Turbulentie: Wat is het en hoe gevaarlijk is het?

Als je regelmatig vliegreizen maakt, heb je waarschijnlijk al eens turbulentie meegemaakt. Voor sommigen is dat een onprettige ervaring die angstig maakt, voor anderen niet veel meer dan een hobbel op de weg. Maar weinig mensen weten precies wat turbulentie is, hoe het ontstaat en wat de eventuele risico’s zijn. Wij van Vluchtenvolgen.nl zetten dat nauwkeurig op een rij en beschrijven bovendien welke vormen van turbulentie er zijn, op welke vliegroutes je turbulentie kunt verwachten en wat piloten en de vliegtuigindustrie doen om de gevolgen ervan te minimaliseren.

Wat is turbulentie?

De term turbulentie wordt breed toegepast. Van draaikolken in rivieren, tot dynamische veranderingen in financiële markten wordt de term gebruikt om onvoorspelbare bewegingen te beschrijven. In dit artikel gaat het om turbulentie in en van de lucht. Ook daarin kan nog onderscheid worden gemaakt tussen turbulentie in bewolkte, stormachtige omstandigheden en zogenaamde vrije-lucht turbulentie. In feite hebben deze dezelfde oorzaak, maar in het geval van storm ligt een plotselinge hevige luchtbeweging natuurlijk meer voor de hand dan wanneer er ‘geen vuiltje aan de lucht’ is.

Turbulentie in de lucht wordt gedefinieerd als onvoorspelbare, wervelende bewegingen van de lucht. Het zijn draaikolken van lucht, vaak meerdere, in verschillende groottes. De kleinste zijn maar enkele millimeters in doorsnee, de grootsten kunnen wel een halve kilometer bestrijken. Ook de snelheid van zijdelingse bewegingen en de draaisnelheid varieert behoorlijk.

Hoe ontstaat turbulentie?

Turbulentie is een natuurkundig verschijnsel, dus om te begrijpen hoe het ontstaat, zullen we de natuurkunde erachter moeten kennen. Turbulentie treedt op in vloeibare of gasachtige, stromende substanties: water, lucht, rook, enzovoort. Het ontstaat wanneer de stroming dusdanig veel kinetische energie vrijmaakt, dat de deze groter wordt dan de viscositeit van de substantie. Dat wil zeggen dat de substantie sterker beweegt dan de stroperigheid ervan kan absorberen. Een voorbeeld maakt dit duidelijker: een draaikolk maken in appelstroop is moeilijker dan een draaikolk maken in lucht.

Het voorspellen van turbulentie

Het ontstaan van turbulentie in een substantie kan worden voorspeld met het zogenaamde Reynolds-cijfer, waarmee de balans tussen de kinetische energie en de viscositeit (dus tussen de bewegingsenergie en de stroperigheid) kan worden berekend. Het is echter nietzo dat daarmee de exacte bewegingen binnen de stromen kunnen worden voorspeld, die blijven nog altijd ongrijpbaar. Dit heeft de beroemde natuurkundige Richard Feynman doen verklaren dat turbulentie het belangrijkste onopgeloste verschijnsel in de klassieke natuurkunde is. Recente computermodellen, geassisteerd door de enorme rekenkracht van hedendaagse computers komen echter wel steeds verder op dit gebied, dat sterk in ontwikkeling is.

Het ontstaan van turbulentie in de lucht

Wij gaan ons hier nu toespitsen op vrije-lucht turbulentie: turbulente luchtbewegingen die zich voordoen zonder zichtbare aanwijzingen zoals wolken. Deze doet zich voor wanneer twee of meer verschillende luchtstromen met verschillende snelheden en richtingen tegen elkaar botsen. Dit heeft altijd te maken met verschillen in luchtdruk, zoals wanneer een lagedrukgebied een hogedrukgebied tegenkomt.

Turbulentie op grote hoogte

Deze vorm van turbulentie komt het meest voor waar de hoge troposfeer overgaat in de stratosfeer. Dit gebied heet ook wel de tropopause en bevindt zich tussen 7000 meter en 12000 meter boven zeeniveau. Uitzonderingen hierop kunnen zich voordoen rond bergketens, die de luchtstromen kunnen verstoren. Een aanwijzing voor een grotere kans op vrije-lucht turbulentie is de aanwezigheid van dunne cirrusbewolking.

Bij welke bestemmingen heb je de meeste kans op turbulentie?

Het weer is veranderlijk en luchtstromen hebben daarin een flink aandeel. Turbulentie kan daarom ook overal optreden en kan een anders rustige vlucht plotseling opschrikken met hevige bewegingen. Toch is er een aantal gebieden op aarde waar turbulentie meer voorkomt dan op andere plaatsen. Vliegroutes die zo’n gebied doorkruisen hebben daarom een grotere kans om met het fenomeen in aanraking te komen.

