Twierdzenie, że smugi kondensacyjne tworzą naturalne chmury, jest równie fałszywe, jak twierdzenie o istnieniu „smug che

590 wyświetleń

Twierdzenie, że smugi kondensacyjne tworzą naturalne chmury, jest równie fałszywe, jak twierdzenie o istnieniu „smug chemicznych”. W ostatnich dekadach ruch lotniczy, a także technologie i właściwości samolotów ewoluowały. Fakt, że samoloty latają dziś wydajniej, wynika z bardziej aerodynamicznych konstrukcji, ale przede wszystkim z ulepszonych silników, dostosowanych paliw i generalnie większych wysokości lotu. Turbiny lotnicze (silniki odrzutowe) działają zgodnie z prostą, ale niezwykle wydajną czterofazową zasadą: wlot, sprężanie, spalanie i wydech: Duży przedni wentylator zasysa ogromne ilości powietrza. Duża część tego powietrza jest kierowana wokół rdzenia jako „przepływ płaszczowy”, generując do 80% ciągu. Pozostałe powietrze dostaje się do wnętrza, gdzie obracające się wirniki sprężają je niezwykle mocno. Samo to ciśnienie podgrzewa powietrze do temperatury sięgającej 700°C. Nafta jest wtryskiwana do sprężonego powietrza i zapalana. Gaz rozpręża się wybuchowo. Gorący gaz przepływa przez turbinę, która z kolei napędza wentylator i sprężarkę. Następnie wystrzeliwuje z dyszy z dużą prędkością, generując ciąg. Maksymalne temperatury spalania wahają się od 1700°C do 2700°C. Nadstopy niklu tracą swoją wytrzymałość lub zaczynają się topić w temperaturach sięgających 1300–1450°C. Aby temu zapobiec, wszystkie elementy turbiny są powlekane, a strumienie chłodniejszego powietrza są kierowane wzdłuż ścianek komory spalania, tworząc ochronną warstwę gazu. Podczas „normalnej” pracy (lotu przelotowego) temperatury w komorze spalania są niższe, ponieważ silniki nie pracują z pełną mocą podczas lotu przelotowego. Chociaż silniki pracują wydajniej w locie przelotowym, temperatura musi pozostać wysoka, aby wytworzyć niezbędny ciąg w rozrzedzonym powietrzu na dużych wysokościach. Sprawność silnika odrzutowego fizycznie wzrasta wraz z różnicą między temperaturą wlotową a temperaturą spalania. Nowoczesne silniki regulują dopływ paliwa tak, aby pracowały tuż poniżej granicy zużycia łopatek turbiny, co pozwala na osiągnięcie maksymalnych oszczędności paliwa. W nowoczesnych samolotach komercyjnych nafta spala się prawie całkowicie. Inżynierowie zoptymalizowali komory spalania tak, aby energia chemiczna paliwa była wykorzystywana niezwykle efektywnie. Sprawność spalania nowoczesnych silników wynosi prawie 100% podczas startu. Jednak wartość ta spada do około 98% podczas lotu przelotowego. Klasyczny jumbo jet (Boeing 747) spala około 10 000 do 11 000 kg nafty na godzinę, co odpowiada około czterem litrom na sekundę. Głównymi produktami spalania nafty w silniku są dwutlenek węgla (CO₂) i para wodna. Podczas spalania 1 kg nafty powstaje około 1,25 kg pary wodnej. Taka sama ilość nafty (1 kg) wytwarza około 3,15 do 3,16 kg CO₂. Po spaleniu mieszanka spalin składa się głównie z substancji, które były już obecne w powietrzu lub powstają podczas spalania. Pomimo wysokiej wydajności, pozostają pozostałości takie jak dwutlenek węgla, para wodna, tlenki azotu, tlenek węgla, niespalone węglowodory, tlenki siarki, związki śladowe, pozostałości dodatków i sadza (cząstki stałe). Pozostałości te, zwłaszcza sadza, są odpowiedzialne za powstawanie smug kondensacyjnych, ponieważ działają jak zarodki kryształków lodu (smugi kondensacyjne). Składniki innych spalin również są związane z powierzchnią cząstek sadzy. W spalinach nafty cząstki, głównie sadza, są niezwykle małe. Jest to zjawisko z zakresu „nanotechnologii”. Przy wysokich prędkościach obrotowych silnika te nanocząstki działają jak miniaturowa piaskarka (erozja). Rozmiar cząstek w znacznym stopniu decyduje o tym, czy i jak stabilna będzie smuga kondensacyjna. Ma tu zastosowanie zasada heterogenicznego powstawania zarodków. Im mniejsze cząstki, tym więcej ich powstaje z tej samej masy sadzy. Większa liczba nanocząstek prowadzi do większej liczby mniejszych kryształków lodu. Sprawia to, że smugi kondensacyjne wydają się gęstsze i utrzymują się dłużej! Poniżej przedstawiono najważniejszy czynnik wyjaśniający, dlaczego dzisiejsze smugi kondensacyjne znacznie różnią się od tych z przeszłości. W przeszłości (do około lat 70. XX wieku) cząsteczki sadzy były często znacznie większe i występowały w tak wysokich stężeniach, że były widoczne gołym okiem jako czarne kłęby dymu za odlatującymi samolotami (takimi jak wczesny Boeing 707). Zmiana wielkości i ilości cząstek jest wynikiem postępu technologicznego: Starsze silniki charakteryzowały się mniej wydajnym spalaniem. Paliwo było niecałkowicie spalane, co prowadziło do tworzenia się dużych aglomeratów sadzy. Cząsteczki te miały często rozmiary mikrometrów (PM10 lub PM2,5) i tworzyły gęsty, czarny dym. Współczesne silniki spalają naftę niemal całkowicie dzięki ekstremalnie wysokim temperaturom i zoptymalizowanym układom wtryskowym. W rezultacie powstają bardzo małe cząsteczki. Zamiast tego obecnie emitowane są głównie ultradrobne cząstki (UFP) o wielkości od 10 do 100 nanometrów. Efekt ten jest często określany mianem „paradoksu nanocząstek”.