Инверсионные следы ( / ˈ k ɒ n t r eɪ l z / ; сокращение от « следы конденсации ») или следы пара представляют собой облака в форме линий, образующиеся из-за выхлопа двигателя самолета или изменений давления воздуха, обычно на крейсерской высоте самолета в несколько миль над уровнем моря. Поверхность Земли. Они состоят в основном из воды в виде кристаллов льда. Сочетание водяного пара в выхлопных газах авиационных двигателей и низких температур окружающей среды на больших высотах приводит к образованию следов. Примеси в выхлопных газах двигателя, в том числе соединения серы (0,05% по массе в реактивном топливе), представляют собой некоторые частицы, которые служат центрами зародышеобразования для роста капель воды в выхлопных газах. Если образуются капли воды, они могут замерзнуть, образуя частицы льда, образующие инверсионный след. [1] Их образование также может быть спровоцировано изменением давления воздуха в вихрях на законцовках крыла или воздуха по всей поверхности крыла. [2] 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 в течение нескольких часов и распространяться на несколько миль в ширину, в конечном итоге напоминая естественные перистые или высококучевые облака. [1] Постоянные инверсионные следы представляют особый интерес для учёных, поскольку они увеличивают облачность атмосферы. [1] Полученные формы облаков формально описываются как homomutatus , [3] и могут напоминать перистые, перисто-кучевые или перисто-слоистые облака, и иногда их называют перистыми летающими . [4] Некоторые устойчивые распространяющиеся следы способствуют изменению климата . [5]
Выхлопы двигателя преимущественно состоят 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 соединения, спирты , озон и частицы сажи, наблюдались при более низких концентрациях. Точное качество зависит от типа двигателя и основной функции двигателя внутреннего сгорания, при этом до 30% выхлопов самолетов составляют несгоревшее топливо. [6] (Также были обнаружены металлические частицы микронного размера, образующиеся в результате износа двигателя.) На больших высотах, когда водяной пар попадает в холодную среду, локальное увеличение водяного пара может повысить относительную влажность воздуха до точки насыщения . Затем пар конденсируется в крошечные капли 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 остыл достаточно для конденсации, учитывает образование инверсионного следа на некотором расстоянии позади самолета. На больших высотах для переохлажденного водяного пара требуется триггер, способствующий осаждению или конденсации. Частицы выхлопных газов самолета действуют как этот триггер, вызывая быструю конденсацию захваченного пара. Инверсионные следы выхлопных газов обычно образуются на больших высотах; обычно выше 8000 м (26 000 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, проведенное при совместной поддержке НАСА, немецкого аэрокосмического центра DLR и Национального исследовательского совета Канады NRC, показало, что биотопливо может уменьшить образование инверсионных следов. Это снижение было объяснено тем, что биотопливо производит меньше частиц сажи, которые являются ядрами, вокруг которых формируются кристаллы льда. Испытания проводились на самолете DC-8 на крейсерской высоте, следом за ним летал самолет для сбора проб. В этих образцах количество частиц сажи, образующих следы, было снижено на 50–70 процентов при использовании 50-процентной смеси обычного топлива Jet A1 и биотоплива HEFA (гидрообработанные эфиры и жирные кислоты), полученного 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 закрылков представляют собой разрывы воздушного потока). Эти вихри на законцовках крыла сохраняются в атмосфере еще долгое время после того, как самолет пролетел мимо. . Снижение давления и температуры в каждом вихре может привести к конденсации воды и сделать ядра вихрей на законцовках крыльев видимыми. Этот эффект чаще встречается во влажные дни. Вихри на законцовках иногда можно увидеть за закрылками авиалайнеров во время взлета и посадки, а также во время посадки космического корабля "Шаттл" .
Видимые ядра вихрей на законцовках крыльев контрастируют с другим основным типом инверсионных следов, вызванных сгоранием топлива. Инверсионные следы от выхлопных газов реактивных двигателей видны на большой высоте, прямо за каждым двигателем. Напротив, видимые ядра вихрей на законцовках крыла обычно видны только на малой высоте, когда самолет движется медленно после взлета или перед приземлением и где влажность окружающей среды выше. Они следуют за законцовками и закрылками, а не за двигателями.
При высокой тяге лопасти вентилятора на впуске турбовентиляторного двигателя достигают околозвуковых скоростей, вызывая внезапное падение давления воздуха. Это создает конденсатный туман (внутри воздухозаборника), который часто наблюдают авиапассажиры во время взлета.
