordicgliding.com/there-is-no-substitute-for-span-eller/). Med undantag för kontinental termik är ju blåsans radie ca 100 m och det innebär att man måste kurva långsamt med en radie som är högst 100 m. Det går knappast med en modernt flygplan.

Under åren har det framkommit många förslag på termikblåsans profil. Konstruktörer behöver en modell för termikblåsans profil när man ska försöka optimera sitt flygplan för termik och s k ”delfinflygning”. Gerhard Waibel skrev om detta i en mycket läsvärd OSTIV uppsats 2012 med rubriken ”Modelling Thermal”.

Waibel menar att termikblåsor i allmänhet har en större diameter än vad Carmichaels modell anger. Annars skulle det inte löna sig med vatten. Och bevisligen lönar det sig! Men tänk så skönt det hade varit, både för ryggen och miljön, om vi slapp tanka vatten i våra flygplan!

Olika termik profiler, som man kan hitta i litteraturen och som Gerhard Waibel
menar stämmer bättre med verkligheten än Carmichaels modell (från Schleichers hemsida).

Hur ser då termikblåsan ut inuti? En av de många segelflygare, forskare och meteorologer som forskat kring termikens utseende var Betsy Woodward (https://nordicgliding.com/kvinnliga-segelflygare-i-varldsklass/). 1955 anslöt hon sig till en grupp engelska meteorologer vid Imperial College i London som studerade strukturen hos termik. Hon var även aktiv i OSTIV. 1962 anslöt hon sig till Paul MacCreadys företag Meteorology Research Inc där hon specialiserade sig på fysiken kring åskväder.

I en OSTIV artikel från 1956 beskrev hon sina resultat från forskningen vid Imperial. Den hittar man här; https://journals.sfu.ca/ts/index.php/op/article/view/1372/1305 (Aero Revue 6/1958). Betsy beskriver termikblåsan som en ”pelare” som slutligen ”lossnar” från marken och blir en vortex ring.

I en OSTIV artikel 1963 med titeln ”An Index for predicting flight reliability of sailplanes in thermal soaring” presenterade amerikanen Clarence Cone sin vortex teori, se bilden nedan. Som påminner mycket om Betsys artikel ovan.

Termikblåsan är en vortex ring (värsta och tydligaste exemplet på en vortex ring är väl svampmolnet vid en kärnvapenexplosion), som kränger ut och in på sig själv hela tiden. I blåsans centrum är stighastigheten högre än hela blåsans stighastighet. Man har vidare ett horisontellt utflöde i toppen, sjunk i ytterkanten och ett inflöde i botten.

Låt oss anta att hela blåsan har en stighastighet av 2 m/s och att kärnan har en stighastighet av 3 m/s. Vi kurvar i kärnan (som stiger med 3 m/s) och vårt flygplan har en sjunkhastighet av 1 m/s. Då stiger vi ju med 2 m/s och följer alltså med blåsan upp, som också stiger med 2 m/s, vi håller ”jämna steg”. Om vi inte lyckas stiga med 2 m/s trillar vi ur blåsan, eller om man så vill, blåsan stiger ifrån oss. Om vi i stället stiger med mer än 2 m/s kommer vi att stiga upp i blåsans topp och stiget avtar. Och det är väl något vi alla råkat ut för. Plötsligt avtar stiget och man tänker ”vad hände nu?”. Och medan man funderar ökar stiget igen, eftersom vi sjunkit ner i blåsan, eller omvänt, att den stigit ifatt oss.

Alltså, Cones och Woodwards modell ”makes sense”.

Clarence Cones modell från 1963 över hur en enskild termikblåsa ser ut. Stighastigheten i blåsans centrum (blåa pilen) är högre än hela blåsans stighastighet (röda pilen). Blåsan kan vara en del av ett större konvektionssystem med många blåsor, se bilden överst till höger (”hemmagjord” bild)

Hur bildas termik då? Det vi får lära oss i ”skolan” är att det är temperaturskillnader mellan ett ”luftpaket” (blåsan) och omgivande luftmassa som gör att blåsan ”häver sig”. Varm luft är ju lättare än kall. Men även fuktig luft är lättare än torr. Och det har lanserats teorier om detta.

För ca 10 år sedan lanserade den tyske segelflygaren och meteorologen Henry Blum sin teori att det primärt är fuktigheten som driver termiken, inte temperaturdifferenser. Det kan man läsa om i hans bok från 2014 ”Meterologie für Segelfliegern”. Genast uppstod det en intensiv debatt om Blums påstående. Idag hör man inte så mycket om det. Och, som lekman, tycker jag nog att det finns en del brister i Blums resonemang. Men hans bok är läsvärd och rekommenderas.

Termikförloppet under dagen varierar. Enligt Georgii (i hans bok ”Meteorologisches Navigation des Segelfluges” från 1959) startar dagen med att enskilda termikblåsor bildas, som är ganska oorganiserade. Efterhand blir det bättre struktur på termiken.

Ju längre dagen går bildas det konvektiva system, som är självgenerande så länge de tillförs energi. Om det finns en inversion över det konvektiva skiktet, man har lite vind och terrängen är likformig, bildas molngator i vindens riktning. Enligt Georgii är avståndet mellan molngator 2.5 gånger molnbashöjden. Så om molnbasen ligger på 2 000 m är avståndet mellan molngatorna 5 km. Och det låter rimligt. Alltså en tumregel att komma ihåg.

En bild ur Georgiis bok. Om det konvektiva skiktet toppas av en inversion (temperaturkurvan till vänster i bilden) och det är lite vind uppstår molngator. Avståndet mellan gatorna (D) är 2.5 gånger molnbashöjden (H)

Slutligen lite tröst. För det här är ju inte lätt, det är riktig svårt. Titta på bilden nedan och dra en lättnadens suck. Det är kanske inte ditt fel att termiken ibland kan vara riktigt svårflugen!

En datorsimulering av termik. Skalan är 5 km längs sidorna och höjden är 1250 m. Det gula är termik. På ”väggsidorna har man projicerat termiken. Rött är stig och blått är sjunk. Vad lär vi oss av denna bild? Jo att det är kaos! Kanske inte ditt fel att du ibland inte får ordning på termikflygandet!

Slutsatsen är att termik är komplicerat och vi vet egentligen inte så mycket om det. Vi har en massa modeller som vi anammar beroende på hur mycket vi tror på dem. Och den ena dagen är inte den andra lik. Ibland är det lugna fina blåsor, ibland är det ”raggartermik”. Men är det egentligen inte det som gör det hela så roligt?

Vill vi verkligen veta hur termik ”ser ut”?

Lästips för dig som vill veta mer

• Meterologische Navigation de Segelfluges, 1959, Walter Georgii
• Meterology for glider pilots, 1974, C E Wallington (detta är bibeln på området)
• Kapitel 8 i Segelflygets lärobok ”Segelflyg”, Bernt Olofsson
• Meteorology and Flight, 1989, Tom Bradbury
• Meterologie für Segelfliegern, 2014, Henry Blum