✓ проверено экспертом
Посмотрите в небо: один самолёт оставляет длинную белую полосу, которая постепенно расползается и становится похожей на облако. Другой проходит неподалёку — и его след исчезает за несколько секунд. Иногда линия даже начинается и обрывается посреди чистого неба. Чтобы понять эту разницу, нужно проследить судьбу воды шаг за шагом: от невидимых молекул в горячем выхлопе до капель, кристаллов льда и снова невидимого пара.
Когда мы говорим «пар», легко представить белое облачко над чайником. Но настоящий водяной пар увидеть нельзя: это отдельные молекулы воды, летающие среди молекул воздуха. Белыми мы видим уже множество очень маленьких капель или кристаллов, которые рассеивают свет. По этой же причине видны туман и облака. Значит, белая полоса за самолётом появляется не просто потому, что двигатель выбросил воду: невидимые молекулы должны сначала собраться в гораздо более крупные частицы.
Авиационный керосин состоит главным образом из соединений углерода и водорода. При горении образуются углекислый газ и вода, поэтому из двигателя выходит горячий газ, содержащий много водяного пара. Самолёт при этом летит в верхней тропосфере, где температура часто лежит в районе −40…−60 °C. Горячий выхлоп втягивает окружающий холодный воздух, быстро перемешивается с ним и за очень короткое время охлаждается.
Это ключевой момент. Молекулы воды непрерывно движутся. Если есть капля, часть молекул с её поверхности улетает в газ, а часть молекул из газа сталкивается с каплей и остаётся в ней. При высокой температуре молекулы движутся энергичнее, поэтому воде легче существовать в виде пара. При охлаждении их средняя энергия уменьшается, и обратный переход — из газа в жидкость — становится более вероятным.
Представим закрытую банку с небольшим количеством воды. Над её поверхностью всегда есть невидимый пар. Если банку нагреть, молекулы чаще покидают жидкость и пара становится больше. Если охладить, всё больше молекул возвращается в воду. При каждой температуре устанавливается своё равновесие. Поэтому одно и то же количество водяного пара может спокойно существовать в тёплом газе, но после сильного охлаждения оказаться «лишним»: молекулам выгоднее объединяться в капли.
Эту фразу иногда понимают так, будто воздух — губка с определённой вместимостью. Это не совсем так. Речь идёт не о свободном месте между молекулами воздуха, а о равновесии самой воды. При насыщении молекулы покидают поверхность воды или льда примерно с той же скоростью, с какой возвращаются. Если водяного пара больше равновесного количества, возникает перенасыщение, и образование капель или рост кристаллов становится предпочтительнее.
За самолётом происходит именно это. Горячий выхлоп приносит дополнительный водяной пар. Когда он резко смешивается с очень холодным воздухом, температура падает быстрее, чем успевает уменьшиться количество молекул воды. На короткое время смесь становится сильно перенасыщенной. Молекулы начинают собираться на мельчайших частицах выхлопа и атмосферного аэрозоля. Возникают микроскопические капли — и до этого невидимая вода становится заметной.
У земли туман обычно состоит из жидких капель. На высоте полёта пассажирского самолёта намного холоднее. Сначала могут возникнуть очень маленькие переохлаждённые капли — вода в них ещё остаётся жидкой при температуре ниже 0 °C. Но при условиях, типичных для образования контрейла, они быстро замерзают. Поэтому сформировавшийся след состоит главным образом из огромного числа мельчайших кристаллов льда. Удобно запомнить цепочку: невидимый водяной пар → охлаждение → микрокапли → ледяные кристаллы.
После образования кристаллов начинается другой процесс. Даже лёд непрерывно обменивается молекулами воды с окружающим воздухом: одни молекулы уходят с его поверхности, другие присоединяются обратно. Если воздух сухой, возвращающихся молекул мало. Тогда кристалл постепенно уменьшается и превращается прямо в водяной пар, минуя жидкое состояние. Такой переход называется сублимацией. Когда кристаллы становятся слишком маленькими и исчезают, белая полоса перестаёт быть видимой.
Во влажном воздухе ситуация иная. Если молекул водяного пара вокруг достаточно, они возвращаются на поверхность льда примерно так же быстро, как уходят. А при перенасыщении относительно льда кристаллы могут даже расти. Поэтому вода из двигателя нужна прежде всего для рождения следа, но долгую жизнь полосы может поддерживать уже влага самой атмосферы. Узкий контрейл тогда сохраняется десятки минут или часы, а ветер и турбулентность растягивают его в широкую полосу, похожую на перистое облако.
С земли два самолёта могут казаться летящими почти по одной траектории, но несколько сотен метров по высоте уже имеют значение. Атмосфера неоднородна: рядом существуют более сухие и более влажные слои. Один самолёт проходит через сухой участок — ледяные кристаллы быстро сублимируют. Другой оказывается в холодном влажном слое — и след сохраняется. По той же причине белая линия одного самолёта иногда бывает прерывистой: двигатель работает непрерывно, но самолёт по очереди пересекает участки с разной влажностью.
Очень низкая температура важна, но сама по себе не гарантирует длинного следа. Для рождения контрейла выхлоп при смешивании должен пройти через состояние, в котором воды слишком много для такой низкой температуры. А чтобы след жил долго, окружающий воздух должен быть достаточно влажным относительно льда. В точных расчётах метеорологи используют критерий Шмидта—Эпплмана, учитывающий температуру, давление, влажность и характеристики двигателя. Но качественное правило проще: сначала холод и дополнительная вода создают ледяное облако, затем влажность окружающей атмосферы решает, исчезнет оно или сохранится.
Самая понятная аналогия — дыхание зимой. Выдыхаемый воздух тёплый и влажный. Смешиваясь с морозным воздухом, он охлаждается, часть невидимого водяного пара собирается в маленькие капли, и появляется белое облачко. Затем оно смешивается с более сухим воздухом, капли испаряются — и облачко исчезает. У самолёта начало похоже, но на высоте гораздо холоднее, поэтому вместо обычного водяного тумана быстро образуется облако ледяных кристаллов.
Ещё нагляднее чайник. Прямо у носика часто есть почти прозрачный промежуток: там выходит горячий невидимый водяной пар. Чуть дальше он смешивается с более холодным воздухом, появляются микрокапли — и струя становится белой. Ещё дальше капли испаряются. Этот пример хорошо показывает главное: видимой воду делает не газообразный пар сам по себе, а переход молекул в капли или кристаллы достаточно большого размера, чтобы рассеивать свет.
Конденсационный след — не просто «дым из двигателя», а небольшое ледяное облако, которое рождается при смешивании горячего влажного выхлопа с очень холодным воздухом. Короткий след означает, что кристаллы возникли, но окружающая атмосфера оказалась слишком сухой и лёд быстро сублимировал. Долгий след показывает, что самолёт прошёл через холодный и достаточно влажный слой, где кристаллы могут сохраняться или расти.
За одной белой чертой скрывается целая последовательность процессов: горение создаёт воду, смешивание охлаждает выхлоп, перенасыщение заставляет молекулы собираться в капли, низкая температура превращает капли в лёд, влажность определяет рост или исчезновение кристаллов, а ветер меняет форму полосы. Самолёт лишь запускает эту цепочку — дальше её развитие определяет сама атмосфера.
Дополнение редакции. Этот уровень написан по двум предыдущим и эксперт (В.А. Гордин) его не проверял. Проверенный текст — во вкладках «Кратко» и «Как это работает».
Кто и как это вычислил. Белые полосы за самолётами заметили ещё в Первую мировую, а формулу, когда они появляются, вывели дважды и независимо: Эрнст Шмидт в Германии в 1941 году и Герберт Эпплман в США в 1953-м. Их критерий отвечает на вопрос из второго уровня — «одного холода недостаточно» — числом: след образуется, если смесь выхлопа с воздухом хоть на миг пересекает насыщение по воде. Порог зависит от температуры и влажности воздуха, от давления и от того, сколько воды и тепла даёт килограмм топлива:
$$G=\frac{p\,c_p\,\mathrm{EI}_{\mathrm{H_2O}}}{\varepsilon\,Q\,(1-\eta)}$$
модель
Иначе говоря, наклон линии смешения $G$ в координатах «давление пара — температура» задан отношением воды к теплу в выхлопе; чем экономичнее двигатель (выше КПД $\eta$), тем меньше тепла уходит в струю при той же воде — и тем при более тёплом воздухе появится след. Современные самолёты оставляют следы чаще старых именно из-за высокого КПД. Для типичной высоты 11 км порог лежит около −40 °C: теплее — следа нет при любой влажности.
Сколько это стоит климату. Следы, которые не рассеялись, а расплылись в перистые облака, задерживают уходящее от Земли тепло. По сводке 2021 года их вклад в нагрев планеты — около 57 мВт/м², больше, чем от всего углекислого газа, накопленного авиацией за век, — 34 мВт/м². Но неопределённость первого числа ±70 %: перистые облака одновременно и отражают солнце, и греют, и баланс зависит от времени суток и широты1.
О чём спорят. Можно ли уменьшить вред, обходя пересыщенные слои, — обсуждается остро. Расчёты показывают, что несколько процентов рейсов дают большую часть долгоживущих следов, и небольшое изменение высоты убрало бы их. Но прогноз пересыщения ото льда ненадёжен, а обход стоит топлива, то есть углекислого газа; где точка равновесия, единого ответа нет1.
Открытый вопрос. Сажа из двигателя служит ядрами для капель, а значит, и для льда. Двигатели на «чистом» топливе дают меньше сажи — и, по первым измерениям, меньше и более крупных кристаллов в следе, который быстрее оседает. Насколько это уменьшит нагрев в масштабе всего парка, пока измерено на единичных полётах.
Научно-популярный туризм