Popularna meteorologija

Kondenzacijski tragovi letenja

26.02.2024.

autor: Nebojša Subanović

mjesto radnje: Na nebu

Kemijska jednadžba sagorijevanja kerozina

 

Sagorijevanjem kerozina – najčešćeg goriva mlaznih motora, nastaju ugljični dioksid i voda.

C₁₂​H_26​ + 18.5O₂​ → 12CO_2​ + 13H₂​O

Ako sagorite 1 tonu kerozina, dobit ćete otprilike 1,2 do 1,6 tona vode i to u obliku vodene pare.

 

Kondenzacijski tragovi, dugotrajni kondenzacijski tragovi i contrail cirusi

 

Kondenzacijski tragovi (contrails = condensation + trails) su ledeni oblaci koje stvaraju avioni leteći na visinama između osam i trinaest kilometara. Ti tragovi mogu biti kratkotrajni ili dugotrajni što ovisi o stanju atmosfere na tim visinama. Ako traju dulje od deset minuta, smatraju se dugotrajnima i Svjetska meteorološka organizacija (WMO) ih definira kao Cirrus homogenitus te su jedina vrsta ledenih oblaka koju svojom aktivnošću stvara čovjek. Ovisno o tome zadržavaju li svoj linijski oblik ili ne, nazivaju se kontrailsi i kontrail cirusi.

Od početka devedesetih godina kondenzacijski su tragovi letenja pod povećalom stručnjaka zbog jednog vrlo ozbiljnog pitanja: koliko i kako utječu na klimatske promjene? Ipak, ovo ostavljam za jedan drugi članak.

Prirodni cirusi, postojani kontrailsi i kontrail cirusi su visoki oblaci načinjeni isključivo od kristalića leda koji se formiraju u ledeno prezasićenim područjima. "Ledeno prezasićeno područje" označava atmosfersko područje u kojem je koncentracija ledenih čestica veća od točke zasićenja, što znači da je prisutno više ledenih čestica nego što bi se obično očekivalo pri toj temperaturi i tlaku. Ovaj fenomen često se pojavljuje na visokim nadmorskim visinama u atmosferi, poput gornje troposfere ili donje stratosfere, gdje su temperature izuzetno niske. Ova područja važna su za razumijevanje atmosferskih procesa, formiranje oblaka i dinamiku klime.

Trajanje i opseg područja prezasićenih ledom i veličina prezasićenosti ledom unutar njih snažno ovise o sinoptičkoj (meteorološkoj) situaciji i postavljaju gornje granice za životni vijek i opseg avionima stvorenih oblaka. Izvan ledom prezasićenih područja, u sušem ili toplijem (ledom supzasićenom) zraku, kontrailsi se i dalje mogu formirati, ali su kratkotrajni te stoga uski i kratki.

 

Formiranje kondenzacijskih tragova i kondenzacijskih cirusa

 

Onoga trenutka kada su kondenzacijski tragovi postali važno klimatsko pitanje, znanost im je počela posvećivati više pozornosti. Kombinacijom numeričkih modela, laboratorijskih i in situ mjerenja, u posljednja dva desetljeća zabilježen je značajan napredak u prepoznavanju i razumijevanju termo, fluid-dinamičkih i mikrofizičkih procesa u fazi formiranja zrakoplovima stvorenih oblaka. Razumijevanje ovih procesa bitno je za modeliranje i predviđanje početnih svojstava koja će rezultirati njihovim stvaranjem.

Kondenzacijski tragovi se počinju formirati kada se ispušni plinovi mlaznih motora šire i njihovi sastojci miješaju s okolnim zrakom. U skladu s promatranjima iz zrakoplova, termodinamički model miješanja pokazao je da temperature obično ispod 233 K (≈−40 °C) daju prag ispod kojeg se pojavljuju ili kratkotrajni ili dugotrajni tragovi iza mlaznih zrakoplova koji krstare iznad ≈8 km. Pojava contraila se pouzdano predviđa ako su poznati tlak i relativna vlažnost okoline, emisije vodene pare i topline te propulzivne karakteristike zrakoplovnih motora [1].

 

Slika ‑1 Faze stvaranja kondenzacijskog traga letenja

 

 

U ispušnim plinovima motora nalaze se i higroskopne čestice nastale kao produkt sagorijevanja avionskog goriva, najčešće čađa. One na sebe lijepe molekule vode (vodena para) iz okolnog zraka i samih ispušnih plinova (mlaza) tvoreći mikrokapljice.

Laboratorijske studije pokazuju da tek nakon formiranja kapljica vode dolazi do značajne nukleacije leda, pri čemu stope smrzavanja homogenih kapljica dramatično rastu s padom temperature. Prisutnost kristala leda u tragovima letenja potkrijepljena je brojnim dokazima promatranja. Analiza opažanja iz zrakoplova pokazuje da se mnogo (>10 000 cm⁻³) malih kristala leda (<1 µm) treba formirati unutar raspona krila iza krstarećeg aviona kako bi povratni tragovi bili vidljivi već pri formiranju (ograničenje vidljivosti) [1].

Vrtložni trag se spušta nekih 100 metara ispod nivoa leta što u donjem dijelu traga dovodi do djelomičnog gubitka kristala leda zbog sublimacije dok kristali u gornjem dijelu rastu upijajući novonastalu vodenu paru.

 

 

Slika ‑2 Kondenzacijski tragovi i cirusna naoblaka. Izvor: EUMETSAT

 

Aerodinamički kondenzacijski tragovi letenja

 

Uz kondenzacijske tragove zbog rada motora, postoje i aerodinamički kondenzacijski tragovi koji nastaju kao posljedica lokalnog pada tlaka i temperature zraka na aerodinamičkim površinama letjelica ili njihova trupa. Zbog pada tlaka zraka i temperature raste relativna vlažnost koja u određenim uvjetima može dosegnuti 100 % kada dolazi do kondenzacije ili depozicije viška vodene pare.

 

Slika ‑3 Aerodinamički tragovi letenja. Foto: Ron Smith

 

Zadržavanje krutih čestica na većim visinama

 

Krute mikročestice ispuštene na visinama od 10 i više kilometara mogu tamo ostati danima i mjesecima, pa čak i godinama, kao što je slučaj s pepelom vulkanskih erupcija. Pepeo izbačen pri erupciji Krakataua 1883. godine u atmosferi se zadržao preko godinu dana dosegnuvši Europu i Ameriku. U atmosferu je izbačeno između 10 i 25 kubičnih kilometara pepela, što je oko 30 milijardi tona! Iz ovog vulkanskog primjera lako se može zaključiti kako zaprašivanje s tako velikih visina baš i nije efikasno, puno efikasnije bi bilo ubaciti nepoželjne supstance, recimo, u vodovod.

 

Tehnička objašnjenja

 

Zrakoplovstvo je jedna od najkontroliranijih ljudskih aktivnosti, posve određena strogim procedurama. Vrlo točno zna se što je ukrcano u svaki komercijalni, a i vojni let, i nemoguće je nešto unijeti ili ukrcati u avion, a da to nije evidentirano i prošlo nekoliko kontrola. Previše je ljudi uključeno u proces da bi se nešto moglo „prokrijumčariti“.

 

Zrakoplovna goriva prolaze vrlo strogu kontrolu i u njih se ne može ubaciti neka supstanca koja bi se „raspršivala“ kroz ispušne plinove ili mlazove. Osim toga, temperature u gorivim komorama mlaznih motora dosežu i 2000 °C. Pitanje je koja bi supstanca preživjela toliku temperaturu.

 

Korištenje posebnih letova, ne komercijalnih i ne vojnih, zahtijevalo bi jako puno aviona kako bi se u atmosferi raspršile neke značajne količine supstanci, što bi kontrolori leta svakako morali znati i netko bi progovorio.

 

Najčešće podvale i „dokazi“ teoretičara urota

 

Ispitivanje balansa velikih komercijalnih aviona se vrši pomoću sustava povezanih i pretočnih rezervoara. Tekućina se pretače iz jednog u drugi čime se mijenja položaj težišta te ispituje mogućnost kompenzacije tih promjena i održavanja stabilnosti aviona. Teoretičari urota koriste te fotografije tvrdeći da su to rezervoari s kemijskim agensima kojima nas netko zaprašuje. Nikada ne daju podatak tko i čime.

 

Slika ‑4 Konfiguracija Boeinga 777X, ispitivanje balansiranja pomoću povezanih pretočnih rezervoara. Foto: Eric Brothers, Aerospace Manufactirung and Design

 

Fotografije zračnog zasijavanja olujnih oblaka higroskopnim česticama kako bi se spriječila pojava tuče ili za stvaranje umjetnih oblaka i oborine su omiljene fotografije teoretičara urote. To, de facto, jesu kemijski tragovi, ali uglavnom nema bijelog traga i koriste se vrlo ciljano i ograničeno, kako vremenski tako i prostorno. Zasijavanje se puno jednostavnije i jeftinije, ali i češće, s nešto manjom preciznošću radi sa zemlje. Ova metoda je korištena za vrijeme Olimpijskih igara u Pekingu i Londonu, kada su okolice tih gradova zasijavane, ali sa zemlje, higroskopnim česticama kako bi se osiguralo suho vrijeme nad područjem održavanja igara. Teoretičari urota koriste takve fotografije kao nedvojbeni dokaz da nas netko zaprašuje, opet izbjegavajući odgovoriti na pitanja tko i čime.

 

Slika ‑5 Oprema za zasijavanje olujnih oblaka na krilu aviona North Dakota. Jim Brandenburg via Minden Pictures

 

Protupožarni avioni su vrlo često „dokaz“ teoretičara urota o zaprašivanju iz velikih visina. Međutim, kod akcija protupožarnih aviona se uglavnom radi o raspršivanju vode ili tvari koje sprečavaju gorenje i kemijski su inertne. Ne treba napominjati da se takva „zaprašivanja“ rade s vrlo malih visina i nad požarom zahvaćenim područjima.

 

Slika ‑6 Boeing 944, protupožarni avion za brze intervencije daleko od velikih vodenih površina koje bi mogli koristiti hidroavioni. Kredit: Hiroshi Ando, AP

 

 

Stvarni kemijski tragovi letenja

 

Ipak, postoje i stvarni kemijski tragovi letenja. Evo nekih primjera:

 

Slika ‑7 Zaprašivanje komaraca. Foto Davor Javorović, Pixsell

 

Slika ‑8 Zaprašivanje usjeva. Izvor croplife.com

 

Kemijsko ratovanje. Raspršivanja raznih herbicida, najpoznatiji je agens orange, bilo je dio specijalnog ratovanja u Vijetnamu. Raspršivanjem herbicida, Američka je vojska nastojala uništiti usjeve te prorijediti šume i džungle kako bi transporti Sjevernovijetnamskih vojnih jedinica bili lakše uočljivi.

Drugi vid specijalnog ratovanja je bilo raspršivanje higroskopnih čestica tijekom monsunskih razdoblja, kako bi se povećale oborine, a čime se nastojalo izazvati poplave koje bi otežale transporte Sjevernoameričke vojske.

 

Slika ‑9 Američki avioni UC-123 raspršuju herbicide iznad centralnog Južnog Vijetnama, 1966. Autor nepoznat

 

Slika ‑10 U Vijetnamskom ratu američka je vojska imala tzv. Meteorološku jedinicu koja je tijekom monsuna zasijavala oblake stvarajući dodatnu oborinu u cilju izazivanja poplava kojima bi spriječili transporte Sjevernovijetnamske vojske.

 

Zaključak

 

Odgovor na pitanje „Postoje li kemijski tragovi letenja“ je svakako DA! Međutim, bijele pruge iza aviona što ih vidimo na nebu NISU kemijski nego kondenzacijski tragovi letenja. Prilikom sagorijevanja tekućih fosilnih goriva dva su osnovna produkta: ugljični dioksid i voda. Ukoliko su okolišni uvjeti povoljni, vodena para iz ispušnih plinova zrakoplovnih motora na velikim visinama će se kondenzirati (kapljice vode koje zimi kaplju iz auspuha automobila), a potom prijeći u kristaliće leda.

Kondenzacijski tragovi letenja mogu biti i aerodinamičkog porijekla. Zainteresirane upućujem na Bernoullijevu jednadžbu i aerodinamiku letenja.

Nadalje, sustav civilnog zrakoplovstva naprosto ne daje prostora unošenju bilo kakvih nepoželjnih supstanci u avione i njihovo raspršivanje. Razlozi su jednostavni: letenje je jako skupo i gleda se na svaki gram unesenog tereta, a ubacivanje kemijskih agensa u gorivo bi, pak, moglo ugroziti rad motora što bi sigurno izazvalo revolt posada.

Na kraju, zašto nešto raspršivati na 10 kilometara visine kada ne znaš gdje će to i kada i da li će uopće, završiti na tlu? I što bi se to moglo raspršivati na 10 kilometara visine i s kojim ciljem ako si siguran da ne znaš gdje će to i kada te hoće li uopće završiti na tlu?

Stvarno zaprašivanje aktivnim kemijskim agensima radi se s malih visina jer je to jedini način da se oni dovedu do željenog cilja. Nitko ne zaprašuje komarce na 10 kilometara visine!

Na žalost, nekim je ljudima puno lakše vjerovati suludim i posve nelogičnim i nerazumnim teorijama urote nego znanosti. Za znanstvena se objašnjenja, ipak, treba potruditi.

 

Reference

 

1. Bernd Kärcher, Formation and radiative forcing of contrail cirrus, Nature Communications volume 9, Article number: 1824 (2018), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04068-0
2. World Meteorological Organization (WMO). Cloud Atlas. https://cloudatlas.wmo.int/aircraft-condensation-trails.html (2017).
3. Fahey, D. W. & Schumann, U. Aviation-produced aerosols and cloudiness. In Aviation and the Global Atmosphere. A Special Report of IPCC Working Groups I and III. Intergovernmental Panel on Climate Change(ed. Penner, J. E.) (Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1999).
4. Heymsfield, A. J. et al. Contrail microphysics. Bull. Am. Meteorol. Soc. 91, 465–472 (2010).
5. Voigt, C. et al. ML‐CIRRUS – The airborne experiment on natural cirrus and contrail cirrus with the high‐altitude long‐range research aircraft HALO. Bull. Amer. Meteorol. Soc. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00213.1 (2017).
6. Schumann, U. On conditions for contrail formation from aircraft exhausts. Meteorol. Z. 5, 4–23 (1996).
7. Wong, H.-W. et al. Laboratory and modeling studies on the effects of water and soot emissions and ambient conditions on the properties of contrail ice particles in the jet regime. Atmos. Chem. Phys. 13, 10,049–10,060 (2013).
8. Schumann, U. et al. Properties of individual contrails: a compilation of observations and some comparisons. Atmos. Chem. Phys. 17, 403–438 (2017).
9. Kärcher, B., Peter, Th, Biermann, U. M. & Schumann, U. The initial composition of jet condensation trails. J. Atmos. Sci. 53, 3066–3083 (1996).
10. Kolomenskiy, D. & Paoli, R. Numerical simulation of the wake of an airliner. J. Aircraft. 55, https://doi.org/10.2514/1.C034349 (2018).
11. Kärcher, B., Burkhardt, U., Bier, A., Bock, L. & Ford, I. J. The microphysical pathway to contrail formation. J. Geophys. Res. 120, 7893–7927 (2015).
12. Lewellen, D. C., Meza, O. & Huebsch, W. W. Persistent contrails and contrail cirrus. Part 1: large-eddy simulations from inception to demise. J. Atmos. Sci. 71, 4399–4419 (2014).
13. Sussmann, R. & Gierens, K. M. Differences in early contrail evolution of twoengine versus four-engine aircraft: Lidar measurements and numerical simulations. J. Geophys. Res. 106, 4899–4911 (2001).