Кончики вращающихся поверхностей (таких как пропеллеры и несущие винты ) иногда оставляют видимые инверсионные следы. [11]
В огнестрельном оружии при стрельбе в редких условиях иногда наблюдается паровой след из-за изменения давления воздуха вокруг пули. [12] [13] След пара от пули можно наблюдать с любого направления. [12] След пара не следует путать со следом пули, который является гораздо более распространенным явлением (и обычно виден только непосредственно из-за спины стрелка). [12] [14]
В целом считается, что инверсионные следы самолетов улавливают исходящую длинноволновую радиацию, испускаемую Землей и атмосферой, больше, чем отражают поступающую 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 . [15] В 2009 году его значение в 2005 году было оценено в 12 мВт/м 2 на основе данных реанализа , климатических моделей и кодов переноса радиации ; с диапазоном неопределенности от 5 до 26 мВт/м 2 и с низкий уровень научного понимания. [16]
Перистые следы могут быть крупнейшим компонентом радиационного воздействия воздушного движения, превышающим весь CO 2 , накопленный авиацией, и без вмешательства может утроиться с исходного уровня 2006 года до 160–180 мВт/м 2 к 2050 году. [17] [18] Для сравнения, общее радиационное воздействие в результате деятельности человека составило 2,72 Вт/м 2 (с диапазоном от 1,96 до 3,48 Вт/м 2 ) в 2019 году, а увеличение только с 2011 по 2019 год составило 0,34. Вт/м 2 . [19] Эффекты следа сильно различаются в зависимости от того, когда они образуются, поскольку они уменьшают дневную температуру и повышают ночную, уменьшая их разницу. [20] В 2006 году было подсчитано, что на ночные полеты приходится от 60 до 80% инверсионного радиационного воздействия, при этом на их долю приходится 25% ежедневного воздушного движения, а на зимние полеты приходится половина среднегодового радиационного воздействия, на долю которого приходится 22% годового воздушного воздействия. трафик. [21]
Начиная с 1990-х годов высказывались предположения, что инверсионные следы в дневное время оказывают сильный охлаждающий эффект, а в сочетании с потеплением от ночных полетов это может привести к существенному изменению суточной температуры (разница дневных максимумов и минимумов в фиксированная станция). [22] Когда после терактов 11 сентября ни один коммерческий самолет не пролетел над США , суточные колебания температуры увеличились на 1,1 °C (2,0 °F). [23] Это увеличение, измеренное на 4000 метеостанциях в континентальной части США, стало самым большим за 30 лет. [23] Без инверсионных следов местный суточный диапазон температур был на 1 ° C (1,8 ° F) выше, чем непосредственно перед этим. [24] На юге США разница уменьшилась примерно на 3,3 °C (6 °F), а на Среднем Западе США — на 2,8 °C (5 °F). [25] [26] Однако последующие исследования показали, что естественное изменение облачного покрова может более чем объяснить эти результаты. [27] Авторы исследования 2008 года написали: «Вариации высокой облачности, включая инверсионные следы и перистые облака, вызванные следами, слабо способствуют изменениям в суточном температурном диапазоне, который определяется в первую очередь облаками на более низкой высоте, ветрами, и влажность». [28]
В 2011 году было проведено исследование британских метеорологических записей, сделанных во время Второй мировой войны , в ходе которого было выявлено одно событие, когда температура была на 0,8 ° C (1,4 ° F) выше средней дневной температуры вблизи авиабаз , используемых стратегическими бомбардировщиками USAAF после их полета. в строю. Однако его авторы предупредили, что это было единичное событие, поэтому сделать из него однозначные выводы сложно. [29] [30] [31] Затем глобальный ответ на пандемию коронавируса 2020 года привел к сокращению глобального воздушного движения почти на 70% по сравнению с 2019 годом. Таким образом, это предоставило расширенную возможность изучить влияние инверсионных следов на региональные и глобальная температура. Многочисленные исследования не обнаружили «никакой существенной реакции суточного диапазона температуры приземного воздуха» в результате изменений инверсионных следов, а также «отсутствия существенного глобального ERF» (эффективного радиационного воздействия ) или очень небольшого эффекта потепления. [32] [33] [34]
След от самолета, летящего к наблюдателю, может казаться оставленным объектом, движущимся вертикально. [35] [36] 8 ноября 2010 года в американском штате Калифорния инверсионный след этого типа привлек внимание средств массовой информации как «загадочная ракета», которую не могли объяснить военные и авиационные власти США, [37] и ее объяснение как инверсионному следу [35] [36] [38] [39] потребовалось более 24 часов, чтобы его приняли американские СМИ и военные учреждения. [40]
Когда самолет проходит сквозь облако, он может рассеять облако на своем пути. Это известно как дистрайл (сокращение от «тропа рассеяния»). Теплый выхлоп двигателя самолета и усиленное вертикальное перемешивание в следе за самолетом могут привести к испарению существующих капель облаков. Если облако достаточно тонкое, такие процессы могут привести к созданию безоблачного коридора в обычно сплошном облачном слое. [41] Первые спутниковые наблюдения за отклонениями, которые, скорее всего, представляли собой удлиненные дыры в виде полос падения , вызванные самолетами, появились в Корфиди и Брандли (1986). [42]
Облака образуются, когда невидимый водяной пар ( H 2 O в газовой 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 высоким содержанием газообразной воды охлаждается. Отброс образуется, когда тепло выхлопных газов двигателя испаряет капли жидкой воды в облаке, превращая их обратно в невидимый газообразный водяной пар. Сбои в движении также могут возникнуть в результате усиленного перемешивания (уноса) более сухого воздуха непосредственно над или под тонким слоем облаков после прохождения самолета через облако, как показано на втором изображении ниже:
