Derfor blir rullebanen glatt

Vann i ulike former kan gjøre veier og rullebaner glatte, og en lang rekke fysiske faktorer virker inn på hvor glatte rullebanene blir. Kunnskap om dette fagområdet er helt nødvendig for å forutsi landingsforholdene for fly, og artikkelforfatter Reinhard Mook ved Universitetet i Tromsø tar her for seg ulike nyttige faktorer som alle piloter bør ha kunnskap om. Om forfatteren: Reinhard Mook er emeritus ved Universitetet i Tromsø. Som meteorolog har han arbeidet med bl.a. vann og varme. Omkring årtusenskiftet har han i flere år vært bidragsyter til CockpitForum om luftfart og atmosfærens fysikk samt om kontaminasjon av rullebaner ved frosset vann, i senere tid bidratt om siste emne til AeroSafety World. Han er fortsatt aktiv som konsulent for Statens Havarikommisjon for Transport (SHT). På vegne av SHT gjennomfører han siden mange år feltstudier på Svalbard Lufthavn Longyear. E-post: reinhard.mook@uit.no

Det er en alminnelig erfaring: På is og snø blir føret glatt, for fotgjengere og biler, sparkstøttinger og annet. Blindholke er lumsk i det et lag av snø uventet sklir unna på skjult is. Gjennomsiktig is er vanskelig å se, da den gir inntrykk av at man ser bar asfalt.

Rullende fly er også kjøretøyer, men skiller seg ut hva angår tyngdepunktene for masse (vekt) og for vindens sidetrykk,
ved hjularrangement og mange frihetsgrader til å bukke og neie, samt svinge i ulike retninger. Når frosset vann i ulike former dekker rullebanen, kan det bli for glatt til å lande eller å ta av. Det samme gjelder når snøelinger står på og flytende vann kommer til, og når vinden blåser på tvers av banen. Slikt vær er typisk for den nordnorske vinteren, og klimaet i grensesonen mellom Nordøst-Atlanteren og den nordvestligste kant av Europa. Denne artikkelen handler om frosset vann på rullebaner. Men emnet angår alle som ferdes på vinterføre.

Om å bremse
Fotgjengeren eller bilen er avhengig av å kunne utøve kraft «bakover» for å få ønsket fremdrift. Fly som starter trenger å kunne overføre kraft til banen for å styre retningen, men får sin fart ved propeller eller dysestrålens skyvekraft. Å bremse med hjul krever igjen å overføre kraft til underlaget. Fly som lander bremses i første omgang ved motorkraft satt på «revers» og ved luftbremser. Men underskrider hastigheten ca. 30 m/s (Boeing 737) blir også fly avhengig av hjulbremser, som ethvert annet kjøretøy. Flyets kjøredynamikk (måten å bevege kropp og hjulsett) avviker imidlertid fra forholdene hos biler. Hjul kan overføre kraft til fast underlag som formkraft, der tannhjulet (tannhjulbane) er et anskuelig eksempel.

Hjulgummi kan gripe inn i rullebanens ujevnheter, men effekten er relativt ubetydelig på rullebaner både med og uten is og snø. Det skyldes rullemotstand, dels fordi hjulet deformeres i fotpunktet, men særlig når hjul pløyer seg gjennom stående vann eller snø. Men som regel er banen preparert, og dekket av fast is eller fortettet snø. Fersk løs snø er for millimeter å regne. I hovedsak bremses det adhesivt – ved «klebekraft». Det vil si at molekylære, elektriske krefter virker mellom hjuldekk og fast underlag. Enkelte mineraler, for eksempel diabas, er i så måte bedre enn andre, for eksempel dolomitt. Bremsekraft virker tangensialt i banens plan. En slik kraft kalles skjærkraft. Det blir glatt når adhesjonen svekkes (ved forurensing) eller skjærkraft overføres dårlig slik tilfellet er gjennom væsker. For klarhets skyld: Kraft er lik legemets masse («vekt») ganger akselerasjon, mens bremsing (retardasjon) er «negativ» akselerasjon.

Å bremse adhesivt forutsetter et visst slipp. Med slipp menes forskjellen mellom hastigheten som omkretsen til det rullende hjulet skulle tilsi, og den hastigheten som kjøretøyet (flyet) beveger seg med i forhold til banedekket. Et hjul som spinner, har fart uten å akselerere kjøretøyet. Et blokkert hjul står stille, kjøretøyet bare sklir, kun glidefriksjonen virker. Den maksimalt overførbare skjærkraft ved bremsing kan ligge i intervallet 10 til 15 prosent slipp. «Anti-skid-systemet» er et selvregulerende anlegg som forsøker å styre den anvendte bremsekraft best mulig i forhold til den overførbare skjærkraft på det aktuelle føret. Dersom den anvendte bremsekraft overskrider den maksimalt overførbare skjærkraft («overbremsing»), så avtar den overførte, bremsende kraft dramatisk. Flyet sklir. I det ligger også at sidekrefter knapt eller ikke kan overføres. Ikke bare evnen å bremse, også evnen til å styre går tapt.

