Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
THIAGO BORTOLOTTI
TURBULÊNCIA DE CÉU CLARO (CAT) E O USO DO LIDAR NA SUA
DETECÇÃO
Palhoça
2021
THIAGO BORTOLOTTI
TURBULÊNCIA DE CÉU CLARO (CAT) E O USO DO LIDAR NA SUA
DETECÇÃO
Monografia apresentada ao Curso de
graduação em Ciências Aeronáuticas, da
Universidade do Sul de Santa Catarina, como
requisito parcial para obtenção do título de
Bacharel.
Orientador: Prof. Esp. Orlando Flavio Silva
Palhoça
2021
THIAGO BORTOLOTTI
TURBULÊNCIA DE CÉU CLARO (CAT) E O USO DO LIDAR NA SUA DETECÇÃO
Esta monografia foi julgada adequada à
obtenção do título de Bacharel em Ciências
Aeronáuticas e aprovada em sua forma final
pelo Curso de Ciências Aeronáuticas da
Universidade do Sul de Santa Catarina.
Palhoça, 2021.
______________________________________________________
Professor e orientador, Prof. Esp. Orlando Flavio Silva
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Prof. MSc. Angelo Damigo Tavares,
Universidade do Sul de Santa Catarina
RESUMO
Considerando que na aviação hoje em dia, a turbulência de céu claro é um dos
fenômenos meteorológicos mais difíceis de serem previstos, devido a sua ocorrência em micro-
escala, essa pesquisa teve como objetivo mostrar a possibilidade do uso de um tipo de radar,
chamado de LIDAR, até então nunca usado a bordo de aeronaves, para conseguir detectar a
CAT e assim, a tripulação ter condições de tomar as devidas ações necessárias a fim de se evitar
áreas com turbulência de céu claro, melhorando assim o bem estar dos passageiros e a segurança
do voo. A presente pesquisa caracteriza-se como exploratória, com procedimento bibliográfico
e documental e com abordagem tanto qualitativa, quanto quantitativa. Ao fim da pesquisa foi
constatado que apesar de ser necessário inúmeras adaptações e certificações nas aeronaves, é
sim possível o uso deste tipo de radar a bordo, melhorando assim a segurança do voo e dos seus
ocupantes.
Palavras-chave: Turbulência de Céu Claro. LIDAR. Radar Meteorológico. DELICAT
ABSTRACT
Considering that in aviation today, clear sky turbulence is one of the most difficult
meteorological phenomena to be predicted, due to its occurrence on a micro-scale, this research
aimed to show the possibility of using a type of radar, called LIDAR, which has never been used
on board an aircraft, to be able to detect, and the crew be able to perform the necessary actions
to avoid areas with clear sky turbulence, thus improving passenger well-being and flight safety.
This research is characterized as exploratory, with a bibliographic and documentary procedure
and with both a qualitative and quantitative approach. At the end of the research it was found
that despite the need for numerous adaptations and certifications in the aircraft, it is possible to
use this type of radar on board, thus improving the safety of the flight and its occupants.
Keywords: Clear air turbulence. LIDAR. Meteorological radar. DELICAT
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Esquematização de áreas de turbulência de céu claro associadas com correntes de
jato, ventos fortes em grandes altitudes e camadas de ar com velocidade e deslocamentos
distintos. .............................................................................................................................. 15
Figura 2 - Imagem indicando áreas com grande chance de ocorrência de CAT através de nuvens
no formato de ondas ............................................................................................................. 17
Figura 3 - Imagem do satélite GOES no canal do visível mostrando nuvens no formato de ondas
(billows) e bandas de nuvens transversais (bands) com o objetivo de se analisar regiões com a
presença de CAT. ................................................................................................................. 18
Figura 4 - Esquema básico de funcionamento de um LIDAR ................................................ 19
Figura 5 - Vista da carenagem na lateral da aeronave, responsável por cobrir o espelho externo.
............................................................................................................................................ 21
Figura 6 - Imagem da aeronave usada para o projeto e suas alterações. ................................. 22
Figura 7 – Lidar instalado a bordo da aeronave .................................................................... 22
LISTA DE SIGLAS
CAT
DWL
FAA
LIDAR
SIGWX
WS
Clear Air Turbulence / Turbulência de céu claro
Doppler Wind Lidar / Equipamento LIDAR que utiliza
a técnica de Doppler para medir a velocidade e direção
do vento.
Federal Aviation Administration / Administração Federal
da Aviação
Light Detection and Ranging / Detecção de Luz e Medidas
Distância
Significant Weather Chart / Carta de tempo significante
Wind shear / Tesoura de vento
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................. 8
1.1 PROBLEMA DA PESQUISA ............................................................................. 9
1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................... 9
1.2.1 Objetivo Geral ..................................................................................................... 9
1.2.2 Objetivos Específicos .......................................................................................... 9
1.3 JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 10
1.4 METODOLOGIA ............................................................................................... 11
1.4.1 Natureza e tipo da pesquisa ................................................................................. 11
1.4.2 Materiais e métodos............................................................................................. 11
1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ................................................................... 11
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................... 13
2.1 A TURBULÊNCIA ............................................................................................. 13
2.2 A TURBULÊNCIA DE CÉU CLARO ................................................................ 14
2.3 RADARES METEOROLÓGICOS NA DETECÇÃO DA CAT .......................... 15
2.4 PREVISÃO DE OCORRÊNCIA DE CAT .......................................................... 16
2.5 LIGHT DETECTION AND RANGING - LIDAR................................................ 18
2.6 AIRBORNE LIDAR NA DETECÇÃO DE CAT ................................................... 19
2.7 PROGRAMA DELICAT .................................................................................... 20
2.7.1 Objetivos do programa ........................................................................................ 20
2.7.2 Equipamentos ...................................................................................................... 21
2.7.3 Resultados ........................................................................................................... 23
3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................ 24
4 REFERÊNCIAS ................................................................................................ 26
8
1 INTRODUÇÃO
A meteorologia aeronáutica é um ramo muito importante para todos que atuam na
área da aviação. As aeronaves voam em um meio gasoso que está sujeito a diversos tipos de
mudanças e é a meteorologia a responsável por estudar e também tentar prever essas variações
que ocorrem.
