Конденсационные следы ( / ˈ k ɒ n t r eɪ l z / ; сокращение от « condensation trails ») или паровые следы — это облака в форме линий , образующиеся в результате выхлопа двигателя самолета или изменений давления воздуха, как правило, на крейсерских высотах полета самолета в несколько километров/миль над поверхностью Земли. Они состоят в основном из воды в виде кристаллов льда. Сочетание водяного пара в выхлопе двигателя самолета и низких температур окружающей среды на больших высотах вызывает образование следов. Примеси в выхлопе двигателя из топлива, включая сажу и соединения серы (0,05% по весу в реактивном топливе), обеспечивают некоторые из частиц, которые служат ядрами конденсации облаков для роста капель воды в выхлопе. Если образуются капли воды, они могут замерзать, образуя частицы льда, которые составляют инверсионный след. [1] Их образование также может быть вызвано изменениями давления воздуха в вихрях на концах крыла или в воздухе над всей поверхностью крыла. [2] Инверсионные следы и другие облака, вызванные непосредственно деятельностью человека, называются гомогенитусами . [3]
В зависимости от температуры и влажности на высоте, где образуются инверсионные следы, они могут быть видны всего несколько секунд или минут, или могут сохраняться часами и распространяться на несколько километров/миль в ширину, в конечном итоге напоминая естественные перистые или высококучевые облака. [1] Устойчивые инверсионные следы представляют особый интерес для ученых, поскольку они увеличивают облачность атмосферы. [1] Образующиеся в результате формы облаков формально описываются как гомомутатус , [3] и могут напоминать перистые, перисто-кучевые или перисто-слоистые облака, и иногда их называют перистыми авиационными . [4] Некоторые устойчивые распространяющиеся инверсионные следы способствуют изменению климата . [5]
Выхлоп двигателя в основном состоит из воды и углекислого газа, продуктов сгорания углеводородного топлива. Многие другие химические побочные продукты неполного сгорания углеводородного топлива, включая летучие органические соединения , неорганические газы, полициклические ароматические углеводороды , кислородсодержащие органические вещества, спирты , озон и частицы сажи, наблюдались в более низких концентрациях. Точное качество зависит от типа двигателя и базовой функции двигателя внутреннего сгорания, при этом до 30% выхлопных газов самолета представляют собой несгоревшее топливо. [6] (Также были обнаружены металлические частицы микронного размера, возникающие в результате износа двигателя. [ необходима ссылка ] ) На больших высотах, когда этот водяной пар выходит в холодную среду, локализованное увеличение водяного пара может повысить относительную влажность воздуха выше точки насыщения . Затем пар конденсируется в крошечные капельки воды, которые замерзают, если температура достаточно низкая. Эти миллионы крошечных капель воды и/или кристаллов льда образуют инверсионные следы. Время, необходимое для того, чтобы пар достаточно остыл для конденсации, объясняет формирование инверсионного следа на некотором расстоянии позади самолета. На больших высотах переохлажденный водяной пар требует триггера для поощрения осаждения или конденсации. Частицы выхлопных газов в выхлопе самолета действуют как этот триггер, заставляя захваченный пар быстро конденсироваться. Инверсионные следы выхлопных газов обычно образуются на больших высотах; обычно выше 8000 м (26000 футов), где температура воздуха ниже −36,5 °C (−34 °F ). Они также могут образовываться ближе к земле, когда воздух холодный и влажный. [7]
Исследование 2013–2014 годов, совместно поддержанное NASA, немецким аэрокосмическим центром DLR и канадским Национальным исследовательским советом NRC, определило, что биотопливо может уменьшить образование инверсионных следов. Это снижение было объяснено демонстрацией того, что биотопливо производит меньше частиц сажи, которые являются ядрами, вокруг которых образуются кристаллы льда. Испытания проводились при полете DC-8 на крейсерской высоте с самолетом для сбора образцов, летящим в следе. В этих образцах количество частиц сажи, производящих инверсионные следы, было уменьшено на 50–70 процентов с использованием 50% смеси обычного топлива Jet A1 и биотоплива HEFA (гидроочищенные эфиры и жирные кислоты), произведенного из рыжика . [8] [9] [10]
Поскольку крыло создает подъемную силу , оно вызывает образование вихря на законцовке крыла и на кончике закрылка при его раскрытии (законцовки крыла и границы закрылка представляют собой разрывы в потоке воздуха). Эти вихри на законцовках крыла сохраняются в атмосфере еще долгое время после того, как самолет пролетел. Снижение давления и температуры в каждом вихре может привести к конденсации воды и сделать ядра вихрей на законцовках крыла видимыми; этот эффект чаще встречается во влажные дни. Вихри на законцовках крыла иногда можно увидеть за закрылками авиалайнеров во время взлета и посадки, а также во время посадки космических челноков .