En vindkomponent på tvers av rullebanen presser fly til side, og ut av banens midtlinje, om ikke sidetrykket kan overføres som skjærkraft til rullebanen. Posisjon av hjul i forhold til haleror gjør at fly dreier som en værhane på glatt føre. Skjærkraft som fanger opp dreiemomentet går på bekostning av skjærkraften som er tilgjengelig for å bremse flyet. Med økende sidevind skjerpes derfor krav til banens friksjonsevne. Tilsvarende gjelder når flyet skal styres i en sving, for eksempel kjøre av fra rulle- til taksebane. Skjærkraften bør balansere sentripetalkraften, dvs. kunne hamle opp med massens treghet, som vil fortsette den rettlinjete bevegelsen. Sentripetalkraften øker sterkt (kvadratisk) med hastigheten og (lineært) med minkende radius av den kjørte svingen.

Alt som dekker en ren tørr bane oppfattes som forurensende (kontaminerende). Kjennskap til banens evne til å bremse («braking action») trengs for å anslå bremselengde for en bestemt type fly med gitt landingsvekt, inkludert hensyn til vind og luftens densitet. De siste 60 år er flere typer friksjonsmålere blitt bygget etter ulike prinsipper. Særlig ved «nullføre» (is og vann nær smeltetemperatur) er disse målerne upålitelige. Generelt er flyenes kjøredynamikk vanskelig å etterlikne. Avinor forsøker derfor å utlede banens bremseevne av kjennetegn ved kontaminasjonen.

Når banen tildekkes
Nedbør i form av regn, yr eller vætende tåke alene, tas ikke i betraktning her. Om flytende nedbør fra varm luft oppe i høyden faller på en rullebane med en overflate som er kaldere enn frysepunktet, vil banen bli «glasert» av hard og meget glatt is. I Nord-Norge ligger flyplasser i innlandet (f.eks. Bardufoss) til tider i bunnen av kald luft, mens regnholdig luft tilføres ovenfor. Den vertikale fordeling av lufttemperatur kan også være slik at underkjølt flytende nedbør (temperatur lavere enn 0 °C) treffer på en rullebane som er varmere enn vannets vanlige frysetemperatur (0 °C). Ved nedslaget fryser vannet kortvarig.
Underskrider lufttemperatur nær bakken ca. 3 °C, vil nedbør som regel være sludd eller snø. Behovet for å dekke energien til å smelte og fordampe gjør at snø ikke straks går over i regn ved atmosfærens 0 °C-grense. Om volumandelen flytende vann overskrider 20 til 30 prosent, går våt snø over i «slaps». Smeltende og derfor ofte
avrundete partikler av is kan virke som kulelagre smurt med vann, mellom hjuldekk og fast underlag. Bremseforholdene
er i så fall dårligere enn det som er tilfelle i stående vann, bortsett fra ved vannplaning.

Fersk snø inneholder nesten alltid andeler av underkjølt flytende vann. «Tørr» snø må heller ikke forventes uten videre ved lave bakketemperaturer, fordi snøen kan ha utgangspunkt i varm luft. Snøbygene som «nordvesten» medfører på den nordnorske kyst kan gjerne inneholde 15 til 20 volumprosent flytende vann. Snøen tørker imidlertid opp i løpet av et halvt døgn i oppholdsvær med kulde. Det flytende vannet i fersk snø gir dårlig bremseevne. Beryktet i så måte er Evenes lufthavn.
Når fersk snø ryddes med tungt og kvast utstyr, vil vann bli presset ut, og straks fryse til en skorpe av is. Slike
skorper utgjør glatte glideflater, glinsende i lys, og fremstår som «blindholke» om de er dekket av løs snø eller
rim.

Når banedekket, i det minste toppene av mikroteksturen (på fagspråk: asperittene), kjøles ned av varmetap ved utstråling til under luftens frostpunkttemperatur – den temperatur hvor vanndamp fortettes til is – vil rullebanen bli dekket med rim. Det gir glatte forhold. Tilsvarende dannes dugg når overflatetemperaturen underskrider den temperatur der vanndampen fortettes til flytende vann.