“A constante variação da temperatura, umidade e pressão da atmosfera, aliada à
busca permanente da atmosfera por equilíbrio, tornam a meteorologia uma ciência complexa, e
por vezes, difícil de se compreender”. (BIANCHINI, 2017, p.13)
Existem inúmeros fenômenos meteorológicos que podem ocorrer devido a essas
variações que ocorrem na atmosfera, entre eles podemos citar as chuvas, nuvens, tempestades,
neve, granizo, ventos, turbulências, entre outros. Alguns desses fenômenos podem afetar a
segurança de voo, causando problemas e até acidentes. Felizmente, com o estudo e a previsão
desses fenômenos, conseguiu-se diminuir consideravelmente o número de ocorrências
relacionadas a fenômenos meteorológicos na aviação, porém, existe um que ainda é um grande
problema e continua incomodando pilotos e passageiros durante os voos devido a uma grande
dificuldade em conseguir detectar e prever a sua ocorrência, geralmente pegando pilotos e
passageiros de surpresa durante voos em rota. Esse fenômeno é a turbulência de céu claro, mais
conhecida como CAT, abreviação do inglês para “Clear Air Turbulence”.
A CAT pode ser definida como um tipo de turbulência que ocorre em grandes
altitudes sem a presença de nuvens ou atividade convectiva. (MOLARIN, 2013) – Segundo
Bianchini (2017, p.161), “este é um tipo inconveniente de turbulência, pois apesar de poder ser
prevista, não pode ser visualizada e raramente é detectada pelo radar meteorológico da
aeronave”.
A sua dificuldade em ser prevista ou observada se dá pelo fato de ela não estar
associada a nenhum tipo de fenômeno meteorológico visual, ocorrendo em uma atmosfera
totalmente limpa e sem nuvens. Até então não existia nenhum equipamento capaz de prever
esse tipo de fenômeno, já que os radares meteorológicos usados a bordo das aeronaves
necessitam da presença de gotículas de água ou gelo para captarem algum sinal e mostrarem na
tela a bordo das aeronaves. Com o avanço da tecnologia, porém, surgiu um equipamento capaz
de perceber essa variação das moléculas de ar, causadoras de turbulência. Esse equipamento se
chama LIDAR. LIDAR é uma abreviação de Light Detection and Ranging, que em uma tradução
livre seria, detecção de luz e medidas de distância. O LIDAR é uma técnica de sensoriamento
remoto baseada na emissão de um feixe de radiação eletromagnética com a finalidade de medir
9
a distância através da captação do sinal espalhado que retorna em direção ao sistema. A técnica
é a mesma utilizada pelo radar, porém com a utilização de diferentes comprimentos de onda.
Enquanto o radar opera com comprimentos de onda na faixa sonora, o LIDAR utiliza a radiação
luminosa. (COSTA, 2011).
O LIDAR já é bastante utilizado em solo, para diversos tipos de trabalhos e estudos,
principalmente estudo dos gases atmosféricos, aerossóis, nuvens e temperatura. Esse trabalho
mostrará a importância de utilizar esse tipo de equipamento a bordo das aeronaves, sendo
possível detectar áreas de turbulência em voo, havendo a possibilidade de desviar de tais áreas
ou então tomar as devidas precauções, reduzindo o número de acidentes e incidentes em voo
devido a turbulências.
1.1 PROBLEMA DA PESQUISA
Como o equipamento LIDAR a bordo de aeronaves pode ajudar na detecção de áreas
com turbulência de céu claro, evitando assim acidentes e incidentes com a aeronave em voo de
cruzeiro?
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Demonstrar a importância do uso do LIDAR a bordo das aeronaves para a detecção
de turbulência de céu claro em voos de cruzeiro.
1.2.2 Objetivos Específicos
a) Definir o que é a turbulência de céu claro e como ela se forma;
b) Compreender porque os atuais radares a bordo das aeronaves não permitem detectar
regiões com presença de turbulência de céu claro;
c) Entender o funcionamento do sistema LIDAR;
d) Compreender como o sistema LIDAR consegue detectar áreas de turbulência de céu
claro;
10
1.3 JUSTIFICATIVA
O estudo da meteorologia é muito importante na aviação, pois quanto mais
conseguirmos melhorar nossos sistemas de previsão e detecção de eventos meteorológicos,
mais conseguiremos evitar acidentes aeronáuticos causados pela meteorologia.
