Fysiikan laitos

Mikä ihmeen TURBULENSSI?

Toni Hautaoja

Muistatko sen hetken kun olit rankan työputken uuvuttamana vihdoinkin oikeutettu kauan odottamaasi ja unelmoimaasi kesälomaretkeen tuolla niin mystisillä ja kaukaisilla, mutta aivan näillä näppäimillä niin läheisillä Australian hiekkarannikoilla? Lentokoneessa istuessasi ja hetki hetkeltä lomakohdetta lähempänä tunnet kuitenkin yhtäkkiä hyvin epämieluisaa heilumista ja tärinää, joka kaataa viereisen matkaajan Chardonnay viinit suoraan housuillesi. Tämän pikku sattumuksen lisäksi pienehköstä lentopelosta kärsivänä myös kuolemanpelko vilahtaa mielessäsi. Tässäkö tämä nyt sitten oli; jäävätkö kengurut & koralliriutat nähtäväksi sittenkin vasta ensi elämässä? Kaiken tämän hälskeen keskellä lentokoneessa kuuluu pian kuitenkin kuulutus, jossa kerrotaan kaiken tämän olevan täysin normaalia ja tilanteen rauhoittuvan aivan tuota pikaa. Skeptisestä luonteestasi johtuen olet jo kuitenkin kaivanut taskustasi älypuhelimesi, jonka syövereistä yrität etsiä tietoa tämänkaltaisista tapahtumista. Termi jonka huomaat esiintyvän tähän liittyen artikkelissa kuin artikkelissa on nimeltään turbulenssi.

Mutta mikä ihme se sellainen turbulenssi sitten oikein on?

Turbulenssilla selitetään yleisesti ottaen kaasuna ja nesteen virtauksen erilaista käyttäytymistä ja liikehdintää, joka saattaa olla hyvinkin arvaamatonta ja monimutkaista (termi johtaa juurensa latinalaiseen termiin turbulentia, joka viittaakin juuri tällaiseen ryhmien sekasortoiseen liikehdintään (turba)). Arkielämän ilmiönä turbulenssin aiheuttamiksi voidaan nimittää esimerkiksi spiraalinomaiseen pyörremuotoon kiertyvää tupakansavua, abstraktin elegantiksi omaksi muodostelmakseen leviävää kahvin sekaan kaadettua kermaa, golfpallon erilaisia kierre- ja lento-ominaisuuksia tai vaikkapa niin kutsuttua heittoisaa säätä lentokoneessa, jossa kaasun tai nesteen virtauksessa tapahtuu äkillistä paineen, nopeuden ja suunnan muutosta ajan suhteen. Lentämisen yhteydessä ilmenevää turbulenssista nimitetään arkikielessä usein myös ilmakuopiksi.


Turbulenssi on käsitteenä siis suhteellisen monimuotoinen ja esimerkiksi Nobel-palittu fyysikko Richard Feynman on muun muassa todennut ilmiön olevan "tärkein vielä ratkaisematon ongelma klassisen fysiikan piirissä".


Tutkimusalueena tämä jo tuhansia vuosia ihmisiä ihmetyttänyt ja kummastuttanut fysikaalinen ilmiö kuuluu niin kutsutun virtausdynamiikan alaisuuteen, joka tutkii muun muassa turbulenssin "sisarilmiötä", Laminaarista virtausta (=viskositeettinen virtaus, jossa fluidin eli kaasun tai nesteen hiukkaset etenevät rinnakkaisissa ja tasaisissa kerroksissa. Turbulentista virtauksesta poiketen laminaarisessa virtauksessa eivät eri kerrokset sekoitu keskenään, eikä virtauksen vastus/ kineettinen energia ole yhtä suuri. Ilmiölle ominaista ovat pieni virtausnopeus ja suuri viskositeetti eli virtaavan aineen kyky vastustaa virtaamista.). Tässä tekstissä ei sen enempiä keskitytä virtausdynamiikkaan tai muihin pintaa syvempiin turbulenssin mallinnus-/tutkimusmenetelmiin, vaan käydään ilmiö lävitse hyvin pintapuolisesti ja käytännönläheisesti.

