Чому літак залишає слід? June 23rd, 2017

Звичайно, часто в небі ви бачите цей слід не настільки "потужний", але є деякі моменти про нього, які ви могли не знати.

Перевірте себе...

Часто піднявши голову до неба ми бачимо на ньому білу смугу від літака, що летить. Слід, який залишає за собою, називається конденсаційним. До слова, у нас часто називають його інверсійним слідом, але у Вікіпедії навпроти "інверсійного" стоїть позначка "застаріла назва". Тому користуватимемося терміном "конденсаційний". До того ж, ця назва "що говорить" - у цій назві закладено відповідь на питання про те, що це таке.

Як правило, безпосередньою причиною виникнення сліду є відпрацьовані гази реактивних двигунів. До їх складу входить водяна пара, вуглекислий газ, оксиди азоту, вуглеводні, кіптяву та сполуки сірки. З цього лише водяна пара та сірка відповідальні за появу інверсійного сліду. Сірка служить утворенню точок конденсації, причому сам інверсійний слід може формуватися як з водяної пари, що входить до складу відпрацьованих газів, так і з пари, що входить до складу пересиченої атмосфери.

Потрапляючи в холодне повітря (а на тій висоті, на якій зазвичай літають літаки, температура близько -40 градусів), пара конденсується навколо частинок палива, що спалюється, і виходять дрібні крапельки, на зразок туману, які і утворюють смугу на небі. Можна сказати, що виходить така собі рукотворна довга хмара. Згодом воно розсіється чи стане частиною перистих хмар.

Чому цей слід не завжди видно?

Якщо для такої вологості температура навколишнього повітря нижче за точку роси, то волога утворює за двигунами білі конденсаційні сліди. На малих висотах вони складаються з крапель води, які зазвичай швидко випаровуються, і слід зникає. А ось коли літак йде на великій висоті, де температура повітря нижче -40 ° С, пара відразу конденсується в крижані кристали, які випаровуються набагато повільніше.

До речі, конденсаційні сліди літаків можуть проводити клімат Землі. Якщо подивитися на Землю із супутника, то можна побачити, що в тих районах, де часто літають літаки, все небо вкрите їхніми слідами. Одні вчені вважають, що це добре - сліди збільшують відбивні властивості атмосфери, тим самим не даючи сонячним променям доходити до Землі. Так можна зменшити температуру земної атмосфери і не допустити глобального потепління. Інші вважають, що погано - перисті хмари, що виникають від конденсаційного сліду, перешкоджають охолодженню атмосфери, тим самим викликаючи її потепління. Хто правий, а хто не правий, покаже час.

Бажають заборонити залишати слід?

Залежно від умов атмосфери та швидкості вітру, інверсійний слід може залишатися в небі до 24 годин і мати довжину до 150 км. Вчені з Університету Редінга (Великобританія) вирішили з'ясувати, як змусити літаки літати безвісти, зберігши при цьому рентабельність перевезень.

«Може здатися, що літаку потрібно робити чималий гачок, щоб уникнути інверсійного сліду. Але через кривизну Землі вам потрібно лише трохи збільшити відстань, щоб уникнути справді довгих слідів», - говорить Емма Ірвін, автор дослідження, опублікованого в журналі Environmental Research Letters.

Їх розрахунки показали, що для невеликих близькомагістральних літаків відхилення від насичених вологою областей, навіть у 10 разів перевищує довжину інверсійного сліду, здатне зменшити негативний вплив на клімат.

"Для великих літаків, які викидають більше вуглекислого газу на кілометр, має сенс відхилення втричі більше", - говорить Ірвін. У своєму дослідженні вчені оцінили вплив на клімат, що надається лайнерами, що летять на тій самій висоті.

Наприклад, літаку, що летить з Лондона до Нью-Йорка, щоб уникнути утворення довгого сліду, достатньо відхилитися на два градуси, що додасть до його шляху 22 км, або 0,4% усієї відстані.

В даний час вчені залучені до роботи над проектом, метою якого є оцінка можливості перекроювання існуючих трансатлантичних маршрутів з урахуванням впливу авіації на клімат. Реалізувати пропозиції кліматологів означає в майбутньому зіткнутися з проблемами економіки та безпеки авіаційних перевезень, визнають експерти. "Диспетчерські служби повинні оцінити, чи є подібні перекроювання маршрутів рейс від рейсу здійсненними та безпечними, а синоптики - зрозуміти, чи здатні вони надійно прогнозувати, де і коли можуть утворитися інверсійні хмари", - вважає Ірвін.

Літак, що пролітає в небі, - це красиве видовище. Особливо коли він залишає за собою слід, який може тягнутися через усі небо. Згодом цей слід зникає, його розносять вітри, що панують у небі. Він може бути довгим або коротким, а іноді літак не залишає його зовсім. З чим пов'язані ці явища, чому слід іноді лишається, а іноді – ні, і з чого він складається?

Багато цікавих людей задаються цими питаннями. Щоб розібратися у всіх нюансах, необхідно першочергово зрозуміти, з чого складається цей слід.

Зовсім не дим від палива, що згорає

Хтось може заявити, що цей слід – не більше, ніж дим, що залишається при згорянні палива, за аналогією з автомобільними вихлопами. Турбіни літака значно потужніші за автомобільний мотор, тому вони й породжують стільки диму. Але ця відповідь буде докорінно невірною, зовсім не грамотною.

Двигуни літака дійсно викидають гази, що залишилися від згоряння авіаційної гасу, проте вихлоп літака прозорий. Адже жоден літак у справному стані не димить на злітній смузі, при зльоті чи посадці. Якби справа була у вихлопі, це стало б очевидним одразу, і в аеропорту не було б чим подихнути. Але дещо двигуни справді викидають.

Матеріали на тему:

Чому літак найбезпечніший вид транспорту?

Поряд із іншими елементами газоповітряної суміші вихлопу викидається і вода – у пароподібному стані. Якщо літак знаходиться на невеликій висоті, цього зазвичай не видно. У ситуації, коли літак піднявся високо, вода негайно кристалізується, утворюючи білі хмаринки, які тягнуться за кожною турбіною. У цьому полягає розгадка сліду, який тягнеться за літаками.

Чому слід видно не завжди?

Чим нижче температура за бортом, тим швидше, повніше відбувається процес кристалізації води, що викидається двигунами. Якщо літак летить низько, про знижені температури не йдеться, сліду не видно, або він ледве помітний. Варто пам'ятати, що чим вище піднімається крилата машина, тим нижче температури опускаються. У високих шарах показник може фігурувати в районі -40 градусів і цілком природно, що волога тут замерзає миттєво і повністю, формуючи густий слід. У таких температурах замерзає навіть подих людини – варто згадати, що ще буквально 50-60 років тому пілотам видавали кожушки та теплий одяг для польотів у будь-яку пору року, щоб вони не замерзли у кабінах.

Чому літак залишає слід?

Іноді в небі видно довгі білі смуги, як дуже вузькі хмари. Ці смуги сплітаються в химерні візерунки, прямують нагору, а потім раптом несподівано обриваються. Кожен із нас знає, що це слід літака, що здійнявся високо в небо. Вирушивши, наприклад, на таксі в аеропорт, ми можемо спостерігати, як злітають і сідають безліч літаків, але чому ж літак, що летить низько, ніякого сліду за собою не залишає, а літак, що здійнявся так високо, що його зовсім не видно, починає залишати сліди?

Слід літака - так званий конденсаційний слід (інверсійний слід) - видимий слід із сконденсованої водяної пари, що виникає в атмосфері за літальними апаратами, що рухаються, при певних станах атмосфери. Явище спостерігається найчастіше у верхніх шарах тропосфери, значно рідше – у тропопаузі та стратосфері. В окремих випадках може спостерігатись і на невеликих висотах.

Конденсаційні сліди відносяться до окремої групи хмар - техногенних або штучних хмар - Ci trac. (Cirrus tractus, cirrus – перистий, tractus – слід).

Свою назву слід отримав від процесу конденсації, що призводить до його появи. Конденсація відбувається лише за таких умов, коли кількість водяної пари перевищує кількість, яка необхідна для насичення. Ці умови визначаються точкою роси - температурою, за якої водяна пара, що міститься в повітрі, досягає насичення при даній питомій вологості та постійному тиску. Ступінь насичення характеризується відносною вологістю - відсотковим ставленням кількості водяної пари, що міститься в повітрі, до кількості, яка потрібна для насичення (при одній температурі). Крім цих умов, потрібна ще й наявність центрів конденсації. При температурі до −30... −40 °C водяна пара при конденсації переходить у рідку фазу, при температурі нижче −30... −40 °C водяна пара перетворюється відразу на крижані кристали, минаючи рідку фазу. Також важливу роль у формуванні сліду відіграє процес випаровування, що веде до його зникнення.

Існують дві основні причини виникнення умов для конденсації та появи сліду: Перша – підвищення вологості повітря, коли до атмосферного водяного пари додається водяна пара, що міститься у відпрацьованих газах авіаційного двигуна в результаті згоряння палива. Це підвищує точку роси в обмеженому обсязі повітря (за двигунами). Якщо точка роси стає вище температури навколишнього повітря, то в міру остигання відпрацьованих газів надлишкова водяна пара конденсується. Кількість водяної пари, що викидається двигуном, залежить від її потужності та режиму роботи, тобто від витрати палива. Друга причина - зниження тиску і температури повітря над крилом і всередині вихорів, що виникають під час обтікання різних елементів літака. Найінтенсивніші вихори утворюються на законцівках крила та випущених закрилків, а також на кінцях лопатей повітряних гвинтів. Якщо при цьому температура опускається нижче за точку роси — надлишок атмосферної водяної пари конденсується в області над крилом і всередині вихору. Ступінь зниження тиску та температури залежать від таких параметрів, як маса літального апарату, коефіцієнт підйомної сили, величина індуктивного опору та ін. Часто спостерігаються сліди, утворені внаслідок комбінації цих двох причин. Утворенню конденсаційного сліду також сприяють центри конденсації у вигляді частинок не згорілого або повністю згорілого (сажа) палива. Поряд з конденсацією відбувається і зворотний процес - випаровування: частинки сконденсованої водяної пари випаровуються, і слід з часом зникає. На швидкість випаровування впливають вологість навколишнього сліду повітря і агрегатний стан частинок сліду. Чим сухіше повітря, тим швидше відбувається випаровування. Навпаки — випаровування не відбувається у випадку, коли водяна пара перебуває у стані насичення. Сконденсована водяна пара при температурі повітря −30... −40 °C частково, а при температурі нижче −40 °C повністю перетворюється на кристали, випаровування крижаних кристалів відбувається значно повільніше, ніж крапель води.

Таким чином, можливість появи та час існування конденсаційного сліду, так само як і його вид, залежать від вологості та температури атмосферного повітря (за інших рівних умов). При низькій вологості і відносно високій температурі слід може бути зовсім відсутнім, оскільки за таких умов водяна пара не досягає стану перенасичення. Чим вище вологість і нижче температура, тим більше водяної пари конденсується, тим повільніше відбувається випаровування, отже, слід насиченіший і довший. А при відносній вологості близької до 100% і низької температури — конденсується найбільша кількість водяної пари, висока вологість перешкоджає випаровуванню частинок сліду, що тягне за собою утворення конденсаційних слідів, які можуть існувати досить довго, нерідко перетворюючись на перисті або перисто-купчасті хмари. Оскільки водяна пара в атмосфері розподілена нерівномірно, це є причиною такого ж «нерівномірного» сліду.

Конденсаційні сліди утворюються не тільки на великих висотах польоту (звідси й одна з помилкових назв — висотний слід). На льодовому аеродромі Полярної Станції "Скотт Амундсен" (висота 2830 м над рівнем моря), за певних умов (температура повітря мінус 50 градусів і нижче), цей слід утворюється вже на зльоті або при посадці, причому за турбогвинтовими літаками (С-130 " Геркулес» зі складу «Снігового Крила» (ВПС США), що робить непотрібною дискусію про ще одну невірну назву — «реактивний слід».

Конденсаційні сліди досі є демаструвальним фактором для діяльності військової авіації, тому ймовірність їх появи розраховується авіаційними метеорологами за відповідними методиками та екіпажами видаються рекомендації. Зміна висоти польоту в певних межах дозволяє уникнути чи повністю усунути небажаний вплив цього фактора.

Існує і антипод (протилежність) конденсаційному сліду - «зворотний», «негативний» (назви, що дуже рідко зустрічаються), слід, що утворюється при розсіюванні елементів хмарності (кристалів льоду) в межах супутнього сліду за певних умов. Нагадує «звернення кольору» в графічних редакторах комп'ютерних програм, коли блакитне небо є хмарою, а слід — чистим блакитним простором. Виразно спостерігається при шаруватій або куповій хмарності незначної вертикальної потужності та відсутності інших (вищих для Спостерігача з Землі) шарів хмарності, що маскують блакитний фон верхніх шарів атмосфери. Спостерігається не рідше конденсаційних слідів, але, через згадану специфіку, рідше очікуємо і менш ілюстрований у виданнях про хмари та матеріали Любителів спостережень за цими явищами.

Конденсаційний слід не слід плутати із супутнім слідом. Супутній слід - це обурена область повітря, що завжди утворюється за літальним апаратом, що рухається. Проте, конденсаційний слід, взаємодіючи із супутнім слідом, рельєфно виявляє вихрову структуру обуреного повітря.

За заявами кліматологів, конденсаційні сліди впливають на клімат, зменшуючи температуру рахунок того, що вироджуються в перисті хмари, тим самим збільшуючи альбедо Землі.

За матеріалами:

 Відповідь:
Відповідь очевидна – з тієї ж причини, через яку при диханні на морозі з'являється туман або іній. У турбінах літака згоряє вуглеводневе паливо, а одним із продуктів горіння є вода, точніше – її пара, нагріта до високої температури. Гарячі водяні пари, вилітаючи з сопла турбіни, відразу починають конденсуватися, утворюючи ниткоподібну хмару, що складається з дрібних крапельок води або кристаликів льоду, оскільки температура на такій висоті нижче −40 °С. Іноді повітря на висоті буває перенасичене вологою, яка не може конденсуватися лише через відсутність так званих ядер конденсації – найдрібніших частинок, наприклад, пилу. У таких випадках літак, що пролітає, залишаючи за собою частинки сажі - продукт неповного згоряння палива, викликає конденсацію перенасиченої пари атмосфери. Тому за інтенсивністю білого сліду від літака, що летить, можна судити про вологість повітря у верхніх шарах тропосфери, а значить, і про майбутню погоду. Швидко зникаючий або ледь помітний слід говорить про те, що повітря на висоті сухе, а погода буде безхмарною. А якщо білий слід тягнеться через все небо, слід чекати погіршення погоди.
На фотографіях, зроблених з супутників, Земля в багатьох місцях накрита щільною білою сіткою слідів від літаків, що пролетіли (фото з сайту fiz.1september.ru).

Було показано, що в деяких випадках сліди від літака, що летить, перетворюються на хмари площею від 4000 до 40000 квадратних кілометрів, впливаючи на клімат. Тому, наприклад, припинення на три дні польотів над територією США після трагедії 11 вересня 2001 року різко збільшило прозорість атмосфери, і в результаті різниця між середньою денною та нічною температурою виросла на 1 °С. Таким чином, білі сліди від літаків є одним із факторів глобального «затемнення» планети, що протидіє її глобальному потеплінню.

Велика кількість різноманітних журналів, які займаються добіркою та аналізом інформації, що стосується досягнень і проблем авіації, часто акцентують увагу читачів на матеріальні аспекти роботи та будови модернізованих пристроїв, таких як літаки, ракети, гелікоптери та інші літальні апарати. Часто також аналізуються всі явища, що відбуваються з внутрішньою і зовнішньою структурою транспортного засобу під час здійснення польоту. Зазвичай інверсійний слід це відбиває. Багато людей спостерігають за гарними літаками, які у польоті залишають за собою рівну смугу.

Концепція цього явища

Інверсійний слід формується у тропопаузі. На його появу впливають пари води, що зазнають посиленої конденсації. Вони є у продуктах згоряння, оскільки під час згоряння поступово витрачається вуглеводневе паливо. Після виходу назовні та достатнього охолодження яскравий інверсійний слід від літака або іншого летального апарату у повітрі стає помітним.

Є спеціальні авіашоу, які доцільно проводити лише за сонячної погоди. Дані заходи організуються на аеродромах, що мають статус найбільших у світі. У цей час велика кількість глядачів спостерігають за рухом безлічі літаків, що здійснюють цікаві маневри в повітрі. Головною відмінністю таких заходів є залишення яскравого шлейфу від кожного транспортного засобу. Часто роблять так, щоб кожен літак відрізнявся власним кольором шлейфу, що допомагає отримати найбільш яскравий ефект, що запам'ятовується.

На відміну від літаків ракети постійно залишають за собою масивні, навіть часто грізні сліди, які виглядають не тільки масштабно, але й мають насичений колір. Вони випускаються із літаків, що мають бойове призначення. Цю процедуру можна спостерігати не тільки при поході на спеціальні заходи, але і перебуваючи на вулиці або ввімкнувши телевізор на каналі, що цікавить. Тож можна побачити інверсійний слід.

Кінцевий вихор крила

Слід пам'ятати, що літак у польоті залишає за собою обмежену та досить широку область атмосфери, яка стає обуреною, її склад на тривалий час змінюється. Це явище часто називають сплутаним слідом. Зазвичай він виникає під впливом оскільки під час роботи вони здійснюють взаємодію Космосу з навколишнім середовищем. Також у цьому процесі беруть участь кінцеві вихори крил літака.

Якщо порівнювати значно негативний вплив на навколишнє середовище, то першість завжди віддається саме кінцевим вихорам крил. Є безліч умовних позначень сплутаних слідів, проте найчастіше вони малюються на спеціальних схемах на кшталт аркуша з незвичайними краями, кінці яких повністю скручені, тобто можна порівняти з вихорами.

Процес скручування: наукова аргументація

Процес скручування можна легко пояснити науковим чином. Виявляється яскрава різниця тиску між обома сторонами крил літака, тобто на їх верхній та нижній поверхні. Повітря поступово перерозподіляється з нижньої поверхні, тому що на ній спостерігається найбільш підвищений тиск на верхню, щоб залишатися в області з найменшим тиском.

Цей перерозподіл відбувається через кінець кожного крила, через що утворюються потужні і дуже помітні вихори. Має значення сила перепаду тиску, тому що від нього залежить. Саме це значення має сильний вплив на крило. Чим цей вплив сильніший, тим потужнішими і рельєфними утворюються вихори.

Різні марки літаків, що передбачають кінцевий вихор крила

Швидкість потоків повітря іноді змінюється, проте можна приблизно визначити, якщо діаметр вихрового сліду становить близько 8-15 м, слід говорити про значення 150 км/год. Кінцевий вихор може утворюватися по-різному. Цей процес залежить від марки, конфігурації літака. Заслуговують на увагу потужні винищувачі «Міраж 2000» та F-16C, якщо переходять у положення при польоті з високим кутом атаки.

Процес появи кінцевого вихору

Кінцевий вихор візуалізується завдяки спеціальному трассер-генератору, який відповідає за належне представлення димного сліду. Дія даного елемента обумовлено зміною у стані атмосфери, що продовжується досить тривалий час. Потім окружна швидкість руху поступово затихає, тобто візуальний об'єкт втрачається та зникає.

Під дією часу окружна швидкість вихору згасає, через що візуальна картинка змінює контури доти, доки повністю не розчиниться. Відчутна інтенсивність вихору може тривати приблизно дві хвилини після того, як літак пролетів конкретне місце. Такий вихор може значно впливати на режим польоту літака, який потрапив у область атмосфери, обуреної від дії двигуна попереднього транспортного засобу.

Тривале спостереження за кінцевим вихором

Коли вихори піддаються взаємодії між собою, вони повільно опускаються і розходяться, тобто відчутна зміна атмосфері зникає. Інверсійний слід літака є відмінним об'єктом для того, щоб спостерігати за його перетвореннями. Приблизно через 30 - 40 секунд він починає змінювати контури, тому що на нього посилено впливає вихор, який поступово розвивається. Коли перетинаються і інверсійний, і вихровий шари, створюються химерні форми, які можна заздалегідь прорахувати, оскільки процес їх освіти діють різні закономірності.

Кількість смуг та висота інверсійного сліду регулюється кількістю та розташуванням двигунів у системі. При цьому інверсійний слід не тільки ширяє в повітрі, а й постійно видозмінюється, створюючи цікаві контури. Найчастіше спостерігається скручування даного шару під впливом кінцевого вихору. Усі трансформації шару відбивають різноманітні аеродинамічні процеси, які завжди утворюються під час здійснення польоту.

Відривно-вихрові течії

Іноді пілоти змушені виконувати різні атаки, що здійснюються з великим кутом нахилу, що становить понад 20 градусів. У цьому випадку характер обтікання контурів літака на якийсь час значно змінюється. Починають з'являтися відривні області, які переважно фіксуються біля верхньої поверхні крила та фюзеляжу. Вони сильно знижується тиск, тому відразу починається концентрація і примноження атмосферної вологи. Завдяки цьому аспекту спостерігати за скоєнням польоту літака можна без використання трасерів.

Умови появи відривно-вихрового ефекту

Якщо кут атаки дуже великий, навколо літака утворюється значний за величиною ореол з хмари. Коли літак пролітає, ця хмара автоматично перетворюється на вихровий інверсійний слід від літака. Зазвичай у бомбардувальників біля крил утворюються області відриву, через що чітко спостерігається поява вихрового джгута. Такий вигляд має інверсійний слід, фото якого завжди зачаровують.

Гарячі сліди ракет

Іноді доводиться стикатися з такими випадками, коли спостерігається зривна течія в області газоповітряного тракту, що знаходиться в силовій установці ракети. Газовий струмінь, що відходить від відрізняється високою температурою, тому іноді потрапляє в повітрозабірник літака-носія, що трапляється при постановці пристрою на деякі режими.

Стає надто нерівномірним за температурою, тому що піддається впливу газів підвищеної температури, через що повітря, що надходить у двигун, стає зміненим. Утворюється помпаж двигуна, тобто виникає зривна течія в системі. Щоб виявити цей процес, спостерігають за основними камерами згоряння, так як повітряний потік піддається поздовжнім коливанням, проходячи трактом двигуна, а потім відзначається викидом полум'я з даних елементів. Так утворюється інверсійний слід від ракети.

Особливості інверсійного сліду під час проведення випробувань

Часто пуски ракетного озброєння проводять у концепції випробувань. Винятком є ​​бортова апаратура, яка служить для цілей записування та зберігання інформації. Часто літак-фотограф випускається разом із носієм, у своїй здійснюється процес кінозйомки, що дозволяє зафіксувати все явище камеру. Часто можна зустріти такий інверсійний слід від ракети Бук.

Часто здійснюється на відносно невеликих швидкостях, щоби краще зафіксувати весь процес. При цьому нерідко утворюється помпаж двигуна, так як гарячі гази струменями потрапляють у ракетний двигун, що виводить з ладу повітрязабірник. Відразу відзначається викид полум'я, що при виникненні помпажу. Так виражається інверсійний слід FSX.

Через цю подію двигун зупиняється. Дані особливості після дослідження допомогли створити цілу низку різних систем, до завдань яких входить своєчасна діагностика помпажу, вжиття заходів щодо його ліквідації, а також переведення двигуна на оптимальний режим роботи з постійним підтриманням його оптимального стану. Ракетне озброєння у разі розширює сферу застосування, у своїй кожному режимі роботи двигуна дані літальні апарати здатні показувати найбільш стабільний стан.

в повітрі

Проводилися випробування літака "МіГ-29", які полягали у дозаправці палива. При одному з польотів було зафіксовано викид паливної рідини в атмосферу, чому передувала розгерметизація паливного трубопроводу. За допомогою літака-фотографа була зафіксована ця незвичайна ситуація. При цьому певна частина палива потрапила у двигун, що практично миттєво призвело до його зупинки через помпаж.

Крім викиду полум'я, що завжди трапляється при помпажі двигуна, сталося запалення палива, яке йшло повітряним каналом. Після цього полум'я охопило все паливо та вийшло за межі внутрішньої конструкції, проте практично миттєво було знесено зустрічним потоком повітря. Через цю ситуацію виявилося незвичайне явище, яке назвали вогненною кулею. Цей інверсійний слід "Бук" також здатний передати.

Яскравий слід форсажу

Сучасні винищувальні літаки мають двигун, який оснащений регульованими соплами, що класифікуються як надзвукові. Коли підключається форсажний режим роботи, тиск на зрізі сопла значно вищий, ніж цей показник у повітряних мас, що оточують. Якщо аналізувати простір на значній відстані від сопла, тиск поступово вирівнюється. Даний аспект при русі літака призводить до підвищеної продукції газу, що призводить до того, що утворюється яскравий інверсійний слід від літака, що з'являється при русі літального апарату.