De Intertropische Convergentiezone

Dit is de nogal ingewikkelde naam voor het gebied rondde evenaar waar de luchtstromen van het noordelijk halfrond en het zuidelijk halfrond elkaar ontmoeten. In dit gebied komen ook vaker dan op veel andere plaatsen stormen voor en treden er luchtzakken op: plotselinge verschillen in de luchtdruk die een vliegtuig ineens een aantal meters doen zakken. Routes die door dit gebied gaan zijn vanuit Europa of India richting onder andere Maleisië, Thailand, en de Filippijnen. De turbulentie kan zo hevig zijn dat deze in verband is gebracht met verschillende vliegtuigongelukken, zoals die met een Air France-toestel in 2011 en een Air Asia-vlucht in 2014.

De Rocky Mountains

Toen de naam voor deze Noord-Amerikaanse bergketen werd bedacht, bestonden er nog geen vliegtuigen en was turbulentie zoals vliegreizigers die kennen nog onbekend. Toch is de naam ook van toepassing op de luchtstromen rond deze bergen. Harde luchtstromen waaien vanuit verschillende richtingen naar de bergen toe, of er juist vanaf. Deze stromingen veroorzaken zogenaamde ‘berggolven’ die voor stevige turbulentie kunnen zorgen. Er zijn verschillende ongelukken gebeurd in dit gebied, waarbij in het betreffende vliegtuig mensen gewond zijn geraakt door de hevige bewegingen. Wanneer de voorspellingen ongunstig zijn, wordt er tegenwoordig vaak voor gekozen deze routes te vermijden.

Japan in de winter

De winterstormen in Japan zijn beroemd en berucht. Het heeft prachtige artistieke inspiratie opgeleverd in de vorm van schilderijen, tekeningen, foto’s en gedichten. De minder aantrekkelijke kant ervan ervaren vliegreizigers die een Japanse binnenlandse vlucht maken tijdens de wintermaanden. De turbulentie op deze routes is berucht en behoort tot de sterkste die ter wereld voorkomt. Het is daarom opvallend (en gelukkig) dat er slechts een enkel vliegtuig hieraan ten slachtoffer is gevallen: in maart 1966 stortte een Boeing 707 neer op de flanken van de beroemde berg Fuji.

Het Himalayagebergte

Deze route wordt niet vaak gebruikt en als het even kan vermeden. Niet alleen kan de turbulentie er sterk zijn, het is ook zo afgelegen, dat mocht er iets gebeuren, een eventuele noodlanding of reddingsoperatie weinig kans van slagen zou hebben. De reden van de turbulentie zal ondertussen duidelijk zijn: hoge bergen vangen veel wind. Het navigeren rond en over deze indrukwekkende bergketen is al een opgave op zich zonder turbulentie en met turbulentie voor de meeste soorten vliegtuigen simpelweg onmogelijk. Omdat de bergen zo enorm hoog zijn, moet een vliegtuig op minimaal 11 kilometer hoogte vliegen om een veilige route te nemen. Je zult dus niet snel te maken krijgen met deze route. Een uitzondering op deze regel is de vlucht die Qantas Airways uitvoert tussen Londen en Bangkok.

Hoe gevaarlijk is turbulentie?

Hierboven is een aantal gevallen genoemd waarin vliegtuigen ofwel naar beneden zijn gekomen, ofwel passagiers gewond zijn geraakt ten gevolge van turbulentie. Dat geeft je misschien het beeld dat turbulentie erg gevaarlijk is. Maar is dat wel zo? Laten we dat nader bekijken.

Vliegtuigbouwers houden rekening met (bijna) alles

Moderne vliegtuigen zijn zo gebouwd dat ze om kunnen gaan met en opereren in zeer extreme omstandigheden. Dit zorgt in de meeste gevallen voor een grote veiligheidsmarge. Ze kunnen zoveel druk en belasting aan dat zelfs extreem sterke turbulentie het vliegtuig niet zal overbelasten. Zo zal een gemiddelde piloot die 40 jaar vliegt nooit meemaken dat door turbulentie een vleugelligger (het voornaamste deel van de vleugelconstructie dat voor stevigheid zorgt) te ver gaat buigen.

De vleugels zijn zo ontworpen dat ze naast de krachten die erop worden losgelaten bij een normale kruissnelheid van 1000 kilometer per uur nog eens half die kracht erbij kunnen verdragen. Om dit te testen worden de uiteinden van de vleugels na de productie herhaaldelijk 90 graden gebogen. Dit lijkt misschien tegenstrijdig, maar door de vleugels op de juiste plaatsen zo flexibel te maken, worden ze juist sterker. Dit principe wordt ook gebruikt in het ontwerp en de bouw van zeer hoge gebouwen zoals wolkenkrabbers, die met de wind meebewegen.

