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Aviazione e Volo

La fisica delle scie di condensa: perché gli aerei le lasciano

Come si formano le scie di condensa degli aerei: soglia dei −40 °C, fuliggine, regioni sovrasature, forzante dei cirri e cosa cambiano rotte e carburanti.

Cielo limpido solcato da lunghe scie bianche di condensa lasciate dagli aerei ad alta quota sopra una rotta trafficata

Con umidità relativa rispetto al ghiaccio di almeno il 100 % una scia di condensa è persistente.

Le scie di condensa possono formarsi quando l'aria è abbastanza umida e fredda, sotto i −40 °C.[1] Diventano persistenti se l'umidità relativa rispetto al ghiaccio raggiunge almeno il 100 %,[2] e quelle nate in regioni sovrasature rispetto al ghiaccio possono restare in cielo per molte ore.[3] Nel 2018 i cirri che ne derivano sono stati il termine positivo più grande del forzante netto dell'aviazione, davanti a CO2 e ossidi di azoto.[4]
Soglia di formazione
−40 °C
Formazione possibile in aria umida e fredda, sotto −40 °C[1]
Durata osservata dei cirri
19 h
Cirri da scia nati in ISSR, durate osservate fino a 19 ore[22]
Forzante dei cirri da scia
57,4 mW m⁻²
Contributo al forzante netto dell'aviazione nel 2018[28]

In questo articolo

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Il criterio di Schmidt-Appleman in breve

Il criterio di Schmidt-Appleman descrive le condizioni di formazione delle scie come un processo di termodinamica atmosferica, che un rapporto tecnico della NASA considera relativamente ben compreso.[5] Il fondamento termodinamico fu descritto per la prima volta da Schmidt nel 1940, mentre il criterio di soglia porta il nome di Appleman.[6] Per la temperatura massima alla quale le scie possono formarsi esiste una formula, che uno studio del DLR attribuisce a Schumann (1996).[7]
Le scie si formano in genere in aria umida, con umidità relativa rispetto all'acqua superiore al 50 %.[8] Più si sale, meno vapore serve nell'aria ambiente.[9] Il limite è la tropopausa.[9]
Il calcolo tiene conto anche del motore: la conversione di parte del calore di combustione in energia cinetica nella scia alza la temperatura soglia di formazione rispetto al caso senza conversione.[10] Sulla quota di crociera c'è un articolo dedicato: perché gli aerei volano a 11000 metri.

Motore, fuliggine e cristalli di ghiaccio

Un chilogrammo di cherosene bruciato produce circa 1,24 kg di vapore acqueo.[11] I cristalli di ghiaccio di una scia si formano quando le condizioni nel getto di scarico permettono a questo vapore di condensare sulle particelle emesse dal motore.[12]
In una simulazione, le particelle di ghiaccio si formano soprattutto per condensazione dell'acqua sulla fuliggine emessa,[13] e le proprietà iniziali di queste emissioni sono il fattore più critico.[14] Nella nucleazione eterogenea il congelamento avviene a una sovrasaturazione più bassa grazie alle particelle emesse dal motore, fuliggine o nuclei di condensazione, scrive un rapporto NASA.[15]
Con i livelli attuali di fuliggine nel carburante, il numero di cristalli cala in proporzione alla fuliggine emessa, fino a un fattore di circa 100.[16] Conta anche l'efficienza: per i velivoli moderni lo studio del DLR assume un'efficienza propulsiva complessiva di 0,35,[17] e il rapporto NASA indica che la temperatura critica sale di circa 1,4 K per ogni 10 % di incremento di questa efficienza, con la possibilità di formare scie a quote più basse.[18]
Con idrogeno liquido le scie comparirebbero a temperature ambiente di circa 10 K più alte che con il cherosene; con il metano liquido, di circa 4,5 K.[19] Per un altro caso di grandi aerei e motori c'è l'articolo su perché Boeing ha smesso di produrre il 747.