Lufthavnes hovedmål er å ha «svart bane» – ren asfalt. I praksis er primær is eller kompakt eller løs snø neppe til å unngå. Det samme gjelder sekundær is, fra omformet slaps eller komprimert snø. Akkumulert snø eller is fjernes mekanisk, ofte ved hjelp av kjemikalier (salter) som et første trinn. Saltene løst i vann har lave frysetemperaturer, og smelter isen punktvis, slik at den kan fjernes. Men løsningene er også aggressive mot flybremser og elektriske installasjoner i flyenes hjulbrønn. Saltene som blir uttynnet ved smeltevann kan fryse til is ved relativt høye temperaturer. I så fall dannes meget hard is.

Sand oppvarmet ved absorbert stråling kan smelte inn i is eller fortettet snø og siden, ved kulde, fryse fast. Hvis kornene ikke har smeltet inn for dypt, kan de virke bremsende både ved formkraft («tannhjul») og mineralets klebekraft (adhesjon). En styrt virkning kan oppnås ved å bringe sand sammen med dosert oppvarmet vann («fastsand») ut i kulde.

Løs, tørr sand vil delvis bli skjøvet til side av flyhjul. Korn kan blåses bort av vind og luftstrøm forårsaket av fly. Sandkorn bør derfor ha en viss tyngde (volum), men ikke danne for stor angrepsflate for vind. Angrepskraften for vinden øker med overflaten. (Hos et kuleformet korn med radius r endrer seg volum og vekt med r · r · r = r3, overflate baremed r · r = r2).

Engunstig kornstørrelse er muligens en opp til to millimeter i diameter. Sand på myk (smeltende) is, slaps eller løs snø virker knapt, ettersom kornene fortrenges og forflyttes av hjulene, sammen med kontaminasjonen, eller presses inn i den.

Vann på banen over tid
Flytende vann på en primær rullebane (asfalt) kan fryse til nåler av is når temperaturen i toppen av banedekket (asperittene) så vidt underskrider frysepunktet. Frysepunktet kan ligge opp til èn grad lavere enn 0 °C, siden vannet ikke er kjemisk rent. Is som gir glatt rullebane kan dannes selv om den ikke var dekket av noen bevegelig film av vann, kun av adhesivt bundet vann (fuktig bane). Overgangen til is kan skje «momentant» om mengden av vann er liten, og inntreffer gjerne overraskende mellom baneinspeksjoner. Nåler eller en film av is uten innesluttet luft er gjennomsiktige. Ved flyktig inspeksjon kan det feilaktig se ut som bar asfalt; derfor betegnelsen «svart is».

Komprimert snø som dekker den primære rullebanen (asfalt) danner et sekundært banedekke. Krystallenes form og innbyrdes forbindelser (isbruer) er under stadig endring. Intern fordampning og fortetting pågår hele tiden. Av «stabilt» vær må det ikke sluttes at evnen til å overføre skjærkraft forblir uendret. Kontaminasjonens forhistorie har betydning. Rekkefølgen av smelting, regn og kulde preger den aktuelle kontaminasjon, likeså banepreparering og trafikk ved trykk, smelting og
gjenfrysing i spor.

Slaps kan fryse til aggregater av is. Innesluttet luft gir et grått utseende. Denne formen for is er ofte sprø. Komprimert snø eller is kan i løpet av tiden, avhengig av nedbør og temperatur, bli dekket av flytende vann som fryser til gjennomsiktig is. Slik får kontaminasjonen en lagdelt struktur av flere (om enn tynne) påfølgende lag. Grenseflatene kan virke som glideflater, slik at et øvre lag påført skjærkraft sklir på sitt underlag. Over tid, avhengig av interne temperatur-gradienter, kan lag vokse inn i hverandre, men også utvikle en (grunn) sone av løse krystaller som knapt tåler å belastes tangensialt.

Snø og is blir delvis gjennomtrengt av solstråling, som så absorberes av svart asfalt. Derfor, eller som følge av varme i banelegemet, kan en såle av frosset vann tine nedenfra. Den kan da miste sitt feste i den primære rullebanen (asfalt). Is eller snø som er forurenset i overflaten (av gummi, sot eller lignende) absorberer solstråling. Det dannes en overflatefilm av smeltevann, som så kan fryse til gjennomsiktig is. Den kan i det videre forløp virke som vindu for ytterligere smelting, ved solstråling som trenger gjennom og bidrar til høy lufttemperatur «innendørs.» Slik desintegreres den sekundære banen (kompakt snø eller is) ovenfra.

Ut på våren vil den sterke solstrålingen tilføre asfalt mye varme. Intense snøbyger, som er vanlige på kysten, vil kunne gi mer vann i form av snø per tid enn den mengden som varmen i asfalten tiner nedenfra. Overskuddet av snø som ikke smeltes straks, resulterer i et lag av snø på en såle av smeltevann. Under trykk av hjul dannes spor av komprimert snø som blir dekket av overvann. Under slike forhold har skjedd flere utforkjøringer, bl.a. i Tromsø (i mai måned).

Kompakt snø eller is vil over tid tørke ut, særlig ved lav temperatur (kaldere enn -15 °C). Samtidig endres krystallstrukturen. Bremseforholdene på slik kald kontaminasjon (Kirkenes, Svalbard) er gode. Ved -30 °C oppnås «braking action» sammenliknbar med den (teoretisk) på sandpapir. Men dette gjelder ikke når vind (mer enn 15 m/s i 10 m høyde) sliper og polerer is eller komprimert snø ved vinddrevne fragmenter etter krystaller av is. Under slike forhold kan en bane vise seg å være «svinglatt». Lav temperatur (stor densitet av luft) kombinert med stor vindfrakt av is i de laveste milli- eller centimeter over banen kan føre til at hjul løftes på samme vis som ved vannplaning.

Flytende vann under hjuldekk
Flytende vann overfører skjærkraft dårlig. Vannet virker på is eller komprimert snø som et glide- eller smøremiddel, med mindre hjuldekk griper inn i det faste underlaget. Ved temperatur varmere enn ca. -15 °C bør man uansett regne med at det er en film av flytende vann på isen, ettersom den befinner seg meget nær smeltepunktet, sett i relasjon til det absolutte nullpunktet på -273 °C. En slik film hører til de normale egenskaper av frosset materiale ved vanlige vintertemperaturer. Evnen til å ta i mot bremsekraft ved is eller snø forringes avgjørende i spor fra hjul. Hjulavtrykket kan presse frem
vann som er innesluttet i kontaminasjonen. Ved vanlige vintertemperaturer bidrar hjulets friksjonsvarme med smeltevann: For det første kan hjuldekkets og isens eller (den sammenpressete) snøens overflater oppfattes som rue. Toppene (asperittene) danner primære kontaktpunkter. I disse kan det for svært korte tidsintervaller opptre temperaturer («flash temperatures») tilstrekkelig til å smelte eller endog fordampe frosset vann. For det annet medfører slipp temperaturer som betinger kortvarig smelting under hjulet. Dersom hjulene blokkeres, kan is og gummi endog overføres til damp, slik at hjulet mister kontakt med det faste underlaget (planing). For det tredje vil det fysikalske arbeid utført av bevegelsen på nitrogen i hjulslanger og på gummiens viskoelastisitet, føre til overflatetemperaturer som ligger vesentlig over vannets smeltetemperatur. Alle disse tre forhold er avhengige av bremsemodus og det rullende flyets dynamiske egenskaper, men smeltingen vil også avhenge av den opprinnelige temperaturen til den frosne kontaminasjon.

Frysepunkttemperaturen avtar med økende trykk. Denne kjensgjerningen nyttes gjerne til å forklare forekomsten av vann (straks gjenfrosset til is) i hjulspor – og glideevnen til ski og skøyter. Beregninger viser at nedsatt frysepunkt (hhv. smeltepunkttemperatur) ved økende trykk ikke kan spille noen rolle ved å danne smeltevann. Derimot er den frisatte friksjonsvarmen ved slipp og gliding betydelig, og forklarer det som skjer. Trykk av hjul kan bidra til den totale mengde flytende vann ved å presse ut flytende vann som måtte befinne seg i frosset underlag. Dermed nedsettes evnen til å overføre skjærkraft.

Særdeles glatte forhold ved rim kan tilskrives den varmen som blir generert av hjul på den ene side, og den lille massen (lite varmeinnhold) som rim utgjør på den annen side. Selv om avsatt rim skulle være begrenset til asperitter, vil en blanding av smeltevann og gjenværende is smøres ut over dekkenes kontaktpunkter ved slipp.

Den globale sammenheng mellom vann og is på den ene side, og glatt føre på den andre, kan uttrykkes ved en regel (utledet av erfaring) funnet hos Statens Havarikommisjon for Transport: Om den aktuelle lufttemperatur og duggpunkttemperatur er mindre enn 3 grader, dvs. i «fuktig miljø», bør glatt føre påregnes.

