Contrails – trochę o smugach kondensacyjnych

Opublikowano przez AskeF w dniu 22 października, 201822 października, 2018

(Fot. Pixabay.com)

Wiele osób zastanawia się skąd właściwie biorą się smugi za przelatującymi samolotami widocznymi na niebie. I tak na prawdę, dlaczego czasem je widać, a innym razem nie. A ponieważ często takie pytania podszyte są spiskową teorią dziejów, postanowiłem dodać swoje trzy grosze do tematu. Bo tłumaczenia nigdy za wiele.

Aby w miarę sensownie wyjaśnić zjawisko, potrzebujemy najpierw trochę teorii. Zacznijmy od tego, że w skład naszej atmosfery oprócz tlenu i azotu wchodzi również para wodna (pomijam śladowe ilości innych gazów). Zwykle, w pogodny, letni dzień, para wodna jest niewidoczna, albo przyjmuje postać chmur zawieszonych nad naszymi głowami. Czasem chmury znajdują się niżej, innym razem wyżej, a czasem bardzo wysoko w postaci pierzastych pasemek. To, co widzimy w postaci chmur, jest tak na prawdę niczym innym, jak skroploną parą wodną (czasem kryształkami lodu), które przybierają określone postacie. Dlaczego jednak chmury „usadawiają się” na różnych wysokościach? Otóż wynika to z wilgotności względnej powietrza na danej wysokości, a ta z kolei od temperatury. I tutaj dochodzimy tak na prawdę do sedna.

Temperatura powietrza wraz z wysokością spada, a jego objętość rośnie wraz z malejącym ciśnieniem. Choć sprawa z temperaturą jest dość oczywista (np. im wyżej w górach się wspinamy, tym niższa jest temaperatura), to kwestia ciśnienia nie jest już taka oczywista. No cóż, im wyżej, tym powietrze jest rzadsze, a ciśnienie mniejsze. Przy czym ta sama „ilość” powietrza zajmuje jednocześnie większą objętość. Ciśnienie, objętość, temperatura: wszystkie wspomniane zmienne są powiązane ze sobą zależnością:

              p * V/T = const

Czyli w skrócie – spadek ciśnienia (np. z wzrastającą wysokością) spowoduje zwiększenie objętości i zmniejszenie temperatury. A co z naszą parą wodną? Otóż kiedy temperatura maleje, zdolność powietrza do utrzymywania pary wodnej w stanie gazowym spada. Dzieje się to tak długo, jak długo nasycenie pary wodnej w powietrzu nie osiągnie wartości wilgotności względnej równej 100%. Wtedy mamy do czynienia z poziomem, dla którego powietrze nie będzie w stanie „utrzymać” więcej pary wodnej w stanie gazowym. I jest to poziom, dla którego temperatura powietrza osiąga tzw. temperaturę punktu rosy. Rozpoczyna się kondensacja. Wszystko, co będzie powstawać powyżej, będzie po prostu chmurą.

Pisałem już kiedyś, że poziom podstawy chmur można oszacować na podstawie różnicy temperatur: poziomu gruntu i punktu rosy. Mnożąc tę różnicę przez 400 otrzymamy wysokość w stopach. Im większa różnica między wspomnianymi temperaturami, tym podstawa chmur jest wyższa, a powietrze bardziej suche. I odwrotnie, jeśli różnica jest mała, chmury mamy niżej nad głowami, a powietrze jest bardziej wilgotne. Co się w takim razie stanie, kiedy różnica jest zerowa? Proste. O ile w powietrzu jest odpowiednia ilość wilgoci, mamy mgłę, czyli po prostu chmurę na poziomie gruntu.

Teraz możemy powrócić do głównego tematu, czyli smug kondensacyjnych. W zasadzie mamy dwa przypadki, kiedy to zjawisko występuje. Przypadek pierwszy występuje wskutek sił aerodynamicznych oddziaływujących na samolot podczas lotu. Najczęściej mamy wtedy do czynienia z występowaniem smug na końcówkach skrzydeł, klap, śmigieł, bądź tych elementów, które podlegają znacznym przeciążeniom. W każdym razie zjawisko występuje zawsze wtedy, kiedy na kokretnych elementach powierzchni aerodynamicznych samolotu występują znaczne różnice ciśnień. Wtedy, na skutek lokalnego obniżenia ciśnienia, spada temperatura otaczającego powietrza i jeśli jest ono wystarczająco wilgotne, następuje nasycenie i zaczynają się tworzyć smugi aerodynamiczne. Często (w sprzyjających warunkach) można je zauważyć podczas podchodzenia do lądowania, jak na poniższym filmie:

(Źródło: Youtube.com)

Albo na zdjęciu poniżej:

(Fot. Pixabay.com)

Drugi przypadek związany jest bezpośrednio z pracą silników turboodrzutowych bądź turbowentylatorowych. Jednym z głównych produktów spalania takich silników jest para wodna. Jak wiemy z powyższych rozważań, w przypadku wysokiej temperatury, powietrze może dużo więcej „przyjąć” pary wodnej niż w niskiej temperaturze. W związku z tym gorące gazy wylotowe z silników dopóki nie zostaną schłodzone przez otaczające powietrze, nie wykazują oznak kondensacji. Dopiero w pewnej odległości za samolotem stają się na tyle chłodne, że tworzą znane nam i widoczne z ziemi smugi. Z tego też powodu (w przeciwieństwie do pierwszego przypadku) smug kondensacyjnych z silników nie dostrzeżemy z kabiny, podczas gdy aerodynamiczne, tak.

(Fot. Pixabay.com)

Na koniec pozostaje jeszcze jedna kwestia. Dlaczego smugi na niebie są czasem dłuższe, a czasem krótsze, czasem można je obserwować długo po zniknięciu samolotu, podczas gdy w innych warunkach znikają prawie natychmiast? Odpowiedź jest prosta. Wszystko zależy od bieżących warunków atmosferycznych, a dokładnie od wilgotności powietrza na wysokości przelotowej. Im jest ona większa tym dłużej smugi będą widoczne. Można się nawet pokusić o prognozowanie pogody na tej podstawie, ale to już temat na oddzielne rozważania.