Las estelas de vapor ( / ˈ k ɒ n t r eɪ l z / ; abreviatura de " rastros de condensación " ) o rastros de vapor son nubes en forma de líneas producidas por los gases de escape de los motores de los aviones o por cambios en la presión del aire, normalmente a altitudes de crucero de varios kilómetros/millas. sobre la superficie de la Tierra. Están compuestos principalmente de agua, en forma de cristales de hielo. La combinación del vapor de agua en los gases de escape de los motores de los aviones y las bajas temperaturas ambientales a gran altura provocan la formación de estelas. Las impurezas en los gases de escape del motor procedentes del combustible, incluidos los compuestos de 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 los gases de 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 las puntas de las alas o en el aire sobre toda la superficie del ala. [2] Las estelas de vapor 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 sólo durante unos segundos o minutos. [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 les llama cirros aviaticus . [4] Algunas estelas de estelas que se propagan persistentemente contribuyen al cambio climático . [5]
Los gases de escape de los motores se componen predominantemente de agua y dióxido de carbono, productos de la combustión de los combustibles de hidrocarburos. Se han observado en concentraciones más bajas 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. La calidad exacta depende del tipo de motor y de la función básica del motor de combustión, siendo hasta el 30% de los gases de escape de los aviones combustible no quemado. [6] (También se han detectado partículas metálicas del tamaño de una micra resultantes del desgaste del motor. [ cita necesaria ] ) A grandes altitudes, a medida que este vapor de agua emerge a un ambiente frío, el aumento localizado del vapor de agua puede elevar la humedad relativa del aire. pasado el 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 vapor. El tiempo que tarda el vapor en enfriarse lo suficiente como para condensarse explica la estela que se forma a cierta distancia detrás del avión. A grandes altitudes, el vapor de agua sobreenfriado requiere un disparador para estimular la deposición o la condensación. Las partículas de escape en el escape del avión actúan como este disparador, haciendo que el vapor atrapado se condense rápidamente. Las estelas de escape suelen formarse a gran altura; generalmente por encima de 8.000 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, apoyado conjuntamente por la NASA, el centro aeroespacial alemán DLR y el Consejo Nacional de Investigación NRC de Canadá, determinó que los biocombustibles podrían reducir la generación de estelas. 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 altitud de crucero con un avión de recolección de muestras volando detrás. En estas muestras, el recuento de partículas de hollín productoras de estelas se redujo entre un 50 y un 70 por ciento, utilizando una mezcla del 50 por ciento de combustible Jet A1 convencional y biocombustible HEFA (ésteres y ácidos grasos hidroprocesados) producido a partir de camelina . [8] [9] [10]
A medida que un ala genera sustentación , provoca que se forme 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 en 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. A veces se pueden ver vórtices en las puntas de las alas detrás de los flaps de los aviones 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 otros tipos importantes de estelas de vapor causadas por la combustión de combustible. Las estelas de vapor producidas por el escape de los motores a reacción se ven a gran altura, directamente detrás de cada motor. Por el contrario, los núcleos visibles de los vórtices de las puntas de las alas generalmente se ven sólo a baja altitud, donde el avión viaja lentamente después del despegue o antes del aterrizaje, y donde la humedad ambiental es mayor; van detrás de las puntas de las alas y los flaps en lugar de detrás de los motores.
En configuraciones de alto empuje, las aspas del ventilador en la entrada de un motor turbofan alcanzan velocidades transónicas , provocando una caída repentina en la presión del aire. Esto crea la niebla de condensación (dentro de la entrada) que los viajeros a menudo observan durante el despegue.
Las puntas de las superficies giratorias (como hélices y rotores ) a veces producen estelas visibles. [11]
En las armas de fuego, a veces se observa un rastro de vapor al disparar en condiciones excepcionales, 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 es observable 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 viaja la bala, 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 vapor. [15] En general, las estelas de los aviones 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 , basándose en los datos del reanálisis , los modelos climáticos y los códigos de transferencia radiativa ; con un rango de incertidumbre de 5 a 26 mW/m 2 , y con un bajo nivel de conocimiento científico. [17]
Los cirros de estela pueden ser el mayor componente de forzamiento radiativo del tráfico aéreo, mayor que todo el CO 2 acumulado por la aviación, y podrían triplicarse desde una base de 2006 a 160-180 mW/m 2 para 2050 sin intervención. [18] [19] A modo de comparación, el forzamiento radiativo total de las actividades humanas ascendió a 2,72 W/m 2 (con un rango entre 1,96 y 3,48 W/m 2 ) en 2019, y el aumento solo de 2011 a 2019 ascendió a 0,34 W/ m2 . [20] Los efectos de las estelas difieren mucho dependiendo de 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 por ciento del forzamiento radiativo de las estelas de vapor, mientras que representan el 25 por ciento del tráfico aéreo diario, y los vuelos de invierno contribuyen con la mitad del forzamiento radiativo medio anual y representan el 22 por ciento del tráfico aéreo anual. tráfico. [22]
A partir de la década de 1990, se sugirió que las estelas de vapor durante el día tenían un fuerte efecto de enfriamiento, y cuando se combinaba con el calentamiento de los vuelos nocturnos, esto conduciría a una variación sustancial de la temperatura diurna (la diferencia entre las máximas y mínimas del día a una estación fija). [23] Cuando ningún avión comercial sobrevoló 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 4.000 estaciones meteorológicas en los Estados Unidos continentales, este aumento fue el mayor registrado en 30 años. [24] Sin estelas de vapor, el rango de temperatura diurna local era 1 °C (1,8 °F) más alto que inmediatamente antes. [25] En el sur de EE. UU., la diferencia se redujo en aproximadamente 3,3 °C (6 °F) y en 2,8 °C (5 °F) en el medio oeste de EE. UU. [26] [27] Sin embargo, estudios de seguimiento encontraron 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 vapor y los cirros inducidos por las estelas de vapor, contribuyen débilmente a los cambios en el rango de temperatura diurna, que se rige principalmente por las nubes de menor altitud, los vientos, y humedad." [29]
En 2011, un estudio de los 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 volar en formación. Sin embargo, sus autores advirtieron que se trató de un evento único, lo que dificulta sacar conclusiones firmes del mismo. [30] [31] [32] Luego, la respuesta global a la pandemia de coronavirus de 2020 condujo a una reducción en el tráfico aéreo global de casi el 70% en relación con 2019. Por lo tanto, brindó una oportunidad ampliada para estudiar el impacto de las estelas de condensación en las regiones. y la temperatura global. Múltiples estudios no encontraron "ninguna respuesta significativa del rango de temperatura del aire en la superficie diurna" como resultado de los cambios de estelas, y "ningún ERF global significativo neto" ( 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 mediante las opciones operativas al elaborar planes de vuelo. [36] Otros proyectos similares incluyen ContrailNet de Eurocontrol, [37] Reviate, [38] y el proyecto Ciconia, [39] así como el 'proyecto estela' de Google. [40]
Puede parecer que la estela de un avión que vuela hacia el observador es 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 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 [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 atraviesa una nube, puede dispersarla a su paso. Esto se conoce como distrail (abreviatura de "rastro de disipación"). El escape caliente del motor del avión y la mezcla vertical mejorada en la estela del avión pueden causar que las gotas de nubes existentes se evaporen. Si la nube es lo suficientemente delgada, tales procesos pueden producir un corredor libre de nubes en una capa de nubes que de otro modo sería sólida. [47] En Corfidi y Brandli (1986) apareció una observación temprana por satélite de desprendimientos que muy probablemente eran agujeros alargados inducidos por aviones. [48]
Las nubes se forman cuando el vapor de agua invisible ( H 2 O en fase gaseosa) se condensa en gotas microscópicas de agua ( H 2 O en fase líquida) o en cristales microscópicos de hielo ( H 2 O en fase sólida). Esto puede ocurrir cuando se enfría aire con una alta proporción de agua gaseosa. Una distracción se forma cuando el calor del escape del motor evapora las gotas de agua líquida en una nube, convirtiéndolas nuevamente en vapor de agua gaseoso invisible. Las destilaciones también pueden surgir como resultado de una mezcla mejorada (arrastre de) aire más seco inmediatamente encima o debajo de una fina capa de nubes después del paso de un avión a través de la nube, como se muestra en la segunda imagen a continuación:
