19.6. Hazards
뇌우는 거의 모든 항공 기상 위험을 하나의 악랄한 묶음으로 묶을 수 있습니다. 이러한 위험에는 번개(lightning), *역풍(adverse wind), *다운버스트(downburst), 난기류(turbulence), 착빙(icing), 우박(hail), 급격한 고도계 변화(rapid altimeter change), *정전기(static electricity), 그리고 토네이도(tornado)가 포함됩니다.
19.6.1. Lightning
모든 뇌우는 번개와 천둥을 발생시킵니다. 번개는 뇌우에 의해 생성되는 가시적인 전기 방전입니다. 방전은 구름 내부에서 또는 구름과 구름 사이, 구름과 공기 사이, 구름과 땅 사이, 땅과 땅 사이, 또는 땅과 구름 사이에서 발생할 수 있습니다.
번개는 항공기를 손상시키거나 항공기에 장애를 일으킬 수 있습니다. 또한 번개는 비행기의 표면에 구멍을 낼 수도 있으며 통신 장비 및 전자 항법 장비를 손상시킬 수도 있습니다. 항공기 근처에서 발생하는 번개는 조종사의 눈을 멀게 할 수 있으며, 조종사는 순간적으로 계기나 시각 참조물을 이용할 수 없게 됩니다. 또한 자기 나침반(magnetic compass)에 영구적인 오류(error)를 유발할 수 있습니다. *뇌방전(lightning discharge)은 멀리 떨어져 있어도 저주파(low frequency)와 중주파(medium frequency)의 무선 통신을 방해할 수 있습니다. 번개가 연료 증기(fuel vapor)를 점화시켜 폭발을 일으키는 것으로 의심되어 왔지만, 낙뢰로 인한 심각한 정도의 사고는 극히 드물게 일어납니다.
19.6.2. Adverse Wind
역풍은 항상 뇌우 속에서 발견되며 종종 강수 지역으로부터 수 마일 떨어져 있습니다. 측풍(crosswind), 돌풍(gust), 그리고 가변풍(variable wind)/급격한 바람의 변화(sudden winds shift)는 이륙, 접근(approach) 및 착륙 중에 충돌로 이어질 수 있습니다. 돌풍 전선의 바로 뒤에 있는 지역은 특히 위험합니다. 왜냐하면 빠르고 때때로 급격한 변화가 일어나는 지상풍(surface wind)이 발생하기 때문입니다.
19.6.3. Downburst
소나기와 뇌우 세포는 때때로 강력하고 종종 피해를 주는 바람을 만드는 다운버스트라고 불리는 강한 하강 기류를 만들어냅니다. [Figure 19-7]처럼 다운버스트는 조종사에게 위험한 상황을 만들 수 있으며, 저고도 윈드시어로 인한 많은 사고의 원인이 됩니다. 더 작고, 수명이 짧은 다운버스트를 *마이크로버스트(microburst)라고 합니다.
특히 이륙 후 상승할 때 또는 착륙을 위해 접근할 때 만나는 다운버스트는 항공기에 특히 위험합니다. 이 단계에서 항공기는 비교적 느린 속도로 운항하는데, 다운버스트로 인한 풍속의 큰 변화는 양력 손실과 충돌로 이어질 수 있기 때문입니다.
[Figure 19-8]과 같이 착륙 중 정풍 시어(headwind shear)에 대응해 조종사가 파워를 줄이고 기수를 낮췄을 경우 마이크로버스트는 특히 위험합니다. 이는 배풍 시어(tailwind shear) 발생 시 항공기를 정풍 시어에 대응했던 노즈 로우(nose-low), 파워 로우(power-low) 상태를 유지시켜 회복(recovery)을 더욱 어렵게 만듭니다. 이는 항공기를 실속에 빠트릴 수 있거나 이용 가능한 활주로를 짧아지게 할 수 있습니다.
조종사는 접근 단계 초기에 마이크로버스트의 징후를 경계해야 하며, 첫 번째 징후에서 실패 접근(missed approach)을 시작할 준비가 되어 있어야 합니다. 그러나 낮은 고도에서 마이크로버스트가 발생한 경우 회복이 불가능할 수 있습니다.