Regioni sovrasature: perché alcune scie durano ore

Le regioni sovrasature rispetto al ghiaccio (ISSR) sono una caratteristica immateriale: in generale non si muovono con il vento.[20] Una scia non sublima subito quando l'umidità relativa rispetto al ghiaccio è sotto il 100 %, perché la velocità di sublimazione dei cristalli dipende dall'umidità di fondo.[21]
Col tempo le scie nate in ISSR possono persistere, allargarsi, mescolarsi ai cirri naturali e trasformarsi in cirri da scia, con durate osservate fino a 19 ore.[22] Sulla velocità di espansione e sulla copertura pesano in prevalenza il vento orizzontale e lo shear del vento.[23] Le scie sottili e di breve durata sono le più numerose, mentre quelle lunghe e di grande spessore ottico sono più rare.[24]
I sondaggi satellitari con scarsa risoluzione verticale, specie nell'alta troposfera, non riescono a rilevare gli strati sovrasaturi sottili.[25] Un limite di misura, non di fisica.

24 %

dei voli nel 2019 ha formato scie persistenti, pari al 5 % della distanza annua percorsa.[26]

Quanto scaldano: il forzante dei cirri da scia

Per il 2018 il forzante radiativo effettivo (ERF) netto dell'aviazione è di +100,9 mW m⁻²,[27] con contributi maggiori da cirri da scia (57,4 mW m⁻²), CO2 (34,3) e ossidi di azoto (17,5).[28] I termini non-CO2 coprono oltre la metà del totale, il 66 %.[29]
Il rapporto medio ERF/RF dei cirri da scia è 0,42, un valore che indica un'efficacia minore nel riscaldare la superficie rispetto ad altri termini.[30]
La stima di Teoh e colleghi per il 2019 fissa il forzante netto medio globale dei cirri da scia a 62,1 mW m⁻², il 44 % in meno della stima di 111 mW m⁻² (intervallo 33–189) per il 2018.[31] Quest'ultima deriva dall'estrapolazione della stima del 2006 con la crescita della distanza annua volata.[32] Nel 2020 e nel 2021 il valore è sceso a 27,3 e 31,7 mW m⁻² per effetto del COVID-19.[33]
Di notte le scie scaldano, perché non c'è luce solare da riflettere.[34] Per l'IPCC AR6 il loro contributo al riscaldamento medio globale della superficie ha una stima centrale di 0,02 °C, con il 90 % di probabilità di restare tra 0,01 e 0,05 °C.[35] Altri approfondimenti sul volo commerciale stanno nella sezione aviazione e volo.

Evitare le scie: pochi voli, molto forzante

Una minoranza di voli causa gran parte del forzante radiativo delle scie.[36] Nel Nord Atlantico, tra il 2016 e il 2020, circa il 12 % dei voli ha prodotto l'80 % dell'energia di forzante annua delle scie;[37] uno studio precedente sullo spazio aereo giapponese attribuiva l'80 % al 2 % dei voli.[38]
Secondo EASA, prevedere quale volo appartenga a quella minoranza resta difficile.[39] Le ISSR, invece, possono essere previste da 6 a 18 ore prima, con l'80 % di quelle osservate previste correttamente in uno studio su voli nordatlantici ed europei.[40]
In una simulazione sullo spazio aereo giapponese basata su sei settimane di dati, deviare il 15,3 % dei voli per evitare le scie di lunga durata a effetto riscaldante, lasciando passare quelle raffreddanti, riduce il forzante energetico delle scie del 105 % con un costo complessivo di carburante dello 0,70 %.[41] Deviare tutti i voli darebbe invece un risultato subottimale, perché la maggior parte delle scie ha vita breve e alcune hanno un effetto raffreddante.[42] Una tesi del MIT del 2023 indica che con il solo re-routing verticale si può evitare quasi il 100 % della lunghezza delle scie.[43]
Per un caso diverso di aviazione e clima c'è l'articolo sull'aeroporto in Groenlandia con la pista sul permafrost.

Carburanti sostenibili: i dati di un solo volo

Le misure con il 100 % di HEFA-SPK, confrontate con il Jet A-1, danno due risultati:
  • La mediana delle particelle di ghiaccio per massa di carburante bruciato cala del 56 %.[44]
  • La mediana della fuliggine emessa (nvPM) scende del 35 %.[45]
Le simulazioni con modelli climatici, applicate alla flotta del 2018 con il 100 % di carburante sostenibile, stimano in modo prudente un calo del 26 % del forzante radiativo delle scie.[46] Il dato di misura viene però da un solo volo: quello del 16 aprile 2021 ha prodotto dati sulle scie in condizioni di sovrasaturazione rispetto al ghiaccio, ma in un intervallo ristretto di condizioni ambientali e del motore.[47]
Scarico carburante aereo fuel dumping emergenza: nebbia di cherosene che esce dall'estremità alare di un jet quadrimotore al tramonto

Da leggere · Aviazione e Volo

Fuel dumping: perché gli aerei scaricano carburante in volo

Uno studio di simulazione del 2010 sulla formazione dei cristalli di ghiaccio nel getto dei motori colloca le scie tra le componenti più incerte dell'impatto climatico dell'aviazione.[48] Per il 2018, i termini non-CO2 contribuiscono circa 8 volte più della CO2 all'incertezza del forzante netto.[49]

Domande frequenti

Scie di condensa degli aerei: come si formano?
Quando le condizioni nel getto di scarico lo permettono, il vapore acqueo emesso dal motore condensa sulle particelle emesse dal velivolo, in prevalenza fuliggine.[12][13]

A che temperatura si formano le scie di condensa?
La formazione è possibile sotto i −40 °C, in aria abbastanza umida e fredda.[1] A quote più alte serve meno vapore nell'aria, sempre sotto la tropopausa.[9]

Perché alcune scie durano ore e altre no?
Le scie sono persistenti con umidità relativa rispetto al ghiaccio di almeno il 100 %,[2] e quelle formate in regioni sovrasature possono restare in cielo per molte ore.[3]

Il carburante sostenibile riduce le scie di condensa?
Con il 100 % di HEFA-SPK la mediana delle particelle di ghiaccio per massa di carburante cala del 56 %,[44] ma il dato di misura deriva da un solo volo.[47]

Le scie di condensa sono chemtrail?
Non ci sono prove che le presunte chemtrail differiscano dalle normali scie di condensa ad acqua lasciate dagli aerei in quota.[50] Secondo un sondaggio del 2016 citato da Wikipedia, su 77 scienziati dell'atmosfera 76 (98,7 %) hanno dichiarato di non aver incontrato prove di un programma di spruzzamento.[51]

Fonti

51 riferimenti Mostra
  1. Hofer e Gierens, Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «Contrail formation is possible once the ambient air is sufficiently moist and cold (below −40 °C).»

  2. Hofer e Gierens, Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «Contrails are persistent when the ambient relative humidity with respect to ice is at least 100 %.»

  3. Hofer e Gierens, Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «Contrails can last for many hours in the sky if they form in ice supersaturated regions (ISSRs).»

  4. Lee et al., stima dell'ERF dell'aviazione nel 2018 (White Rose) (si apre in una nuova scheda)

    «Contrail cirrus, consisting of linear contrails and the cirrus cloudiness arising from them, yields the largest positive net (warming) ERF term followed by CO2 and NOx emissions.»

  5. NASA Technical Memorandum sulle scie di condensa (si apre in una nuova scheda)

    «Aircraft contrail formation conditions have been relatively well understood, which is an atmospheric thermodynamics process based on the Schmidt-Appleman criterion»

  6. Schumann, Meteorologische Zeitschrift (si apre in una nuova scheda)

    «The thermodynamical foundation of the Appleman threshold criterion for contrail formation has been first described by Schmidt in 1940.»

  7. DLR, Contrail formation and persistence conditions for alternative fuels (si apre in una nuova scheda)

    «provided a formula for the maximum temperature, Tmax, at which contrails can form»

  8. NASA Technical Memorandum sulle scie di condensa (si apre in una nuova scheda)

    «Contrails are formed in humid ambient air, typically with relative humidity with respect to water greater than 50%.»

  9. NASA Technical Memorandum sulle scie di condensa (si apre in una nuova scheda)

    «Contrail formation requires less water vapor in the ambient air at higher altitudes (but below the tropopause)»

  10. Schumann, Meteorologische Zeitschrift (si apre in una nuova scheda)

    «the conversion of part of the combustion heat into kinetic energy of the motions in the wake of the aircraft causing higher threshold temperatures for contrail formation than without this conversion»

  11. DLR, Contrail formation and persistence conditions for alternative fuels (si apre in una nuova scheda)

    «burning one kg of kerosene yields 1.24 kg of water vapour»

  12. EASA, nota tecnica sugli effetti non-CO2 dell'aviazione (si apre in una nuova scheda)

    «Contrail ice crystals form when conditions in the exhaust plume allow water vapour to condense onto particles emitted by the aircraft engine»

  13. Atmospheric Chemistry and Physics, simulazione della formazione dei cristalli (si apre in una nuova scheda)

    «Our simulation results suggest that ice particles are mainly formed by water condensation on emitted soot particles.»

