Смуги в небі від літака. Побачити невидиме… Інверсійний слід, ефект Прандтля-Глоєрта та інші цікавості

У дитинстві ми часто любили спостерігати, як літають літаки, особливо цікаво було бачити у синьому небі. білу дорогувід лайнера. Тоді ми не замислювалися, як називається слід від літака в небі, чому він залишає дорогу. У школі ми вивчали фізичні явища, які просто пояснювали цей «феномен», але зараз варто про них згадати, щоб чітко можна було пояснити хоча б своїй дитині, чому літак залишає слід у небі.

Слід від літака в небі

Маленькі діти навряд чи знають такий термін, як конденсація, хоча насправді ранньому віціми їм пояснюємо, чому йде дощ. Конденсацію можна пояснити на прикладах, показавши дзеркало у ванній або трубі, ще можна бачити як пітніють взимку вікна в машині.

Відбувається це тому, що гаряча пара переходить у рідкий стані осідає у вигляді конденсату. Взагалі, щоб він утворився потрібні три речі:

• вологе повітря;
• різниця температур;
• острівці конденсації, наприклад, порошинки у повітрі, вони скрізь є.

У ванній кімнаті, після гарячого душу, вологий гаряче повітрястикається з холодним дзеркалом, пара переходить у рідину (воду) і осідає на ньому, виходить конденсат.

Ранкова роса на тюльпанах

Проведемо експеримент

Конденсат можна зробити самому та швидко побачити, як відбувається це явище. Налийте воду в будь-яку ємність, наприклад, у пластмасову пляшку, і помістіть її в морозилку, хвилин на 10-20. Після цього дістаньте її та подивіться, як ємність покриється краплями води – це конденсат. Теплі пари повітря, присутні в кімнаті, стикаються з ємністю та переходять у рідину, яка стікає краплями нею.

У природі часто спостерігаємо краплі роси на траві. Тепер ми можемо пояснити дитині, звідки вона там взялася. Повітря вночі охолоджується, разом з ним і водяна пара, яка контактуючи з теплими об'єктами, що знаходяться на Землі (наприклад, з травою), переходить у воду.

Як утворюється слід від літака

Тепер подивимося, що відбувається, коли літак курсує на великій висоті. Раніше коли казали, що літак залишає білий слід, називали його конденсаційним за аналогією з фізичним явищем. Температура повітря в атмосфері знижується з висотою, на кожному кілометрі висоти вона нижча на 6 градусів.

Там, де курсують літаки, температура повітря може бути нижчою за -40 градусів за Цельсієм. З двигуна працюючого аеролайнера вилітають гарячі струмені газів і пари, який конденсується навколо частинок диму від палива, що не повністю спалюється. Утворюється щось у вигляді довгої хмари, яка згодом «розсмокчеться». Іноді його називають конденсаційний, а інверсійний слід від літака. Але у Вікіпедії стоїть позначка, що це застаріла назва. Та й краще користуватися терміном, який пов'язаний з фізичним явищем і тому стає таким, що «говорить».

Як сліди літака впливають на клімат планети

Повітря в атмосфері буває надто вологим, але волога не може конденсуватися через те, що немає ядер конденсації, наприклад, частинок пилу. Літак, пролітаючи високо, залишає за собою такі ядра конденсації, частинки неповного згоряння палива. Чим яскравіше видно слід від літака, тим більше вологість повітря і слід чекати дощів. Якщо слід слабкий і швидко зникає, то погода, швидше за все, буде ясною.

Конденсаційні сліди літаків на небі, помітні з супутника

Науковці вважають, що сліди від літаків можуть впливати на клімат планети. Над тими територіями, де часто курсують літаки, небо вкривається білими слідами. Так ось, думки вчених щодо впливу їх на клімат розходяться. Одні вважають, що хмари, що утворюються, перешкоджають охолодженню атмосфери і цим викликають потепління клімату. Інші вважають це явище позитивним, тому що сліди від літаків збільшують відбивну здатність атмосфери, захищаючи все живе на землі від занадто. сильного впливуультрафіолетових променів.

