Bijeli tragovi koje avioni ostavljaju iza sebe često izazivaju pitanja, osobito kada se na nebu zadrže satima i postupno prošire u široke oblake. No iza njih ne stoji nikakvo misteriozno ispuštanje „kemikalija“, nego dobro poznat atmosferski proces. Kondenzacijski tragovi nastaju kada se vrući i vodom bogati ispušni plinovi mlaznog motora pomiješaju s iznimno hladnim zrakom na velikim visinama.

Pogled prema nebu dovoljan je da se uoči prizor koji je mnogima poznat. Avion prolazi iznad nas, a iza njega ostaje bijela pruga. Ponekad nestane gotovo jednako brzo kao što se pojavila, dok se u drugim slučajevima zadrži satima, postupno širi i na kraju poprimi izgled širokog sloja visokih oblaka.

Objašnjenje za takvu pojavu nalazi se u fizici atmosfere.

Kondenzacijski tragovi, poznati i pod engleskim nazivom contrails, nisu „kemikalije iz aviona“, nego oblaci sastavljeni od ledenih kristala. Nastaju kada se vrući i vlažni ispušni plinovi mlaznog motora naglo ohlade nakon miješanja s vrlo hladnim zrakom u troposferi.

Hoće li se trag uopće pojaviti, kao i koliko će dugo ostati vidljiv, ponajprije ovisi o temperaturi, vlažnosti i strujanju zraka na visini na kojoj avion leti.

Što se događa na visini od oko 10 kilometara?

Kondenzacijski tragovi najčešće se stvaraju na visinama na kojima lete komercijalni zrakoplovi, otprilike između osam i 12 kilometara iznad Zemljine površine.

Uvjeti na toj visini drastično se razlikuju od onih pri tlu. Tlak zraka kreće se približno između 260 i 190 hektopaskala, dok je temperatura najčešće niža od minus 40 stupnjeva Celzijevih.

Da bi nastao vidljiv kondenzacijski trag, u mlazu ispušnih plinova motora najprije mora doći do privremenog zasićenja tekućom vodom. Nastale kapljice potom se gotovo trenutačno smrzavaju i pretvaraju u ledene kristale.

U tom procesu važnu ulogu ima takozvani Schmidt-Applemanov kriterij. On uzima u obzir temperaturu, tlak i vlažnost okolnog zraka, ali i karakteristike motora, odnosno odnos topline i količine vodene pare u njegovim ispušnim plinovima.

Pojednostavljeno rečeno, riječ je o svojevrsnom pragu. Kada se prijeđe taj prag, mješavina vrućeg ispuha i okolnog zraka dovoljno se ohladi da nakratko postane zasićena tekućom vodom. Kapljice koje se tada formiraju gotovo se odmah smrzavaju i nastaje vidljiva bijela pruga.

Zašto se trag ne pojavljuje iza svakog aviona?

Za stvaranje kondenzacijskog traga moraju istodobno biti zadovoljeni odgovarajući atmosferski uvjeti.

Okolni zrak mora biti dovoljno hladan, dok ispušni plinovi motora moraju sadržavati dovoljno vodene pare. Mlazni motori proizvode vrlo vruće plinove bogate vodenom parom, a kada se oni šire i miješaju s hladnim zrakom oko aviona, temperatura smjese naglo pada.

Ako je okolni zrak presuh ili nije dovoljno hladan, mješavina neće dosegnuti potrebnu razinu zasićenja. U tom slučaju neće doći do potrebne kondenzacije i smrzavanja, pa se na nebu neće pojaviti vidljivi trag.

Zbog toga se kondenzacijski tragovi mogu ponašati gotovo kao sustav koji se „uključuje“ i „isključuje“. Relativno mala promjena temperature ili vlažnosti na visini leta može biti dovoljna da se prijeđe prag potreban za njihovo nastajanje. Obrnuta promjena može uzrokovati njihov nestanak.

Postoje i tragovi koji nastaju zbog aerodinamike

Nisu svi bijeli tragovi povezani isključivo s ispušnim plinovima motora.

Postoje i aerodinamički tragovi koji se mogu pojaviti, primjerice, oko vrhova krila ili elisa. Oni nastaju zbog lokalnog pada tlaka i posljedičnog hlađenja zraka koji struji oko površine zrakoplova.

Takvi se tragovi češće pojavljuju na manjim visinama i u specifičnim uvjetima temperature i količine vlage u atmosferi.

Zašto jedan trag nestane za nekoliko minuta, a drugi ostane satima?

Jedan od najzanimljivijih aspekata kondenzacijskih tragova jest njihovo potpuno različito trajanje.

Hoće li trag brzo nestati ili će se zadržati satima ponajviše ovisi o relativnoj vlažnosti u odnosu na led, poznatoj kao RHi, ali i o dinamici atmosferskog sloja kroz koji zrakoplov prolazi.

Ako je okolni zrak podzasićen u odnosu na led, odnosno ako je RHi manji od 100 posto, ledeni kristali ubrzo sublimiraju. U takvim uvjetima trag može nestati nakon svega nekoliko minuta.

Situacija je potpuno drukčija kada je zrak prezasićen u odnosu na led, odnosno kada je RHi veći od 100 posto. Tada ledeni kristali nastavljaju rasti. Vjetar i turbulencija postupno razvlače trag, koji se može pretvoriti u takozvani contrail-cirrus, odnosno cirusni oblak nastao iz kondenzacijskog traga.

Takav oblak može trajati satima i prekriti vrlo veliko područje neba.

Na trajanje traga utječe i vertikalna struktura atmosfere. Primjerice, tanki vlažni sloj između dvaju suhih slojeva može omogućiti da se kondenzacijski trag zadrži mnogo dulje.

Zbog toga se može dogoditi da jedan avion na određenoj ruti ostavi tek kratku bijelu prugu, dok avion koji istom rutom prođe samo sat vremena poslije ostavi širok i dugotrajan sloj oblaka. U međuvremenu se mogu promijeniti vlažnost, smjer i brzina strujanja zraka ili vertikalni slojevi atmosfere kroz koje avion prolazi.

Kako nastaju isprekidani tragovi?

Posebno zanimljiva pojava su isprekidani kondenzacijski tragovi.

Avion pritom može letjeti gotovo potpuno konstantnom visinom, dok se bijeli trag iza njega naizmjence pojavljuje i nestaje. Na prvi pogled moglo bi se činiti da se mijenja rad motora, no uzrok je zapravo u atmosferi.

Atmosfera neprestano oscilira, a kroz nju se šire horizontalni i vertikalni valovi. U uzlaznom dijelu vertikalnog vala zrak se podiže, tlak pada, a zrak se adijabatski hladi.

Avion koji održava istu visinu tada ulazi u hladniji i vlažniji dio vala. Uvjeti prelaze prag potreban za kondenzaciju i trag se pojavljuje.

Kada avion prijeđe u silazni dio vala, zrak se spušta i zagrijava, relativna vlažnost pada, ledeni kristali sublimiraju, a trag nestaje.

Zato iza aviona može ostati naizgled isprekidana bijela pruga. Avion, dakle, ne „ispušta malo pa malo ne“, nego prolazi kroz atmosferski sloj čiji se uvjeti mijenjaju oko praga zasićenja.

Kratkotrajni kondenzacijski tragovi mogu trajati od nekoliko sekundi do nekoliko minuta. Srednje dugotrajni tragovi mogu ostati vidljivi desecima minuta, dok dugotrajni mogu potrajati satima i postupno se širiti u cirusni sloj.

Kondenzacijski tragovi imaju i službenu klasifikaciju

Ova pojava toliko je dobro dokumentirana da je dobila svoje mjesto i u službenoj klasifikaciji oblaka Svjetske meteorološke organizacije.

Međunarodni atlas oblaka razlikuje prirodne oblake od oblaka nastalih ljudskom aktivnošću, a kondenzacijski tragovi u toj se klasifikaciji označavaju kao Cirrus homogenitus.

Ti oblaci po optičkim i mikrofizičkim svojstvima mogu biti vrlo slični prirodnim cirusima jer su također sastavljeni od ledenih kristala.

Kondenzacijski tragovi pritom nisu samo vizualna pojava. Dugotrajni tragovi koji se šire u cirusne oblake imaju dokaziv utjecaj na klimu i povezani su s radijacijskim učinkom zračnog prometa.

Koliko vodene pare zapravo proizvodi avionski motor?

Količina vodene pare koju proizvode avionski motori pomaže objasniti kako iza jednog zrakoplova može nastati velik ledeni trag.

Prosječan putnički avion tijekom krstarenja troši između 2500 i 5000 kilograma goriva na sat. Izgaranjem jednog kilograma kerozina nastaje približno 1,25 kilograma vodene pare.

To znači da motor tijekom jednog sata izgaranja može proizvesti između 3125 i 6250 kilograma vodene pare. Preračunato na sekundu, riječ je o približno 1,4 kilograma vodene pare svake sekunde.

Za usporedbu, prirodni cirusni oblak dug deset kilometara i polumjera 15 metara sadržava ukupno samo oko 14 do 35 kilograma ledene vode.

Avion koji leti brzinom od 240 metara u sekundi prijeđe deset kilometara za samo 42 sekunde. Tijekom tih 42 sekunde izgaranjem goriva proizvede čak oko 59 kilograma vodene pare.

To znači da količina vodene pare koju motor proizvede tijekom deset kilometara leta može biti između 1,7 i 4,3 puta veća od ukupne količine leda u cijelom prirodnom tankom cirusnom oblaku navedenih dimenzija.

Bijela pruga na nebu rezultat je dobro poznate fizike

Kada se svi ovi procesi uzmu u obzir, odgovor na pitanje o podrijetlu bijelih tragova postaje mnogo jednostavniji.

Kondenzacijski trag nastaje kada se velika količina vruće vodene pare iz avionskog motora pomiješa s vrlo hladnim zrakom na velikoj visini. Voda se pritom kondenzira i gotovo trenutačno smrzava u sitne ledene kristale koji postaju vidljivi kao bijela pruga.

Hoće li ta pruga nestati nakon nekoliko sekundi, ostati nekoliko minuta ili se satima širiti nebom ne određuje sam avion, nego prije svega temperatura, tlak, vlažnost i dinamika atmosfere na njegovoj visini.

Upravo zato dva zrakoplova koji lete istom rutom, pa čak i u relativno kratkom vremenskom razmaku, mogu ostaviti potpuno različite tragove. Atmosfera nije statična: njezina se temperatura, vlažnost i strujanje stalno mijenjaju.

Bijeli tragovi iza aviona stoga su izravna posljedica međudjelovanja avionskih ispušnih plinova i atmosferskih uvjeta, a njihovo ponašanje može se objasniti poznatim fizikalnim zakonima i procesima u atmosferi.