  14. Atmospheric Chemistry and Physics, simulazione della formazione dei cristalli (si apre in una nuova scheda)

    «The initial properties of soot emissions play the most critical role»

  15. NASA Technical Memorandum sulle scie di condensa (si apre in una nuova scheda)

    «freezing at a lower supersaturation value due to the addition of engine-emitted cloud forming particles (soot) or cloud condensation nuclei»

  16. DLR, Contrail formation and persistence conditions for alternative fuels (si apre in una nuova scheda)

    «With current soot levels in the fuel, the number of ice crystals is reduced in proportion to the reduction of the soot number emission, up to a reduction factor of about 100.»

  17. DLR, Contrail formation and persistence conditions for alternative fuels (si apre in una nuova scheda)

    «we assume η = 0.35, which corresponds to the over-all propulsion efficiency of modern aircraft»

  18. NASA Technical Memorandum sulle scie di condensa (si apre in una nuova scheda)

    «the critical temperature increases by a rate about 1.4 Kevin per 10% increment in 𝜂 enabling the potential to form contrails at lower altitudes»

  19. Schumann, Meteorologische Zeitschrift (si apre in una nuova scheda)

    «If the aircraft would burn liquid hydrogen (liquid methane) instead of kerosene fuel, contrails would appear at typically 10 K (4.5 K) higher ambient temperatures»

  20. Hofer e Gierens, Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «Ice supersaturation is an immaterial feature, which does not generally move with the wind.»

  21. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «contrails do not sublimate immediately when the RHi is less than 100 %, as the ice crystal sublimation rate depends on the background RHi»

  22. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «Over time, contrails formed in ice supersaturated regions (ISSRs) can persist, spread, and mix with natural cirrus and transition into contrail cirrus clusters with observed lifetimes of up to 19 h (Haywood et al., 2009).»

  23. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «The contrail spreading rate and coverage area is predominantly determined by horizontal wind components, wind shear, and ice»

  24. EASA, nota tecnica sugli effetti non-CO2 dell'aviazione (si apre in una nuova scheda)

    «thin, short-lived contrails are produced in the largest numbers, with long-lived contrails and contrails with large optical depth being rarer»

  25. Atmospheric Chemistry and Physics, sovrasaturazione rispetto al ghiaccio da satellite (si apre in una nuova scheda)

    «They suffer from coarse vertical resolution, especially in the upper troposphere and therefore are unable to detect shallow ice supersaturated layers.»

  26. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «of which 24 % of flights and 5 % of the annual distance flown formed persistent contrails»

  27. Lee et al., stima dell'ERF dell'aviazione nel 2018 (White Rose) (si apre in una nuova scheda)

    «For 2018 the net aviation ERF is +100.9 mW (mW) m−2»

  28. Lee et al., stima dell'ERF dell'aviazione nel 2018 (White Rose) (si apre in una nuova scheda)

    «with major contributions from contrail cirrus (57.4 mW m−2), CO2 (34.3 mW m−2), and NOx (17.5 mW m−2)»

  29. Lee et al., stima dell'ERF dell'aviazione nel 2018 (White Rose) (si apre in una nuova scheda)

    «Non-CO2 terms sum to yield a net positive (warming) ERF that accounts for more than half (66%) of the aviation net ERF in 2018.»

  30. Lee et al., stima dell'ERF dell'aviazione nel 2018 (White Rose) (si apre in una nuova scheda)

    «The mean contrail cirrus ERF/RF ratio of 0.42 indicates that contrail cirrus is less effective in surface warming than other terms.»

  31. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «Our 2019 global annual mean contrail net RF (62.1 mW m−2) is 44 % lower than current best estimates for 2018 (111 [33, 189] mW m−2, 95 % confidence interval).»

  32. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «Lee et al. (2021) compiled results from these studies and used the growth in annual flight distance flown to extrapolate the 2006 global annual mean contrail net RF to 2018»

  33. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (si apre in una nuova scheda)

    «COVID-19 caused significant reductions in the global annual mean contrail cirrus net RF in 2020 (27.3 mW m−2) and 2021 (31.7 mW m−2) when compared to 2019 (62.1 mW m−2).»