Клуб чомусь. Чому літак залишає слід?

Часто піднявши голову до неба ми бачимо на ньому білу смугувід літака. Слід, що він залишає за собою, називається конденсаційним. До речі, у нас часто називають його інверсійним слідомАле у Вікіпедії навпроти "інверсійного" стоїть позначка "застаріла назва". Тому я користуватимуся терміном "конденсаційний". До того ж, ця назва "говорить" - у самій цій назві закладено відповідь на питання про те, що це таке. (Запропонуйте дитині назвати ще приклади "назв, що говорять", наприклад, літак, самовар, трикутник. Якщо дитина знайома з латинським корінням, то можна згадати і телескоп, і мікрофон і т.п.).

Слід від літака називається "конденсаційним" тому, що він виникає внаслідок конденсації. Запитайте малюка, чи він знає, що таке "конденсація"? Навряд чи багато дітей дошкільного вікузможуть відповісти на це запитання. Тоді давайте запитаємо по-іншому: чи бачив малюк коли-небудь, як запотіють взимку шибки в машині? Чи подобається йому малювати на запотілому вікні пальцем кумедні пики? Чи бачив малюк як покривається крапельками дзеркало у ванній після того, як хтось приймав гарячий душ? Ось це явище є конденсація.

Так називають перехід пари в рідкий стан. Щоб воно сталося, потрібно три складові: вологе повітря, ядра конденсації (якісь порошинки в повітрі) і перепад температури. Наприклад, що відбувається у нас у ванній: вологе повітря - є, порошинки в повітрі - є, перепад температури при зіткненні теплого повітряз холодним склом дзеркала – є! Значить, буде і конденсат.

Давайте зробимо конденсат прямо зараз. Для цього треба лише налити воду в пляшку і покласти її в морозильник хвилин на 15-20. Коли вода охолоне, треба дістати її і потримати при кімнатній температурі. На поверхні пляшки відразу утворюються дрібні крапельки - конденсат. Якщо потримати пляшку в теплі довше, то краплі почнуть збільшуватись і стікати по стінках. Це пари води, що знаходяться в кімнатному повітріПри зіткненні з холодною пляшкою осідають на неї краплями.

Де ми можемо побачити конденсат? Правильно – це ж звичайна роса! Чи пам'ятає малюк, як він бачив маленькі крапельки на траві рано-вранці? Тепер він може пояснити, звідки вони взялися. Вологе повітря було? Ядра конденсації були? Перепад температури між холодним нічним повітрям та теплою поверхнею землі був? Ось водяна пара з повітря і перетворилася на крапельки води – і вийшла роса. Навіть є такий термін "точка роси". Він якраз і позначає ту температуру, нижче якої водяна пара перетворюється на краплі.

А тепер повернемось до літака. Коли літак летить, з його двигунів виривається струмені гарячої пари та газів від відпрацьованого палива. Потрапляючи в холодне повітря (а на тій висоті, на якій зазвичай літають літаки, температура близько -40 градусів, докладніше про це у випуску про те, як утворюються хмари), пара конденсується навколо частинок палива, що спалюється, і виходять дрібні крапельки, на кшталт туману, які та утворюють смугу на небі. Можна сказати, що виходить така собі рукотворна довга хмара. Згодом воно розсіється чи стане частиною перистих хмар.

Слідом літака можна прогнозувати погоду. Якщо слід довгий і тримається довго - значить вологе повітря і може піти дощ, якщо короткий і швидко розсіюється, то буде сухо і ясно. Ми з моєю донькою Катею вирішили вести щоденник спостережень та перевірити, наскільки такий прогноз може бути точним. Приєднуйтесь до нашого експерименту!

Моя Катя дуже любить під час прогулянки спостерігати польоти літаків. І завжди їй хочеться знати, куди та звідки вони летять. Добре, що в мережі є сервіс, який у реальному часі показує всі літаки, що знаходяться у польоті по всьому світу. Його адреса http://www.flightradar24.com. Адже так цікаво подивитися у вікно, побачити білу смужку конденсаційного сліду, і відразу ж визначити, що залишив його, наприклад, Airbus A330-322, що належить компанії I-Fly, і з Хургади, що летить з Москви.

 Відповідь:
Відповідь очевидна – з тієї ж причини, через яку при диханні на морозі з'являється туман або іній. У турбінах літака згоряє вуглеводневе паливо, а одним із продуктів горіння є вода, точніше – її пара, нагріта до високої температури. Гарячі водяні пари, вилітаючи з сопла турбіни, відразу починають конденсуватися, утворюючи ниткоподібну хмару, що складається з дрібних крапельок води або кристаликів льоду, оскільки температура на такій висоті нижче −40 °С. Іноді повітря на висоті буває перенасичене вологою, яка не може конденсуватися тільки через відсутність так званих ядер конденсації. найдрібніших частинокнаприклад пилу. У таких випадках літак, що пролітає, залишаючи за собою частинки сажі - продукт неповного згоряння палива, викликає конденсацію перенасиченої пари атмосфери. Тому за інтенсивністю білого сліду від літака, що летить, можна судити про вологість повітря в верхніх шарахтропосфери, а отже, і про майбутню погоду. Швидко зникаючий або ледь помітний слід говорить про те, що повітря на висоті сухе, а погода буде безхмарною. А якщо білий слід тягнеться через все небо, слід чекати погіршення погоди.
На фотографіях, зроблених із супутників, Земля в багатьох місцях накрита щільною білою сіткою слідів від літаків, що пролетіли (фото з сайту fiz.1september.ru).

Було показано, що в деяких випадках сліди від літака, що летить, перетворюються на хмари площею від 4000 до 40000 квадратних кілометрів, впливаючи на клімат. Тому, наприклад, припинення на три дні польотів над територією США після трагедії 11 вересня 2001 року різко збільшило прозорість атмосфери, і в результаті різниця між середньою денною та нічною температуроювиросла на 1 °С. Таким чином, білі сліди від літаків є одним із факторів глобального «затемнення» планети, що протидіє її глобальному потеплінню.

Красиві пухнасті смуги, які змушують довго дивитися вслід літаку, що пролітає, не тільки привертають погляди на землі, а й помітно впливають на клімат. Тому вчені з Європи, де влада всерйоз стурбована скороченням викидів парникових газів, пропонують все більш екзотичні рішення, що стосуються у тому числі авіації - одного з основних техногенних джерел забруднення атмосфери.

Інверсійний (конденсаційний) слід літака - не що інше, як частинки льоду, які конденсуються з водяної пари під час руху літака, що летить, як правило, на ешелоні, на висотах близько 10 км. Слід утворюється не завжди: для його формування літак

повинен влетіти в область з дуже низькою температурою та підвищеною вологістю, близькою до стану насичення.

Як правило, безпосередньою причиноювиникнення сліду є відпрацьовані гази реактивних двигунів. До їх складу входить водяна пара, вуглекислий газ, оксиди азоту, вуглеводні, кіптяву та сполуки сірки. З цього лише водяна пара та сірка відповідальні за появу інверсійного сліду. Сірка служить утворенню точок конденсації, причому сам інверсійний слід може формуватися як з водяної пари, що входить до складу відпрацьованих газів, так і з пари, що входить до складу пересиченої атмосфери.

Замислюватись про вплив штучних хмар на клімат вчені почали давно. Сьогодні відомо, що інверсійні хмари можуть сприяти як охолодженню, відбиваючи сонячне світлоназад у космос, так і працювати на глобальне потепління, утримуючи інфрачервоне випромінюванняЗемлі в атмосфері не даючи йому покинути планету.

Проте три роки тому вчені довели, що другий ефект, парниковий, набагато сильніший.

Залежно від умов атмосфери та швидкості вітру, інверсійний слід може залишатися в небі до 24 годин і мати довжину до 150 км. Вчені з Університету Редінга (Великобританія) вирішили з'ясувати, як змусити літаки літати безвісти, зберігши при цьому рентабельність перевезень.

«Може здатися, що літаку потрібно робити чималий гак, щоб уникнути інверсійного сліду. Але через кривизну Землі вам потрібно лише трохи збільшити відстань, щоб уникнути справді довгих слідів», — каже Емма Ірвін, автор дослідження, опублікованого в журналі Environmental Research Letters .

Їх розрахунки показали, що для невеликих близькомагістральних літаків відхилення від насичених вологою областей, навіть у 10 разів перевищує довжину інверсійного сліду, здатне зменшити негативний впливна клімат.

«Для великих літаків, які викидають більше Вуглекислий газна кілометр, має сенс відхилення втричі більше (ніж слід. - «Газета.Ru»)», - каже Ірвін. У своєму дослідженні вчені оцінили вплив на клімат, що надається лайнерами, що летять на тій самій висоті.

Наприклад, літаку, що летить з Лондона до Нью-Йорка, щоб уникнути утворення довгого сліду, достатньо відхилитися на два градуси,

що додасть його шляху 22 км, чи 0,4% всієї відстані.

В даний час вчені залучені до роботи над проектом, метою якого є оцінка можливості перекроювання існуючих трансатлантичних маршрутів з урахуванням впливу авіації на клімат. Реалізувати пропозиції кліматологів означає в майбутньому зіткнутися з проблемами економіки та безпеки авіаційних перевезень, визнають експерти. «Диспетчерські служби мають оцінити, чи є подібні перекроювання маршрутів рейс від рейсу здійсненними та безпечними, а синоптики – зрозуміти, чи здатні вони надійно прогнозувати, де і коли можуть утворитися інверсійні хмари», – вважає Ірвін.

Чому літак залишає слід?

Слід літака - так званий конденсаційний слід (інверсійний слід) - видимий слідіз сконденсованої водяної пари, що виникає в атмосфері за літальними апаратами, що рухаються, при певних станах атмосфери. Явище спостерігається найчастіше у верхніх шарах тропосфери, значно рідше – у тропопаузі та стратосфері. В окремих випадках може спостерігатись і на невеликих висотах.

Конденсаційні сліди відносяться до окремої групи хмар - техногенних або штучних хмар - Ci trac. (Cirrus tractus, cirrus – перистий, tractus – слід).

Свою назву слід отримав від процесу конденсації, що призводить до його появи. Конденсація відбувається тільки за таких умов, коли кількість водяної пари перевищує кількість, яка необхідна для насичення. Ці умови визначаються точкою роси - температурою, за якої водяна пара, що міститься в повітрі, досягає насичення при даній питомій вологості та постійному тиску. Ступінь насичення характеризується відносною вологістю. відсотковим ставленнямкількості водяної пари, що міститься в повітрі, до кількості, яка потрібна для насичення (при одній температурі). Крім цих умов, потрібна ще й наявність центрів конденсації. При температурі до −30... −40 °C водяна пара при конденсації переходить у рідку фазу, при температурі нижче −30... −40 °C водяна пара перетворюється відразу на крижані кристали, минаючи рідку фазу. Також важливу рольу формуванні сліду грає процес випаровування, що призводить до його зникнення.