Como exemplo de acidente aeronáutico causado devido à meteorologia, podemos
citar o voo Delta Air Lines 191, que ocorria regularmente entre Fort Lauderdale e Los Angeles
com escala em Dallas/Fort Work. Em 2 de agosto de 1985, a aeronave se deparou com um
turbilhão de vento, conhecido como “microburst”, enquanto se aproximava para pouso no
aeroporto de Dallas. Os pilotos, devido ao microburst, acabaram perdendo o controle da
aeronave e se chocando contra o solo, atingindo um carro e também 2 tanques de água. O
resultado do acidente foi a morte de 137 pessoas e mais 28 pessoas feridas. (DUARTE, 2020)
Outro fenômeno meteorológico que costuma causar incidentes/acidentes em voo
são as turbulências. Entre os tipos de turbulência, a turbulência de céu claro já foi e continua
sendo responsável por diversos incidentes e acidentes ao longo da história da aviação. A sua
difícil percepção por meios visuais ou através dos meios disponíveis na maioria das aeronaves,
atualmente, tem contribuído para isso. “Segundo estatísticas da Federal Aviation
Administration (FAA), inúmeros boletins e reportes sobre turbulências provenientes de
aeronaves em voo, sobre todo o território americano, estão relacionados, em grande parte, à
CAT”. (MARTINS, 2017, p.2)
Como a aviação está em constante desenvolvimento, sempre procurando tornar os
voos e as aeronaves mais seguras, diversos estudos têm sido feitos procurando achar uma
solução para esse problema, procurando um jeito de conseguir detectar e desviar desse tipo de
fenômeno.
A presente pesquisa vem sendo executada com o intuito de mostrar à comunidade
aeronáutica uma solução, que está sendo testada, para conseguir reduzir a ocorrência de tais
situações durante o voo, evitando assim que a aeronave sofra danos e pessoas se machuquem.
11
1.4 METODOLOGIA
1.4.1 Natureza e tipo da pesquisa
A presente pesquisa caracteriza-se como exploratória, com procedimento
bibliográfico e documental e com abordagem tanto qualitativa, quanto quantitativa.
A pesquisa exploratória, conforme Lakatos e Marconi (2003, p.188), tem uma
tríplice finalidade, que é “desenvolver hipóteses, aumentar a familiaridade do pesquisador com
um ambiente, fato ou fenômeno, para a realização de uma pesquisa futura mais precisa ou
modificar e classificar conceitos. ”
O procedimento para coleta de dados caracteriza-se como bibliográfico, definido
por Rauen (2002, p. 65) como a “busca de informações bibliográficas relevantes para a tomada
de decisão em todas as fases da pesquisa.”. Desse modo, a pesquisa em questão visa a uma
profunda investigação teórica e prática sobre cada uma das supracitadas abordagens, primordial
para a análise proposta inicialmente. O procedimento documental, conforme Gil (2002), tem o
objetivo de descrever e comparar dados, características da realidade presente e do passado.
A abordagem da pesquisa foi qualitativa, por se basear na realidade para fins de
compreender uma situação única (RAUEN, 2002) e quantitativa, por buscar conhecimento por
meio de raciocínio de causa e efeito, redução de variáveis específicas, hipóteses e questões,
mensuração de variáveis, observação e teste de teorias. (CRESSWELL, 2007).
1.4.2 Materiais e métodos
Os materiais a serem analisados serão:
Bibliográficos: Livros e periódicos que descrevem os fatores humanos relativos a
acidentes e incidentes aéreos, medicina aeroespacial, segurança de voo e psicologia na aviação.
1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Na primeira parte do trabalho é feita uma introdução a respeito do tema trabalhado,
falando sobre os problemas que as turbulências, e principalmente a turbulência de céu claro
trazem para as aeronaves e operadores aéreos.
12
O desenvolvimento do trabalho traz a explicação sobre como funciona a
turbulência, mais especificamente sobre a turbulência de céu claro. Além disso, são citados os
principais meios que temos hoje em dia para detectar e prever esse tipo de turbulência.
Além disso, falamos sobre um tipo de equipamento capaz de detectar esse tipo de
turbulência e como seria possível adaptar este equipamento a bordo de uma aeronave, fazendo
com que eventos de turbulência inesperados se tornem cada vez mais difíceis de ocorrer. Para
finalizar, citamos um projeto realizado por países da União Europeia, que realizaram diversos
testes com esse tipo de equipamento a bordo de uma aeronave.
13
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 A TURBULÊNCIA
Turbulência nada mais é do que um fenômeno meteorológico que ocorre na
atmosfera. Numa busca rápida ao dicionário encontramos a seguinte definição: “Qualidade ou
caráter de turbulento; inquietação; desordem, motim”. (TURBULÊNCIA, 2021.). Quando
utilizamos esse termo em aviação podemos dizer que se trata da inquietação ou distúrbio do ar,
caracterizado pela variação da corrente de ar numa pequena distância. (BIANCHINI, p.155)
A turbulência pode ser classificada segundo suas causas, os tipos, a intensidade e
a duração. Considerando os processos de formação temos as formadas por convecção, pela
rugosidade da superfície, por ondas de gravidade e também por windshear. Em relação aos
tipos de turbulência temos segundo Martins, (2016, p.12)
A turbulência em geral, pode se classificar em quatro principais grupos:
• Turbulências em baixos níveis que ocorrem nas primeiras centenas de metros na
atmosfera, próximas à superfície.
• Turbulências decorrentes de nuvens de tempestade.
• Turbulências de céu claro que ocorrem na atmosfera livre, em sua maior parte em
grandes altitudes sem presença de atividade convectiva próxima.
• Turbulências decorrentes de ondas de montanhas, que ocorrem em regiões
montanhosas ou acidentadas.
Também segundo Martins (2016, p.11), em relação a intensidade, as turbulências podem ser
classificadas como:
• Turbulência leve: As flutuações de velocidade da aeronave ocorrem na ordem de 2.6
a 8 m/s (5 a 14,9 kt1), com velocidades de rajada na margem de 1,5 a 6 m/s (5 a 20
pés/segundo). Os passageiros podem ser obrigados a usar cintos de segurança, mas
objetos soltos dentro da aeronave permanecem em repouso. São os tipos mais comuns
encontrados, ocasionando, tão somente, pequenas oscilações e suaves solavancos.
• Turbulência moderada: As flutuações de velocidade da aeronave ocorrem na ordem
de 8 a 13 m/s (15 a 24,9 kt), com velocidades de rajada na margem de 6 a 11 m/s (20
a 35 pés/segundo), durando, aproximadamente, 11 minutos. O uso dos cintos de
segurança é indiscutivelmente obrigatório, objetos soltos se movem e o deslocamento
pela aeronave se torna difícil.
• Turbulência severa: As flutuações de velocidade da aeronave são iguais ou
superiores a 13 m/s (25 kt), ocorrem com velocidades de rajada de 11 a 30 m/s (35 a
1 Kt do inglês significa knot e é uma unidade de medida de velocidade muito utilizada na aviação.
1 kt é igual a 1,852 km/h.
14
50 pés/segundo), durando aproximadamente 7 minutos. A aeronave pode perder o
controle momentaneamente e sofrer danos estruturais. Passageiros podem ser
lançados violentamente em seus assentos e objetos soltos atirados pelo interior da
aeronave.
Turbulências podem sim afetar a segurança de voo, dependendo da sua intensidade,
podem ocorrer danos permanentes na aeronave e em alguns casos até derrubar uma aeronave.
Segundo a FAA, “entre 2009 e 2018, 340 pessoas sofreram lesões devido a turbulência a bordo
de aeronaves” (FAA, 2020. Tradução nossa). ”Segundo a Federal Aviation Administration
(FAA), o fenômeno gera um custo anual médio entre 100 e 150 milhões de dólares anualmente
para as empresas aéreas em todo o mundo” (Martins, 2016, p.4). Além disso, as turbulências
podem causar danos aos ocupantes de uma aeronave se os mesmos não estiverem sentados com
os cintos afivelados e se os seus pertences não estiverem corretamente guardados nos devidos
lugares.
Dentre os diversos tipos de turbulência que existem, temos a turbulência de céu
claro, também chamada de CAT. Essa turbulência tem sido responsável por diversos acidentes
e incidentes envolvendo as aeronaves e os seus ocupantes, só que diferente das outras
turbulências, ela é um tipo de turbulência que é muito difícil de ser prevista, pois ocorre em
uma atmosfera totalmente limpa, sem presença de nuvens ou algum outro tipo de fenômeno
meteorológico visível.
2.2 A TURBULÊNCIA DE CÉU CLARO
A CAT é causada quando massas de ar se movendo em velocidades muito diferentes
se encontram, causando cisalhamento e consequente distúrbio dessas massas. “A CAT pode
estar associada a regiões próximas do núcleo de correntes de jato, áreas de inversão térmica
próxima à tropopausa, encontro de camadas de ar com velocidades e deslocamentos distintos,
ondas de montanha e regiões de forte cisalhamento do vento em altitude”. (MARTINS, 2017,
p.2). A maioria dos casos de ocorrência de CAT ocorrem próximos às correntes de jato, sendo
a segunda maior ocorrência devido às correntes orográficas.
Para BANCI (2001):
Numa corrente de jato completamente organizada, os ondulantes ramos de ventos de alta velocidade, que se tornam muito pronunciados nas proximidades da área dos
ventos mais fortes, produzem intensas zonas de cortante onde se observa a mais
intensa turbulência de ar claro. No inverno e sobre os continentes, a corrente de jato é
15
mais intensa e como consequência a probabilidade de ocorrência de CAT será sempre
mais comum e mais severa.
Segundo Martins (2016, p.16), a turbulência de céu claro pode ocorrer nas
seguintes condições:
Entre 2000 pés acima e 6000 pés abaixo da tropopausa2.
Próximo e abaixo do núcleo da corrente de jato.
Áreas de inversão térmica próximas à superfície associadas com jatos de baixos
níveis.
Proximidades e acima dos topos de nuvens de tempestade.
Existência de nuvens lenticulares, nuvens rotoras (rotor clouds), nuvens rolo (roll
clouds), nuvens capão (cap clouds), nuvens no formato de ondas (wave clouds),
nuvens cirrus e cirrocumulus em grandes altitudes (billow clouds).
Figura 1 - Esquematização de áreas de turbulência de céu claro associadas com correntes de jato, ventos fortes
em grandes altitudes e camadas de ar com velocidade e deslocamentos distintos.
Fonte: Weather / Earth Sky / Weather Wiz Kids.
2.3 RADARES METEOROLÓGICOS NA DETECÇÃO DA CAT
Os radares meteorológicos são equipamentos que basicamente servem para
localizar precipitação, calcular seu deslocamento, estimar o tipo de precipitação e intensidade.
Eles enviam um pulso de radiação micro-ondas, que interage com as moléculas de água e/ou
gelo, e acabam refletindo essa radiação que então é captada por uma antena acoplada no radar.
Com essa informação, os radares são capazes de fornecer diversos produtos, que no caso das
aeronaves, são transformados em uma imagem que fica disponível para os pilotos em uma tela
dentro da cabine. Analisando a informação que é convertida pelo radar, os pilotos podem
2 Tropopausa é uma camada atmosférica intermediária entre a troposfera e a estratosfera.
16
detectar regiões de tempo não favoráveis e então realizar desvios, evitando entrar nessas
regiões.
Infelizmente, o mesmo não ocorre com as turbulências de céu claro. Como elas
ocorrem em situações de tempo claro, sem presença de nuvens ou gotículas de água ou gelo, os
pulsos emitidos pelos radares não são capazes de detectar nenhuma informação, e
consequentemente não transmitem nada aos pilotos.
Segundo Martins (2016, p.19), “radares meteorológicos instalados em aeronaves,
nos dias atuais, não possuem tecnologias de detecção da CAT, mas unicamente em detectar
densas formações e nuvens de tempestades, formadas a partir de gotículas de água e gelo”.
2.4 PREVISÃO DE OCORRÊNCIA DE CAT
As aeronaves voando em rota, em altas altitudes, raramente são capazes de se
antecipar e desviar de áreas de presença de CAT. “Afirma-se que as probabilidades de se
antecipar de áreas de CAT são muito pequenas, mesmo com um bom conhecimento do previsor
sobre fenômenos de grande escala que podem estar influenciando na formação da turbulência”
(Lester, 1994).
Além de difícil detecção, a CAT é também um fenômeno de difícil previsão.
Conforme descrito por Martins, (2015, p.22):
A dificuldade na previsão e identificação de regiões com a presença de uma CAT está
nas pequenas dimensões espaciais e temporais do fenômeno e por se classificar como
um distúrbio atmosférico de microescala3. Segundo Ellrod (1989) “a CAT apresenta
rápidas mudanças em suas características através do tempo que normalmente não são
detectadas pela rede de observação em grandes altitudes, dificultando assim, a
previsão de uma possível CAT”.
Ainda segundo Martins, (2015, p.22):
No meio aeronáutico, as previsões de CAT são relatadas por meio de reportes de
aeronaves que estiveram na região da turbulência e repassadas para as cartas SIGWX,
porém pela CAT ser um fenômeno de microescala e apresentar bruscas mudanças em
seu comportamento e suas características, podendo se dispersar em uma rápida escala
espacial, as cartas nem sempre trazem um bom acerto na previsão de uma CAT.
Avisos de WS de baixa altitude associado a condições de céu claro e avisos de
aeródromo também são realizados pelos centros de previsão da aeronáutica.
O uso de modelos para previsão de CAT também não são uma boa opção, devido
principalmente a escala espacial em que esse tipo de turbulência ocorre.
3 Fenômenos de microescala são fenômenos que ocorrem em uma escala com dimensões que
vão da ordem de 1 metro a 1 quilômetro e com duração entre 1 segundo até cerca de 1 hora. Devido a sua baixa escala espacial, são fenômenos de difícil previsão.
17
Segundo ELLROD et al (1992):
Índices de turbulência não necessariamente possuem uma grande confiabilidade
quando aplicados a saídas de modelo de previsão do tempo com o intuito de se detectar a CAT; entretanto, apresentam aos previsores uma boa probabilidade de se encontrar
regiões que possuem ou não uma significativa probabilidade de ocorrência de fortes
turbulências.
Além do uso de modelos e também de indicações visuais para a detecção de CAT,
“imagens de satélite também são capazes de fornecer um bom indicativo de se detectar regiões
com a presença de CAT apesar do uso da tecnologia do sensoriamento remoto ser de difícil
previsibilidade”. (KNOX, 2001).
Para finalizar, Martins, (2015) ainda nos fala que:
A presença de nuvens no formato de ondas pode também ser um indicativo de uma CAT a partir da presença da instabilidade Kelvin-Helmholz, conforme mostra a figura
2. Bandas transversais de nuvens e nuvens no formato de ondas são bons indicadores
de CAT, pois apesar de diferirem em escala espacial, apresentam características em
comum como nuvens Cirrus e nuvens de níveis médios em sua composição
atmosférica, estando perpendicular à direção do vento como mostra a figura 3.
Figura 2 - Imagem indicando áreas com grande chance de ocorrência de CAT através
de nuvens no formato de ondas
Fonte: Adptada de Ellrod (1989).
A figura abaixo apresenta uma imagem de satélite de identificação de áreas de
possível presença de uma CAT:
18
Figura 3 - Imagem do satélite GOES no canal do visível mostrando nuvens no formato de ondas (billows) e
bandas de nuvens transversais (bands) com o objetivo de se analisar regiões com a presença de CAT.
Fonte: Adaptada de Ellrod (1989).
2.5 LIGHT DETECTION AND RANGING - LIDAR
“Light detection and ranging (LIDAR) se refere a um sistema ótico que mede
qualquer um ou todas as variedades de parâmetros incluindo o alcance, velocidade e
componentes químicos. Geralmente o sistema LIDAR consiste de uma fonte de transmissão de
laser, transmissor ótico, receptor ótico e um detector. ” (ML, 2005, p.1. Tradução nossa).
“O sistema LIDAR usa luz ultravioleta, visível ou infravermelha próxima para
gerar imagens de objetos. Ele pode atingir uma ampla gama de materiais, incluindo objetos não
metálicos, rochas, chuvas, compostos químicos, aerossóis, nuvens e até moléculas individuais”.
(Cracknell e Hayes, 1991. Tradução nossa)
A luz é refletida pela retrodifusão4, diferente da reflexão que se encontra em um
espelho. São utilizados diferentes tipos de retrodifusão, porém os mais comuns são o Rayleight,
o Mie, o Raman e a fluorescência. (CHU, 2009)
O LIDAR utilizado para fins meteorológicos é composto por uma fonte emissora
de laser, seguida por uma série de espelhos e um expansor de feixe o qual envia o feixe de luz
colimando verticalmente para a atmosfera. Parte da radiação transmitida é espalhada pelos
componentes atmosféricos (ex., gases, moléculas, aerossóis, nuvens) de volta para o LIDAR,
4 Retrodifusão é a reflexão de ondas, partículas ou sinais na direção da qual eles vieram. Este tipo
de reflexão é uma reflexão difusa, devido a dispersão das partículas, ao contrário da reflexão especular, como a que vemos em um espelho.
19
onde essa radiação é coletada por um telescópio. A luz retroespalhada é conduzida para um
analisador óptico onde o sinal é primeiro separado espectralmente, amplificado e transformado
em um sinal elétrico. (CHU, 2009)
Figura 4 - Esquema básico de funcionamento de um LIDAR
Fonte: CNI Laser
2.6 AIRBORNE5 LIDAR NA DETECÇÃO DE CAT
A detecção de turbulência de céu claro é um desafio para o radar meteorológico
aeronáutico a bordo das aeronaves, já que para obterem algum resultado eles necessitam do
retroespalhamento da radiação que incide sobre os hidrometeoros. Isso se torna um problema,
já que nos níveis em que costumam ocorrer a turbulência de céu claro, temos pouco ou quase
nenhum hidrometeoro. Com isso, o uso do LIDAR na detecção da turbulência de céu claro se
torna aparentemente o único meio possível de evitar esse tipo de turbulência. (Patrick Vrancken
et al., 2016, p.1. Tradução nossa)
Em princípio, a detecção de turbulência através do LIDAR é concebível por diferentes
métodos: As velocidades e variações do vento ao longo da trajetória de voo podem
ser facilmente detectadas pelo Doppler Wind Lidar (DWL). Porém, apesar de suas
vantagens aparentes, o DWL depende do retroespalhamento de aerossóis que não
estão suficientemente presentes em altitudes de voo de cruzeiro para uma detecção
totalmente confiável, em particular de longo alcance de CAT.
Com isso, uma outra solução foi criada para conseguir utilizar o LIDAR na
detecção desse tipo de turbulência. Essa solução se baseia em pequenas flutuações na
5 Se refere a um equipamento que vai a bordo da aeronave durante o voo.
20
temperatura do ar, e consequentemente na sua densidade, onde acabam sendo gerados
movimentos ascendentes e descendentes das moléculas de ar.
Segundo Patrick Vrancken et al. (2016, p.2 Tradução nossa):
As velocidades verticais do vento podem ser derivadas das flutuações da densidade
do ar. A velocidade do vento vertical também é o parâmetro mais importante a saber,
uma vez que modifica o ângulo de ataque do fluxo de ar, portanto, atua diretamente
na elevação instantânea e cria os conhecidos 'solavancos' e 'buracos de ar'.
2.7 PROGRAMA DELICAT
Com o avanço das tecnologias e a preocupação em encontrar algum meio de
detecção de turbulência de céu claro, de preferência com uma margem de tempo suficiente para
que os pilotos possam tomar as devidas precauções a bordo das aeronaves e evitar que os
passageiros e tripulação saiam machucados, o Centro Aeroespacial Alemão e Instituto de
Ciências Atmosféricas (German Aerospace Centrer and Institute of Atmospheric Physics –
DLR) fizeram pesquisas utilizando um LIDAR a bordo de uma aeronave para estudar a
possibilidade de detecção de CAT em tempo suficiente para que os pilotos possam tomar
alguma ação.
O projeto ocorreu entre 01/04/2009 e 31/03/2014 e se chamou DELICAT. Ele foi
um estudo em conjunto patrocinado pela União Europeia e no total contou com 12
patrocinadores de 7 países da União Europeia.
2.7.1 Objetivos do programa
A ideia do programa foi adaptar um LIDAR a bordo de uma aeronave e realizar
diversos testes em voo, obtendo dados para poderem estudar a possibilidade do uso do LIDAR
na detecção de turbulência de céu claro.
O objetivo do projeto foi “validar o conceito LIDAR na detecção de turbulência de
médio alcance (10 km até 30 km)” (DEMONSTRATION OF, 2013, tradução nossa) em que
ainda é possível avisar os passageiros e tripulação com alguns minutos de antecedência, para
que os mesmos ajustem seus cintos de segurança. Segundo H.P.J. Veernab, et. Al (2014, p.5.
Tradução nossa):
DELICAT irá validar o LIDAR como uma avançada e nova tecnologia para detecção
de médio alcance de CAT A>10 km de distância à frente da aeronave, permitindo a
proteção eficiente dos passageiros e tripulantes por meio de ações apropriadas dentro
da cabine (apertar os cintos de segurança, fixar objetos, etc.)
21
2.7.2 Equipamentos
Para a realização do projeto, o sistema LIDAR foi instalado em uma aeronave
Cessna Citation 2. Essa aeronave oferece um teto máximo de 43,000 ft e uma velocidade
máxima de cruzeiro de 200 m/s. (Patrick Vrancken et al., 2013. Tradução nossa).
A aeronave sofreu algumas modificações, segundo (H.P.J. Veerman et Al, 2014,
p.13. Tradução nossa):
A luz UV precisa ser transmitida sem nenhuma perturbação na direção da aeronave.
Por este motivo a janela padrão da cabine teve que ser substituída por uma janela ótica
que é transparente na parte UV do espectro. Essa janela ótica UV foi apoiada por um
espelho fixo que reflete a luz LIDAR que sai na direção de voo da aeronave. Além
disso, foi instalada uma carenagem aerodinâmica que tem como função cobrir o
espelho externo que desvia o feixe de laser para a frente, conforme podemos ver na
figura 5.
Figura 5 - Vista da carenagem na lateral da aeronave, responsável por cobrir o espelho
externo.
Fonte - DEMONSTRATION OF, 2013
22
Figura 6 - Imagem da aeronave usada para o projeto e suas alterações.
Fonte - H.P.J. Veernab, et. Al, 2014
Todas as modificações na aeronave, na fuselagem, na cabine, relacionadas aos
procedimentos e à segurança do laser dentro e fora da aeronave foram sujeitas à certificação de
aeronavegabilidade . (Patrick Vrancken et al., 2013. Tradução nossa).
