Traînée de condensation

Les traînées de condensation ( / ˈ k ɒ n t r eɪ l z / ; abréviation de « traînées de condensation ») ou traînées de vapeur sont des nuages ​​en forme de ligne produits par les gaz d'échappement des moteurs d'avion ou par des changements de pression atmosphérique, généralement à des altitudes de croisière des avions à plusieurs kilomètres/miles au-dessus de la surface de la Terre. Elles sont principalement composées d'eau, sous forme de cristaux de glace. La combinaison de la vapeur d'eau dans les gaz d'échappement des moteurs d'avion et des basses températures ambiantes à haute altitude provoque la formation de traînées. Les impuretés présentes dans les gaz d'échappement des moteurs provenant du carburant, notamment les composés de suie et de soufre (0,05 % en poids dans le carburéacteur) fournissent certaines des particules qui servent de noyaux de condensation des nuages ​​pour la croissance des gouttelettes d'eau dans les gaz d'échappement. Si des gouttelettes d'eau se forment, elles peuvent geler pour former des particules de glace qui composent une traînée de condensation. Leur formation peut également être déclenchée par des changements de pression atmosphérique dans les tourbillons d'extrémité d'aile , ou dans l'air sur toute la surface de l'aile. Les traînées de condensation et d'autres nuages ​​causés directement par l'activité humaine sont appelés homogenitus .

Selon la température et l'humidité à l'altitude où les traînées se forment, elles peuvent être visibles pendant quelques secondes ou minutes seulement, ou persister pendant des heures et s'étendre sur plusieurs kilomètres/miles de large, ressemblant finalement à des cirrus ou des altocumulus naturels . Les traînées persistantes intéressent particulièrement les scientifiques car elles augmentent la nébulosité de l'atmosphère. Les formes nuageuses qui en résultent sont formellement décrites comme homomutatus , et peuvent ressembler à des cirrus, des cirrocumulus ou des cirrostratus, et sont parfois appelées cirrus aviaticus . Certaines traînées persistantes qui s'étendent contribuent au changement climatique .

Les gaz d'échappement des moteurs sont principalement constitués d'eau et de dioxyde de carbone, les produits de combustion des hydrocarbures. De nombreux autres sous-produits chimiques de la combustion incomplète des hydrocarbures, notamment des composés organiques volatils , des gaz inorganiques , des hydrocarbures aromatiques polycycliques , des composés organiques oxygénés , des alcools , de l'ozone et des particules de suie ont été observés à des concentrations plus faibles. La qualité exacte dépend du type de moteur et de la fonction de base du moteur à combustion, jusqu'à 30 % des gaz d'échappement des avions étant du carburant non brûlé. (Des particules métalliques de la taille d'un micron résultant de l'usure du moteur ont également été détectées. ) À haute altitude, lorsque cette vapeur d'eau émerge dans un environnement froid, l'augmentation localisée de la vapeur d'eau peut augmenter l' humidité relative de l'air au-delà du point de saturation . La vapeur se condense ensuite en minuscules gouttelettes d'eau qui gèlent si la température est suffisamment basse. Ces millions de minuscules gouttelettes d'eau et/ou de cristaux de glace forment les traînées de condensation. Le temps nécessaire à la vapeur pour refroidir suffisamment pour se condenser explique la formation de la traînée de condensation à une certaine distance derrière l'avion. À haute altitude, la vapeur d'eau surfondue nécessite un déclencheur pour favoriser le dépôt ou la condensation. Les particules d'échappement dans les gaz d'échappement de l'avion agissent comme déclencheur, provoquant la condensation rapide de la vapeur emprisonnée. Les traînées d'échappement se forment généralement à haute altitude, généralement au-dessus de 8 000 m (26 000 pieds), où la température de l'air est inférieure à −36,5 °C (−34 °F ). Elles peuvent également se former plus près du sol lorsque l'air est froid et humide.

Une étude réalisée en 2013-2014, financée conjointement par la NASA, le centre aérospatial allemand DLR et le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), a déterminé que les biocarburants pouvaient réduire la production de traînées de condensation. Cette réduction a été expliquée par la démonstration que les biocarburants produisent moins de particules de suie, qui sont les noyaux autour desquels se forment les cristaux de glace. Les tests ont été réalisés en faisant voler un DC-8 à une altitude de croisière avec un avion de collecte d'échantillons volant dans le sillage. Dans ces échantillons, le nombre de particules de suie produisant des traînées de condensation a été réduit de 50 à 70 pour cent, en utilisant un mélange à 50 % de carburant Jet A1 classique et de biocarburant HEFA (esters et acides gras hydrotraités) produit à partir de cameline .

Lorsqu'une aile génère de la portance , elle provoque la formation d'un tourbillon à l'extrémité de l'aile et à l'extrémité du volet lorsqu'il est déployé (les extrémités des ailes et les limites des volets représentent des discontinuités dans le flux d'air). Ces tourbillons d'extrémité d'aile persistent dans l'atmosphère longtemps après le passage de l'avion. La réduction de pression et de température à travers chaque tourbillon peut provoquer la condensation de l'eau et rendre visibles les noyaux des tourbillons d'extrémité d'aile ; cet effet est plus fréquent les jours humides. Les tourbillons d'extrémité d'aile peuvent parfois être observés derrière les volets d'aile des avions de ligne pendant le décollage et l'atterrissage, et pendant les atterrissages de la navette spatiale .

Les noyaux visibles des tourbillons d'extrémité d'aile contrastent avec les autres principaux types de traînées de condensation qui sont causées par la combustion du carburant. Les traînées produites par les gaz d'échappement des réacteurs sont visibles à haute altitude, directement derrière chaque moteur. En revanche, les noyaux visibles des tourbillons d'extrémité d'aile ne sont généralement visibles qu'à basse altitude, lorsque l'avion se déplace lentement après le décollage ou avant l'atterrissage, et lorsque l'humidité ambiante est plus élevée ; ils traînent derrière les extrémités des ailes et les volets plutôt que derrière les moteurs.

À des vitesses de poussée élevées, les pales du ventilateur d'admission d' air d'un turboréacteur atteignent des vitesses transsoniques , provoquant une chute soudaine de la pression d'air. Cela crée un brouillard de condensation (à l'intérieur de l'admission) souvent observé par les passagers aériens au décollage.

Les extrémités des surfaces rotatives (telles que les hélices et les rotors ) produisent parfois des traînées de condensation visibles.

Dans les armes à feu, une traînée de vapeur est parfois observée lors de tirs dans de rares conditions, en raison de la condensation induite par les changements de pression de l'air autour de la balle. Une traînée de vapeur d'une balle est observable depuis n'importe quelle direction. La traînée de vapeur ne doit pas être confondue avec la trace de balle, un effet de réfraction dû aux changements de pression de l'air pendant le déplacement de la balle, ce qui est un phénomène beaucoup plus courant (et qui n'est généralement observable que directement depuis l'arrière du tireur).

On considère que la plus grande contribution de l'aviation au changement climatique provient des traînées de condensation. En général, les traînées de condensation des avions piègent le rayonnement à ondes longues émis par la Terre et l'atmosphère plus qu'elles ne réfléchissent le rayonnement solaire entrant , ce qui entraîne une augmentation nette du forçage radiatif . En 1992, cet effet de réchauffement a été estimé entre 3,5 mW/m ² et 17 mW/m ² . En 2009, sa valeur de 2005 a été estimée à 12 mW/m ² , sur la base des données de réanalyse , des modèles climatiques et des codes de transfert radiatif ; avec une plage d'incertitude de 5 à 26 mW/m ² , et avec un faible niveau de compréhension scientifique.

Français Les cirrus de traînée de condensation pourraient être la plus grande composante de forçage radiatif du trafic aérien, plus importante que tout le CO ₂ accumulé par l'aviation, et pourraient tripler par rapport à une base de référence de 2006 pour atteindre 160-180 mW/m ² d'ici 2050 sans intervention. À titre de comparaison, le forçage radiatif total dû aux activités humaines s'élevait à 2,72 W/m ² (avec une fourchette entre 1,96 et 3,48 W/m ² ) en 2019, et l'augmentation de 2011 à 2019 s'élevait à elle seule à 0,34 W/m ² . Les effets des traînées de condensation diffèrent beaucoup selon le moment où elles se forment, car elles diminuent la température diurne et augmentent la température nocturne, réduisant ainsi leur différence. En 2006, on estimait que les vols de nuit contribuaient à hauteur de 60 à 80 % au forçage radiatif des traînées de condensation, tout en représentant 25 % du trafic aérien quotidien, et que les vols d’hiver contribuaient à hauteur de la moitié au forçage radiatif moyen annuel, tout en représentant 22 % du trafic aérien annuel.

À partir des années 1990, on a suggéré que les traînées de condensation pendant la journée avaient un fort effet de refroidissement, et que, combinées au réchauffement dû aux vols de nuit, cela conduirait à une variation substantielle de la température diurne (la différence entre les maximales et minimales de la journée à une station fixe). Lorsqu'aucun avion commercial n'a survolé les États-Unis après les attentats du 11 septembre , la variation de température diurne s'est élargie de 1,1 °C (2,0 °F). [ Mesurée sur 4 000 stations météorologiques aux États-Unis continentaux, cette augmentation a été la plus importante enregistrée en 30 ans. Sans traînées de condensation, la plage de température diurne locale était de 1 °C (1,8 °F) plus élevée qu'immédiatement avant. Dans le sud des États-Unis, la différence a diminué d'environ 3,3 °C (6 °F) et de 2,8 °C (5 °F) dans le Midwest américain. Cependant, des études de suivi ont montré qu'un changement naturel de la couverture nuageuse peut plus qu'expliquer ces résultats. Les auteurs d'une étude de 2008 ont écrit : « Les variations de la couverture nuageuse élevée, y compris les traînées de condensation et les cirrus induits par les traînées de condensation, contribuent faiblement aux changements de la plage de température diurne, qui est principalement régie par les nuages ​​de basse altitude, les vents et l'humidité. »

En 2011, une étude des relevés météorologiques britanniques effectués pendant la Seconde Guerre mondiale a identifié un événement où la température était de 0,8 °C (1,4 °F) supérieure à la moyenne du jour à proximité des bases aériennes utilisées par les bombardiers stratégiques de l'USAAF après avoir volé en formation. Cependant, ses auteurs ont averti qu'il s'agissait d'un événement unique, ce qui rendait difficile d'en tirer des conclusions définitives. Ensuite, la réponse mondiale à la pandémie de coronavirus de 2020 a conduit à une réduction du trafic aérien mondial de près de 70 % par rapport à 2019. Ainsi, elle a fourni une opportunité prolongée d'étudier l'impact des traînées de condensation sur la température régionale et mondiale. De nombreuses études n'ont trouvé « aucune réponse significative de la plage de température de l'air en surface diurne » en raison des changements de traînées de condensation, et soit « aucun ERF global significatif net » ( forçage radiatif effectif ) soit un très faible effet de réchauffement.

Un projet de l'UE lancé en 2020 vise à évaluer la faisabilité de la minimisation des effets des traînées de condensation par les choix opérationnels lors de l'élaboration des plans de vol. D'autres projets similaires incluent ContrailNet d'Eurocontrol, Reviate, et le projet Ciconia, ainsi que le « projet contrails » de Google.

Une traînée de condensation provenant d'un avion volant vers l'observateur peut sembler être générée par un objet se déplaçant verticalement. Le 8 novembre 2010, dans l'État américain de Californie , une traînée de condensation de ce type a attiré l'attention des médias comme étant un « missile mystérieux » qui ne pouvait pas être expliqué par les autorités militaires et aéronautiques américaines, et son explication comme une traînée de condensation a pris plus de 24 heures pour être acceptée par les médias et les institutions militaires américaines.

Lorsqu'un avion traverse un nuage, il peut disperser le nuage sur son passage. C'est ce qu'on appelle une traînée de dissipation (abréviation de « dissipation trail »). L'échappement chaud du moteur de l'avion et le mélange vertical accru dans le sillage de l'avion peuvent provoquer l'évaporation des gouttelettes de nuages ​​existantes. Si le nuage est suffisamment fin, de tels processus peuvent produire un couloir sans nuage dans une couche nuageuse par ailleurs solide. Une première observation par satellite de traînées de dissipation qui étaient très probablement des trous allongés, provoqués par des avions, est apparue dans Corfidi et Brandli (1986).

Les nuages ​​se forment lorsque de la vapeur d'eau invisible se condense en gouttelettes d'eau microscopiques ou en cristaux de glace microscopiques. Cela peut se produire lorsque l'air contenant une forte proportion d'eau gazeuse se refroidit. Une traînée se forme lorsque la chaleur des gaz d'échappement du moteur évapore les gouttelettes d'eau liquide d'un nuage, les transformant à nouveau en vapeur d'eau gazeuse invisible. Les traînées peuvent également survenir à la suite d'un mélange (entraînement) accru d'air plus sec immédiatement au-dessus ou au-dessous d'une fine couche nuageuse après le passage d'un avion à travers le nuage, comme le montre la deuxième image ci-dessous :