Oblačni tragovi na nebu nastali iz produkata avionskih mlaznih motora nazivaju se engl. contrail(s), a na hrvatski su to tragovi kondenzacije. Zbog kratkoće dalje ćemo većim dijelom kroz tekst koristiti naziv contrail. Ova objava objašnjava osnovne fizičko-kemijske procese koji dovode do nastanka, raspadanja te trajnosti contraila.
Prva je polovica 2020. godine. Promatračima neba dulje vrijeme ono djeluje nekako “čudno” i to već dulji niz tjedana. Mnogi primjećuju – nebo je zapravo neuobičajeno čisto, nema tragova kondenzacije već tjednima, gotovo već 2-3 mjeseca! Naravno, covid-mjere su uvedene svuda u svijetu i sukladno sveopćoj situaciji, nitko ne putuje. Avioni manje-više stoje na tlu i contraila nema. Promjena je nevjerojatno uočljiva i naviknutima na često išarano nebo, ovakva nam situacija djeluje vrlo neprirodno. Uskoro se promet otvara i contraili se ponovo javljaju na nebu, s povećanjem prometa sve češće i gušće, dobro staro išarano nebo se je vratilo u normalu!
Šalu na stranu, contraili nisu baš poželjna, ali su manje više neizbježna pojava. Najprije, ukratko pojasnimo kemijski aspekt nastajanja contraila. Mlazni motor za pogonsko gorivo troši kerozin, koji ima više mogućih kemijskih formula, zavisno o vrsti, ali kao i svaki spoj ugljikovodika sastoji se od – atoma ugljika i vodika. Jedan primjer formule kerozina je C12H26, što znači da jedna molekula ovog kerozina sadrži 12 atoma ugljika i 26 atoma vodika. Izgaranje goriva je u svojoj srži buran kemijski proces oksidacije, odnosno, brzog reaktivnog spajanja gorive tvari (kerozina) s kisikom. Kisik pritom dolazi iz okolnog zraka u avionski motor gdje se miješa s kerozinom, tlači, zagrijava i pali. Poznajući kemijsku formulu kerozina, i budući da se kisik u nalazi u zraku kao O2 molekula, može se pisati, na osnovi temeljnih zakonitosti kemijskih reakcija:
Iz prikazanog slijedi da će 2 molekule kerozina u reakciji s 37 molekula kisika dati kao produkt 24 molekule ugljičnog dioksida i 26 molekula vode. Budući da od samo dvije molekule kerozina (i mnogo kisika) dobijamo čak 24 molekule CO2 i 26 molekula vode, proizlazi velik nesrazmjer proizvedenog ugljičnog dioksida, koji ima mnogo veću masu od mase utrošenog goriva. Također je bitno primijetiti da iz ispušnog sustava mlaznog motora aviona izlazi velika količina vode, u plinovitom stanju.
Da bi se avion mogao gibati u željenom smjeru, mlazni motor mora stvoriti veliku silu potiska (tj. veliki tlak na ispušnoj strani). Uslijed izgaranja goriva te kompresije zraka na ispušnoj strani, zrak koji izlazi velikom brzinom pod visokim tlakom ima – visoku temperaturu. Naime, što se zrak jače tlači to mu više raste temperatura. I obratno, kad ekspandira, temperatura pada. Ovo će kasnije biti vrlo bitno na nastanak contraila. Unatoč hlađenju motora koje je nužno zbog održavanja temperature dijelova na sigurnoj temperaturnoj razini, zrak koji izlazi je neusporedivo topliji (red veličine 1000°C) od zraka u kojem leti avion (red veličine -40°C).
Taj vrući zrak izlaskom u slobodnu atmosferu iznimno naglo ekspandira (širi se) dok se njegov tlak ne izjednači s tlakom okoline. To je adijabatski proces, što znači da će ekspanzija uz smanjenje tlaka nužno dovesti do iznimno naglog pada temperature. S obzirom da se u tom ispušnom produktu nalazi mnogo vode kako smo opisali iznad navedenom kemijskom reakcijom, zbog naglog hlađenja zraka dolazi do ukapljivanja (kondenzacije) vodene pare u tekuće stanje, neposredno iza samog motora (čim zrak uspije dovoljno ekspandirati da mu temperatura padne ispod njegove temperature rosišta). Vrlo skoro nakon toga nastupa i zaleđivanje u kristaliće leda, uslijed temperature koja pada daleko ispod 0°C (okolišna temperatura).
Međutim, sad je pitanje u kakvom se je okruženju našla takva kondenzirana/kristalizirana vodena para. Temperatura okoline je svakako vrlo niska na standardnoj visini leta, ali što je s drugim uvjetima – u prvom redu vodenom parom okoline, ili preciznije, relativnom vlažnošću? Postoje 2 generalna scenarija:
- Relativna vlažnost je niska
- Relativna vlažnost je visoka
U slučaju da je relativna vlažnost niska, uslijed silovitih turbulencija iza mlaznog motora, kondenzirana/kristalizirana vodena para brzo se rasprši u okolni zrak koji je daleko od stanja zasićenja vodenom parom. Stoga, kondenzirana voda ispari u nekoliko sekundi u plinovito stanje, te postaje nevidljiva. Ono što vidimo s tla je kratki, slabašni trag iza aviona koji se brzo rasplinjuje i nestaje.
U drugom slučaju, kad je relativna vlažnost velika, zrak se opet turbulencijom iza motora ponešto rasprši u okolicu ali sad, zato jer je zrak blizu zasićenja vodenom parom, kondenzirane kapljice ili kristalići leda ne mogu ispariti. Bar ne onako brzo kako se to događa u suhom zraku. S tla vidimo dugotrajni kondenzacijski trag, išaran turbulencijom mlaznog pogona koji se polako s vremenom širi uslijed prirodne turbulencije dok se potpuno ne disperzira ili ponekad, ne pretvori u cirusnu naoblaku. Ako je pritom turbulencija u zraku slaba, trag zadržava postojani oblik vrlo dugo.
Ovo je bio pojednostavljen prikaz nastajanja i trajnosti contraila. U zbilji, fizika i kemija ovih procesa su ponešto složenije, te u igru ulaze mnoge druge varijable. Počevši od preostalih ispušnih plinova (NOx, itd.), čađe i sličnih krutih čestica, i drugih detalja uvjeta u atmosferi. Izvrstan pregled problematike avionskih contraila i njihovog utjecaja na vrijeme i klimu, iz novije literature daju npr. Wilhelm (2022), Digby et al. (2021), Gettelman et al. (2021), Lee et al. (2021), Teoh et al. (2022) i drugi.
Zanimljivo je primijetiti kako se danas smatra da avionski tragovi i cirusna naoblaka koja proizlazi iz njih stvaraju veći učinak na zagrijavanje planete nego CO2 kojeg ispuštaju motori tih aviona. To je stoga jer jače blokiraju odlazno dugovalno zračenje sa Zemlje u Svemir nego što blokiraju dolazno kratkovalno zračenje, sa Sunca na Zemlju. Zapravo, smatra se kako su posebno oni dugotrajni tragovi te s njima povezana visoka naoblaka, najodgovorniji za zagrijavanje planete između svih čimbenika koji potječu iz zračnog prometa. Stoga bi reduciranje contraila bio vrlo poželjan inžinjerski zahvat u cilju umanjenja utjecaja zračnog prometa na klimu, ali nažalost uz zadržavanje kerozina kao pogonskog goriva, to kemijski gledano nije moguće jednostavno izvesti. Ipak, neki pionirski pokušaji u tom smjeru postoje, kao što je npr. upotreba tehnoloških rješenja kojima bi se osigurao suh ispuh iz mlaznih motora (vidi npr. ovdje), ali do masovne upotrebe nekog od rješenja na komercijalnim letovima će proći još mnogo vremena.
Iz T-e dijagrama na slici, vidljivo je da je za dugotrajno održavanje contraila nužno da budu osigurani specifični uvjeti u zraku, na visini leta zrakoplova. Riječ je o tamnoosjenčanom području, koje odgovara određenim kombinacijama količine vodene pare u zraku (y os) i temperature zraka (x os) – iznad opisan scenarij 2. Ako vodene pare ima manje od potrebnog, ulazi se u svjetloosjenčano područje, i tragovi iza aviona se rasplinjuju u vrlo kratkom vremenu (iznad opisan scenarij 1). Dodajmo i da je točno da su dugotrajni contraili predznak ciklonalnog vremena, jer se u pravilu pojavljuju onda kad se poveća vlažnost gornjih slojeva zraka, a to se u pravilu događa – rano pred ciklonu koja stiže sa zapada.
Relativna vlažnost po visinskim slojevima je često vrlo promjenjiva veličina, s obzirom na to da se slojevi zraka ne miješaju međusobno ako ne postoje vertikalna strujanja (dakle ne miješaju se kad je stabilna stratifikacija zraka). Pritom će contraili nastajati u sloju zraka koji je dovoljno vlažan, kao na primjeru na donjoj slici u crvenom bojom zaokruženom području dijagrama. Na toj visini je temperatura zraka (desna crna krivulja) po iznosu bliska temperaturi rosišta (lijeva crna krivulja), što znači da je relativna vlažnost sloja visoka. Iznad i ispod zrak je suh, te na tim visinama contraili neće nastati.
Ovakvi termodinamički dijagrami služe meteorolozima za evaluaciju stanja atmosfere po visini a dobijaju se radiosondiranjem s pojedinih meteoroloških postaja dva puta dnevno (00 i 12 UTC – kod nas Zadar-Zemunik i Zagreb-Maksimir).
Uz kratkotrajan prekid u doba covid-mjera, contraila na nebu ima iz godine u godinu sve više. Razlog tome je većinom u gotovo eksponencijalnom rastu broja letova koji se događa od 1990-tih godina na ovamo, kao što je vidljivo iz slike ispod. Primjerice sad na prijelazu 2023. u 2024. smo na razini od blizu 5 milijardi prevezenih putnika godišnje zrakom, globalno. 30 godina ranije to je bilo svega 1.2 milijarde (četvrtina današnjeg prometa), a prije 50 godina pola milijarde (desetina današnjeg prometa).
Treba se osvrnuti na još jedan bitan detalj povezan s povećanjem količine contraila u zraku u posljednjim dekadama, osim snažnog povećanja količine zračnog prometa. Naime, u odnosu na ranija razdoblja, moderni mlazni motori su mnogo efikasniji. Drugim riječima, izgaranje goriva je potpunije, a to dovodi do proizvodnje više vodene pare nego su proizvodili stariji avionski motori. Naime, kod starijih motora uslijed nepotpunog izgaranja goriva dolazi do značajne proizvodnje CO (ugljičnog monoksida) i čađe, na račun ugljičnog dioksida i vode. To je stoga jer kod nepotpunog izgaranja, velik broj atoma vodika iz molekula goriva se ne spaja s atomima kisika, što dovodi do značajno manje količine vodene pare u ispuhu. To je jedan od razloga zbog kojeg su stariji, manje učinkoviti tipovi mlaznih motora, rijetko bili u mogućnosti proizvoditi masivne contraile kakve vidimo danas u povoljnim atmosferskim uvjetima iza aviona s modernim motorima.
Drugi razlog je intenzivnijih contraila iza aviona u novije vrijeme je tzv. high-bypass ratio modernih mlaznih motora. “High-bypass” se odnosi na omjer zraka koji prolazi kroz veliki vanjski dio motora (bypass) u odnosu na zrak koji prolazi kroz unutarnji dio motora gdje se odvija sagorijevanje. Visoki bypass omjer znači da većina zraka prolazi izvan središnjeg dijela motora, što dovodi do veće učinkovitosti, manje buke i niže potrošnje goriva. Schumann (2000) pokazuje teorijski i eksperimentalno da će motor s većim bypass omjerom u graničnim uvjetima stvoriti contrail dok istovremeno motor s manjim omjerom neće, kako je vidljivo iz sljedeće slike:
Za više informacija o ovoj tematici, sugeriramo da pogledate brojnu literaturu, od kojih su samo neki noviji radovi popisani niže. Na kraju, ovaj tekst pruža osnovni pregled znanstvenih spoznaja o nastanku contraila i nema za cilj diskutirati problematiku modifikacije vremena ispuštanjem supstanci u atmosferu. Ta tema je na našem portalu kratko dotaknuta ovom objavom:
Reference:
Digby et al. (2021). An Observational Constraint on Aviation-Induced Cirrus From the COVID-19-Induced Flight Disruption. Geophysical Research Letters, 48.
Gettelman, A., Chen, C.-C., & Bardeen, C. G. (2021). The climate impact of COVID-19-induced contrail changes. Atmospheric Chemistry and Physics, 21/12, pp. 9405–9416.
Lee et al. (2021). The contribution of global aviation to anthropogenic climate forcing for 2000 to 2018. Atmospheric Environment 244.
Schumann, Ulrich. (2000). Influence of Propulsion Efficiency on Contrail Formation. Aerospace Science and Technology, 4. 391-402.
Teoh et al. (2022). Aviation contrail climate effects in the North Atlantic from 2016-2021. Atmospheric Chemistry and Physics, 22/16.
Wilhelm, L. (2021). Meteorological conditions for strongly warming contrails and the statistics of contrail’s instantaneous radiative forcing. Master’s thesis. University of Hohenheim.
