Le scie di condensazione di aereo

Ultima revisione dell'autore: 29 marzo 2011

Cosa si sa sulla formazione delle scie bianche di aerei? Cosa dicono gli scienziati che si occupano di fenomeni atmosferici, sulle scie di aerei? Esistono degli studi sulle scie? Si sa come e perché le scie si formano? Che caratteristiche hanno le scie di aerei?
Ritengo molto importante conoscere quali sono i principi fisici alla base della formazione delle scie degli aerei per poter valutare se i fenomeni supposti anomali relativi alle scie osservati da tempo sulle nostre città rientrino o meno nella normalità. Se noi riteniamo che passino aerei sulle nostre teste che rilasciano scie anomale, dobbiamo per prima cosa essere ben sicuri di cosa sia il nostro paragone, cioè le scie normali.
Se poi osserviamo una scia con delle caratteristiche che non rientrano nella descrizione scientifica delle scie, abbiamo trovato una anomalia e nessuno può negarlo.

Lo scopo di questo articolo è quello di riassumere la teoria scientifica della formazione delle scie di aereo (andando anche a verificare quali sono gli effetti descritti dalla comunità scientifica delle scie di aereo sul clima).
Come si formano le scie
La quantità di vapore d’acqua (cioè acqua allo stato gassoso) contenuta nell’aria dipende dalla temperatura a cui l’aria si trova. Minore è la temperatura dell’aria, minore è la quantità di vapore di acqua che l’aria è in grado di contenere.
Ad esempio di notte, se la temperatura si abbassa oltre un determinato valore, in base all’umidità (cioè acqua allo stato gassoso) presente nell’aria, li vapore d’acqua contenuto nell’aria condensa (passa cioè dallo stato gassoso allo stato liquido) e si forma la rugiada. La temperatura è scesa quindi sotto il punto di condensazione o, punto di rugiada.
Le nuvole si formano proprio così. L’aria calda sale e man mano che sale diventa meno brava a trattenere l’umidità in essa contenuta fino a che questa condensa in goccioline. E’ stato raggiunto il punto di rugiada. Si formano le nuvole.

Vediamo adesso come si formano le scie.

Le scie di condensa si formano quando il vapore d’acqua caldo presente nei gas di scarico dell’aereo si mescola con l’aria umida presente in quel punto [1]. Durante il processo di mescolamento può accadere che l’umidità locale superi la saturazione del vapore rispetto al liquido. Goccioline di acqua si formano quindi su particelle di aerosol presenti nell’aria o nello scarico dei motori. Poiché la temperatura richiesta per la formazione delle scie è di norma inferiore ai -40°C le goccioline si trasformano istantaneamente in ghiaccio e crescono, attraverso una deposizione di vapore sul ghiaccio, fintanto che l’umidità relativa rimane al di sopra della saturazione del vapore su ghiaccio [2], [3].

Le scie si iniziano a formare tipicamente a 30 metri di distanza dal velivolo.

Per chiarire meglio il processo di formazione delle contrails, vediamo questo schema [4].

In questo grafico sono presenti sull’asse delle x la temperatura e su quello delle y l’umidità relativa.
Sono presenti due curve: la curva di saturazione del vapore su acqua e la curva di saturazione del vapore su ghiaccio. Nell’atmosfera l’umidità condensa da vapore a liquido, mentre il passaggio diretto da vapore a ghiaccio non avviene.
Una scia quindi, che come abbiamo visto è costituita da ghiaccio, si forma sempre per iniziale condensazione di vapore a liquido e successiva solidificazione del liquido a ghiaccio.