A aeronave foi toda desmontada, e no seu interior foi instalado todo o sistema
LIDAR, conforme é possível ver na figura 7.
Figura 7 – Lidar instalado a bordo da aeronave
Fonte - DEMONSTRATION OF, 2013
Os voos ocorreram em julho e agosto de 2013, decolando do aeroporto Schiphol,
em Amsterdã. Segundo Patrick Vrancken et al (2013, p.3. Tradução nossa):
No total, foram realizados 11 voos com mais de 30 horas de voo, dos quais 15 horas
de operação com o Lidar. Ao longo de toda a campanha, o sistema lidar trabalhou de
23
forma confiável sem falhas, entregando constantemente alta potência de saída e forte
sinal de retroespalhamento de baixo ruído além de intervalos de 15 km.
2.7.3 Resultados
Apesar de apenas poucos eventos de CAT terem sido observados, os voos de teste
foram executados com sucesso e o projeto serviu para mostrar que realmente é possível utilizar
o LIDAR a bordo da aeronave na detecção de CAT. Segundo Patrick Vrancken et al (2013, p.4.
Tradução nossa), “esta atividade valida a aplicação da tecnologia LIDAR para melhorar a
segurança aeronáutica pela mitigação do encontro CAT”. Apesar disso, grandes alterações e
modificações tem que ser feitas nas aeronaves, onde também será necessário que as mesmas
passem por certificações para que possam voar normalmente e para que isso se torne cada vez
mais comum a bordo das aeronaves.
24
3 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir do que foi demonstrado no trabalho, pudemos ver e entender todos os riscos
que a turbulência causa em uma aeronave. Ela é responsável por diversos incidentes a bordo da
aeronave, o que acarreta custos para as companhias. Conforme vimos, a maioria das
turbulências são detectáveis através de equipamentos já presentes nas aeronaves ou então
através de previsões e mapas de tempo significativo, porém a principal turbulência aqui
retratada, a CAT, ainda se mostra um desafio para as atuais tecnologias.
Através desse trabalho, foi demonstrado que já existem alguns estudos referentes
ao uso de novas tecnologias na detecção deste tipo de turbulência, com um tempo hábil para
que alguma atitude seja tomada para que não ocorram incidentes a bordo da aeronave.
A principal referência de pesquisa para a conclusão desse trabalho foi o projeto
DELICAT realizado por países da União Europeia. Neste projeto, foi utilizado um tipo novo de
radar, que nunca tinha sido empregado a bordo de uma aeronave, para tentar detectar a CAT
em voo de cruzeiro, com alguns minutos de antecedência, a fim de possibilitar a tomada de
algumas atitudes para manter a segurança a bordo da aeronave.
Apesar de os voos realizados pelo projeto terem sido feitos em áreas com pouca
ocorrência de CAT, o projeto se mostrou bastante promissor. Seus resultados nos mostraram
que essa solução é bem viável, sendo possível sim usar o equipamento LIDAR na detecção da
turbulência de céu claro. Ainda existem algumas barreiras a serem vencidas, como a adaptação
desse tipo de equipamento em outras aeronaves, sem que haja prejuízo para o espaço interno e
o peso total de decolagem da aeronave. Além disso, ainda precisam ser feitos alguns estudos
para que se consigam as certificações necessárias para que este equipamento se torne algo
comum nas aeronaves voando nos espaços aéreos ao redor do mundo.
25
Assim, pudemos conhecer um tipo novo de equipamento nunca antes utilizado a
bordo de uma aeronave, para a detecção de um tipo de turbulência até então praticamente
impossível de ser detectada. Esse equipamento chamado LIDAR mostrou-nos que realmente a
tecnologia vem melhorando e se desenvolvendo com o passar dos anos, e que cada vez mais,
os seres humanos estão conseguindo superar problemas até então difíceis de serem superados.
O LIDAR a bordo da aeronave, além da possibilidade de detectar a CAT, irá trazer
diversos outros benefícios para as aeronaves e seus ocupantes, já que seu uso não fica restrito a
detecção desse tipo de turbulência. Além disso, ele poderá ser utilizado na detecção de outros
tipos de turbulência, e até na detecção de rajadas de vento, o que pode ser de grande valia para
se evitar episódios de windshear6, principalmente durante as fases de pouso e decolagem. Além
disso, com certeza surgirão cada vez mais usos para esse tipo de equipamento e com o tempo
ele se tornará cada vez mais essencial a bordo das aeronaves.
6 Windshear é um fenômeno meteorológico que pode ser definido como uma rápida variação na
velocidade e direção do vento, o que faz com que seja um fenômeno muito perigoso para as aeronaves principalmente em fases de pouso ou decolagem.
26
4 REFERÊNCIAS
BANCI, Darcy. Meteorologia Para Aviação. Teoria e Testes. 1 ed. São Paulo: Pilot’s Shop,
2001.
BIANCHINI, Denis. Meteorologia para Pilotos. 1.ed. – São Paulo: Editora Bianch, 2017.
CHU, Xinzhao. A New Horizon: LIDAR Exploration of Atmosphere and Space. 2009.
LIDAR Tutorial on CEDAR Student Workshop – Disponível em:
https://cedarweb.vsp.ucar.edu/wiki/images/0/0a/CEDAR09_Chu_LIDAR.pdf. Acesso em: 30
de março de 2021.
COSTA, R. F. Estudo das Propriedades Ópticas dos Aerossóis no Estado de São Paulo
Com a Técnica de LIDAR Raman. 2011. 90 p. Dissertação (Mestrado em Ciências) –
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN-CNEN/SP, São Paulo.