Wat kunnen piloten doen tegen turbulentie?

Piloten worden natuurlijk uitvoerig getraind om vluchten zo veilig mogelijk te laten verlopen. Omgaan met turbulentie is daar een belangrijk onderdeel van. Piloten hanteren daarom de volgende regels om de gevolgen van turbulentie te minimaliseren:

• Het vliegtuig moet de voorgeschreven snelheid tijdens turbulentie handhaven.
• Wanneer de piloot via de luchtstroom aan de turbulentie wil ontsnappen, moet de koers en/of vlieghoogte worden aangepast.
• Als de turbulentie het vliegtuig zijdelings raakt, moet de piloot bepalen of het vliegtuig zich boven of onder de luchtstroom bevindt en ervan weg bewegen.
• Als de turbulentie gepaard gaat met een luchtzak, dan moet de piloot door het lagedrukgebied heen vliegen en er niet omheen gaan.
• De piloot vaardigt een Pilot Report (PIREP) met de specificaties en locatie van de turbulentie om andere vliegtuigen op de route te waarschuwen, zodat ze indien noodzakelijk ontwijkende actie kunnen nemen.

Dit is natuurlijk maar een greep uit de vaardigheden en kennis die piloten hebben om met turbulentie om te gaan. Een uitgebreid pakket aan maatregelen en voorzieningen zorgt er immers al lang voor dat vliegen relatief de veiligste manier van transport is.

Welke ontwikkelingen zijn er gaande om het risico op turbulentie te beperken?

De ontwikkeling van de veiligheid in de luchtvaart gaat natuurlijk altijd door en dat geldt ook in relatie tot turbulentie. Dat is maar goed ook, want het is de verwachting dat de klimaatveranderingen die de wereld momenteel meemaakt ook gevolgen zal hebben voor de turbulentie. Deze wordt, zo is de voorspelling, heviger en zal vaker voorkomen. De reden hiervoor is dat de temperatuurverschillen in bepaalde gebieden extremer zullen zijn en sneller kunnen optreden.

Het Gatenkaasmodel

Dit is een op het eerste gezicht wat eigenaardige naam voor een model dat zich met veiligheid bezighoudt. Toch zit er een helder concept achter. Het Gatenkaasmodel werd in 1990 bedacht door de Engelse Psycholoog James T. Reason. Hij stelde voor dat je de veiligheid van een systeem kon verbeteren door verschillende lagen van bescherming aan te brengen. Hij stelde dit voor als een serie op elkaar gelegde plakken gatenkaas. Hoe meer plakken je op elkaar legt, hoe kleiner de kans is dat de gaten zo overlappen dat je er volledig doorheen kunt kijken. Vertaalt naar beveiligingssystemen betekent dit dat je er vanuit gaat dat geen enkel systeem op zich veiligheid garandeert, maar dat je door systemen te ‘stapelen’ steeds meer in de buurt kunt komen van volledige veiligheid. Dit is in relatief korte tijd een zeer succesvol en breed toegepast model geworden, dat ook in de luchtvaartindustrie wordt toegepast.

Turbulence Closure Modeling

In het begin van dit artikel stipten we al even aan dat met moderne computers vorderingen worden gemaakt in het begrijpen en voorspellen van turbulente bewegingen. Turbulence Closure Modeling is hiervan een belangrijk voorbeeld. Dit wordt gebruikt op veel gebieden en is ook zeker relevant voor de luchtvaart. Niet alleen kunnen we daarmee beter begrijpen wat er gebeurt in een turbulente omgeving en er daarom ook beter mee omgaan, ook kunnen we steeds beter voorspellen waar en wanneer turbulentie zich zal voordoen. Met deze meer nauwkeurige voorspellingen wordt het dan mogelijk eerder uit te wijken naar een andere route als dat nodig wordt geacht.

Conclusie

Bijna niemand zal het leuk vinden om in turbulentie terecht te komen en dat zal ook wel zo blijven. Toch hebben we met dit artikel kunnen laten zien dat turbulentie weliswaar gevaarlijk kan zijn, maar dat de risico’s beperkt zijn door de ingenieuze bouw van vliegtuigen, de uitgebreide kennis en vaardigheden van piloten en onze steeds groeiende kennis van turbulente systemen. Met deze kennis op zak zit je de volgende keer hopelijk wat geruster in je vliegtuigstoel als de vlucht wat hobbelig wordt.