19.6.4. Turbulence
난기류는 모든 뇌우에서 존재합니다. 뇌우 속에서는 (severe) 심하거나 (extreme) 극심한 난기류가 일반적입니다. *돌풍 하중(gust load)은 기동 속도(maneuvering speed)에서 항공기를 실속에 빠트리거나 순항 속도(cruising speed)에서 구조적 손상을 입힐 정도로 충분히 심각할 수 있습니다. 가장 강한 난기류는 상승기류와 하강기류 사이의 시어(shear) 때문에 발생합니다. 적란운 바깥에서는 심한 폭풍우로부터 20마일 횡으로 떨어지고 수천 피트 상공에서 난기류를 만나게 됩니다.
돌풍 전선과 주변 공기 사이의 윈드 시어 영역은 난기류가 매우 심한 공간입니다. 돌풍 전선의 표면 위치는 종종 지면을 따라 먼지(dust)나 잔해(debris) 또는 수역을 따라 *비말 선(line of spray)으로 표시됩니다. [Figure 19-9]를 참조해서 때때로 돌풍 전선 시어(shear) 구역은 따뜻하고 습한 공기가 돌풍 전선에 의해 들어 올려지면서 형성되는 선반 구름(shelf cloud)으로 표시됩니다. 선반 구름은 다세포 선 뇌우(multicell line thunderstorm)에서 가장 일반적입니다.
19.6.5. Icing
뇌우는 빙결 고도 이상에서 풍부한 과냉각된 액체 상태의 물을 생성합니다. 상승하는 기류에서 온도는 약 -15℃까지 냉각될 때, 남아있는 수증기의 대부분은 얼음 결정으로 승화됩니다. 그리고 이 고도 이상에서의 과냉각수 양은 감소하게 됩니다. 하지만, 뇌우 상승기류와 같은 격렬한 상승 수직 운동이 있을 때, -40℃의 차가운 온도에서 과냉각수가 존재할 수 있습니다.
과냉각수는 항공기와 충돌하면서 얼게 됩니다. 맑은 착빙은 빙결 고도 이상의 어떠한 고도에서도 발생할 수 있지만, 고고도에서는 거친 착빙과 혼합 착빙인 상태로 존재할 것입니다. 풍부한 과냉각수는 0℃에서 -15℃ 사이에서 맑은 착빙을 빠르게 만들며, 뇌우 세포의 군집에서 자주 확인할 수 있습니다. 착빙을 동반하는 뇌우는 매우 위험할 수 있습니다.
19.6.6. Hail
우박은 공 모양이나 다른 불규칙한 모양의 얼음 덩어리 형태로 뇌우에 의해 생성되는 강수 현상입니다. 강한 상승기류, 과냉각된 액체 상태 물의 많은 함량, 구름 물방울의 큰 크기, 수직 높이가 높은 게 특징인 뇌우는 우박 형성에 유리합니다.
우박의 개별 단위는 [한 알의 우박(hailstone)]이라고 불립니다. Hailstone은 완두콩 크기(직경 0.25inch)에서 소프트볼 크기(직경 4.5inch) 보다 큰 크기까지 다양합니다. 직경 3/4inch 이상의 Hailstone은 항공기에 심각한 손상을 입힐 수 있으며 항공기의 조종을 어렵게 만듭니다. 2010년 7월 23일 사우스다코타주(South Dakota) 비비안(Vivian)에서 지름 8inch, 둘레 18.62inch, 무게 1.93lb의 우박이 발견된 적도 있습니다.
우박은 중위도 대륙의 내륙에서 가장 흔하게 발견되며, 일반적으로 열대 지방의 높은 고도(elevation)에 국한됩니다. 미국에서 로키 산맥(Rocky Mountains)의 동쪽 그레이트 플레인스(Great Plains) 지역에서 우박이 가장 흔합니다. 우박은 높은 고도에서 더 흔한데, 그 이유는 빙결 고도 아래로 떨어지면서 녹기 시작하고, 지표면에 도달하기 전에 빗방울로 녹기 때문입니다.
공중에서 보았을 때, 우박이 Hail Swaths로 알려진 경로에 떨어진다는 것이 분명합니다. Hail Swath의 크기는 몇 *에이커(acre)에서 10마일의 폭과 100마일의 길이에 이르기까지 다양합니다. Hail Swaths에 쌓인 우박 더미는 제설작업이 필요할 정도로 깊고, 우박 드리프트(hail drift)도 간혹 보고됩니다.