Turbulenssille ominaisia piirteitä ovat jo aiemmin mainitun epäsäännöllisyyden, arvaamattomuuden ja monimuotoisuuden lisäksi diffuusiokyky, pyörteisyys (turbulenssi ei siis kuitenkaan ole sama asia kuin pelkkä pyörre!) sekä energian hajoittaminen eli dissipaatio.

Diffuusiokyvyllä tarkoitetaan ominaisasteikkoa siitä kuinka hyvin eri partikkelien, lämmön ja fluidejen molekyylit sekoittuvat toisiinsa. Diffuusiossa siis diffunoitavan aineen ja väliaineen molekyylit reagoivat keskenään niin, että väkevämmästä pitoisuudesta siirrytään laimeampaan pitoisuuteen molekyylien mahdollisten pituuserojen samalla tasoittuen. Dissipaatiolla taas tarkoitetaan sellaista aina arvoltaan negatiivista ominaisuutta, jolla kuvataan sitä energiaa mikä turbulenssilla kuluu tämän tehdessä työtä molekulaarista viskositeettia vastaan. Toisin sanoen dissipaatio siis hajoittaa turbulentin virtauksen kineettistä energiaa samalla muuttaen sen lämmöksi ja lähemmäksi kohti laminaarista virtausta.

Mutta mistä turbulenttia virtausta sitten voidaan havaita?

Vaikka turbulenssia onkin hankalaa lähteä ennustamaan, eikä sen mittaamiselle löydy vielä mitään tarkkaa ja vedenpitävää teoreemaa, voidaan sitä kuitenkin arvioida. Yksi tällaiseen statistiseen arviointiin perustuva indikaattori on virtausmekaniikassa käytettävä suhdeluku joka on nimeltään Reynoldsin luku. Irlantilaisen virtausdynamiikan tutkijan Osborne Reynoldsin mukaan vuonna 1883 nimetty luku kertoo kuinka merkittäviä fluidiosaseen vaikuttavat vastustavat voimat ovat. Jos fluidiin vaikuttavat vastustavat voimat ovat merkittäviä on luku pieni ja virtaus voidaan nähdä laminaarisena (pysyy siis paremmin koossa). Vastaavasti jos fluidiin vaikuttavat vastusvoimat ovat mitättömiä on luku suuri ja virtaus voidaan nähdä turbulenttina (virtauskerrokset sekoittuvat keskenään). Luku saadaan laskemalla fluidiosaseen vaikuttavan inertiavoiman ja muodonmuutosta vastustavien voimien osamäärä. Eräänä nyrkkisääntönä voidaan pitää, että yleensä (mutta ei kuitenkaan aina) yli 5000 ylittävät Reynoldsin luvut indikoivat turbulentista virtauksesta, kun taas tätä alemmat lasketaan joko laminaariseksi virtaukseksi tai näiden kahden välillä vaihtelevaan "siirtymäalueeseen".
Vasta yli 10 000 ylittävää lukua voidaan sanoa kuitenkin vasta varmaksi turbulentiksi.

Tänä päivänä turbulenttien virtausten sijainti pystytään myös paikallistamaan jo suhteellisen tarkasti erityisten "doppler-tutkien" ansiosta, mutta esimerkiksi suuruuden, keston ja ajankohdan arvioiminen onkin jo huomattavasti haastavampaa ilmiön ajallisesti hajanaisen luonteen ansiosta. Yleensä turbulenteista virtauksista saadaan kuitenkin infoa muilta ilmassa olevilta lentokoneilta ja tietynlainen yhteispeli onkin näissä asioissa edelleen yksi tärkeimmistä ilmiön havainnollistajista.

Lentokoneiden ohjaat pyrkivät siis aina arvioimaan ja ennakoimaan turbulenttien virtausten voimakkuuksia sekä kelin heitteisyyttä, mutta aina näistä ei kuitenkaan saada minkäänlaista ennakkovaroitusta. Etenkin koneen noustessa ja laskeutuessa heittoisuutta -ja ilmakuoppia- ilmenee tavallista enemmän. Mutta miksi näin on?

