Perché si formano le scie di condensazione?

La combustione di un chilogrammo di cherosene rilascia circa 1,25 kg di vapore acqueo, insieme a diossido di carbonio, fuliggine e composti di zolfo. Esce dall'ugello di scarico a diverse centinaia di gradi Celsius, troppo caldo per condensare. Tuttavia, in un istante minuscolo, la nuvola di scarico si mescola con l'aria circostante, che alle tipiche quote di crociera tra 10 e 12 km si trova tra −40 °C e −60 °C. Questo mescolamento abbassa la temperatura molto più rapidamente di quanto abbassi il contenuto di acqua, così che la miscela diventa sovrasaturata per un breve istante. Il vapore acqueo condensa quindi sulle particelle di fuliggine e, a queste temperature, gela quasi immediatamente in cristalli di ghiaccio. Una scia di condensazione, contrail in breve, è una linea di minuscoli cristalli di ghiaccio, fisicamente la stessa cosa di una nube cirro.

Se si forma o no una scia è determinato da una relazione sviluppata negli anni '40 e '50 da Ernst Schmidt e Herbert Appleman. Essa collega il rapporto tra acqua e calore nello scarico con la pressione e la temperatura ambientali. Sotto una temperatura soglia, tipicamente intorno ai −40 °C, che però varia in base a quota, umidità ed efficienza del motore, la linea di miscelazione incrocia la saturazione dell'acqua e appare una scia. Sopra quella soglia, non si forma nulla di visibile. I motori moderni ad alto rapporto di diluizione sono più efficienti, convertendo quindi più energia del carburante in spinta e meno in calore nello scarico; controintuitivamente, questo rende le scie di condensazione un po' più probabili, perché la nuvola di scarico si raffredda con relativamente più acqua.

La durata di una scia di condensazione dipende dall'aria circostante. Se è relativamente secca rispetto al ghiaccio, i cristalli sublimano in pochi secondi e la scia è solo un breve tratto bianco dietro l'aereo. Se l'aria è già sovrasaturata rispetto al ghiaccio, cosa comune nella troposfera superiore, i cristalli continuano a crescere assorbendo l'umidità circostante, e la scia può espandersi nel corso di ore in uno strato di cirri da scia di condensazione largo diversi chilometri. Queste scie persistenti sono rilevanti per il clima: intrappolano la radiazione infrarossa uscente, e studi del DLR e di altri suggeriscono che il loro effetto di riscaldamento sia paragonabile o superiore a quello della CO2 dell'aviazione. Deviare i voli attorno alle regioni sovrasature di ghiaccio è attualmente testato come modo per ridurre questo effetto.