Vuelo 447 de Air France: un detallado análisis meteorológico

Figura 4. Análisis de surperficie para las 0000Z. Fuente: NCEP.

El análisis de superficie mostraba que la región sospechosa del desplome del avión está dentro de la Zona de Convergencia InterTropical (ZCIT), que en esta época del año generalmente se encuentra aproximadamente en el paralelo 5-10 N. Una región de vientos alisios fuertes cubriendo la mayor parte del Atlántico Norte tropical y esto mantuvo a la ZCIT en una posición algo más al sur. La convergencia linear a lo largo de la ZCIT y de las condiciones atmosféricas inestables se combinaron para desarrollar agrupaciones dispersas de tormentas.

Los mapas de niveles altos estaban absolutamente desprovistos de datos observados en la región atlántica ecuatorial a excepción del lanzamiento del globo desde SBFR y de algunos informes de ACARS de vuelos transoceánicos. Vea los mapas de 250 mb, 500 mb, 700 mb y 850 mb. La mayor parte de los datos de viento dibujadas aquí están basadas en estimaciones desde los satélites y algunos otras son de los informes de aviones de ACARS (símbolos en estrella). Las temperaturas de los aviones aquí no se consideran mientras que los informes del nivel de vuelo FL330 cerca de SBFR muestran una correlación pobre con el valor de 33.1ºC obtenido del lanzamiento del globo desde SBFR.

Usando la estación de trabajo meteorológico McIDAS, que combina multitud de datos, adquirí los datos basados en los satélites, GOES-10 de UCAR y los centré sobre la región entre INTOL y TASIL. Entonces tracé los puntos de referencia usando McIDAS en el panel de entrada de coordenadas. Puesto que las imágenes basadas en los satélites de la fuente son grupos de datos georeferenciados NOAA/GINI, los puntos mostrados aquí son muy exactos y no se colocan a mano pero con las coordenadas lat/lon a 0.001 grados más cercano (0.06 millas). En la imagen de abajo, el punto sureño inmóvil en azul es INTOL y la localización estimada del avión desde la tabla anterior se marca con una cruz. El espaciamiento de la cuadrícula es de 5 grados. Para el dibujo de la temperatura naranja usé la curva de realce de imágenes infrarroja NCL/3aw; con un gradiente de realce donde los -30ºC se da en la transición de oscuro al ligero, indicando que el tope de la nube del nivel de vuelo FL310 si se asume que el pixel basado en los satélites está totalmente cubierto con esa capa (que no sea siempre verdad).

Figura 5. Secuencia de imágenes infrarrojas, IR, realzadas mostrando la trayectoria de vuelo esperado (NR. Se ha utilizado un sistema de animación diferente al originario).

Imágenes IR originales disponibles de las: 0145Z, 0200Z, 0215Z, 0230Z.

Y finalmente esta imagen muestra una zona ampliada de las 0215Z cuando AF447 hizo su última transmisión:

Figura 6. Vista de la trayectoria del AF447, azul, usando una imagen IR realzada del satélite GOES, a las 0215Z del 1 de junio 2009. El satélite geoestacionario GOES-10 está localizado sobre el meridiano 60º en la vertical del ecuador.

Traducción de la RAM:

Debris   Restos (en este caso referido SÓLO a nubes, por ejemplo: restos de cirros, altocúmulos )

Ac/Ci Ac/Ci Altocumulos/ Cirros

Very strong updraft   Intensas corriente ascendente

Updraft cold spot   Punto frío de la corriente ascendente

Stratiform anvil edge   Borde del yunque estratiforme

Figura 7. Vista de la trayectoria del AF447 usando imagen IR realzada con la escala de colores, en la parte inferior derecha, de los topes nubosos más frío visto por METEOSAT-9, 0200Z del 1 de junio de 2009. Este satélite geoestacionario se coloca sobre África en el meridiano 0 grados sobre la línea del ecuador. La imagen muestra características levemente diferentes a las del GOES 10, puesto que el satélite europeo se coloca al este de los SCM. La imagen es también 15 minutos anterior a la del GOES 10. (Gracias a Scott Bachmeier del SSEC en la Universidad de Wisconsin; también a EUMETSAT para hacer la imagen posible)

Las fotos de los satélites meteorológicos muestran un SCM a lo largo de la trayectoria. Cerca del 90% del material nuboso visto en esta imagen es realmente niveles múltiples de campos de nubes de origen convectivo de las tormentas que se disipaban y de la actividad que ocurrió previamente durante el día,  solamente una cobertura extensa de cirros. Las áreas activas de las tormentas están definidas por áreas abigarradas y coloreadas en la reducida escala con topes nubosos muy fríos, y por tanto más altos, asociados a las corrientes ascendentes intensas que lo generan. Compare la imagen con el diagrama conceptual de más abajo de un SCM tropical similar en la misma área de 1977.

Las variaciones de las temperaturas de los topes nubosos sugiriere que el sistema completo estaba en la intensidad máxima, desarrollándose rápidamente alrededor de 2300-0100Z y finalmente disipandose muchas horas más adelante, alrededor del amanecer. Desde una perspectiva de la turbulencia, los puntos fríos descritos arriba serían las áreas de más preocupación pues marcan la localización de las corrientes aéreas ascendentes activas produciendo el nuevo material nuboso en la troposfera superior.

He echado una ojeada a algunos de los nuevos datos de METEOSAT de Scott Bachmeier y refina algo más de lo que yo vi con las imágenes GOES. El sistema convectivo del mesoescala, SCM, se compone de numerosas células tormentosas. Debido a los vientos del norte en niveles altos las áreas de las corrientes descendentes son desplazadas en dirección sur. Consecuentemente, el SCM se ha organizado en una configuración con un área estratiforme dominante al sur y área de corrientes aéreas ascendentes  y topes fríos en el lado norte.

También aquí están algunos diagramas de distancia/temperatura preparados por Scott Bachmeier: 0130Z, 0145Z, 0200Z, 0215Z a lo largo de INTOL a TASIL en diversas horas (temperatura en grado K) que indica que la temperatura mínima de los topes de las nubes a lo largo de la ruta de vuelo hizo se promedio a -78 ºC (55.000 pies). El 5 de junio también recibí estas fotos basadas en los satélites del laboratorio de investigación naval que mostraban señales basadas en los satélites, pero todavía no las he asimilado en mi análisis o creado los subtítulos con todo, puesto que acabo de conseguirlos: GOES-12 GCD, GOES-12 CTOP, GOES-10 IR, GOES-10 CTOP, GOES-12 IR. Muchas gracias a NCAR y al Laboratorio de Investigación Naval, NRL, incluyendo a Jeff & Rich en NRL, por estas imágenes. Sus mensajes están en los comentarios y usted puede visitar su Web site en http://www.nrlmry.navy.mil/sat_products.html. El 5 de junio también recibí datos del sondeador infrarrojo atmosférico del receptor acústico de George Aumann del Jet Propulsion Laboratory METEOSAT_AIRS_DCC.analysis_sm.jpg, mostrando el grado de extensión de los torreones más sobresalientes (overshoots) de las tormentas en el SCM.

Figura 8. Diagrama esquemático de un Sistema Convectivo de Mesoescala, SCM, tropical típico observado en el sudoeste del Atlántico de Dakar el 4 de septiembre de 1974. (Estructura y dinámica de una Línea de turbonad tropical, R.A. Houze Jr, Mon. Wea. Rev., 105, 1540-1567)

Arriba vemos un ejemplo de la estructura en un SCM típico, éste fue observado en un experimento de barco en la misma área hace 35 años. Da una cierta idea de lo que el avión probablemente volaba a través de él y muestra las estructuras verticales radar que pueden ser esperadas.

* Condiciones termodinámicas. Para obtener una parcela o burbuja representativa para el SCM, es importante conseguir una colección de observaciones de superficie y de niveles superiores tan buena como sea posible. Desafortunadamente la cobertura de datos del aire superior era extremadamente pobre. Sin embargo en la superficie, varios barcos mercantes y boyas estaban situadas en el área, suministrando datos. Estos muestran una masa de aire marítima altamente homogenea con unos datos predominante de temperatura de 27.0 º C. Esto está en equilibrio con la temperatura del agua de la superficie del mar de 27-28º C. Hay un informe de 23 ºC debido al aire descendente de la lluvia de una tormenta que refrescó el ambiente y que fue medido por el navio Jo Cedar. Los análisis de mesoscala también indican temperaturas predominantes del punto de rocio de 23.5 a 24.0º C.