  34. EASA, nota tecnica sugli effetti non-CO2 dell'aviazione (si apre in una nuova scheda)

    «Contrails are warming during the night, since there is no sunlight to reflect.»

  35. EASA, nota tecnica sugli effetti non-CO2 dell'aviazione (si apre in una nuova scheda)

    «the contrail cirrus contribution to warming of global average surface temperature has a 90% chance of being between 0.01 to 0.05°C, with a best estimate of 0.02°C»

  36. EASA, nota tecnica sugli effetti non-CO2 dell'aviazione (si apre in una nuova scheda)

    «A large fraction of total contrail radiative forcing is caused by a minority of flights.»

  37. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (Nord Atlantico) (si apre in una nuova scheda)

    «On average (from 2016 to 2020), around 12 % of all flights in this region accounted for 80 % of the annual EFcontrail»

  38. Teoh et al., Atmospheric Chemistry and Physics (Nord Atlantico) (si apre in una nuova scheda)

    «An earlier study focusing on the Japanese airspace (Teoh et al., 2020b) found that 2 % of all flights are responsible for 80 % of the contrail energy forcing»

  39. EASA, nota tecnica sugli effetti non-CO2 dell'aviazione (si apre in una nuova scheda)

    «It remains difficult to predict which flight belongs to the minority that exerts the strongest climate effect.»

  40. EASA, nota tecnica sugli effetti non-CO2 dell'aviazione (si apre in una nuova scheda)

    «A recent study suggests that ice supersaturated regions can be forecast 6 to 18 hours in advance with 80% of observed ISSRs being correctly forecast for a selection of North Atlantic and European flights»

  41. Teoh et al., Aerospace (DLR), simulazione sullo spazio aereo giapponese (si apre in una nuova scheda)

    «reroutes 15.3% of flights to avoid long-lived warming contrails, while allowing for cooling contrails, reduces the contrail energy forcing (EF_contrail) by 105% [91.8, 125%] with a total fuel penalty of 0.70% [0.66, 0.73%]»

  42. Teoh et al., Aerospace (DLR), simulazione sullo spazio aereo giapponese (si apre in una nuova scheda)

    «these strategies produce a suboptimal outcome because most contrails have a short lifetime, and some have a cooling effect»

  43. MIT DSpace, tesi sul re-routing verticale (si apre in una nuova scheda)

    «nearly 100% of contrail length can be avoided using vertical re-routing exclusively»

  44. Atmospheric Chemistry and Physics, misure con HEFA-SPK (si apre in una nuova scheda)

    «Figure 2a shows a reduction in the median AEI for 100 % HEFA-SPK compared to Jet A-1 of 56 %.»

  45. Atmospheric Chemistry and Physics, misure con HEFA-SPK (si apre in una nuova scheda)

    «the median nvPM EIs are reduced by 35 %»

  46. Atmospheric Chemistry and Physics, misure con HEFA-SPK (si apre in una nuova scheda)

    «Global climate model simulations for the 2018 fleet conservatively estimate a 26 % decrease in contrail radiative forcing»

  47. Atmospheric Chemistry and Physics, misure con HEFA-SPK (si apre in una nuova scheda)

    «the flight on 16 April 2021 stands out as having produced contrail data under ice-supersaturated conditions in a narrow range of atmospheric ambient and engine conditions»

  48. Atmospheric Chemistry and Physics, simulazione della formazione dei cristalli (si apre in una nuova scheda)

    «are the most uncertain components of the aviation impacts on climate change»

  49. Lee et al., stima dell'ERF dell'aviazione nel 2018 (White Rose) (si apre in una nuova scheda)

    «non-CO2 forcing terms contribute about 8 times more than CO2 to the uncertainty in the aviation net ERF in 2018.»

  50. Wikipedia, Chemtrail conspiracy theory (si apre in una nuova scheda)

    «There is no evidence that purported chemtrails differ from normal water-based contrails routinely left by high-flying aircraft under certain atmospheric conditions.»

  51. Wikipedia, Chemtrail conspiracy theory (riporta Shearer et al., 2016) (si apre in una nuova scheda)

    «A 2016 survey of 77 atmospheric scientists concluded that "76 out of 77 (98.7%) of scientists that took part in this study said they had not encountered evidence»