Vediamo di discutere la figura. Immaginiamo che lo scarico dell’aereo si trovi in ben determinate condizioni di temperatura e umidità relativa (punto A nello schema) e l’aria in quota dove viene rilasciata la scia si trovi ad altre determinate condizioni di temperatura e umidità relativa (B). I due fluidi si mescolano. Si forma quella che viene chiamata una mixing cloud. E' esattamente lo stesso principio del respiro che condensa quando fa freddo. L’aria fredda si miscela con l’aria calda che viene dai polmoni e l’umidità totale della mixing cloud supera il punto di rugiada. Si forma la nuvoletta, di norma non persistente :-) .
La temperatura e l’umidità dell’aria nel punto di rilascio della scia (A) raggiungeranno gradualmente temperatura e umidità del punto B muovendosi lungo la linea verde dello schema. L’aria della miscela si raffredda e diviene sempre meno in grado di trattenere tutta la sua umidità. A un certo punto la linea verde intercetta la linea di saturazione del vapore su ghiaccio. Non succede niente. Il passaggio diretto gas-ghiaccio come abbiamo detto non avviene. La temperatura continua a scendere. Si raggiunge la linea di saturazione del vapore su liquido. A questo punto l’umidità della nostra mixing cloud condensa. Si formano goccioline d’acqua che a causa della temperatura estremamente bassa si trasformano in ghiaccio e continuano a crescere via accumulo diffusionale [3] di vapore su ghiaccio fintantoché l’umidità relativa rimane superiore alla saturazione su ghiaccio (ci troviamo, seguendo la figura, nella zona di persistenza del ghiaccio, e quindi di persistenza della scia). La temperatura continua a scendere fino a intersecare la curva di sublimazione del ghiaccio. Il ghiaccio adesso non può più persistere e sublima. La scia si spegne.

Risulta chiaro che a seconda di come sono posizionati A e B nello schema la scia può esistere o non esistere e se esiste può essere più o meno persistente.

Ad esempio nella prossima figura, non si ha formazione di scia perché la linea verde, pur intersecando la linea di saturazione del vapore su ghiaccio, non interseca mai la linea di saturazione del vapore su liquido.

Nel caso di due aerei con efficienze differenti del motore è possibile che pur trovandosi nello stesso ambiente (stesso punto B) abbiano due punti di partenza differenti (punti A diversi) e che quindi uno intersechi la saturazione dell’acqua e l’altro no, producendo quindi risultati diversi.

Nella prossima figura invece, il punto (B) è situato all’interno della zona di persistenza del ghiaccio. Cosa vuol dire? Vuol dire che la scia non sublima, cioè non si spegne ma persiste. L’aria è molto umida e non ci sono condizione per sublimare. Il vapore continua a depositarsi sul ghiaccio fintanto che è sovrasaturo. La scia si spegnerà ad esempio entrando in una zona in cui siamo al di sotto della saturazione di vapore su ghiaccio.



Risulta chiaro che se un aereo vola a bassa quota dove la temperatura dell’aria è più calda, la linea con ogni probabilità non intersecherà la zona di condensazione e quindi non si avrà scia.

E’ possibile conoscere queste probabilità. In base alle considerazioni fatte sino ad ora, conoscendo temperatura e umidità relativa ad una certa quota è possibile prevedere se e quando si forma una scia di una aereo. Il diagramma di Appleman [5] mostra ad esempio che ad una pressione atmosferica di 300 hPa (corrispondente a circa 9000 metri) a temperature maggiori di -40°C. un aereo non può produrre la scia, anche con una umidità relativa del 100%.

Le scie di condensazione di aerei secondo la NASA

Appurato come si formano le scie, vediamo come viene trattato l’argomento scie di condensazione sul sito della NASA.
Sul sito della NASA è presente una sezione educativa [6] dedicata interamente al fenomeno delle scie di condensazione dei aerei. Nella sezione si trovano molte pagine, con spiegazioni, FAQ (Frequently Asked Questions) ed esercizi. Un notevole impegno per spiegare cosa sono, come si formano, che ruolo giocano sul clima le scie bianche di aerei.

Vediamo quali sono i punti principali che emergono dalle pagine del sito della NASA.

-Definizione di scia secondo la NASA.

Le scie di condensazione di aereo sono nuvole indotte dall’uomo che si possono formare solo ad alte quote (solitamente sopra gli 8 Km) dove l’aria è estremamente fredda (meno di 40°C). Le scie si formano solo se passa un aereo [7] :-) .