Figura 9. Mesoanalisis de datos de boyas y barcos para las 00Z con la imagen realzada IR de GOES.

Figura 10. Diagrama termodinámico SKEW-T peor caso y ascenso de la parcela.

Inestabilidad en el peor caso. El escenario del sondeo en el «caso peor” sería el mostrado en el sondeo de más arriba para SBFN/82400 usando una parcela con temperatura del aire dominante de 27.0º C observada para esa región y para un punto de rocio de 23.7º C, exactamente según lo observado. Esto produce la cantidad máxima de temperatura potencial equivalente que se puede obtener dada las condiciones atmosféricas. El problema es que este método considera la mezcla cero de la parcela o burbuja, que es poco realista dado el aire más seco sobre 2000 pies de AGL (Above Ground Lelvel). El método de peor caso también produce los topes más elevados a -80º C, que no fueron observados. Puesto que este método produce 1500 J/kg de CAPE, se cree que esos valores del CAPE no estaban en ese rango.

Figura 11. Ídem que la figura anterior pero para el caso más probable.

Inestabilidad más probable. Arriba, figura 11, se muestra la evolución de la burbuja más probable según lo trazado sobre el sondeo de Fernando de Noronha (SBFN/82400) para las 0000Z.  Dicha evolución fue construida, pero apenas se alcanza la temperatura aislada del torreón/overshooting de -80º C detectada en las imágenes de METEOSAT. Esto se lograba fácilmente con una temperatura superficial de 27º C y el punto de rocio de 23 º C (así realistamente se tiene en cuenta una cantidad determinada de la mezcla de la capa de límite).

* Valores de inestabilidad. El CAPE obtenido es 1067 J/kg, que por la definición de los libros de textos es considerado marginal para tiempo severo y típico para las zonas tropicales. Eso no quiere decir que no existan riesgos del tiempo severo, así, la fórmula para la velocidad observada máxima típica de la corriente aérea ascendente:  w=0.5* ((2*CAPE) ^0.5) que en este caso da 23 m/s (51 mph). Es probable que incluso esta cantidad de inestabilidad no fuera observada, debido al potencial para la mezcla extensa con un punto de condensación medio de 18ºC en los 150 mb más bajo.

A fecha del nuevo análisis del 4 de junio, no se cree que parcelas más cálidas ni un CAPE más alto ocurrieron por tres razones: (1) la ausencia de amplios topes nubosos con temperaturas < -80 º C que representan las parcelas o burbujas que llegan a los 95-87 mb ( niveles de vuelo FL560-580), que habría tenido que haber sido apoyada por parcelas ascendentes con CAPE superior a los 1500 J/kg; (2) la masa de aire homogénea y regular sobre el océano abierto (ejemplo la boya 31002) que durante la semana apoyó los 27º C de temperaturas continuas, noche y día ; (3) la carencia de los datos ambientales diferentes para apoyar un diverso perfil atmosférico dado especial con la homogeneidad general de las zonas tropicales.

* Los topes nubosos de las tormentas. De acuerdo con los sondeos de arriba, mi conclusión es que los topes máximos de las tormentas fueron 56.000 pies/17,07 km con un nivel del equilibrio de 47.000 pies/14,33 km, representando los topes de la mayoría de los SCM excepto cerca de los bordes. En el escenario peor los topes alcanzaron apenas brevemente los 60.000 pies/18,29 km.

Sumario de las condiciones de vuelo

Las imágenes basadas en los satélites indican que las torres numerosas de los cumulonimbus se elevaron por lo menos a 56.000 pies, 17,07 km, y estaban embebidas dentro de los yunques estratiformes extensos con topes que se extendían a partir del 35.000 a 45.000 pies, 10,67 a 13,72 km. Esta clase de configuración es real y absolutamente normal para las tormentas ecuatoriales debido a la altura más alta de la tropopausa, pero acentúa que el avión estaba ciertamente dentro de una zona amplia de nubes  convectivas por un tiempo significativo y que las tormentas habrían podido se de hecho  un factor que contribuiría al accidente.

Figura 12. Probable imagen radar (sombreado verde/amarillo) basado en las señales térmicas y modelos conceptuales de los SCM. Las unidades son arbitrarias y la aproximación de las intensidades del radar van del verde (debil) al rojo (intensa).

En la parte superior está una imagen fijada en mi actualización del 3 de junio que muestra la imagen probable de radar. Esto se basa en el realce cuidadoso de la información de la temperatura de la nube. Es apenas una asunción, por supuesto, pero ésta es la mejor conjetura basada en mi propia experiencia y en las señales basadas en los satélites disponibles. Supone que la producción significativa de  precipitación, detectada por el radar, está ocurriendo en y alrededor de los topes de nube frías,  y con topes de nube más cálidos correlacionado  con las  corrientes descendentes o con las nubes en decaimiento y con poca precipitación.

Gran parte del análisis presentado aquí y en otras partes de este artículo se basa en la trayectoria de vuelo del fichero del avión, que seguiría fielmente la vía  de su sistema de referencia interna a excepción de las desviaciones de menor importancia. La distancia entre INTOL (0133Z,-1.361,-32.831) a la posición  de ACARS final del avión (2014Z,3.578,-30.374) dá una distancia de 331.5 nm (381.5 sm) (calculator) en 41 minutos. Esto introduce consistencias porque dá una velocidad de suelo de 485.1 kt (558.3 mph), y en el nivel de vuelo FL350  una velocidad del aire de 288 KIAS/M.841 (calculator). [ Gracias a Barry Carlson por señalar un error en la  versión previa] Esto es excesivo, porque el fichero del AF447 para M.82 ya que se habría ralentizado a M.78 por penetración en turbulencia. Aún más, basado en el análisis de escala sinóptica el avión debería haber tenido un viento de proa de 5 a 10 kt  durante la mayor parte de la ruta, ralentizando la velocidad ligeramente. Así la velocidad real  teniendo en cuenta el viento de proa sería aproximadamente de M.855/293 KIAS. La otra posibilidad distinta, suponiendo el tiempo del informe ACARS  final puede ser cierto, es una discerepancia  entre el tiempo del informe  INTOL y el tiempo de cruse real, la llamada HF puede haber introducido uno o dos minutos de error, que cambiaría estas velocidades en un 5%.

Puesto que la posición final de ACARS cae levemente al oeste de la pista UN873,  sugiere que quizás se desviara el equipo algunos grados a la izquierda de la ruta para evitar el tiempo más adverso o intenso. Era de hecho esta célula cerca de UN873 (con el sombreado rojo grande) la que produjo los topes o cimas de nubes más frías, -80º C, en las imágenes de METEOSAT, sugiriendo un tope de por lo menos de 56.000 pies, 17,07 km.

Figura 13. Sección vertical representativa de la trayectoria del vuelo de Air France 447 a través del racimo o cluster de tormentas, basado en el análisis de las imágenes de los satélites y modelos conceptuales de los SCM. El sombreado ligero es precipitación cerca de la superficie; el medio es material de la nube, y el oscuro es áreas sospechosas de corrientes aéreas ascendentes. El vuelo pudo haberse desviado varias millas del oeste para evitar la tormenta SALPO; si lo hicieron o no lo hicieron es desconocido; pero pasaron casi ciertamente a través del SCM como se muestra aquí. ©2009 Tim Vasquez. No está permitida la reproducción para uso comercial o para noticias comerciales, lo siento; representa demasiado trabajo original.

El gráfico del corte transversal (figura 13) de arriba muestra mi mejor reconstrucción de cuál fue el encuentro probable del avión. Por supuesto, esto se centra en la trayectoria planeada desde INTOL a TASIL, y la llamada final sospechosa de ACARS a las 2014Z  que se muestra en la zona de trama en verde. Esto se muestra otra vez como zona, más que un punto específico debido a las inconsistencias en los datos de las coordenadas.

Figura 14. Corte vertical del SCM del satélite CloudSat de la NASA. Gracias a Phil Partain por este gráfico. Dice el Sr. Partain: " Una hora y cuarenta y cinco minutos después del último mensaje automático del vuelo, el satélite CloudSat, una misión basada en los satélites de la NASA que lleva un radar de exploración en nadir de nubes a 94 Gigahertz, pasó sobre el mismo SCM apenas al oeste de su trayectoria estimada de vuelo. La línea brillante debajo del nivel de la nube es la reflexión del radar por la superficie del océano. En áreas de precipitación intensa la señal se atenúa según lo indicado por la desaparición de la superficie y de las señales anómalas que se extienden debajo de la superficie causada por la dispersión múltiple del haz del radar. Obviamente, la precipitación más intensa y las corrientes aéreas ascendentes más fuertes están en el lado norte de la tormenta evidenciada por la señal del radar en la superficie y los ecos fuertes dentro de la nube que se extienden o a traves de la tropopausa." El comentario completo con más detalles se encuentra abajo en la página de los comentarios (NR. Ir al link originario de este texto en inglés). (Cortesía del Proyecto de la NASA CloudSat y del Instituto Cooperativo para la Investigación en la Atmósfera)

Conclusiones

He  realizado esta  sección el lunes de noche para reducir o cortar la especulación sobre la cadena del accidente, especialmente  hay que hacer notar que  yo no sé todo sobre los sistemas del A330. El tablero o foro de airliners.net y otros sitios donde cubren  los temas técnicos de los aviones y de los sistemas de CRM. Lo qué  yo intenté hacer, sin embargo, es resumir lo que el avión probablemente encontró basándome en los datos y mi propia experiencia.

NR. Texto en inglés será traducido oportunamente. Vaya al final.

* Turbulence — As of June 4, I still consider turbulence to be one of the prime factors. Extensive reanalysis of upper level data supports instability values of about 1100 J/kg, which is sufficient to be a danger to airline operations. Though commercial aircraft benefit greatly from airborne radar, these radar units detect mainly rain and hail. Updrafts, particularly if they are strong, may form what are referred to as «weak echo regions» and this can create highly turbulent areas which are not detectable on radar. Another concern is the extensive upper-level dry air shown on the SBFN sounding (not counting the anvil debris at 350-300 mb), which may have contributed to enhanced evaporative cooling around the margins of the anvil clouds and aggravated the turbulence experienced by the flight around the periphery of the storm. It is worth considering that cumulative periods of heavy turbulence crossing through the cluster may have caused minor internal damage that progressed in some way into an emergency.

* Icing — With a flight level temperature of -40 deg C suggested by the proximity sounding the A330 would have been flying mostly in rime ice and possibly some clear ice and graupel. Unbelievably however I neglected to mention the contribution of latent heat, which would immerse the aircraft in -36 deg C air when crossing atop an updraft. Supercooled water is usually rare at these temperatures (see here for an explanation) though a couple of expert commenters below have presented different views on the subject. And with -36 deg C this increases the risk of graupel, clear ice, and supercooled water brought to FL350. This temperature of -36 deg C represents the absolute maximum temperature that can be expected at FL350 since it is the highest equivalent potential temperature that can be realistically constructed on the sounding.

* Lightning — Due to the high cloud tops and freezing level at 16,000 ft, there was extensive precipitation by cold rain process and it is likely the MCS was electrified. I have read some claims that lightning detection showed nothing occurring here, and I saw similar indications on the WWLL lightning network, but I believe this is in contradiction with the instability, cold cloud tops, extensive convection, and cold rain process environment associated with this MCS. My belief is that the area is simply too far away from the nearest sferic detection system (Ascension Island). As far what a strike would do to the A330, I have to leave that to to the avionics experts. Some answers might be found at http://www.airliners.net/aviation-forums/.

* Precipitation — A dual engine flameout due to precipitation or ice ingestion is a noteworthy possibility as has been discussed on other sites (specific to the A330 type too). Due to the high water vapor content in the tropics, tropical weather systems can contain exceptionally high values of precipitable water content. The plane, if at FL350, was experiencing flight level temperatures of between -41 and -36 deg C. Supercooled water is considered to be exceptionally rare or insigificant at temperatures below -30 deg C, but if it does occur it does present the possibility of aggravating airframe and engine icing. Overall the plane was mostly in rime ice and possibly some graupel.

