La formazione, la persistenza e la crescita delle scie di condensazione di aereo

Verificare l'esistenza di scie anomale nei nostri cieli vuol dire verificare se esistono scie diverse dalle normali scie di condensazione. Per far questo è necessario avere prima ben presente cosa sia una normale scia di aereo, come si formi e come essa evolva nel tempo.
In questo breve post, basandomi su articoli scientifici e su quanto riportato nel sito della NASA, riassumo come e perchè si formano le normali scie di condensazione di aereo, e perchè in certi casi esse permangono e si espandono.

Formazione

I motori degli aerei rilasciano una gran quantità di vapor acqueo caldo nello scarico. Questo vapore si miscela con l'aria fredda e più o meno umida presente in atmosfera. Se l'umidità complessiva risultante dalla miscelazione oltrepassa la curva di saturazione su liquido, essa condensa e si forma una nuvola costituita da goccioline d'acqua [1]. Viste le basse temperature dell'atmosfera alle tipiche quote di volo le goccioline gelano e si forma così una scia di cristalli di ghiaccio.
La condensazione avviene solamente con ben determinate condizioni di temperatura, umidità e pressione, condizioni che si possono verificare a determinate quote e che non si verificano tutti i giorni. Le condizioni per la formazione delle scie di condensa possono essere previste utilizzando dei metodi di previsione delle scie come il diagramma di Appleman [2]. Alle nostre latitudini queste condizioni si verificano solitamente sopra gli 8000 metri [3]. Ad altre latitudini è possibile invece che si formino scie di ghiaccio anche in fase di decollo.

E' importante ricordare che le scie di aereo si formano anche in assenza di umidità atmosferica se la temperatura atmosferica è sufficientemente bassa. In tali condizioni, come ricorda la NASA [2], è sufficiente l'umidità dello scarico del motore per la formazione di una scia.
Facendo un paragone, la fase iniziale delle scie di aereo è equiparabile alle nuvolette che si formano quando espiriamo all'aperto in una giornata fredda. L'umidità presente nell'aria calda espirata si mescola all'aria fredda e in certi giorni questo mix di umidità condensa e passa allo stato liquido. Si forma cioè una nuvoletta costituita da goccioline d'acqua.

Persistenza ed espansione

Per comprendere la persistenza delle scie di aereo possiamo esaminare la letteratura scientifica che tratta l'argomento. Partiamo con un dato degli anni '50. Si tratta di un report della Cornell University [4]. Vediamo cosa viene riportato sulla persistenza in questo report. Citando testualmente:

"Contraiis consisting of ice particles, the more common situation, will persist for hours if environmental conditions exceed ice saturation i. e., exceed ambient relative numidities of approximately 60 to 70%. (See Table II for exact relative humidity values versus temperature. ) When the ambient humidity is less than ice saturation, contrails comprised of ice cryrstals will sublime in seconds to minutes depending on contrail density."

"Le scie di condensa costituite da particelle di ghiaccio, la situazione più comune, persisteranno per ore se le condizioni ambiente eccedono la saturazione su ghiaccio, ad esempio se eccedono l'umidità ambientale relativa del 60-70% (tabella). Quando l'umidità ambiente è minore della saturazione su ghiaccio, le scie composte da cristalli di ghiaccio sublimeranno (cioè passeranno allo stato di vapore) in secondi o minuti, dipendentemente dalla densità della scia."

Abbiamo già praticamente ottenuto una risposta. La scia, nel caso più comune, è fatta di ghiaccio. Se l'umidità in cui si trova la scia è superiore alla saturazione su ghiaccio la scia può permanere per ore. Questo dato viene confermato anche più di 5o anni dopo da un altro ricercatore, Wendler [5]. Wendler mostra che per avere persistenza di una o due ore, sono necessari valori di umidità relativa dell'80% circa. Infine anche un altro ricercatore, Gierens [6], mostra chiaramente che per avere persistenza è necessario che la scia si trovi in condizioni di umidità superiore alla saturazione su ghiaccio.

Sotto saturazione invece, le scie durano da secondi a minuti. Schumann [7] riporta che le scie degli aerei bimotore hanno principalmente una persistenza inferiore ai 20 secondi mentre quelle dei quadrimotori hanno spesso una persistenza di circa 2 minuti.

Il report della Cornell parla anche di crescita della scia:

"Contrails that freeze in an ice saturated environment will grow and persist for long periods of time (hours)".

"Le scie che congelano in un ambiente saturato su ghiaccio cresceranno e persisteranno per lunghi periodi di tempo (ore)".

La crescita delle scie è descritta anche in un lavoro di Schroder e coll [8]:

"After a short (about 1 s) initial growth stage, the contrail will evaporate within tens of seconds if the air is dry. In contrast, contrail growth will continue in background air that is supersaturated with respect to ice".

"Dopo una breve fase di crescita iniziale (circa un secondo), la scia evaporerà nel giro di decine di secondi se l'aria è secca. Invece, la crescita della scia continua con un background di aria supersatura rispetto al ghiaccio."

Ed anche in un lavoro di Gierens del 1996 [9]:

"If the environment is supersaturated with respect to ice, the ice particle forming a contrail can grow by diffusional accumulation of water vapour from the ambient air. Such a contrail can persist for a long time and spread out to cover a large area (several Kilometers in widht). On such a day the sky is often covered with very broad contrails that hardly can be distinguished from ordinary cirrus clouds"

"Se l'ambiente è supersaturo rispetto al ghiaccio, le particelle di ghiaccio che formano la scia possono crescere per accumulo diffusionale di vapore acqueo dall'ambiente. Una tale scia può persistere per un lungo periodo e espandersi fino a coprire una grande area (molti chilometri in spessore). In un siffatto giorno il cielo è spesso coperto da ampie scie che si possono distinguere a fatica dagli ordinari cirri".

Da quanto letto si deduce che una scia, può continuare a crescere e quindi ad espandersi se si trova in condizioni di sovrasaturazione su ghiaccio, raggiungendo anche notevoli dimensioni.

Il fenomeno dell'espansione veniva già descritto nel 1970 da Murcray WB [10] in un interessante articolo sulla possibilità di modificazioni climatiche da parte delle scie. L'autore riporta infatti di aver visto casi in cui una singola scia sembrava crescere fino a diventare una copertura che copriva l'intero cielo.

L'espansione delle scie è inoltre, secondo uno studio di immagini satellitari del 1986 di Carleton e Lamb [11] un fenomeno che accade frequentemente.

Una scia persistente espansa ed una scia non persistente, immortalate insieme nel cielo di Milano il 20 aprile 2008. Evidentemente dovevano esistere valori di umidità relativa molto diversi alle quote di volo dei due aerei.

Adesso spostiamoci sul sito della NASA e vediamo come viene trattato l'argomento della persistenza e dell'espansione. Notiamo subito una differenza rispetto a quanto sopra detto. Il sito della NASA riporta che le scie persistenti possono permanere da ore a giorni [12] differentemente dal reporto della Cornell che parlava solamente di ore:

"..persistent contrails can last for hours to days".

Vediamo adesso in dettaglio come la NASA descrive la persistenza. Anche in questo caso vengono descritti due tipi di persistenza [1].
Il primo tipo è la persistenza che si ha da quando il mix di umidità atmosferica e umidità dello scarico condensa a quando questo mix, che è diventato scia, raggiunge le condizioni di T e Hr ambiente in quel punto. Nel caso in cui le condizioni ambientali siano prossime alla saturazione su ghiaccio, la scia può permanere anche più a lungo (la scia ha cioè bisogno di un ulteriore tempo per sublimare). Questo primo tipo di persistenza dovrebbe essere il caso della persistenza sotto saturazione (con durata da qualche secondo a qualche minuto) descritto nel report del Cornell lab o da Schuman.
Il secondo tipo di persistenza descritto nel sito della NASA è la persistenza dovuta al fatto che le condizioni ambiente atmosferiche sono sopra saturazione su ghiaccio. La scia, una volta raggiunte le condizioni atmosferiche di equilibrio, secondo quanto riportato nel sito dell'Ente americano, non sublima ma persiste e può persino espandersi se l'umidità è sovrasatura.

Questa è la persistenza dovuta a umidità sopra saturazione su ghiaccio descritta anche dal report della Cornell, da Wendler e da Gierens.

Conclusioni

A questo punto, da quanto letto, possiamo trarre alcune conclusioni. La teoria scientifica di formazione delle scie di aereo prevede che:

i) La formazione delle scie avviene solamente con ben determinate condizioni atmosferiche, condizioni che si verificano a determinate quote e che non si verificano sempre. Alle nostre latitudini le scie si formano solitamente sopra gli 8000 metri.

ii) Le scie si possono formare anche in assenza di umidità atmosferica, e saranno di tipo non persistente.

iii) Ci sono due differenti tipi di persistenza. Per la persistenza del primo tipo, di breve durata, non è necessario che l'umidità relativa sia sopra la saturazione su ghiaccio. Per la persistenza del secondo tipo, di lunga durata, è invece necessario che la umidità relativa sia sopra saturazione su ghiaccio.
iv) In condizioni sotto saturazione su ghiaccio, possiamo osservare scie persistere da pochi secondi a minuti.
v) In condizioni di sovrasaturazione su ghiaccio, possiamo osservare persistenza di qualche ora (secondo il report della Cornell) e fino a giorni (secondo la NASA).
vi) La crescita delle scie è causata dalla presenza di condizioni sopra saturazione su ghiaccio.

Per fare un esempio conclusivo, in base a quanto detto, se registro umidità relativa bassa, sotto saturazione su ghiaccio, e il diagramma di Appleman prevede la formazione delle scie alle normali quote di volo, mi devo aspettare persistenza da qualche secondo fino a qualche minuto e non mi devo aspettare crescita della scie.

Per una trattazione esaustiva sulla formazione, persistenza ed espansione delle scie, suggerisco la lettura di questo articolo:

Formation, properties and climatic effects of contrails di Schuman, U. [7]

Referenze

[1] Contrail identification chart and formation guide

[2] Nasa Appleman

[3] Contrail Science

[4] Cornell Aeronautical Laboratory INC.of Cornell University, Buffalo 21, N.Y. Prediction of aircraft condensation trails Project contrails Final Report Report noVC-1055-P-S Contract No. Nonr-1857 (00) 31 October 1951.

[5] Wendler G. et al. Theor. Appl. Climatol. 81, 149–159 (2005)
[6] Gierens KM et al. Ann. Geophysicae 15, 1057±1066 (1997)
[7] Schumann U, C. R. Physique 6 (2005) 549–565

[8] Schroder F et al. J Atm Sci (1999) 57, 464-480.
[9] Gierens KM (1996) J Atm Sci 53 (22) 3333 3348
[10] Mucray W (1970) 745-748 MONTHLY WEATHER REVIEW Vol. 98, No. 10
[11] Carleton AM and Lamb PJ, Bull Am Met Soc 67, 301-309 (1986)
[12] Contrail education

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