Что ты видишь, глядя в голубое небо погожим днём?
Если ты получил эту заметку не в письме, принесённом стремительными ездовыми собаками сквозь снежное море, то скорее всего ты живёшь либо вблизи авиационного маршрута, либо вообще рядом с аэродромом, а значит, ты видишь в небе белые следы пассажирских самолётов. Но почему? Откуда они берутся? По какой магии они появляются в паре метров за двигателем? Почему не исчезают? Зачем мировое правительство распыляет нановирусы?
Начнём с того, как эти следы вообще появляются. Реактивный двигатель самолёта всасывает в себя воздух в товарных объёмах, сжимает, впрыскивает в него самую малость керосина, поджигает и выбрасывает с большой скоростью с обратной стороны. При этом на килограмм воздуха впрыскивается меньше десяти грамм горючего. Казалось бы, откуда столько дыма? А дыма там почти нет. Дело в том, что керосин состоит из большого числа углеводородов, которые, как несложно догадаться, состоят из углерода и водорода в схожих количествах. При сгорании углеводороды распадаются, реагируя с атмосферным кислородом. От углерода появляются углекислый газ и сажа, водород производит самую обычную воду, которая при температурах внутри двигателя, естественно, остаётся в виде пара. Водяной пар от сгорания керосина добавляется к атмосферной влаге, вылетает из двигателя и быстро остывает: не забываем, температура за бортом -50 по Цельсию. Речь идёт о плямоненьком количестве пара – вырабатывается меньше одного килограмма пара за секунду полёта. Но иногда оказывается, что именно столько не хватало атмосфере, чтобы перелезть за точку росы и создать облако. Процесс подталкивается частичками сажи, которые выступают центрами конденсации и собирают воду на себя. И тут же вода обращается в кристаллики льда, сияющие в свете Солнца на высоте в десять тысяч метров.
Здесь самое время посмотреть на первую картинку. От сгорания топлива до появления первого льда проходит меньше секунды. Почему воздух успевает остыть так быстро, ведь он буквально только что вырвался из жара камеры сгорания? Во-первых, у газа тут же отбирают часть энергии с помощью турбины на поддержание работы двигателя и на нужды энергосистемы самолёта. А во-вторых, тут срабатывает другой эффект, в этот раз из области устойчивости течений.
Реактивная струя имеет сверхзвуковую скорость и быстро движется относительно внешнего воздуха. Образуется две области газа с разной скоростью. Этого оказывается достаточно, чтобы граница струи оказалась неустойчива: на ней появляются небольшие волны. Но волны быстро растут, опрокидываются наподобие волн прибоя и крайне эффективно перемешивают струю с окружающим холодным воздухом. Это явление называется неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца и крайне рекомендуется к гуглению в разделе «картинки», а пока мои слова подтвердит картинка номер два с научным расчётом струи пассажирского самолёта. На ней цветом показана скорость реактивной струи. Видно, что струя мгновенно лишается чётких границ и скорости, перемешиваясь с окружающим воздухом почти сразу за самолётом.
Внезапно, но эти линии изо льда — они называются конденсационными следами – влияют на климат. Тут опять работают два фактора. Очевидный фактор — выбросы продуктов горения. По уровню выбросов авиация это капля в море по сравнению с промышленностью и прочими дымилками. Но на высотах полёта самолёта наличествует полное отсутствие всяческих дождей, осаждающих вредную химию на грунт, поэтому газы потихоньку, полегоньку да накапливаются в атмосфере, в долгосрочной перспективе влияя на её состав и убивая полярных медведей (и не убивая свидетелей химтрейлов, да). Другой фактор положительный. Дополнительные искусственные облака рассеивают и отражают солнечный свет, всё-таки немножечко помогая бедным медведям. Целые диссертации пишутся на построении моделей конденсационных следов и оценке их влияния на климат, но в среднем вред сильно перевешивает, так что тебе должно быть стыдно летать самолётом, %username%. Летай на крафтовой метле.
Но не конденсатом единым богат мир линий на небе. Внимательный читатель может посмотреть на фотографию Шаттла (картинка 3) и задаться вопросом, почему при одинаковых условиях боковые двигатели оставляют за собой красивый, жирный след, а за главными двигателями дай Боже разглядеть исчезающую дымку? Эти следы имеют иную природу, и появляются уже не от конденсации влаги, а непосредственно из-за большого количества реактивных газов и сажи. Такие следы очень характерны для твердотопливных двигателей и появляются даже на малых высотах, поэтому если за низколетящей ракетой ты видишь длинный ажурный след, то это сто процентов твердотопливный агрегат. Кстати, на записях стартов космических ракет можно поймать момент, когда образуются условия для конденсации пара описанным выше способом — просто внезапно за ракетой появляется белый столб, как по выключателю.
Есть ещё пара механизмов появления тумана возле летательного, но эффект от них быстро исчезает. Очень разрекламирован эффект Прандтля-Глауэрта (картинка 4), вызванный хитрым взаимодействием ударных волн и заторможенного вязкостью газа около тел на околозвуковых скоростях. И Прандтль и Глауэрт задорно вращаются в гробу каждый раз, когда кто-то называет это явление инверсионным следом. На больших углах атаки с законцовок крыла или его механизации (рисунок 5) сходят сильные вихри, на оси у которых падает давление и температура. Необходимо помнить, что всё это — разные эффекты абсолютно разной природы.