Видимые ядра вихрей на законцовках крыльев контрастируют с другим основным типом инверсионных следов, которые вызваны сгоранием топлива. Инверсионные следы, образующиеся от выхлопа реактивного двигателя, видны на большой высоте, непосредственно за каждым двигателем. Напротив, видимые ядра вихрей на законцовках крыльев обычно видны только на низкой высоте, когда самолет движется медленно после взлета или перед посадкой, и где влажность воздуха выше; они тянутся за законцовками крыльев и закрылками, а не за двигателями.
При высоких настройках тяги лопасти вентилятора на входе турбовентиляторного двигателя достигают околозвуковых скоростей, вызывая резкое падение давления воздуха. Это создает конденсационный туман (внутри входного отверстия), который часто наблюдают авиапассажиры во время взлета.
Кончики вращающихся поверхностей (например, пропеллеров и роторов ) иногда оставляют видимые инверсионные следы. [11]
В огнестрельном оружии иногда наблюдается след испарения при стрельбе в редких случаях из-за конденсации, вызванной изменениями давления воздуха вокруг пули. [12] [13] След испарения от пули виден с любого направления. [12] След испарения не следует путать со следом пули, эффектом преломления из-за изменений давления воздуха по мере движения пули, что является гораздо более распространенным явлением (и обычно наблюдается только непосредственно позади стрелка). [12] [14]
Считается, что наибольший вклад авиации в изменение климата вносят инверсионные следы. [15] В целом, инверсионные следы самолетов улавливают исходящую длинноволновую радиацию, испускаемую Землей и атмосферой, больше, чем отражают входящую солнечную радиацию , что приводит к чистому увеличению радиационного воздействия . В 1992 году этот эффект потепления оценивался в пределах от 3,5 мВт/м 2 до 17 мВт/м 2 . [16] В 2009 году его значение 2005 года оценивалось в 12 мВт/м 2 на основе данных повторного анализа , климатических моделей и кодов переноса излучения ; с диапазоном неопределенности от 5 до 26 мВт/м 2 и с низким уровнем научного понимания. [17]
Перистые инверсионные следы могут быть крупнейшим компонентом радиационного воздействия воздушного движения, превышающим весь накопленный в авиации CO2 , и могут утроиться с базового уровня 2006 года до 160–180 мВт/м2 к 2050 году без вмешательства. [18] [19] Для сравнения, общее радиационное воздействие от деятельности человека составило 2,72 Вт/м2 ( с диапазоном от 1,96 до 3,48 Вт/м2 ) в 2019 году, а увеличение только с 2011 по 2019 год составило 0,34 Вт/м2 . [ 20] Эффекты инверсионных следов сильно различаются в зависимости от того, когда они образуются, поскольку они снижают дневную температуру и повышают ночную температуру, уменьшая их разницу. [21] В 2006 году было подсчитано, что ночные полеты вносят вклад в 60–80 % инверсионного радиационного воздействия, составляя 25 % ежедневного воздушного движения, а зимние полеты вносят вклад в половину среднегодового радиационного воздействия, составляя 22 % годового воздушного движения. [22]
Начиная с 1990-х годов, предполагалось, что инверсионные следы в дневное время оказывают сильный охлаждающий эффект, и в сочетании с потеплением от ночных полетов это приведет к существенному изменению суточной температуры (разнице между дневными максимумами и минимумами на фиксированной станции). [23] Когда после атак 11 сентября коммерческие самолеты не летали через США , суточный ход температуры увеличился на 1,1 °C (2,0 °F). [24] Измеренный на 4000 метеостанциях в континентальной части Соединенных Штатов, этот рост стал самым большим зарегистрированным за 30 лет. [24] Без инверсионных следов локальный суточный диапазон температур был на 1 °C (1,8 °F) выше, чем непосредственно