Le scie di condensazione o scie di vapore – in inglese contrails e talvolta additate per errore come “scie chimiche” – sono nuvole artificiali prodotte dal raffreddamento del vapore contenuto nei gas di scarico degli aeromobili a reazione in volo a quote di crociera, intorno ai 10.000 metri, che in condizioni opportune e prevedibili brinano formando minuscoli cristalli di ghiaccio attorno al particolato espulso dai motori. Ecco una sorta di “guida” che vi permetterà di sapere se e quando si potranno formare scie di questo tipo nel cielo e per quanto tempo potranno restare visibili.
Come si formano le scie di condensazione degli aerei
L’aria espulsa dalle turbine dell’aereo contiene vapore, che si aggiunge a quello già presente in atmosfera: uscendo, essa si espande raffreddandosi ulteriormente, favorendo il brinamento (passaggio di stato diretto delle molecole d’acqua da gassose a solide, date le temperature estremamente basse a quelle quote atmosferiche) del vapore acqueo in minutissimi cristalli di ghiaccio intorno alle microscopiche particelle solide di varie sostanze presenti negli scarichi degli aerei: monossido e biossido di carbonio, ossidi di azoto, idrocarburi, solfati, particolato, come normale prodotto delle combustioni, che agiscono da nuclei igroscopici di condensazione, fondamentali per formare qualsiasi tipo di nube, naturale o artificiale che sia.
Dunque, la scia lasciata dagli aerei è a tutti gli effetti una vera e propria nube, assimilabile ai cirri (un genere appartenente alla famiglia delle nubi alte), sia per la quota di formazione sia per la composizione. La quota di formazione, infatti, è quella compresa tra gli 8000 e i 13.000 metri, mentre la composizione è in prevalenza data da cristalli di ghiaccio.
A seconda delle condizioni termodinamiche in cui si trovano, le scie possono essere più o meno persistenti e cambiare forma. La loro formazione ed eventuale persistenza dipendono essenzialmente da due fattori meteorologici: la temperatura e l’umidità della porzione di atmosfera attraversata dall’aereo.
Come prevedere le scie di condensazione
Il primo che si è preso la briga di studiare il fenomeno, cercando di capire quali fossero gli ingredienti che, messi insieme, consentano la formazione delle scie di condensazione, è stato lo scienziato H. Appleman il quale, nel 1959 al termine dei suoi studi, ha realizzato un grafico divenuto famoso tra gli addetti ai lavori, utilizzabile sia per fare previsioni che per effettuare verifiche a posteriori.
Per usarlo occorre conoscere la temperatura e l’umidità relativa alla quota dell’aereo. Tale quota può essere ottenuta, ad esempio, attraverso un utilissimo servizio disponibile on line: si chiama Flightradar24. In tempo reale è possibile conoscere i vari voli con tutti i dati (rotta, quota, velocità di volo, etc.). I dati meteorologici, invece, possono essere ricavati dai radiosondaggi effettuati dai palloni sonda o previsti dai modelli fisico-matematici, anch’essi facilmente reperibili in rete.
Soffermiamoci sul grafico di Appleman qui sopra: osserviamo la linea dello 0% e quella del 100% di umidità relativa (che da questo momento in poi chiameremo RH). Se l'atmosfera è più fredda rispetto alla temperatura indicata dalla linea dello 0 %, la scia di condensazione si forma anche se RH = 0. In questo caso l'aereo fornisce da solo abbastanza umidità per produrre la scia di condensazione e non serve ulteriore vapore per formare la nube. Quindi a sinistra della linea 0% abbiamo sempre le scie (always contrails). Se invece l'atmosfera è più calda della temperatura indicata dalla linea del 100%, la scia di condensazione non può formarsi in nessun caso (no contrails). Quando la temperatura è compresa tra le linee dello 0% e del 100% la scia di condensazione può formarsi oppure no (maybe contrails). Chiaramente, con una umidità relativa pari ad esempio al 60% è sufficiente un'aria meno fredda per formare le scie, rispetto a quando si ha una RH più bassa.
La durata delle scie di condensazione
Alcune scie di condensazione sono brevi e durano pochissimo, altre invece sono molto lunghe (possono durare anche più di 18 ore) e continuano a crescere per molto tempo espandendosi, dopo il passaggio dell'aereo. Un po’ come la nuvoletta che si forma quando respiriamo durante l'inverno: può essere più o meno evidente, ma in genere dura pochissimo. Essa dipende dal contenuto di vapore acqueo nell’atmosfera e, dunque, dall'umidità relativa. A bassissime temperature e con atmosfera rarefatta, a diversi km di quota, le nubi di ghiaccio (tra cui le scie di condensazione) sono in grado di formarsi e persistere anche con umidità inferiore al 100%.
La linea rossa nel grafico di Appleman mostra proprio con quale umidità le scie possono persistere (di solito oltre il 60/70 % di RH). È importante sapere che, in alta troposfera, a causa della maggiore purezza e rarefazione dell'aria, può esservi acqua sopraffusa, ovvero acqua che, in certe condizioni, rimane liquida con temperatura ambientale sotto lo zero. Ma, sotto i –40 °C congela in ogni caso. Ecco perché al di sotto di una certa temperatura, anche se non siamo in condizioni di saturazione (ovvero con un RH = 100 %) la scia si forma ugualmente.
Come sappiamo, l'acqua può passare direttamente dallo stato di vapore a quello solido e viceversa (rispettivamente attraverso il brinamento e la sublimazione). In questo caso la saturazione rispetto al ghiaccio si ha con valori di RH inferiori al 100%.
Il grafico qui sopra (figura 2) ci mostra due linee di demarcazione: al di sopra di quella nera continua vi è più vapore di quello che l’aria stessa può contenere e che quindi andrà a solidificare (formando i cristalli di ghiaccio di cui sono fatte le scie). Per esempio, a –50 °C ciò accade per valori di RH > 60%.
In generale, il tipo di scia dipenderà da dove ci troviamo rispetto a quelle due linee nella figura qui sopra. Sintetizzando al massimo possiamo concludere dicendo che:
- sotto la linea tratteggiata abbiamo scie assenti o di breve durata (non più di 2 o 3 minuti. Se l'aria è particolarmente secca (RH < 10%) pochi secondi);
- in prossimità della linea tratteggiata (ma sempre sotto) le scie tenderanno a persistere un po' di più (tanto più quanto più l'aria è fredda);
- tra la linea tratteggiata e quella continua le scie tenderanno a persistere: in particolare la scia di ghiaccio secondaria (in genere una scia di condensazione è una doppia scia);
- sopra la linea continua: persistenza anche di diverse ore ed espansione/dispersione molto probabile e significativa con formazione di cirri.
Dunque quelle che vediamo uscire dai motori degli aerei non cose strane? Assolutamente no, sono semplicemente le leggi della fisica dell'atmosfera in azione, che prendono forma attraverso la genesi di queste particolari nubi artificiali. Perfettamente normale.
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