Por que se formam os rastros de condensação?

A queima de um quilograma de querosene libera cerca de 1,25 kg de vapor de água, junto com dióxido de carbono, fuligem e compostos de enxofre. Ele sai do bocal de escape a várias centenas de graus Celsius, muito quente para condensar. Porém, em um instante minúsculo, a nuvem de escape se mistura com o ar ambiente, que nas altitudes de cruzeiro típicas de 10 a 12 km fica entre −40 °C e −60 °C. Essa mistura reduz a temperatura muito mais rápido do que reduz o teor de água, de modo que a mistura fica supersaturada por um breve momento. O vapor de água então condensa sobre as partículas de fuligem e, nessas temperaturas, congela quase instantaneamente em cristais de gelo. Um rastro de condensação, ou contrail, é uma linha de minúsculos cristais de gelo, fisicamente o mesmo que uma nuvem cirrus.

Se um rastro chega a se formar é determinado por uma relação desenvolvida nas décadas de 1940 e 1950 por Ernst Schmidt e Herbert Appleman. Ela relaciona a razão entre água e calor no escape com a pressão e a temperatura ambientes. Abaixo de uma temperatura limite, normalmente em torno de −40 °C, mas que varia conforme a altitude, a umidade e a eficiência do motor, a linha de mistura cruza a saturação de água e um rastro aparece. Acima disso, nada visível se forma. Motores modernos de alta taxa de diluição são mais eficientes, convertendo mais da energia do combustível em empuxo e menos em calor no escape; contraintuitivamente, isso torna os rastros de condensação um pouco mais prováveis, já que a nuvem de escape se resfria com relativamente mais água.

A vida útil de um rastro de condensação depende do ar ao redor. Se estiver relativamente seco em relação ao gelo, os cristais sublimam em segundos, e o rastro é apenas um traço branco curto por trás do avião. Se o ar já estiver supersaturado em relação ao gelo, o que é comum na troposfera superior, os cristais continuam crescendo ao absorver a umidade ambiente, e o rastro pode se espalhar ao longo de horas em uma camada de cirros de rastro de condensação com vários quilômetros de largura. Esses rastros persistentes são relevantes para o clima: eles retêm a radiação infravermelha que sai, e estudos do DLR e de outros sugerem que seu efeito de aquecimento é comparável ou maior do que o do dióxido de carbono da aviação. Desviar voos de regiões supersaturadas em gelo está sendo testado atualmente como forma de reduzir esse efeito.