перед этим. [25] На юге США разница уменьшилась примерно на 3,3 °C (6 °F) и на 2,8 °C (5 °F) на Среднем Западе США. [26] [27] Однако последующие исследования показали, что естественное изменение облачного покрова может более чем объяснить эти результаты. [28] Авторы исследования 2008 года написали: «Изменения в высоком облачном покрове, включая инверсионные следы и вызванные инверсионными следами перистые облака, слабо влияют на изменения в суточном диапазоне температур, который в основном регулируется облаками на более низких высотах, ветрами и влажностью». [29]
В 2011 году исследование британских метеорологических записей, сделанных во время Второй мировой войны, выявило одно событие, когда температура была на 0,8 °C (1,4 °F) выше, чем средняя дневная температура вблизи авиабаз, используемых стратегическими бомбардировщиками ВВС США после того, как они летели в строю. Однако его авторы предупредили, что это было единичное событие, что затрудняет делать из него однозначные выводы. [30] [31] [32] Затем глобальный ответ на пандемию коронавируса 2020 года привел к сокращению мирового воздушного движения почти на 70% по сравнению с 2019 годом. Таким образом, это предоставило расширенную возможность для изучения влияния инверсионных следов на региональную и глобальную температуру. Многочисленные исследования не обнаружили «значительной реакции суточного диапазона температур приземного воздуха» в результате изменений инверсионных следов и либо «отсутствия чистого значительного глобального ERF» (эффективного радиационного воздействия ), либо очень небольшого эффекта потепления. [33] [34] [35]
Проект ЕС, запущенный в 2020 году, направлен на оценку возможности минимизации эффектов инверсионного следа путем оперативного выбора при составлении планов полета. [36] Другие похожие проекты включают ContrailNet от Eurocontrol, [37] Reviate, [38] и проект Ciconia, [39], а также «проект инверсионного следа» от Google. [40]
Инверсионный след от самолета, летящего в сторону наблюдателя, может показаться созданным объектом, движущимся вертикально. [41] [42] 8 ноября 2010 года в американском штате Калифорния инверсионный след такого типа привлек внимание средств массовой информации как «загадочная ракета», которую не смогли объяснить военные и авиационные власти США, [43] и его объяснение как инверсионного следа [41] [42] [44] [45] потребовало более 24 часов, чтобы быть принятым американскими СМИ и военными учреждениями. [46]
Когда самолет проходит через облако, он может рассеивать облако на своем пути. Это известно как distrail (сокращение от «dissipation trail»). Теплый выхлоп двигателя самолета и усиленное вертикальное смешивание в следе самолета могут привести к испарению существующих капель облака. Если облако достаточно тонкое, такие процессы могут создать коридор без облаков в сплошном слое облаков. [47] Раннее спутниковое наблюдение distrail, которые, скорее всего, были удлиненными, вызванными самолетами дырами в полосах падения, появилось в работе Corfidi и Brandli (1986). [48]
Облака образуются, когда невидимый водяной пар ( H 2 O в газообразной фазе) конденсируется в микроскопические капли воды ( H 2 O в жидкой фазе) или в микроскопические кристаллы льда ( H 2 O в твердой фазе). Это может произойти, когда воздух с высокой долей газообразной воды охлаждается. Дистрейл образуется, когда тепло выхлопных газов двигателя испаряет жидкие капли воды в облаке, превращая их обратно в невидимый газообразный водяной пар. Дистрейл также может возникнуть в результате усиленного перемешивания (увлечения) более сухого воздуха непосредственно над или под тонким слоем облака после прохождения самолета через облако, как показано на втором изображении ниже: