Las estelas de condensación ( / ˈk ɒ n t r eɪ l z / ; abreviatura de " estelas de condensación " ) o estelas de vapor son nubes en forma de línea producidas por el escape del motor de la aeronave o cambios en la presión del aire, típicamente a altitudes de crucero de la aeronave varios kilómetros/millas sobre la superficie de la Tierra. Están compuestas principalmente de agua, en forma de cristales de hielo. La combinación de vapor de agua en el escape del motor de la aeronave y las bajas temperaturas ambientales a grandes altitudes provoca la formación de las estelas. Las impurezas en el escape del motor del combustible, incluidos los compuestos de hollín y azufre (0,05% en peso en el combustible para aviones) proporcionan algunas de las partículas que sirven como núcleos de condensación de nubes para el crecimiento de gotas de agua en el escape. Si se forman gotas de agua, pueden congelarse para formar partículas de hielo que componen una estela. [1] Su formación también puede ser provocada por cambios en la presión del aire en los vórtices de la punta del ala , o en el aire sobre toda la superficie del ala. [2] Las estelas de condensación y otras nubes causadas directamente por la actividad humana se denominan homogenitus . [3]
Dependiendo de la temperatura y la humedad en la altitud donde se forman las estelas, pueden ser visibles solo por unos pocos segundos o minutos, o persistir lo suficiente como para formar capas casi continuas de nubes cirros. [1] Las estelas persistentes son de particular interés para los científicos. [1] Las formas de nubes resultantes se describen formalmente como homomutatus , [3] y pueden parecerse a cirros, cirrocúmulos o cirroestratos, y a veces se las llama cirrus aviaticus . [4] Algunas estelas persistentes que se propagan contribuyen al cambio climático . [5]
Los gases de escape del motor se componen predominantemente de agua y dióxido de carbono, los productos de combustión de los combustibles de hidrocarburos. Se han observado muchos otros subproductos químicos de la combustión incompleta de combustibles de hidrocarburos, incluidos compuestos orgánicos volátiles , gases inorgánicos , hidrocarburos aromáticos policíclicos , compuestos orgánicos oxigenados , alcoholes , ozono y partículas de hollín en concentraciones más bajas. La calidad exacta es una función del tipo de motor y la función básica del motor de combustión, y hasta el 30% de los gases de escape de la aeronave son combustible sin quemar. [6] (También se han detectado partículas metálicas de tamaño micrométrico resultantes del desgaste del motor. [ cita requerida ] ) A grandes altitudes, a medida que este vapor de agua emerge en un entorno frío, el aumento localizado de vapor de agua puede elevar la humedad relativa del aire más allá del punto de saturación . Luego, el vapor se condensa en pequeñas gotas de agua que se congelan si la temperatura es lo suficientemente baja. Estos millones de pequeñas gotas de agua y/o cristales de hielo forman las estelas de condensación. El tiempo que tarda el vapor en enfriarse lo suficiente como para condensarse explica la formación de la estela de condensación a cierta distancia detrás de la aeronave. A grandes altitudes, el vapor de agua superenfriado requiere un detonante que favorezca su deposición o condensación. Las partículas de escape del avión actúan como detonante, haciendo que el vapor atrapado se condense rápidamente. Las estelas de condensación se forman normalmente a grandes altitudes, normalmente por encima de los 8000 m (26 000 pies), donde la temperatura del aire es inferior a -36,5 °C (-34 °F ). También pueden formarse más cerca del suelo cuando el aire es frío y húmedo. [7]
Un estudio realizado entre 2013 y 2014, financiado conjuntamente por la NASA, el centro aeroespacial alemán DLR y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC), determinó que los biocombustibles podrían reducir la generación de estelas de condensación. Esta reducción se explicó al demostrar que los biocombustibles producen menos partículas de hollín, que son los núcleos alrededor de los cuales se forman los cristales de hielo. Las pruebas se realizaron volando un DC-8 a una altitud de crucero con un avión de recolección de muestras volando en cola. En estas muestras, el recuento de partículas de hollín que producen estelas de condensación se redujo entre un 50 y un 70 por ciento, utilizando una mezcla al 50% de combustible Jet A1 convencional y biocombustible HEFA (ésteres hidroprocesados y ácidos grasos) producido a partir de camelina . [8] [9] [10]
A medida que un ala genera sustentación , se forma un vórtice en la punta del ala y en la punta del flap cuando se despliega (las puntas de las alas y los límites de los flaps representan discontinuidades en el flujo de aire). Estos vórtices de las puntas de las alas persisten en la atmósfera mucho después de que el avión haya pasado. La reducción de la presión y la temperatura a través de cada vórtice puede hacer que el agua se condense y haga visibles los núcleos de los vórtices de las puntas de las alas; este efecto es más común en días húmedos. Los vórtices de las puntas de las alas a veces se pueden ver detrás de los flaps de las alas de los aviones de pasajeros durante el despegue y el aterrizaje, y durante los aterrizajes del transbordador espacial .
Los núcleos visibles de los vórtices de las puntas de las alas contrastan con los de otros tipos importantes de estelas de condensación, que son las causadas por la combustión de combustible. Las estelas de condensación producidas por los gases de escape de los motores a reacción se ven a gran altitud, directamente detrás de cada motor. Por el contrario, los núcleos visibles de los vórtices de las puntas de las alas suelen verse solo a baja altitud, cuando el avión se desplaza lentamente después del despegue o antes del aterrizaje y donde la humedad ambiental es más alta; se desplazan detrás de las puntas de las alas y los alerones en lugar de detrás de los motores.
En configuraciones de alto empuje, las aspas del ventilador en la entrada de un motor de turbofán alcanzan velocidades transónicas , lo que provoca una caída repentina de la presión del aire. Esto crea la niebla de condensación (dentro de la entrada) que los pasajeros suelen observar durante el despegue.
Las puntas de superficies giratorias (como hélices y rotores ) a veces producen estelas de condensación visibles. [11]
En las armas de fuego, a veces se observa un rastro de vapor al disparar en condiciones poco frecuentes, debido a la condensación inducida por los cambios en la presión del aire alrededor de la bala. [12] [13] Un rastro de vapor de una bala se puede observar desde cualquier dirección. [12] El rastro de vapor no debe confundirse con el rastro de la bala, un efecto refractivo debido a los cambios en la presión del aire a medida que la bala viaja, que es un fenómeno mucho más común (y generalmente solo se observa directamente desde detrás del tirador). [12] [14]
Se considera que la mayor contribución de la aviación al cambio climático proviene de las estelas de condensación. [15] En general, las estelas de condensación de las aeronaves atrapan la radiación de onda larga saliente emitida por la Tierra y la atmósfera más de lo que reflejan la radiación solar entrante , lo que resulta en un aumento neto del forzamiento radiativo . En 1992, este efecto de calentamiento se estimó entre 3,5 mW/m 2 y 17 mW/m 2 . [16] En 2009, su valor de 2005 se estimó en 12 mW/m 2 , con base en los datos de reanálisis , modelos climáticos y códigos de transferencia radiativa ; con un rango de incertidumbre de 5 a 26 mW/m 2 , y con un bajo nivel de comprensión científica. [17]
Las estelas de condensación pueden ser el mayor componente de forzamiento radiativo del tráfico aéreo, mayor que todo el CO2 acumulado de la aviación, y podrían triplicarse desde una línea de base de 2006 a 160-180 mW/m2 para 2050 sin intervención. [18] [19] A modo de comparación, el forzamiento radiativo total de las actividades humanas ascendió a 2,72 W/m2 ( con un rango entre 1,96 y 3,48 W/m2 ) en 2019, y el aumento de 2011 a 2019 solo ascendió a 0,34 W/m2 . [ 20] Los efectos de las estelas de condensación difieren mucho según cuándo se forman, ya que disminuyen la temperatura diurna y aumentan la temperatura nocturna, reduciendo su diferencia. [21] En 2006, se estimó que los vuelos nocturnos contribuyen entre el 60 y el 80% del forzamiento radiativo de las estelas de condensación, al tiempo que representan el 25% del tráfico aéreo diario, y los vuelos de invierno contribuyen con la mitad del forzamiento radiativo medio anual, al tiempo que representan el 22% del tráfico aéreo anual. [22]
A partir de la década de 1990, se sugirió que las estelas de condensación durante el día tienen un fuerte efecto de enfriamiento, y cuando se combinan con el calentamiento de los vuelos nocturnos, esto conduciría a una variación de temperatura diurna sustancial (la diferencia entre las temperaturas máximas y mínimas del día en una estación fija). [23] Cuando ningún avión comercial voló a través de los EE. UU. después de los ataques del 11 de septiembre , la variación de temperatura diurna se amplió en 1,1 °C (2,0 °F). [24] Medido en 4000 estaciones meteorológicas en los Estados Unidos continentales, este aumento fue el más grande registrado en 30 años. [24] Sin estelas de condensación, el rango de temperatura diurna local fue 1 °C (1,8 °F) más alto que inmediatamente antes. [25] En el sur de los EE. UU., la diferencia disminuyó en aproximadamente 3,3 °C (6 °F), y en 2,8 °C (5 °F) en el medio oeste de los EE. UU. [26] [27] Sin embargo, estudios posteriores han demostrado que un cambio natural en la cobertura de nubes puede explicar con creces estos hallazgos. [28] Los autores de un estudio de 2008 escribieron: "Las variaciones en la cobertura de nubes altas, incluidas las estelas de condensación y los cirros inducidos por las estelas de condensación, contribuyen débilmente a los cambios en el rango de temperatura diurna, que está determinado principalmente por las nubes de menor altitud, los vientos y la humedad". [29]
En 2011, un estudio de registros meteorológicos británicos tomados durante la Segunda Guerra Mundial identificó un evento en el que la temperatura fue 0,8 °C (1,4 °F) más alta que el promedio del día cerca de las bases aéreas utilizadas por los bombarderos estratégicos de la USAAF después de que volaron en formación. Sin embargo, sus autores advirtieron que se trataba de un evento único, lo que dificulta sacar conclusiones firmes de él. [30] [31] [32] Luego, la respuesta global a la pandemia de coronavirus de 2020 condujo a una reducción del tráfico aéreo mundial de casi el 70% en relación con 2019. Por lo tanto, proporcionó una oportunidad extendida para estudiar el impacto de las estelas de condensación en la temperatura regional y global. Múltiples estudios no encontraron "ninguna respuesta significativa del rango de temperatura del aire de la superficie diurna" como resultado de los cambios en las estelas de condensación, y "ningún ERF global neto significativo" ( forzamiento radiativo efectivo ) o un efecto de calentamiento muy pequeño. [33] [34] [35]
Un proyecto de la UE lanzado en 2020 tiene como objetivo evaluar la viabilidad de minimizar los efectos de las estelas de condensación mediante las decisiones operativas a la hora de elaborar planes de vuelo. [36] Otros proyectos similares incluyen ContrailNet de Eurocontrol, [37] Reviate, [38] y el proyecto Ciconia, [39] así como el "proyecto contrail" de Google. [40]
Una estela de condensación de un avión que vuela hacia el observador puede parecer generada por un objeto que se mueve verticalmente. [41] [42] El 8 de noviembre de 2010 en el estado estadounidense de California , una estela de condensación de este tipo ganó la atención de los medios como un "misil misterioso" que no podía ser explicado por las autoridades militares y de aviación estadounidenses, [43] y su explicación como una estela de condensación [41] [42] [44] [45] tardó más de 24 horas en ser aceptada por los medios de comunicación y las instituciones militares estadounidenses. [46]
Cuando un avión pasa a través de una nube, puede dispersarla en su camino. Esto se conoce como estela de dispersión (abreviatura de "rastro de disipación"). El escape caliente del motor del avión y la mezcla vertical mejorada en la estela del avión pueden hacer que las gotitas de nube existentes se evaporen. Si la nube es lo suficientemente delgada, estos procesos pueden producir un corredor sin nubes en una capa de nubes que de otro modo sería sólida. [47] Una observación temprana por satélite de estelas de dispersión que muy probablemente eran agujeros alargados de caída inducidos por aviones apareció en Corfidi y Brandli (1986). [48]
Las nubes se forman cuando el vapor de agua invisible (H2O en fase gaseosa) se condensa en gotitas de agua microscópicas (H2O en fase líquida ) o en cristales de hielo microscópicos ( H2O en fase sólida). Esto puede ocurrir cuando el aire con una alta proporción de agua gaseosa se enfría. Una estela de vapor se forma cuando el calor del escape del motor evapora las gotitas de agua líquida en una nube, convirtiéndolas nuevamente en vapor de agua gaseoso invisible. Las estelas de vapor también pueden surgir como resultado de una mezcla mejorada (arrastre) de aire más seco inmediatamente por encima o por debajo de una capa delgada de nubes después del paso de un avión a través de la nube, como se muestra en la segunda imagen a continuación:
