Scie di condensazione “Contrail” part.4-Nis

Tipi di nubi

La classificazione delle nubi, affidata all’Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM o WMO) suddivide le nubi in dieci generi a loro volta suddivisi in specie e varietà. Le nubi vengono classificate a seconda dell’intervallo di quota (nubi alte, nubi basse, nubi medie) alla quale si formano e a seconda del loro aspetto (cirri, cumuli, strati, nembi):

– cirri, cirrocumuli, cirrostrati (nubi alte, 6-13 Km)
– altocumuli, altostrati (nubi medie, 3-6 Km)
– strati, nembostrati (nubi basse, 0-2 Km)
– cumuli, stracumuli, cumulonembi (nubi a sviluppo verticale)

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I nembi hanno una base grigia scura sono le nubi portatrici di pioggia.

Le nubi stratiformi possono avere estensioni notevoli. Si formano quando il vapore acqueo si condensa in condizione di correnti ascendenti deboli.

Le nubi cumuliformi assumono forme a grumi isolati o a gruppi. Si formano quando il vapore si condensa in corrispondenza di masse d’aria che salgono velocemente.

I cirri sono nuvole bianche con aspetto fibroso che si formano a quote alte (sopra i 5 km). Di solito preannunciano l’arrivo di un fronte caldo accompagnato da precipitazioni spesso persistenti. Sono permeabili luce solare e all’imbrunire diventano di colore rossiccio. Se sono permeabili alla luce solare significa che sono costituiti interamente da cristalli di ghiaccio e questo può avvenire solo ed esclusivamente a temperature inferiori a -40 °C.

I motori degli aerei

I motori utilizzati negli aeroplani sono i motori jet o motori a getto. I componenti principali di un motore a getto sono: presa d’aria, compressore, albero, combustore o camera di combustione, turbina, postbruciatore (se presente), ugello di scarico, ugello supersonico (se presente).

Il principio di funzionamento è semplice: una massa costituita da aria e dai prodotti della combustione, viene accelerata lungo la direzione voluta del moto; tale accelerazione, secondo le leggi di azione e reazione, genera una  spinta di uguale intensità ma contraria nel verso. Un classico esempoio di tale fenomeno è quello del palloncino gonfio d’aria che viene bucato: esso comincia a muoversi nel verso opposto al foro praticato.

L’aria viene poi aspirata frontalmente, penetra all’interno del motore e subisce una fase di compressione, dopodichè entra nelle camere di combustione (dove si miscela con il combustibile) e subisce un incremento della temperatura (raggiunge circa i 1000 °C). La massa di gas combusti si espande parziamente in una turbina trasferendo ad essa l’energia necessaria al funzionamento del compressore assiale calettato sullo stesso albero della turbina; la portata di massa, infine, viene espulsa attraverso l’ugello generando così la spinta che è la causa del moto dell’aereo. La temperatura di uscita dei gas di scarico dal motore è di circa 500 °C.

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Con questo processo si verificano due fenomeni contrastanti per la formazione di una scia di condensazione: da una parte si immette nell’atmosfera vapore e nuclei di condensazione e dall’altra si immette calore, quindi si riscalda l’aria circostante.

La formazione delle scie di condensazione

Le “exhaust contrails” sono le scie generate dalla condensazione del vapore acqueo contenuto nei gas di scarico dei motori degli aeromobili. In un’atmosfera estremamente fredda, la formazione delle scie di condensazione viene favorita dall’immissione di una notevole quantità di vapore acqueo e di nuclei solidi di condensazione prodotti dalla combustione dei motori. Se l’atmosfera circostante è lontana dal punto di saturazione le scie appena formate si miscelano in breve tempo con l’ambiente secco circostante e si verifica così l’evaporazione della scia. Possono, invece, essere più persistenti se l’aria nella quale si formano è estremamente fredda e prossima alla saturazione, quindi con un alto valore di umidità relativa. Non si possono avere scie persistenti se si è lontani dal punto di saturazione.

La condizione critica per il formarsi delle scie di condensazione, quindi, è l’alta umidità e la bassa temperatura, entrambe legate alla quota di volo.

I vincoli da soddisfare per avere una scia di condensazione persistente sono:
– umidità relativa superiore al 70%
– temperatura inferiore al -40 °C
Tali fattori sono soddisfatti soltanto a quote maggiori di 8 Km.

La formazione e la persistenza delle scie di condensazione possono essere valutate anche in relazione ad un altro parametro: la pressione.

I primi ad studiare le contrails in relazione a tutti questi parametri sono stati gli scienziati americani negli anni della seconda guerra mondiale, in quanto a causa delle tracce di vapore lasciate nel cielo dai propri aerei era facile essere intercettati e localizzati dai nemici.

Analizzando una situazione in cui dei gas combusti caldi a contatto con una temperatura esterna e determinata umidità relativa e pressione, si è cercato di valutare il valore di temperatura di soglia alla quale con certezza i velivoli non rilasciavano scie. Ricavata tale temperatura si è ricavato il diagramma di Appleman, per molti anni utilizzato dall’US Air Force Global Weather Center.

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In relazione ai diversi valori di temperatura, umidità e pressione, il diagramma di Appleman indica tre zone distinte:

–  Alway contrails: zona nella quale si possono formare le scie di condensazione  NON persistenti
– No contrails: zona nella quale le scie di condensazione non si possono formare
– Maybe contrails: zona nella la formazione di scie di condensazione è forse probabile.

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La zona compresa tra la linea tratteggiata rossa e quelle a fianco (RH = 60%) indica la zona nella quale si possono verificare le scie di condensazione persistenti.

In conclusione, si può affermare che una scia di condensazione può verificarsi soltanto in ristrette condizioni atmosferiche e non può permanere nel cielo per lunghi periodi di tempo poiché, rispettando delle leggi della fisica ben definite, è soggetta al fenomeno dell’evaporazione. Per la precisione, i cristalli di ghiaccio subiscono un processo di sublimazione trasformandosi direttamente in vapore acqueo senza passare attraverso lo stato liquido e diventando molecole gassose invisibili. Di conseguenza, non potendo rimanere sospesa nell’aria a lungo, tende ad evaporare poco dopo (nel giro di 30-50 secondi) il passaggio dell’aeromobile che l’ha generata. Pertanto, una scia di condensazione non può essere molto lunga e soprattutto non può essere molto larga.

Si è visto che la formazione di una contrail persistente è sì possibile, ma soltanto in condizioni ulteriormente restrittive. Una scia di condensazione persistente è una scia che dura al massimo un paio di minuti, una scia non persistente dura circa 30-50 secondi. In ogni caso, una scia di condensazione, che sia persistente o meno, non può raggiungere una lunghezza elevata e non dispone tempo necessario per espandersi nell’aria. Inoltre, proprio perché è soggetta ad una veloce dissolvenza, non può dare origine a cirri o nubi. Nonostante il suo aspetto sia simile all’aspetto bianco e fibroso dei cirri, una scia di condensazione non può essere considerata una nube. Essa non è altro che una breve striscia di vapore acqueo che segnala il passaggio di un aereo.

Ricapitolando, i motori a getto immettono nell’atmosfera i gas combusti contenenti del vapore acqueo, il quale, trasformandosi in cristalli di ghiaccio, da luogo alle scie di condensazione. Queste, proprio perché sono costituite da cristalli di ghiaccio, hanno l’aspetto bianco fibroso tipico delle nubi alte (cirri, cirrocumuli e cirrostrati). Dal momento che la trasformazione diretta dal vapore acqueo a ghiaccio può avvenire soltanto a temperature al di sotto dei -40 °C e quindi a quote superiori agli 8000 m, le scie di condensazione si possono formare soltanto in presenza di questi valori.

La loro “vita” è strettamente legata al grado di saturazione dell’atmosfera circostante, pertanto non possono sopravvivere in un ambiente con bassa umidità relativa. La loro persistenza è fisicamente possibile solo in presenza di temperature al di sotto dei – 40°C con livelli di umidità relativa prossimi al livello di saturazione.

E’ proprio per questo motivo che le condizioni necessarie alla formazione e alla persistenza di una scia di condensazione sono molto restrittive (temperatura inferiore a – 40 °C; umidità relativa superiore al 70%; quota superiore a 8000 m) e che la probabilità che si verifichino ogni giorno e ad ogni ora è molto bassa.

Questo è il punto di partenza per capire che cosa sono quelle scie bianche nel cielo: se non sono scie di condensazione… che cosa sono?

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Fonti: http://www.sciechimiche.org/scie_chimiche/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=97
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