Tämä selittyy sillä, että matalempana kaikenlaiset maanpinnan epätasaisuudet ja lämpötilaerot aiheuttavat alapuolella liikkuvaan ilmamassaan entistä enemmän epäsäännöllistä vaihtelevuutta ja häiriötä kuin korkeimmilla ilmakerroksilla. Tätä voidaan verrata esimerkiksi veteen, jossa voidaan huomata että matala puro on yleensä aina pyörteisempää kuin vaikkapa syvä joki. Matkalentokorkeudessa ilmenevää turbulenssia kutsutaan niin sanotuksi kirkkaan ilman turbulenssiksi. Tämänkaltainen turbulenssi muodostuu siitä, kun erisuuntaiset ja/tai eri nopeudella etenevät ilmamassat kohtaavat ja sekoittuvat keskenään näin aiheuttaen virtaukseen sekasortoisuutta. Ilmiö on saanut nimensä siitä ettei heittoisuutta voida selittää millään ihmissilmiin erottuvalla syyllä kuten vaikkapa pilvillä, eikä turbulenssia voida havaita paljaalla silmällä tai normaalilla säätutkalla. Kirkkaan ilman turbulenssia esiintyy yleensä esimerkiksi korkeiden vuorten ja vuoristojen, sekä niin kutsuttujen jet-virtausten (=troposfäärin, eli ilmakehän alimman kerroksen yläosissa olevat nopeat termiset tuulet, jotka pyrkivät jatkuvasti tasoittamaan lämpötilaeroja ympäri maapallon eri osia) läheisyydessä.

Eräs toinen turbulenssin esiintymiseen vaikuttava seikka on lämpötila. Kesäisin lämpötilan ollessa korkeimmillaan ilmiötä esiintyykin kylmää säätä enemmän. Tämä selittyy sillä, että talvella erilaisia lämpövirtauksia on vähemmän; esimerkiksi lämpimällä säällä useammin esiintyvät pystyvirtaukset ja erilaiset korkeat pilvimuodostelmat saattavat muuttaa lentokoneen siipien aistimaa kohtauskulmaa jolloin koneeseen kohdistuva turbulenttisuus luonnollisesti lisääntyy.

Kaikessa epämiellyttävyydessään ja yleisyydessään turbulenssi on kuitenkin lentämisen yhteydessä pääosin melko harmiton ilmiö. Lentokoneen siivet on suunniteltu niin että ne joustavat ja liikkuvat virtausta myötäillen ylös ja alas estäen siipien rikkoontumisen ja samalla tasoittaen etenemistä. Tästä huolimatta tämän arkipäiväisen ilmiön ja lentämisen välille liittyy myös riskejä. Vaikka voimakkaita tuulia ja muita isompia sääilmiöitä pyritään lennoilla aina välttämään parhaan mukaan, saattaa esimerkiksi niin kutsuttua tuulisiiriä esiintyä.

Tällaiseessa "pahimman tapauksen turbulenssissa" tuulen suunta ja/tai nopeus muuttuvat äkillisesti, mutta hyvin voimakkaasti pienellä alueella. Puuskan aiheuttama lentonopeuden pieneneminen aiheuttaa samalla lentokoneeseen kohdistuvan nostovoiman pienenemisen joka kaikessa yhtäkkinäisyydessään saattaa irrottaa siipiin kohdistuvan ilmavirtauksen, jolloin kone saattaa hetken aikaa sakata (=vajota) ilman nostovoimaa. Tuulisiiri on kuitenkin yleensä kaikessa lyhytkestoisuudessaan ohi hyvin nopeasti ja harvemmin esiintyy missään käytännön tilanteessa, jonka lisäksi nykyaikaiset lentokoneet on varustettu ilmiön aistivilla ja siitä ennakkoon varoittavilla erikoistutkilla. Lentoyhtiöiden testattavana on nyt myös viimeisimpänä huutona kehitetty kauas ilmaan pulsseja lähettäviä ultraviolettilaasereita joiden uskotaan ratkaisevan lentämisen yhteydessä esiintyvän turbulenssin välttämisongelma lopullisesti.

Mutta tämäpä onkin sitten aivan oma tarinansa!

LÄHTEET
• http://www.scholarpedia.org/article/Turbulence
• Turbulence: An Introduction for Scientists and Engineers. P.A. Davidson (2004)
• https://blog.finnair.com/2009/05/29/turbulenssi/
• http://www.telegraph.co.uk/travel/travel-truths/What-causes-turbulence-and-is-it-dangerous/
• http://www.cntraveler.com/stories/2014-02-19/united-airlines-mid-air-scare-prevent-turbulence-related-injuries
• (https://en.wikipedia.org/wiki/Turbulence)