Pourquoi les traînées de condensation se forment-elles ?

Brûler un kilogramme de kérosène libère environ 1,25 kg de vapeur d'eau, ainsi que du dioxyde de carbone, de la suie et des composés de soufre. Il sort de la tuyère d'échappement à plusieurs centaines de degrés Celsius, bien trop chaud pour se condenser. Pourtant, en une fraction de seconde, le panache se mélange à l'air ambiant qui, aux altitudes de croisière habituelles de 10 à 12 km, se situe entre −40 °C et −60 °C. Le mélange abaisse la température bien plus vite qu'il ne réduit la teneur en eau, si bien que pendant un bref instant le mélange devient sursaturé. La vapeur d'eau se condense alors sur les particules de suie et, à ces températures, gèle presque immédiatement en cristaux de glace. Une traînée de condensation est une ligne de minuscules cristaux de glace, physiquement identique à un nuage de cirrus.

Que la traînée se forme ou non dépend d'une relation développée dans les années 1940 et 1950 par Ernst Schmidt et Herbert Appleman. Elle combine la proportion d'eau et de chaleur dans l'échappement avec la pression et la température ambiantes. Sous une température seuil, généralement autour de −40 °C mais variable selon l'altitude, l'humidité et l'efficacité du moteur, la ligne de mélange franchit la saturation en eau et une traînée apparaît. Au-dessus de ce seuil, rien de visible ne se forme. Les moteurs modernes à fort taux de dilution sont plus efficaces, laissant donc plus d'énergie du carburant sous forme de poussée et moins sous forme de chaleur dans l'échappement ; de manière contre-intuitive, cela rend les traînées légèrement plus probables, car le panache se refroidit avec relativement plus d'eau à l'intérieur.

La durée de vie d'une traînée dépend de l'air environnant. S'il est sec par rapport à la glace, les cristaux se subliment en quelques secondes et la traînée reste un bref trait blanc derrière l'aéronef. Si l'air est déjà sursaturé par rapport à la glace, ce qui se produit fréquemment dans la troposphère supérieure, les cristaux continuent de croître en absorbant l'humidité ambiante et la traînée peut s'étendre pendant des heures pour former une nappe de cirrus de traînée large de plusieurs kilomètres. Ces traînées persistantes comptent pour le climat : elles piègent le rayonnement infrarouge sortant, et des études du DLR et d'autres suggèrent que leur effet de réchauffement est comparable, voire supérieur, à celui du dioxyde de carbone de l'aviation. Dévier les vols autour des régions sursaturées en glace est actuellement testé comme moyen de le réduire.