Varmelærens finesser
Lufttemperatur varmere enn 0 °C betyr ikke at is eller snø smelter. Frosset vann kan ikke bli varmere enn 0 °C; den temperaturen varer inntil alt frosset vann er smeltet. Holdes stråling utenfor (den kan til- eller bortføre varme), slik at
vi bare tar hensyn til lufttemperatur og fordampning (avhengig av luftfuktighet), vil varme avgitt fra luft (forutsatt varmere enn 0 °C) til smelteferdig snø eller is primært gå til fordampning. Ved relativ luftfuktighet på 60 til 70 prosent vil ikke snø smelte før lufttemperaturen inntil snøen er kommet opp i 3 °C. Forholdet har betydning når ski skal smøres. Ved absolutt tørr luft viser teorien at snø ikke smelter før luftens temperatur er kommet opp i 9 °C. Når duggpunkttemperaturen ligger høyere enn temperaturen til banens is eller snø (maksimalt 0 °C), vil det bli dannet dugg eller rim. Varmen som frigjøres ved duggfall er tilstrekkelig til å smelte opp inntil 7 ganger så mye is som dugget
utgjør. Av den grunn vil duggfall alltid medføre ganske mye smeltevann. Varm luft med mye vanndamp over is medfører en svært glatt bane. Enda mer varme frigjøres når rim dannes, men det skjer ved temperaturer lavere enn frysepunktet (identisk med smeltetemperatur) på is som ennå ikke er smelteferdig.

Vanndamp antas å være mettet i grensen mellom is og luft, hhv. mellom flytende vann og luft. Vanndampens metningstrykk er større i overflaten av flytende vann enn av frosset (i is er molekylene bundet fastere). Duggpunkttemperaturen (se ovenfor) er definert i forhold til damp mettet over flytende vann også ved «kuldegrader» (underkjølt vann). Dannelse av rim forutsetter imidlertid objekter kaldere enn frostpunkttemperaturen.

Det betyr at damp vil være mettet i forhold til is(!) allerede ved litt høyere temperatur (varmere) enn i forhold til underkjølt flytende vann. Målt fuktighet i luft oppgitt ved duggpunkttemperatur -10 °C svarer til frostpunkttemperatur -9°C, duggpunkt -20 °C til frostpunkt -18 °C. Derav følger at rim kan dannes på en rullebane ved -18 °C uten at det oppgitte duggpunktet -20 °C var nådd eller underskredet.

Bakken virker som en transformator for energi overført ved stråling. Overflaten av rullebanen, det vil si det porøse sjiktet av asfalt, eller det porøse og delvis gjennomsiktige sjiktet av is eller kompakt snø, avgir eller tar opp varme ved stråling. Laget kan kjøles eller varmes. I denne sonen av overflaten skifter temperaturen sterkest, og temperaturklimaet er ekstremt.

Lufttemperatur måles og meldes for høyde 2 m over bakken nettopp for å få verdier som er representative for et større område. Tilstanden til frosset vann avhenger imidlertid av dets temperatur. Når overflaten (ved netto utstråling) kjøler den tilgrensende luft, og denne ikke blandes med varmere luft ovenfor ved vind (turbulens), kan temperaturforskjellen i forhold til 2 m høyde være opp til 10 grader. Banen kan således være betydelig kaldere enn rapporterte lufttemperaturen. Rim kan dannes «uventet». Omvendt kan frosset vann på rullebanen smelte ved å ta opp stråling selv om temperaturen i 2 m høyde er lavere enn 0 °C. Om temperatursensorer er lagt inn i rullebanen, vil disse ved termisk treghet av materialet vise hurtige endringer i temperaturen forsinket i tid, avhengig av varmeledningen.

Fasit
Frossen kontaminasjon kan anta nær uendelig mange og stadig endrete tilstander over tid. Noen, for eksempel
krystallaggregaters form og innesluttet flytende vann, kan granskes i laboratoriet. Drift av rullebanen, og informasjon til piloter, krever kriterier som er enkle og hurtige å observere. Mangfoldigheten i tilstander frembringes av komplekse prosesser som omfatter mange tilbakekoblinger («feedback»). Disse tilbakekoblinger gjør det mulig å beskrive komplekse sammenhenger ved få variabler.

Kontaminasjonens temperatur er viktig. Den kan måles ved hjelp av isens infrarøde utstråling. Andelen flytende vann i frossen kontaminasjon er vesentlig for evnen til å overføre skjærkraft, men skifter med temperaturen. Også kontaminasjonens forhistorie har betydning. Bestrebelser med sikte på å kunne beregne rullebanens bremsevirkning er i gang internasjonalt. Det kan skje enten ved direkte målinger, ved å simulere bremsende fly, eller utledet av kontaminasjonens kjennetegn.