-Problemi legati alle scie di condensa.

Le scie sono fatte di ghiaccio, quindi sono innocue. Tuttavia, le nuvole sono la variabile maggiore per controllare la temperatura atmosferica terrestre ed il clima. Qualsiasi cambiamento nella copertura delle nuvole potrebbe contribuire a cambiamenti a lungo termine sul clima. Poiché le scie, soprattutto quelle persistenti, rappresentano un aumento nella copertura nuvolosa, esse contribuiscono a modificare il clima [8] .
Le scie persistenti possono formare estesi cirri che tendono a scaldare la Terra perché riflettono meno luce solare di quella che fanno passare. Il bilancio tra luce che arriva sul pianeta e che viene riflessa guida i cambiamenti climatici [9].
Infine sulla base di analisi di dati metereologici e su assunzioni circa la crescita future del traffico aereo e miglioramenti tecnologici, ci si aspetta che la copertura di scie persistenti aumenti da adesso al 2050 [10].

-Tipi di scie.

Esistono tre tipi di scie: a vita breve, persistenti e persistenti che si espandono (vedi discussione precedente). Le scie persistenti possono permanere ore o giorni. Le scie in espansione possono espandersi per migliaia di chilometri quadrati ed essere indistinguibili da normali cirri. Le scie si possono espandere per 200-400 m in altezza e molti chilometri in larghezza [8], [10], [11]. Non ho trovato informazione circa la lunghezza raggiungibile dalle scie.

Per quanto riguarda la persistenza delle scie, in un documento informativo sulle scie di condensazione e in un articolo scientifico di produzione NASA [10], [2] si possono osservare fotografie di cieli ricoperti da tracciati di scie. Immagini analoghe sono presenti in molti siti che si occupano della questione scie chimiche, compreso questo blog. Le scie presenti nelle fotografie dei due documenti vengono tuttavia descritte come normali scie di condensazione di tipo persistente in espansione.

-Sezione FAQ

Tra le varie questioni discusse: la presenza di scie in cui si formano interruzioni, spiegata con mancanza di umidità nell’interruzione; la presenza contemporanea nel cielo di aerei con e senza scia, sempre spiegata con differenze locali di composizione dell’atmosfera o differenze di efficienze dei motori dei due velivoli; perché ci sono giorni dove vediamo scie e giorni in cui non le vediamo (anche questa domanda è affrontata con il discorso dell’umidità) [7].

Riassumendo, la NASA dice:

-Scia persistente che si trasforma in cirro (le nuvole che stanno a quote maggiori di 6000 m): fenomeno normale.

-Scia che dura per giorni: fenomeno normale.

-Cielo tappezzato da scie che si incrociano: fenomeno normale.

-Scia interrotta: fenomeno normale.
-Due aerei: uno con scia e l’altro senza: fenomeno normale.

-Giorni con scia e giorni senza: fenomeno normale.

Bibliografia

[1] Appleman, H. The formation of exhaust condensation trails by jet aircraft (1953). Bull Amer Meteror Soc 34, 14-20.

[2] Minnis, P. Contrails (2002). In Encyclopedia of Atmospheric Sciences, Academic Press, London, J. Holton, J. Pyle, and J. Curry, Editors

[3] Gierens KM. Numerical simulation of persistant contrails (1996). Journal of Atmospherc Science 53 (22), 3333-3348.

[4] Riadattato da: http://asd-www.larc.nasa.gov/GLOBE/resources/Contrail_Formation_English.jpg

[5] http://asd-www.larc.nasa.gov/GLOBE/resources/activities/appleman_student.html

[6] http://asd-www.larc.nasa.gov/GLOBE/

[7] http://asd-www.larc.nasa.gov/GLOBE/faq.html

[8] http://asd-www.larc.nasa.gov/GLOBE/importance.html

[9] http://www.nasa.gov/home/hqnews/2004/apr/HQ_04140_clouds_climate.html

[10] http://www.ueet.nasa.gov/images/PDF/contrails.pdf;

[11] http://asd-www.larc.nasa.gov/GLOBE/science.html