* Hail — I got a few comments about hail. I am not entirely convinced that structural hail damage is a factor, partly because I can’t recall hearing much about large damaging hail at altitude in my experience with equatorial flight operations. This would require strong instability, which I’m not yet sure we have, not only to grow the stones but to loft large hailstones from the embryo «nursery» at FL200-250 up to flight level. A value of 1067 J/kg CAPE is really on the fence but not out of the question. I absolutely do not believe this would support the type of large baseball-size type hail that would be expected to damage an airframe. The other problem is the mounting body of evidence (see SPC studies) suggesting well-sheared storms (this profile is weakly sheared) are the ones conducive to structures that support hail growth. Finally, another issue is airborne radars are highly sensitive to hail because of the strong reflectivity of ice particles, making evasive action likely. The «young updrafts» I pointed out earlier as a threat would not have provided the residence times necessary yet to contain hailstones; their main threat would be severe turbulence. I am not sure about the hail hypothesis, but I believe there is a high probability of graupel, small ice pellets, or small hail at FL350 in the storm complex (see Icing above). Finally one consideration speed is hailstones larger than golfball size have a terminal velocity that exceeds the maximum expected velocity of an updraft in 1067 J/kg CAPE, so they would fall out of the storm before they could grow any larger; even golfball hail would probably not sustain itself for multiple trips in that kind of updraft.

Globalmente lo qué sabemos seguro es que el tiempo atmosférico fue un factor y  que el vuelo cruzó a través de un complejo sistema de tormentas, llamado meteorológicamente SCM. Hay una correlación definida del tiempo con el accidente. Sin embargo el análisis indica que el tiempo atmosférico no es una cosa particularmente excepcional en términos de inestabilidad o estructura de la tormenta. Es mi opinión que los complejos tropicales de tormentas idénticos a éste han sido cruzados centenares de veces durante años por otros vuelos sin incidente serio.

No obstante, sólo en el SCM principal, el A330 habría estado volando con una actividad significativa de turbulencia y de rayos durante 125 kilómetros, durando cerca de 12 minutos el tiempo de vuelo. Por supuesto, cualquier cosa es hasta ahora especulación hasta que se tengan más evidencias, y sabemos que la causa de la caida habría podido ser cualquier cosa desde la turbulencia a los problemas coincidentes como un fuego en la carga.

Mi propia opinión de la causa del desplome, a fecha de la noche del lunes, basada en la ausencia completa de una llamada de radio de HF y de la consideración de todo lo antedicho, sugiere la turbulencia severa (véase las tragedias de BOAC 911 y BNF 250 ) que combina una cierta manera inverosímil con deficiencias de CRM/diseño/mantenimiento/procedimientol/otras deficiencias  que disparen fallos en cascada. Nos podemos encontrar casi ciertamente con algunas sorpresas inesperadas una vez que se recupere el CVR. Hasta entonces, todo lo que podemos hacer es aguardar la investigación y esperar que las operaciones del vuelo en el mundo permanezcan seguras hasta  que las lecciones del AFR447 se revelen.

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Textos y figuras de: http://www.weathergraphics.com/tim/af447/

Nota de la RAM, NR. Gracias a Tim por permitirnos compartir su excelente trabajo. La traducción ha corrido a cargo de Francisco Martín León, meteorólogo. Se ha tratado de ser lo más fiel posible al texto originario en inglés, aunque podrían existir «diferencias menores de traducción» en ciertas sentencias difíciles de traducir. Ésta se hizo el 5 de junio de 2009 y no se actualizará más en español.  Algunos pies de figuras han sido aclarados con más texto en español, sin variar las ideas del autor. Los lectores interesados en próximas actualizaciones deben ir al link de referencia final. Los textos y figuras son propiedad del autor, Tim Vasquez, y su reproducción no está permitida para usos comerciales.

Como no existe ninguna intencionalidad comercial en este blog ya que su carácter es meramente divulgativo, entiendo que no existen impedimentos para su divulgación.

Información obtenida en Meteored donde hay más información.