19.6.7. Rapid Altimeter Changes
기압은 보통 뇌우가 접근하면서 빠르게 떨어졌다가 돌풍 전선 통과와 함께 급격히 상승하고, 차가운 하강기류에서 폭우가 내리고 폭풍이 이동함에 따라 정상으로 다시 떨어집니다. 이러한 기압 변화의 주기는 15분 내에 일어날 수 있습니다.
19.6.8. Static Electricity
라디오 수신기(radio receiver)에서 일정하고 높은 수준의 노이즈(noise)인 정전기는 날카로운 금속 지점과 비행하는 항공기의 가장자리에서 발생하는 강력한 *코로나 방전에 의해 발생합니다. 정전기는 뇌우의 근처에서 자주 마주칠 수 있습니다. 항공기가 구름, 강수, 또는 (얼음, 모래, 또는 먼지와 같은) 고체 입자들이 집중되어 있는 곳을 통과하여 비행할 때 정전기의 충전이 축적됩니다. 전기는 가까운 표면이나 공기 중으로 방출되어 저주파에서 시끄러운 교란을 일으킵니다.
코로나 방전은 약하게 빛을 내며 밤에 볼 수 있습니다. 다소 괴상한 모습을 가지고 있지만 무해합니다. 배의 돛대 꼭대기에서 솔 같은 방출을 본 지중해 선원들이 이것을 [*세인트 엘모의 불(St. Elmo’s Fire)]라고 이름 붙였습니다.
19.6.9. Tornado
토네이도는 지면과 접촉하는 공기가 격렬하게 회전하는 기둥으로, 적운형 구름의 펜던트 또는 적운형 구름 아래에 위치하며 종종 *깔때기 구름으로 보이는 경우가 많습니다. 눈에 보이는 깔때기 구름 없이 토네이도가 발생할 때, 지표면에 있는 잔해는 보통 지면과 접촉하는 강렬한 순환의 존재를 나타내는 것입니다. 용오름은 물 위에서 발생하는 토네이도입니다.
토네이도는 전 세계 거의 모든 곳에서 발생할 수 있지만, 미국 중부와 동부 지역에서 봄 오후와 저녁에 가장 흔하게 발생합니다. 토네이도는 보통 몇 분 동안만 지속되고 몇 마일 정도를 이동하지만, 90분 이상 지속될 수도 있고 극단적일 경우 100마일 이상 이동할 수 있습니다.
지역적 규모에서, 토네이도는 모든 대기 순환 중 가장 강력합니다. 토네이도의 소용돌이는 일반적으로 지름이 수백 야드(yard)이지만 폭은 10야드 미만에서 2마일 이상까지 다양합니다. [Table 19-1]처럼 풍속은 일반적으로 *향상된 후지타 척도{Enhanced Fujita Scale (Enhanced F Scale)}를 사용하여 바람 피해를 기준으로 추정합니다.
미국 토네이도의 80% 이상이 거대 세포 뇌우에 의해 발생합니다. 특정 대규모 기상 시스템과 관련된 다양한 토네이도 발생을 [*Tornado Outbreak]라고 합니다. 드문 경우지만, 하나의 뇌우 거대 세포는 수 시간에 걸쳐 여러 개의 토네이도를 발생시킬 수 있습니다.
토네이도에 진입하는 항공기는 구조적 손상을 입을 것이 거의 확실합니다. 토네이도 소용돌이는 격렬한 토네이도 속에서 구름 꼭대기까지 확장되는 것으로 기록되었습니다.
- 역풍 (adverse wind) : https://jicho9597.tistory.com/171 참조.
- 다운버스트 (downburst) : 다운버스트는 보통 강한 비나 뇌우를 동반하는 적란운의 지점 발생원에서 방출되어 방사적으로 부는 강한 하강 기류 시스템. 즉 지면의 접촉점에서 모든 방향으로 직선으로 부는 바람. 종종 피해를 발생시키는 바람을 발생. 토네이도와 혼동될 수 있는데, 토네이도는 강한 바람이 중심 지역을 기준으로 회전하고 공기는 안쪽 방향과 위쪽 방향으로 움직임. 반대로 다운버스트에서 바람은 아래 방향으로 향하다가 착륙지점에서 바깥 방향을 향하게 됨.
- 정전기 (static electricity) : 전하(電荷)가 정지 상태에 있어 흐르지 않고 머물러 있는 전기. 정전기는 전하가 정지 상태로 있어 전하의 분포가 시간적으로 변화하지 않는 전기를 말함. 정전기의 반대되는 개념으로 동전기(動電氣)가 있으나 일반적으로 말하는 전기가 동전기를 의미하므로 널리 쓰이지 않음.
- 뇌방전 (lightning discharge) : 천둥 · 번개를 몰고 오는 구름으로부터 비교적 휘도가 약한 빛줄기를 내고 명멸하면서 차차 대지에 접근해 옴. 이것은 선구방전(predischarge)이며 대지에 이르면 대지 쪽에서 구름을 향해서 강렬한 주 기둥이 상승해 감. 이것이 주 뇌방전임.
- 마이크로버스트 (microburst) : 강력한 폭풍우(severe storm) 밑에서 발생하는 하강기류는 국지적으로 지상에 도달하여 수평으로 퍼지는데, 마치 수도꼭지에서 물이 쏟아져 싱크대에 떨어져 내리는 것처럼 급격한 바람의 폭발이 일어남. 이와 같이 2~5분 정도 지속되면서 최고조의 풍속으로 4km x 4km 미만의 영역을 덮는 다운버스트(downburst)를 마이크로버스트라고 함. 항공기가 마이크로버스트를 정면으로 만나게 되면 처음에는 맞바람 때문에 항공기 고도가 급속히 상승하게 됨. 그러나 순식간에 맞바람은 뒷바람으로 바뀌면서 항공기가 갑자기 부력을 잃고 조종불능 상태에 빠지게 되어 결국 추락하게 됨.
- 돌풍 하중 (gust load) : 비행 중 돌풍에 조우한 항공기 기체(주로 날개)에 부여되는 공기력.
- 에이커 (acre) : 약 4,050평방미터에 해당하는 크기의 땅.
- 비말 : 날아 흩어지거나 튀어 오르는 물방울.
- 코로나 방전 (corona discharge) : 기체 속 방전의 한 형태. 한쪽이나 양 쪽의 전극이 뾰족한 모양일 때 극 부분의 전기장이 강해져 방전이 일어나는 현상(폭풍 때 대기 속의 정전기에 의해 뾰족한 물체의 끝 부분에 생기는 밝은 빛)으로, 극 사이의 일부에만 방전이 일어나고 있어서 아크 방전과는 다름.
- 아크 방전 (arc discharge) : 가스를 통한 연속적인 방전으로, 기체 방전이 절정에 달하여 전극 재료의 일부가 증발해서 기체가 된 상태. 보통의 상태에서는 비전도성인 가스가 전위 차이에 의해 이온화된 음극과 양극 사이 고온의 플라스마로 연결되면서 큰 전류가 흘러 빛을 방사하는 현상.
- 세인트 엘모의 불 (St. Elmo's Fire) : 폭풍우가 부는 밤에 번개가 가까이 왔을 때 돛대나 비행기 날개 등에 나타나는 코로나 방전(放電) 현상으로 파란 불꽃같은 빛을 냄. 중세기 지중해 Neapolis의 선원들이 가끔 폭풍을 전후해 배 돛대 위에 파란 불을 발견했음. 선원들은 이 불을 그들의 수호성인 성 Elmo의 보호의 징표로 해석. 이 찬란한 파란 불은 성 엘모가 폭풍이 지난 다음 선원들을 보호하는 표로 나타낸다고 믿음. 그래서 이 불을 성 엘모의 불이라고 했음.
- 깔때기 구름 (funnel cloud) : 토네이도에서 강력한 소용돌이로 인하여 적란운이나 적운의 구름 밑면으로부터 회전하는 바람기둥이 지표면으로 내려오는 형태로 발달하나 지면에 닿지는 않음. 지면에 닿지 않게 되면서 깔때기 모양으로 형성되어 깔때기 구름이라고 함.
- 향상된 후지타 척도 (Enhanced Fujita Scale) : 미국과 캐나다를 포함한 일부 국가의 토네이도 강도는 토네이도가 일으키는 피해의 심각성을 기준으로 평가.
- Tornado Outbreak : Tornado outbreak는 동일한 시놉틱(synoptic) 규모 기상 시스템에 의해 생성된 여러 개의 토네이도가 발생하는 것. Tornado outbreak가 발생하려면 최소 6개에서 최대 10개의 토네이도가 필요함.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 19-6~11 해석