Існують дві основні причини виникнення умов для конденсації та появи сліду: Перша – підвищення вологості повітря, коли до атмосферного водяного пари додається водяна пара, що міститься у відпрацьованих газах авіаційного двигуна в результаті згоряння палива. Це підвищує точку роси в обмеженому обсязі повітря (за двигунами). Якщо точка роси стає вище температури навколишнього повітря, то в міру остигання відпрацьованих газів надлишкова водяна пара конденсується. Кількість водяної пари, що викидається двигуном, залежить від її потужності та режиму роботи, тобто від витрати палива. Друга причина - зниження тиску і температури повітря над крилом і всередині вихорів, що виникають при обтіканні різних частинлітака. Найбільш інтенсивні вихори утворюються на законцівках крила та випущених закрилків, а також на кінцях лопат повітряних гвинтів. Якщо при цьому температура опускається нижче за точку роси — надлишок атмосферної водяної пари конденсується в області над крилом і всередині вихорів. Ступінь зниження тиску і температури залежать від таких параметрів, як маса літального апарату, коефіцієнт підйомної сили, величина індуктивного опору та ін Часто спостерігаються сліди, утворені в результаті комбінації цих двох причин. Утворенню конденсаційного сліду також сприяють центри конденсації у вигляді частинок палива, що не згоріло або не повністю згоріло (сажа). Поряд з конденсацією відбувається і зворотний процес - випаровування: частки сконденсованої водяної пари випаровуються, і слід з часом зникає. На швидкість випаровування впливають вологість навколишнього сліду повітря і агрегатний станчастинок сліду. Чим сухіше повітря, тим швидше відбувається випаровування. Навпаки — випаровування не відбувається у випадку, коли водяна пара перебуває у стані насичення. Сконденсована водяна пара при температурі повітря −30... −40 °C частково, а при температурі нижче −40 °C повністю перетворюється на кристали, випаровування крижаних кристалів відбувається значно повільніше, ніж крапель води.

Таким чином, можливість появи та час існування конденсаційного сліду, так само як і його вигляд, залежать від вологості та температури атмосферного повітря(за інших рівних умов). При низькій вологості та відносно високій температуріслід може бути зовсім, оскільки за таких умов водяна пара не досягає стану перенасичення. Чим вище вологість і нижче температура, тим більше водяної пари конденсується, тим повільніше відбувається випаровування, отже - слід насиченіший і довший. А при відносній вологості близької до 100% та низької температури — конденсується найбільша кількістьводяної пари, висока вологість перешкоджає випаровуванню частинок сліду, що й тягне утворення конденсаційних слідів, які можуть існувати досить довго, нерідко перетворюючись на перисті або перисто-купчасті хмари. Оскільки водяна пара в атмосфері розподілена нерівномірно, це є причиною такого ж «нерівномірного» сліду.

Конденсаційні сліди утворюються не тільки на великих висотах польоту (звідси й одна з помилкових назв — висотний слід). На льодовому аеродромі Полярної станції«Скотт Амундсен» (висота 2830 м над рівнем моря), при певних умов(температура повітря мінус 50 градусів і нижче), цей слід утворюється вже на зльоті або при посадці, причому за турбогвинтовими літаками (С-130 «Геркулес» зі складу «Снігового Крила» ВПС США), що робить непотрібною дискусію про ще одну невірну назву - "Реактивний слід".

Конденсаційні сліди досі є фактором, що демаструє для діяльності військової авіаціїТому ймовірність їх появи розраховується авіаційними метеорологами за відповідними методиками та екіпажами видаються рекомендації. Зміна висоти польоту у певних межах дозволяє уникнути чи повністю усунути небажаний вплив цього чинника.

Існує й антипод (протилежність) конденсаційному сліду — «зворотний», «негативний» (назви, що дуже рідко зустрічаються), слід, що утворюється при розсіюванні елементів хмарності (кристалів льоду) в межах супутнього сліду за певних умов. Нагадує «навернення кольору» у графічних редакторах комп'ютерних програм, коли блакитне небоє хмарою, а сам слід чистим блакитним простором. Виразно спостерігається при шаруватій або куповій хмарності незначної вертикальної потужності та відсутності інших (вищих для Спостерігача з Землі) шарів хмарності, що маскують блакитний фон верхніх шаріватмосфери. Спостерігається не рідше конденсаційних слідів, але, через згадану специфіку, рідше очікуємо і менш ілюстровано у виданнях про хмари та матеріали Любителів спостережень за цими явищами.

Конденсаційний слід не слід плутати із супутнім слідом. Супутній слід - це обурена область повітря, що завжди утворюється за рухомим. літальним апаратом. Проте, конденсаційний слід, взаємодіючи із супутнім слідом, рельєфно виявляє вихрову структуру обуреного повітря.

За заявами кліматологів, конденсаційні сліди впливають на клімат, зменшуючи температуру за рахунок того, що вироджуються в перисті хмари, тим самим збільшуючи альбедо Землі.