CNI Laser. CNI Laser. Disponível em: http://pt.cnioptics.com/lidar-laser. Acesso em: 23 de
fevereiro de 2021. Dados comerciais
Cracknell, Arthur P.; Hayes, Ladson (2007) [1991]. Introduction to Remote Sensing (2 ed.).
London: Taylor and Francis.
CRESWELL, John W. Projeto de Pesquisa Métodos Qualitativo, Quantitativo e Misto.
2.ed. Porto Alegre: Artmed Bookman, 2007.
DEMONSTRATION OF Lidar based Clear Air Turbulence detection. DELICAT program, 22
de maio de 2013. Disponível em: https://cordis.europa.eu/docs/results/233/233801/final1-
d6300-final-report.pdf. Acesso em: 20 de abril de 2021.
27
DUARTE, Sérgio. Acidentes Aéreos que mudaram a aviação. Engenharia aeronáutica, 2020.
Disponível em: https://engenhariaaeronautica.com.br/curiosidades-engenharia-
aeronautica/acidentes-aereos-e-sua-importancia-no-desenvolvimento-da-aviacao/. Acesso em:
10 de maio de 2021.
ELLROD, G.P., An index for clear air turbulence based on horizontal deformation and
vertical windshear. Preprints, Third Intl . Conf on the Aviation Weather System, Anaheim,
California, Amer, Meteor. Soc., 339-344. 1989.
ELLROD, G.; KNAPP, D. An objective clear-air turbulence forecasting technique:
Verification and operational use. Weather. Forecasting. v.7, p.150-165, 1992.
ELLROD, G. P. Satellite images provide valuable information supplement to the aviation
meteorologist, ICAO Journal. v.55, n.2, p.6-10, 2000.
H.P.J. Veerman, P. Vrancken, L. Lombard. Flight testing delicat – A promise for medium-
range clear air turbulence protection. European 46th SETP and 25th SFTE Symposium,
Jun 2014, LUELA, Sweden. hal-01111380
UNITED STATES OF AMERICA, Federal Aviation Administration. Fact Sheet –
Turbulence, 2020. Disponível em:
https://www.faa.gov/news/fact_sheets/news_story.cfm?newsId=20074. Acesso em: 27 de
maio de 2021.
GIL, Antônio Carlos. Como elaborar projetos de pesquisa. 4 Ed. São Paulo: Atlas, 2002.
KNOX, J. A. The breakdown of balance in low potential vorticity regions: evidence
from a clear air turbulence outbreak. Preprint Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics
Meeting. American Meteorological Society. Breckenridge, Colorado, P2.4-P.2.72,
June 2001.
LAKATOS, Eva Maria; MARCONI, Marina de Andrade. Fundamentos de metodologia
científica. 3. ed. rev. e ampl. São Paulo: Atlas, 1995a.
LESTER, P. F. Turbulence: a new perspective for pilots. [S.l.]: Jeppesen Sanderson,. p.212. 1994.
MARTINS, Ivan Bitar Fiuza de. Climatologia e estudo de caso da turbulência de céu claro
a partir de registros de aeronaves: análise de dados observacionais e de
modelagem. ANAC, 2017. Disponível em: https://www.anac.gov.br/assuntos/setor-
28
regulado/profissionais-da-aviacao-civil/meteorologia-aeronautica/arquivos/CAT.pdf . Acesso
em: 18 de fevereiro de 2021.
MARTINS, Ivan Bitar Fiuza de. Turbulência descomplicada. Um guia para
pilotos. ANAC, 2016. Disponível em: https://www.anac.gov.br/assuntos/setor-
regulado/profissionais-da-aviacao-civil/meteorologia-
aeronautica/arquivos/GUIAPARAPILOTOSTURBULENCIA.pdf. Acesso em: 25 de março
de 2021.
MARTINS, Ivan Bitar Fiuza de. M488c Climatologia e estudo de caso da turbulência de
céu claro a partir de registros de aeronaves: análise de dados observacionais e de
modelagem / Ivan Bitar Fiuza de Mello. – São José dos Campos : INPE, 2015.
MOLARIN, K. Case study of CAT over the North Atlantic Ocean. Department of
Meteorology Stockholm University, May 28, 2013.
M.L. Simpson, D.P. Hutchinson, in Encyclopedia of Modern Optics, 2005.
Patrick Vrancken, Martin Wirth, Gerhard Ehret, Hervé Barny, Philippe Rondeau, and Henk
Veerman, "Airborne forward-pointing UV Rayleigh lidar for remote clear air
turbulence detection: system design and performance," Appl. Opt. 55, 9314-9328 (2016)
Patrick Vrancken, Martin Wirth, Gerhard Ehret, Benjamin Witschas, Henk Veerman, Robert
Tump, Hervé Barny, Philippe, Rondeau, Agnès Dolfi-Bouteyre, Laurent Lombard, “Flight
Tests of the DELICAT Airborne LIDAR system for remote Clear Air Turbulence
detection,” (2013).
RAUEN, Fábio José. Roteiros de investigação cientifica. Tubarão, SC: Unisul, 2002.
TURBULÊNCIA. In: DICIO, Dicionário Online de Português. Porto: 7Graus, 2020.
Disponível em:
ttps://www.dicio.com.br/turbulencia/#:~:text=substantivo%20feminino%20Qualidade%20ou
%20car%C3%A1ter,pessoa%20turbulenta%2C%20agitada%2C%20irrequieta.&text=A%20p
alavra%20turbul%C3%AAncia%20deriva%20do,de%20confus%C3%A3o%2C%20desordem
%2C%20perturba%C3%A7%C3%A3o /. Acesso em: 18/02/2021.
29
Weather Wiz Kids. Disponível em: http://www.weatherwizkids.com/?page_id=64. Acesso
em: março.2021.
