航迹云



云是天空中很常见的事物,给我们很多美好的想象,比如神话传说认为云是天上的神仙的交通工具,神仙通勤方式是腾云驾雾。

有时候,我们会看到天上有显得不那么自然的云,比如两道甚至多道白线割裂蔚蓝的天空,场面很是壮观。有时会看到更复杂的形状,比如2019年3月14日北京上空出现白色的圆圈云。

天空中呈现这样的云的历史并不久远,是有了飞机,尤其是有了喷气式飞机之后,才出现的,它们好像是飞机飞过的轨迹,被称为航迹云。



2019年3月14日北京上空出现白色的圆圈云。

那么,航迹云是如何形成的?

要理解航迹云是如何形成的,先要了解下云是如何形成的。大气层里面主要成分当然是空气,除了空气还有水。我们知道水可以有三种状态,气态水即水蒸汽、液态水、固态水即冰。如果大气层中的水蒸汽比较多(专业的说法是湿度大),气温比较低的话,水蒸汽就会变成液态的水滴,甚至会结成冰。大气中的水滴和冰越来越多,多到人能看见的程度,那就是云。

飞机从天上飞过,会发生什么?飞机发动机排出的废气含有大量水蒸气,如果飞机外面的气温很低,湿度合适,飞机排出的水蒸气就会凝结成水滴,形成云,这就是航迹云。飞机要飞到易于水蒸气凝结成水或冰的地方,才会形成航迹云,一般是高度在8000米以上,气温-40℃以下,大气湿度最好在60%左右。

这虽然是天上的事,地面上我们也可以看到类似的现象。有细心的小朋友会注意到,干冷的冬天,刚熄火停车的汽车的排气管上会有水珠,这正是排气管排出的废气里的水蒸气冷凝而成的水珠,这也正是天上的飞机发动机排到大气中的废气发生的事。我们在冬天哈出的白汽也是一样的道理。

按上面的解释,航迹云应该是直的,为什么还会有圆形的航迹云?下面我们慢慢解释。

飞机能飞,必须要有升力,升力来自哪里?机翼下面的气压要比上面的气压高,机翼因此产生升力。气压低也会使大气中的水蒸气凝结成水,形成航迹云,但是这样形成的航迹云不是直线,而是漩涡形状。为什么会是漩涡形状?在机翼上下面间压强差的作用下,下翼面的气流就绕过翼尖流向上翼面,加上飞机本身在向前飞行,这样就形成翻滚的漩涡,叫做翼尖涡流。翼尖涡流形成原理如下图所示:



翼尖涡流形成原理示意图

在飞机跑道上看飞机起降时,如果条件合适,可以看到这种翼尖涡流。如下图所示:



飞机起降时的翼尖涡流

两个机翼附近分别形成的漩涡形航迹云,有可能会逐渐合并在一起,形成一个圆圈。原理类似抽烟吐烟圈。这样就形成了圆形的航迹云。

航迹云是工业和自然联合馈赠给我们的美景。观察航迹云除了给我们美的感受,还有一些实际的用途,比如预报天气。如果航迹云比较细薄,很快消散,这是天气晴好的迹象。如果航迹云非常浓重,弥久不散,可能预示着一场暴雨就要来了。

航迹云除了带来美的一面,还带来了不好的一面。航迹云还会产生温室效应,加剧全球变暖。这方面的研究面临很大的困难,因为不可能把全球的飞机都停飞。所以,这方面要得到有说服力的研究结果,很需要智慧。智慧的小读者,你能不能开开脑洞,设计一个初步的研究方案,在全球民航不停飞的情况下,研究航迹云对气候的影响?

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