lunedì 17 novembre 2008

Le scie "resistenti"

Domenica 8 novembre è stata una giornata estremamente interessante per quel che riguarda l'osservazione di scie di aereo nel cielo di Milano. Il cielo azzurro e pulito e l'assenza di nuvole hanno permesso infatti una ottimale osservazione delle scie. Particolari scie persistenti, espanse e "resistenti" sono state osservate.
In questo, ahimè, lungo e complesso post (non si poteva fare altrimenti) descrivo, analizzo e discuto questa giornata di scie.

1. La giornata.

La mia osservazione delle scie è iniziata verso le 11:20 dell'8 novembre 2008. A quell'ora ho potuto osservare proprio sopra la mia casa una croce di scie persistenti ed espanse che ha ovviamente catturato la mia attenzione.

La croce di scie espanse.



Particolare dell'incrocio di scie.


Come ormai ben sappiamo, le scie persistenti ed espanse (ricordo ancora una volta che le scie di condensazione di aereo sono fatte di ghiaccio) si formano solo con ben determinati valori di umidità relativa in quota. In particolare, una scia persiste e si espande solo se la umidità relativa atmosferica eguaglia o eccede la saturazione su ghiaccio. Trovandosi in queste condizioni particolari di umidità, il ghiaccio che forma la scia non sublima (non passa cioè a vapore) e, anzi, ulteriore ghiaccio si deposita sulla scia (la umidità atmosferica sovrasatura condensa sulla scia aumentandone il budget di ghiaccio). La scia persiste e continua ad espandersi fino a che l'umidità relativa si mantiene sopra saturazione su ghiaccio o fino a quando la scia "precipita" in una zona sottosatura.
Le scie persistenti osservate erano circa 3, 4 ed erano presenti ammassate.

Due foto dell'ammasso di scie espanse.



Dopo aver osservato questo ammasso di scie persistenti, davvero spettacolare per forma e dimensione, ho osservato solamente scie di tipo non persistente, scie cioè che sublimano nel giro di secondi o al massimo minuti. Particolarmente interessante il fatto che mentre osservavo il passaggio degli aerei con scie non persistenti, le scie persistenti espanse ed enormi viste prima erano ancora ben presenti in cielo, ma non se ne formavano di nuove.
Davvero spettacolare il contrasto che si veniva a formare quando un aereo con scia non persistente volava su uno sfondo dato da una delle scie espanse.
Vediamo alcuni esempi.

Aereo con scia non persistente e sullo sfondo una scia espansa. Immagine processata.


Nano-scia e scia gigante.

Spettacolare il confronto tra la nano-scia e la enorme giga-scia espansa.
Ho raccolto in un filmato, pubblicato nel precedente post, alcune riprese video di aerei con scia effettuate l'8 novembre. Gli aerei con scia non persistente volano su uno sfondo costituito dalle scione espanse.

Interessante poi sottolineare che l'ammasso di scie espanse visto alle 11:20 è stato visibile sino alle ore 13:06.

L'ammasso di scie espanse alle 13:06. Si distinguono ancora le scie originarie.

La persistenza di queste scie è stata quindi di almeno di una ora e 40 minuti. Questo è un dato importante. Dalla letteratura scientifica, sappiamo infatti che una scia per permanere a lungo, non solo ha bisogno di umidità sopra saturazione ghiaccio, ma ha bisogno che la umidità ecceda la saturazione in modo significativo. Il lavoro di Wender e coll. del 2005 [1], in particolare, prevede che per le scie con persistenza di più di un'ora sia necessaria una umidità relativa intorno all'80% a temperatura di circa -55°C (si vedano i valori esatti nel lavoro di Wendler).
Infine, alle 13, ora dei radiosondaggi, oltre all'ammasso di scie sono state visibili numerose scie di tipo non persistente ed un solo frammento di scia persistente, con persistenza di almeno 20 minuti. Per il resto il cielo era fondamentalmente pulito.

2. Analisi dei dati atmosferici

Vediamo ora l'analisi di Appleman della giornata e l'analisi dei valori di umidità. Per una spiegazione dei prossimi grafici si veda un precedente post che spiega dettagliatamente la materia.

Diagramma di Appleman relativo alle misurazioni atmosferiche di Milano Linate delle ore 12Z.

Dal grafico si evince che potevamo aspettarci scie su Milano a partire dai 9160 metri in su (riga verde sul grafico), non ce le aspettiamo dai 7770 metri in giù mentre abbiamo una incertezza per le quote comprese tra 8600 e 8900 metri.
Vediamo poi il grafico di umidità relativa/temperatura.

Grafico umidità relativa/temperatura relativo alle misurazioni di Milano Linate delle 12z (pallini rossi). E' indicata la umidità relativa necessaria alle varie temperature per avere persistenza (pallini verdi).

Dal grafico si evince che a due quote, 8633 e 9516 metri, abbiamo valori di umidità prossimi alla saturazione. Tuttavia, a 8633 metri il criterio di Appleman è al limite (le condizioni per la formazione delle scie non sono nette), mentre a 9516 è soddisfatto.

3. Discussione dei dati presentati

La situazione osservata l'8 novembre può essere così riassunta:

1) Alle 11:20 ho osservato scie espanse. Queste scie si sono formate in una atmosfera dove erano ovviamente presenti le condizioni per la i) formazione e per la ii) persistenza delle scie.
2) Queste scie hanno persistito a lungo, necessitando quindi di alti valori di umidità relativa, ma nel contempo non si sono formate nuove scie persistenti.
3) Alle 12Z, ora dei radiosondaggi, le scie espanse erano ancora visibili. I dati della sonda mostrano che avevamo a quell'ora umidità di poco sotto la saturazione su ghiaccio (non agli alti valori richiesti per la lunga persistenza). Alle 12Z si sono viste scie non persistenti ed un solo frammento di scia persistente.
Bene. Si tratta di una situazione che mi ha sicuramente sorpreso. Mi ha sorpreso aver visto solamente 3-4 scie espanse delle 11:20. Me ne sarei aspettato molte di più. Poiché le scie espanse hanno resistito più di un ora senza sublimare, vuol dire che per più di un ora è stato presente uno strato di umidità sovrasatura. Ma perché non ho visto altre scie espanse allora?
Come sempre, prima di parlare di anomalie aspettiamo e cerchiamo per prima cosa delle spiegazioni "normali" al fenomeno che ci stupisce.
Se quanto abbiamo visto è tutto normale, la teoria delle scie di condensazione deve essere in grado di spiegarlo.
Proviamo quindi a fornire delle spiegazioni "normali" di quanto visto. Ne fornisco alcune. Il discorso è un tantino complesso (solo apparentemente) ma non può essere altrimenti. Se le scie chimiche davvero esistono, esse saranno del tutto simili alle scie normali, ed eventuali differenze tra scie chimiche e scie di condensa saranno molto sottili e necessiteranno analisi particolarmente complesse.

Possibili spiegazioni "normali" di quanto visto dalle 11:20 alle 13:00, intervallo di tempo per il quale non conosciamo i valori di umidità in quota.
1) Dopo la formazione delle scione espanse, la temperatura in loco si è alzata in modo che non esistessero più le condizioni per la formazione delle scie. E' stato un cambiamento rapidissimo, appena dopo la formazione! La umidità relativa si è ovviamente abbassata ma non tantissimo, poiché le scie continuavano a persistere. In conclusione nella atmosfera dove si sono formate le scie non ci sarebbero più state le condizioni per la formazione di nuove scie, ma sarebbero rimaste le condizioni perché le vecchie scie continuassero a persistere :-/
2) Nella zona dove si sono formate le scione sarebbero cambiate rapidissimamente le condizioni e di temperatura e di umidità e non si sarebbero più potute formare più scie. Tuttavia Le scione espanse sarebbero "precipitate" in un'altra zona atmosferica a più bassa quota nella quale l'umidità era sempre sopra saturazione ma dove la temperatura non permetteva la formazione di nuove scie. :-/
3) Le scie persistenti osservate si sarebbero formate in un ambiente sovrasaturo che si sarebbe rapidamente esaurito. Per questo non si sarebbero formate più altre scie persistenti. Tuttavia, poiché le scione erano presenti in banchi (in ammassi) esse avrebbero resistito anche senza saturazione. Questo ad esempio accade per i cirri e quindi potrebbe accadere anche per le scie.
4) Nella zona sovrasatura dove si sono formate le scione non sarebbero transitati più aerei. Una casualità. :-/

Possibili spiegazioni "normali" di quanto visto all'ora dei radiosondaggi.
1) Alle 12Z abbiamo visto tante scie non persistenti, un solo frammento di scia persistente e le scione espanse delle 11. Il cielo era fondamentalmente pulito. La sonda ha misurato due valori di umidità di poco sotto satuarazione. Avendo visto solo un frammento di scia espansa, e tante scie non persistenti credo che la sonda abbia misurato bene e non abbia sottostimato. Tuttavia le scione espanse, resistentissime, continuavano ad esistere. Ancora, la spiegazione migliore è che le scie in banchi riuscirebbero a persistere anche sotto saturazione.
2) Le scione espanse potrebbero essere ricadute a 8mila metri circa dove si hanno condizioni prossime alla saturazione. Se in questo caso la sonda avesse sottostimato, e se il criterio di Appleman non fosse soddisfatto per quella quota (siamo al limite), le scie avrebbero potuto persistere e non si sarebbero formate nuove scie persistenti.
3) Ovviamente ci sarebbe anche la possibilità che le scie espanse potrebbero essere finite in una zona sovrasatura molto lontana dalla sonda e quindi in una zona non misurata.

Le spiegazioni come visto esistono, anche se mi sembrano un pochino macchinose.
Proviamo allora a fornire una spiegazione che si basa sulle scie chimiche. Le scie delle 11:20 non sarebbero normali scie di condensazione. Tale spiegazione è ovviamente una ipotesi.

Spiegazione "anomala".
L'ammasso di scie espanse non sarebbero formato da scie di condensazione ma da scie di natura diversa dalle scie di condensazione. Il fatto di non vedere altre scie persistenti e di non avere valori di umidità relativa sopra saturazione mostrerebbe che le scione espanse non erano qualcosa di naturale.

Bene. Quale è la spiegazione migliore al fenomeno?
A istinto direi che la spiegazione "anomala" è più semplice, diretta, immediata e fa quadrare tutto. Le spiegazioni "normali" mi sembrano complesse e macchinose. Tuttavia sappiamo bene che la scienza non si basa sulle impressioni ma sulle prove e sui dati.
La cosa migliore da fare al momento sarebbe chiedere il parere ad un esperto di contrails.
In ogni caso, per parlare di anomalie sarebbe necessario poter escludere tutte le spiegazioni "normali". Ma le spiegazioni "normali" esistono, e anche se farraginose, non possono essere al momento escluse, e per cui non possiamo parlare di anomalie.
Spero si possa aprire una discussione critica su questi dati con i lettori del blog per conoscere la opinione di più persone su quanto visto l'8 novembre.

Conclusioni

Le scie osservate domenica 8 novembre 08 sono normali scie di condensazione espanse o sono scione chimiche?
Al momento non lo so. Tuttavia, anche se un po' a fatica, la teoria delle scie di condensa riesce a spiegare il fenomeno. Non potendo al momento quindi escludere le spiegazioni "normali" del fenomeno, per il momento e fino a prova contraria identifico le scie osservate come scie di condensazione.
Se un esperto di contrails escluderà che le scie osservate possano essere spiegate dalla teoria delle scie di condensazione, demolendo le mie spiegazioni "normali", potremo parlare di scie chimiche.
Concluderei questo articolo così come si è conclusa la giornata dell'8 novembre. Con questo cielo. Ovviamente haarpizzato ;-))

8 Novembre, tramonto.


Referenza

[1] G. Wendler, M. Shulski, and B. Hartmann. Potential climatic effects of cirrus contrails for the subarctic setting of Fairbanks, Alaska. Theor. Appl. Climatol. 81, 149–159 (2005).

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7 commenti:

altotas ha detto...

Ciao Massimo i miei complimenti !

Il tuo post davvero puntuale e dettagliato offre molti spunti di riflessione scientifica.

Non so se può essere un effetto di qualche elaborazione fotografica da te eseguita, ma ti volevo chiedere, potevi percepire anche visivamente la sfumatura lievemente giallastra delle scione espanse ?

Ho potuto notare una certa correlazione fra scie particolarmente "resistenti" come tu le hai giustamente definite e una sfumatura cromatica tendente al giallo sporco delle scie stesse.

Sempre in gamba fratello !

Carmine

cieliazzurri ha detto...

Ciao Carmine, grazie :)
La situazione descritta mi è parsa molto interessante poichè si fa fatica a spiegarla sulla base della teoria delle contrails.

Le foto delle scione non sono processate, a parte la quinta (indicato nella didascalia).
Al momento non ho notato qui a Milano una correlazione tra persistenza delle scie e colorazione.

Ciao :)

Massimo

altotas ha detto...

Ciao Massimo,
anch'io ho condotto delle osservazioni nella giornata di oggi che mi lasciano perplesso.
Ti segnalo il link ad un mio piccolo elaborato:
http://www.luogocomune.net/site/modules/newbb/makepdf.php?type=post&pageid=0&scale=0.66&post_id=130091

Ah, magari ti sottopongo anche quest'altro piccolo post in cui puoi vedere uno spettacolare gioco di scie ;;))
http://www.luogocomune.net/site/modules/newbb/makepdf.php?type=post&pageid=0&scale=0.66&post_id=130076

Salutoni.

scie-nziato ha detto...

Come sempre analisi interessanti, non ho avuto tempo di approfondire e non appena lo farò se troverò cose interessanti da dire lo farò senz'altro.

Straker ha comprato un telemetro e ha fatto un video in cui un aereo con scia viene rilevato a circa 1300mt, cosa ne pensi?

ciao

cieliazzurri ha detto...

Ciao Carmine, molto bella la foto delle scie circolari :|

Per quanto riguarda l'altra questione, una possibile spiegazione "normale" è che pur esistendo valori alti di umidità, non esistevano le condizioni per la formazione di contrails (Appleman non verificato) a causa delle temperature non sufficientemente basse, una spiegazione analoga a quella che ho proposto per il caso di Milano, per la non formazione di nuove scie persistenti pur essendo presenti scione persistenti formatesi precedentemente.

Ciao

Massimo

cieliazzurri ha detto...

Ciao Scie-nziato, grazie.

Se hai tempo, mi interesserebbe conoscere il tuo parere sulla situazione descritta nell'articolo.

Per quanto riguarda la tua domanda, non conosco la questione.

Per quanto riguarda le quote degli aerei con scia, come ormai sai, da quando effettuo le mie verifiche, non ho trovato evidenze di aerei a bassa quota (2-4mila metri) che emettano scie come gli aerei che volano a 10-11mila metri.
L'immagine che segue mostra eloquentemente cosa sia un aereo a bassa quota senza scia (sinistra), e cosa sia un aereo ad alta quota con scia (destra). Le foto dei due velivoli sono state scattate alla medesima distanza focale.

immagine

altotas ha detto...

Ciao Massimo,
ogni volta mi dai spunti di riflessione.
Tu scrivi:
“Per quanto riguarda l'altra questione, una possibile spiegazione "normale" è che pur esistendo valori alti di umidità, non esistevano le condizioni per la formazione di contrails (Appleman non verificato) a causa delle temperature non sufficientemente basse”

Mi sono andato a rileggere il dottor Patrick Minnis e credo di aver compreso qualcosa che può gettare luce sulla questione.
Andiamo a leggere e tradurre il dottor Minnis:
“For cirrus processes, the relative
humidity with respect to ice (Rhi) is the relevant quantity.
It exceeds Rh for a given specific humidity at T < 0°C. For T < 39°C, Rh > 100% typically corresponds
to Rhi > 150%. Although cirrus clouds form naturally
through heterogeneous or homogeneous nucleation at
low temperatures when the ambient Rhi is around
140%–160% (Sassen and Dodd 1989), or less when the
air contains many nucleation aerosols (Stro¨m et al.
2003), they will persist as long as Rhi exceeds 100%.
Contrails can form and develop into cirrus clouds when
T < 39 °C and Rhi > 100% because, in many instances,
aircraft exhaust temporarily raises the local Rh above
100% as it mixes with the ambient air causing nucleation
of liquid droplets that freeze instantly. Therefore, contrails
can add to the natural cirrus coverage when T < 39°C and Rhi > 100% and no natural cirrus cloud
is already present. If Rhi < 100%, contrails can
form but will not persist.”

Non sono bravo in inglese, ma cercherò di tradurre il significato di quanto ho compreso dalla lettura. Si accettano bastonate.

“Per la formazione dei cirri il dato piu rilevante è la quantità di umidita relativa rispetto al ghiaccio. Per temperature inferiori allo zero l'umidita relativa al ghiaccio sarà sempre maggiore rispetto all'umidità relativa all'acqua. Per temperature inferiori a - 39 gradi un umidità relativa all'acqua maggiore del 100% corrisponde tipicamente ad un' umidita relativa al ghiaccio maggiore del 150%. Sebbene i cirri, attraverso nucleazione omogenea o eterogenea, si formino, quando le temperature sono basse, per valori di umidita relativa al ghiaccio del 140-160%, meno se sono presenti nuclei igroscopici, ciononostante la loro persistenza si ha per umidita relative al ghiaccio molto minori, appena eccedenti il 100%.
Le contrails possono formarsi e trasformarsi in cirri quando la temperatura è inferiore a -39 gradi e l'umidita relativa al ghiaccio eccede di poco il 100%, questo perchè ....(traduzione non importante).
Indi le contrails possono per se stesse determinare una copertura nuvolosa quando la temperatura è inferiore a -39 gradi e l'umidita relativa al ghiaccio appena superiore al 100%, essendo contemporaneamente assente una copertura nuvolosa naturale (cirri).
Se l'umidita relativa al ghiaccio è inferiore al 100%, le contrails si formano o possono formarsi ma non possono persistere.”


Secondo l'ipotesi di Massimo, io dovrei aver avuto alle tipiche quote di volo una temperatura maggiore di -39°C, non compatibile con la formazione di contrails, ma possibilmente compatibile con la formazione e la persistenza del cirrostrato in presenza di elevati valori di umidita relativa.

La domanda è questa.

Quante probabilità abbiamo che un cirrostrato si formi e persista per temperature maggiori di -39°C alla luce dello scritto di minnis ?

Da quanto posso arguire, la probabilità che un cirro si formi per temperature maggiori di -39°C si fa sempre più irrisoria quanto più ci allontaniamo dai -39 gradi stessi, a meno di ipotizzare corrispondenti umidita relative che addirittura sovrasaturino all'acqua, evento che non mi è ancora mai capitato in mesi e mesi di osservazioni di radiosondaggi.

Infatti per temp < -39°C i cirri si formano per HR > 100% ( i famosi 140-160% di HRi).
Quali valori di HRi e relativi valori di HR per la formazione dei cirri mi immagino per temperature ad esempio di
-35 °C ?

Rimane pur sempre la variabile dei particolati igroscopici,
questo sì ! Ma in ogni caso, secondo una stima alla buona, anche in presenza di nuclei, io credo dovremmo aspettarci sempre di trovare dei valori di HR prossimi al 100%, considerando che per temperature maggiori di -39 le sonde funzionano molto bene !

E' verosimile tutto questo ?

Un' ipotesi a mio avviso più plausibile è che il cirro si trovasse sopra le quote di volo.


A sfavore di questa ipotesi va però detto che di solito questi banchi di umidità coinvolgono delle fasce di quote notevoli ed è improbabile di solito trovare umidita alta a 13 km essendo bassa a 10-11 km. Però non posso escludere che ciò accadeva proprio all'ora in cui ho scattato le foto. Anche se mi sembra francamente molto molto improbabile, considerando che già alle ore 7.30 il satellite ci mostrava un cirrostrato che aveva già ampiamente superato la mia zona verso est.

L'altra ipotesi è che il cirro si trovasse sotto le normali quote di volo.
Questa ipotesi non è però compatibile con i banali concetti di meteorologia che vedono di solito sollevarsi l'umidita in quota, quindi scendere a piu basse quote. Dobbiamo pensare che se vi fossero state condizioni per la formazione del cirro a quote piu basse rispetto alle quote di volo, a maggior ragione lo sarebbero state alle quote di volo.

Basta infatti confrontare i valori di hr a mezzanotte a milano (il cirro era appena arrivato ed avevamo alta hr solo a quote elevate, peraltro alle tipiche quote di volo) con i valori di hr a mezzogiorno a milano (elevati valori di hr da quota zero a quota 10.500 ........Massimo, ti ricordi se pioveva quel giorno a milano ?).

A questo proposito mi permetto anche un osservazione personale, in risposta ad un meteorologo che osservava come fosse ridicolo cercare di manipolare l'umidita in quota, visto che la gran parte dell'umido si trova a basse quote.
Ho potuto infatti osservare (ma mi occorrono altre e piu approfondite osservazioni di conferma) che le precipitazioni più significative si hanno quando oltre agli elevati valori di umidita a bassa quota, si hanno altrettanti elevati valori di umidita ad alte quote. Avevo infatti letto che in realta sono proprio i cristalli di ghiaccio, precipitando in basso e facendo aggregare le goccioline d'acqua, a determinare le precipitazioni piovose.
Ma ripeto, mi occorrono altre osservazioni a riguardo.

Mi scuso per la lungaggine e vi saluto !

Carmine