È davvero stupefacente che già 50 anni fa fosse emerso che le scie degli aerei potevano avere un impatto sul tempo e forse anche sul clima. All’epoca, la meteorologia era una scienza in rapido sviluppo, ma non disponeva ancora di molti strumenti moderni (satelliti, modellazione numerica avanzata, ecc.). Murcray, l’autore dello studio qui presentato, era un ricercatore associato presso l’Istituto di Geofisica dell’Università dell’Alaska a College (oggi Fairbanks) e lavorava nel campo della ricerca atmosferica. La sua ricerca, pubblicata nel 1970 sulla rivista Monthly Weather Review con il titolo “On the Possibility of Weather Modification by Aircraft Contrails”, è uno studio pionieristico che ha indagato i possibili effetti delle scie degli aerei sulla modificazione del tempo.Ed è quantomeno sorprendente, se si pensa che in seguito il trasporto aereo è stato enormemente sovvenzionato grazie ai voli low-cost, senza che si discutesse delle conseguenze di questa massiccia inseminazione atmosferica. Non solo: nel frattempo è stato introdotto in tutto il mondo il “CARBURANTE UNICO NATO”, che ha favorito gli “effetti collaterali”. Tuttavia, il traffico aereo scomparve dalle statistiche ufficiali sull’inquinamento atmosferico, il che probabilmente aveva le sue ragioni.
OTTOBRE 1970: SULLA POSSIBILITÀ DI MODIFICA DEL METEO DA PARTE DELLE SCIE DEGLI AEREI
WALLACE B. MURCRAY
Geophysical Institute, University of Alaska, College, Alaska
Riassunto
Il possibile effetto delle scie di condensazione sulla modifica del meteo viene riconsiderato alla luce delle informazioni ottenute da scie di condensazione a livello del suolo in Alaska. Sembra probabile che l’inseminazione involontaria delle nuvole da parte degli aerei a reazione possa essere dello stesso ordine di grandezza di quella ottenuta nelle operazioni commerciali di inseminazione delle nuvole. Sono necessarie ulteriori indagini; ma nel frattempo, la possibilità di contaminazione da scie di condensazione dovrebbe essere tenuta presente quando si valutano i risultati delle operazioni di inseminazione.
1. INTRODUZIONE
Le scie di condensazione degli aerei attirarono per la prima volta l’attenzione del pubblico durante la Seconda guerra mondiale; ma con l’aumento del traffico aereo fino al livello attuale, sono state accettate come parte dell’ambiente. Già durante la Seconda guerra mondiale, era difficile osservare la copertura nuvolosa creata da una grande formazione di bombardieri senza chiedersi quale effetto potesse avere sul meteo; attualmente, c’è una diffusa convinzione tra il pubblico e una certa sensazione tra gli scienziati (Fletcher 1969, Reinking 1968, Livingston 1969 e Schaefer 1969) che le scie di condensazione stiano aumentando la nuvolosità, se non altro, in alcune regioni. Lo scrivente stesso ha visto casi in cui una singola scia di condensazione sembrava crescere fino a diventare una copertura nuvolosa che copriva l’intero cielo. Se la scia di condensazione fosse effettivamente responsabile, il che non è affatto certo, ciò costituirebbe una prova definitiva che le scie di condensazione sono capaci di un effetto significativo sul meteo locale, e persino possibilmente sul clima globale, se tali eventi sono diffusi e frequenti. Sembra utile, alla luce di tutto ciò, considerare quantitativamente se ci sia o meno motivo di credere che le scie di condensazione siano capaci di esercitare un’influenza significativa sul meteo.
2. OSSERVAZIONI SULLA COMPOSIZIONE DELLA SCIA DI CONDENSAZIONE
Qualsiasi discussione quantitativa dovrebbe iniziare con la scia di condensazione stessa. Un aereo di linea a reazione di medie dimensioni – il Boeing 727 per essere precisi – brucia oltre 3100 kg di carburante all’ora durante la crociera, producendo oltre 1,2 volte quella quantità di acqua (più di un chilogrammo al secondo). È questa acqua che forma la scia di condensazione, e una discussione sui processi di base attraverso i quali lo fa è stata fornita da Appleman (1953). La sua discussione ha anche una descrizione abbastanza accurata delle condizioni in cui si formerà una scia di condensazione, ma non ha discusso ulteriormente la natura delle particelle della scia di condensazione oltre a specificare che sono cristalli di ghiaccio. Sono stati fatti alcuni tentativi per campionare le particelle della scia di condensazione in volo, ma c’è sempre scetticismo su quanto bene le particelle raccolte in tali circostanze rappresentino quelle nella scia di condensazione. Durante gli inverni dell’entroterra dell’Alaska, tuttavia, le condizioni sono spesso tali che una scia di condensazione viene lasciata mentre l’aereo sta rullando e decollando o atterrando, in modo che sia facilmente accessibile per lo studio. (A terra, la scia di condensazione è chiamata nebbia di ghiaccio, e può diventare un serio problema nelle operazioni di volo.) Questa discussione si basa su osservazioni fatte sotto la direzione di Ohtake (1967; vedi anche Huffman 1968) nel corso di indagini sulla nebbia di ghiaccio da questa e altre fonti. Come risultato di queste osservazioni, si sa abbastanza su come si forma la scia di condensazione per affermare con sicurezza che è molto improbabile che la scia di condensazione formata a quota di crociera differisca molto da quella formata a terra. Le scie di condensazione effimere non sono di particolare interesse qui, sebbene si possa imparare molto sulle condizioni nell’atmosfera osservando la loro formazione e scomparsa; la discussione sarà quindi limitata a quelle formate mentre l’aereo sta volando in un’atmosfera almeno approssimativamente satura rispetto al ghiaccio e ad una temperatura di circa -40°C o inferiore. Quando i gas di scarico del jet entrano in tale atmosfera, si raffreddano molto rapidamente per espansione e miscelazione turbolenta, e il vapore acqueo si condensa sotto forma di goccioline molto piccole. Sebbene il raffreddamento sia così rapido che si dovrebbero raggiungere livelli di sovrasaturazione in cui potrebbe avvenire la nucleazione omogenea, le fotografie al microscopio elettronico dei cristalli non mostrano alcuna evidenza che ciò accada mai. Le goccioline sembrano formarsi tutte su nuclei, che sono forniti in abbondanza dai prodotti di scarico, anche se non altrimenti presenti. La fase di gocciolina liquida è molto breve – dell’ordine di un secondo – poiché l’atmosfera ambiente è al di sotto della soglia di congelamento spontaneo. Le goccioline si congelano, e il risultato è una nuvola composta principalmente da piccoli cristalli approssimativamente sferici chiamati “droxtal” dal gruppo di Stanford che per primo li ha segnalati (Thuman e Robinson 1954). Il tempo prima che la nuvola sia completamente congelata è troppo breve per consentire lo scambio di massa tra le goccioline liquide o tra le gocce liquide e i cristalli di ghiaccio, ma ci può essere una certa crescita dei cristalli mentre l’ambiente è tra la saturazione della materia e del ghiaccio. Il risultato finale sembra dipendere principalmente dalla temperatura ambiente e poco dai dettagli del modo in cui i gas di scarico entrano nell’atmosfera, la nebbia di ghiaccio prodotta dallo scarico di un’automobile è praticamente identica a quella di un motore a reazione. Ci si sente quindi abbastanza sicuri nell’utilizzare i risultati delle osservazioni a terra per discutere della scia di condensazione formata a quota di crociera. Quasi l’80% dei cristalli raccolti vicino alla pista dell’aeroporto aveva un diametro vicino a 4 µm. Tutti i metodi di raccolta sono aperti al sospetto di ponderare a favore delle particelle più grandi; inoltre, le particelle molto piccole non sarebbero state affatto rilevate. Molti dei cristalli raccolti hanno mostrato evidenza di essersi rotti ed aver emesso getti d’acqua mentre si congelavano dall’esterno verso l’interno (effetto Bally-Dorsey, Blanchard 1951); questo potrebbe aver prodotto cristalli troppo piccoli per essere rilevati, anche se non c’è evidenza di questo effetto. Ad ogni modo, assumendo una forma sferica e un raggio di 2 µm si ottiene un reciproco di massa medio di circa 3 X 10^10 droxtal gm^-1, che si ritiene sia un limite inferiore molto prudente.
3. CRISTALLI DELLA SCIA DI CONDENSAZIONE COME NUCLEI DI CONGELAMENTO
Un Boeing 727 in crociera produce quindi 3X10^13 cristalli sec^-1 se tutto il vapore acqueo prodotto dalla combustione del carburante entra nella formazione di cristalli, come probabilmente accade nelle condizioni indicate, o 10^13 se solo un terzo di esso lo fa. (Lo scrivente ritiene che il tasso di produzione di cristalli effettivo sia probabilmente almeno 10^14 e possibilmente 10^15 sec^-1. Ciò sembra essere confermato dall’area e dalla profondità ottica della scia di condensazione.) Ad eccezione delle operazioni di soppressione della grandine, gli attuali tentativi di modificazione del meteo su larga scala impiegano generatori a terra per introdurre nuclei di congelamento nell’atmosfera. In queste condizioni, lo ioduro d’argento, il materiale nucleante più generalmente utilizzato, è considerato in grado di fornire in media 10^13 nuclei di congelamento gm^-1 di ioduro d’argento. In condizioni ottimali, può fornire fino a 10^15 nuclei gm^-1; in condizioni avverse, potrebbe non fornirne affatto, poiché i nuclei di ioduro d’argento si deteriorano rapidamente in efficacia dopo essere entrati nell’atmosfera. Si può vedere, quindi, che un aereo di medie dimensioni che forma una scia di condensazione persistente sta introducendo nuclei in numero equivalente a un generatore a terra che brucia più di un grammo al secondo di ioduro d’argento. Poiché lo ioduro d’argento viene introdotto con l’obiettivo di formare cristalli di ghiaccio da goccioline d’acqua superraffreddate, sembra ovvio che i cristalli di ghiaccio della scia di condensazione possano produrre un effetto di cui sono capaci i nuclei di ioduro d’argento, e inoltre possono fare cose di cui è improbabile che lo ioduro d’argento sia capace, come estrarre acqua dall’aria sovrasatura rispetto al ghiaccio ma sottosatura rispetto all’acqua. (Lo ioduro d’argento apparentemente può essere efficace in assenza di goccioline d’acqua agendo prima come nucleo di condensazione e poi come nucleo di congelamento, ma sembra esserci qualche dubbio sulla sua efficacia in questo.) È quindi evidente che, ogni volta e ovunque si producano scie di condensazione persistenti, le compagnie aeree stanno conducendo un’operazione di inseminazione in cui ogni aereo di passaggio deposita nuclei in numero almeno paragonabile a un tentativo di inseminazione a terra. La copertura è globale in estensione, e sebbene casuale nel senso che i voli di linea non sono programmati con la modifica del meteo in mente, non è realmente casuale rispetto alle condizioni meteorologiche. Le operazioni delle compagnie aeree sono influenzate dal meteo, e cose come la navigazione del modello di pressione, per esempio, potrebbero ben introdurre un bias significativo. La formazione di una scia di condensazione persistente è di per sé una funzione delle condizioni ambientali che sembrerebbe portare alla deposizione preferenziale dei cristalli in situazioni favorevoli alla produzione di modifiche del meteo.
4. MODIFICA MEDIANTE PROCESSI DIVERSI DALL’INSEMINAZIONE
I cristalli della scia di condensazione sono così piccoli che cadono molto lentamente in aria calma, anche a quote di crociera dei jet, e in presenza di anche leggere correnti ascensionali non cadranno affatto. In alcune condizioni, sembra probabile che possano accumularsi a sufficienza da causare una certa nuvolosità alta lungo una rotta aerea trafficata anche se rimangono essenzialmente invariati in dimensioni e numero dopo essere stati introdotti per la prima volta. Questo, tuttavia, sembra essere marginale, ed è improbabile che la semplice accumulazione, anche se accompagnata da una modesta crescita, stia causando molto effetto, al momento. C’è, tuttavia, una buona ragione per credere che esista un meccanismo che si traduce nella moltiplicazione dei cristalli. Un’attenta osservazione delle scie di condensazione mostra che, in generale, il loro comportamento è coerente con i tassi più elevati di produzione di cristalli forniti nella discussione sopra; ma in molti casi, le scie di condensazione hanno raggiunto dimensioni che sono molto difficili da spiegare con la semplice crescita dei cristalli esistenti a meno che i numeri forniti qui non siano sottostime molto grossolane. I cristalli nelle scie di condensazione mostravano ovviamente una crescita molto rapida, poiché da essi si sviluppavano scie di caduta ben definite in meno di mezz’ora; quindi erano evidentemente in aria altamente sovrasatura rispetto al ghiaccio. (L’aria naturale può diventare molto più altamente sovrasatura rispetto al ghiaccio di quanto non lo sia mai rispetto all’acqua a causa del bassissimo contenuto di nuclei capaci di rimuovere il vapore acqueo dall’aria una volta che è al di sotto della saturazione dell’acqua.) È anche ovvio che, se i cristalli della scia di condensazione producessero davvero la completa copertura del cielo nei casi menzionati nell’introduzione, deve essere stato innescato un processo di produzione di cristalli rapido ed efficiente. (È abbastanza evidente che l’osservazione sistematica e quantitativa delle scie di condensazione può portare a un considerevole aumento della nostra conoscenza della meteorologia della regione 200-300 mb e della fisica delle nuvole in generale, oltre al valore di tali osservazioni in relazione all’argomento di questo articolo.)
5. DISCUSSIONE GENERALE E DEDUZIONI
È stato dimostrato sopra che c’è una buona ragione per credere che le scie degli aerei possano essere capaci di una considerevole modifica del meteo producendo nuvole cirri a quote vicine a quelle a cui l’aereo sta volando. È ovvio che i cristalli della scia di condensazione possono influenzare lo sviluppo dei cumuli entrando in nuvole che si estendono fino e oltre i normali livelli di crociera dei jet. Una piccola riflessione mostrerà che c’è anche una buona ragione per credere che l’inseminazione dei cristalli della scia di condensazione possa produrre tutti gli effetti di cui è capace l’inseminazione deliberata con nuclei di congelamento. Cristalli che cadono da nuvole cirri attraverso quella che sembra essere stata aria almeno moderatamente secca sono stati osservati sopravvivere per distanze sorprendenti (Braham e Spyers-Duran 1967). I cristalli della scia di condensazione devono crescere considerevolmente prima di cadere, ma si vedono frequentemente sviluppare velocità di caduta rispettabili entro pochi minuti dalla loro formazione. Che siano o meno capaci di sopravvivere a una lunga caduta attraverso l’aria secca, è probabile che vengano spesso depositati in aria che è satura rispetto al ghiaccio per tutto il percorso dalla quota di formazione alle basi delle nuvole. In tali condizioni, ovviamente sopravviveranno almeno al livello di fusione, ed è probabile che cresceranno e possibilmente si moltiplicheranno. In tali condizioni, possono entrare nelle nuvole ovunque sopra il livello di congelamento e possibilmente per una certa distanza al di sotto. (È difficile vedere come potrebbero essere iniettati in una nuvola in un modo che riprodurrebbe esattamente le condizioni di un volo di inseminazione attraverso di essa, o un proiettile di ioduro d’argento fatto esplodere al suo interno, ma non è così difficile vedere come i cristalli della scia di condensazione potrebbero produrre essenzialmente gli stessi risultati.) Non è intenzione di questo articolo intraprendere una discussione esaustiva dei possibili effetti dell’inseminazione delle nuvole da parte dei cristalli della scia di condensazione, ma vale la pena menzionare una o due possibilità. La situazione della nuvola orografica in cui una massa d’aria umida viene spinta verso l’alto sopra una catena montuosa è considerata una delle più favorevoli per aumentare le precipitazioni mediante l’inseminazione a terra con ioduro d’argento. Questa situazione, tuttavia, porta a una massa d’aria che sale e si raffredda su una regione che si estende per una considerevole distanza sottovento e fino a quote ben oltre quelle a cui normalmente volano gli aerei di linea a reazione. È probabile, quindi, che l’aria sia satura o quasi, almeno rispetto al ghiaccio, dalla base della nuvola in su, e che si formerà una scia di condensazione persistente che può e innescherà le nuvole. Quando si considera il numero di voli di linea su un’area come quella ad ovest di Denver, in Colorado, ci si chiede immediatamente cosa stiano facendo le compagnie aeree alle statistiche utilizzate per valutare i risultati dell’inseminazione commerciale. (Va notato che lo scrivente non sostiene che una o entrambe le operazioni aumentino effettivamente le precipitazioni, sta semplicemente sottolineando che entrambe dovrebbero essere prese in considerazione.) La regione pianeggiante degli Stati Uniti è attraversata da un intenso traffico aereo; in estate, è anche densamente popolata da imponenti cumuli, quindi un aereo a reazione vola spesso tra di essi. La rotta di volo raramente attraversa le nuvole a causa della turbolenza e della probabilità di incontrare grandine, ma l’intera regione è probabilmente satura rispetto al ghiaccio. È anche probabile che l’aria contenga un numero considerevole di cristalli di ghiaccio naturali, quindi non è immediatamente ovvio che l’introduzione dei cristalli della scia di condensazione possa avere alcun effetto. Tuttavia, mentre si viaggia su un aereo attraverso questa regione, si vedono numerose scie di condensazione lasciate da altri voli, quindi è evidente che le concentrazioni di cristalli di ghiaccio naturali sono di gran lunga superate lungo la rotta di volo e che questa condizione persiste per un certo tempo. Schaefer (1969) menziona questo nel discutere le modifiche involontarie del meteo. Implica le capacità di inseminazione, ma non le discute specificamente. La probabilità che un temporale in via di sviluppo trascini una tale elevata concentrazione di cristalli di ghiaccio è quindi aumentata; e un piccolo calcolo mostra che, se i russi e i francesi hanno ragione, potrebbe portare alla soppressione della grandine distruttiva. Sembra esserci poca dubbio che l’inseminazione dei cristalli della scia di condensazione a volte disperda le nuvole nello stesso modo in cui fa l’inseminazione con ghiaccio secco. Nel corso degli anni, sono stati segnalati molti casi di dispersione delle nuvole da parte degli aerei in Weather, e sono state pubblicate molte ottime fotografie. Nella maggior parte dei casi, non sono disponibili dati sufficienti per formare un’opinione precisa su come sia stata realizzata la dispersione, ma la somiglianza delle fotografie e delle descrizioni degli eventi con quelle dei risultati dell’inseminazione di nuvole d’acqua superraffreddate con ghiaccio secco è così sorprendente che sembra lecito concludere che la maggior parte, se non tutte, le segnalazioni sono esempi di inseminazione di nuvole da parte di cristalli di ghiaccio della scia di condensazione. Le possibili conseguenze di ciò sono considerevoli; infatti, sembra probabile che uno dei progetti per la modifica del clima globale discussi da Fletcher (1965), vale a dire la modifica della copertura nuvolosa sul bacino polare nordico mediante l’inseminazione delle nuvole, sia già in corso, anche se la scala è ancora più modesta di quanto previsto.
6. CONCLUSIONI
Le conclusioni raggiunte come risultato della discussione sopra sono che, quasi tutti i risultati che possono essere prodotti dall’inseminazione con cristalli di ghiaccio sono, di fatto, prodotti come risultato delle operazioni di routine delle compagnie aeree; che l’efficacia dei cristalli di ghiaccio come nuclei su una gamma così ampia di condizioni meteorologiche e la scala su cui vengono depositati rende probabile che stiano influenzando le precipitazioni in misura molto maggiore rispetto alle attuali operazioni di inseminazione deliberate (sebbene le operazioni deliberate possano ancora mostrare risultati netti maggiori a causa della selezione di situazioni adatte all’inseminazione). Non si può concludere che si stiano necessariamente producendo effetti netti anche sui climi locali, sebbene sembri certo che l’inseminazione stia avvenendo, perché i possibili risultati di qualsiasi tipo di inseminazione non sono ben compresi al momento, e perché l’enormità e la frequenza dell’inseminazione rende probabile che si stia producendo una tale profusione di effetti in direzioni contraddittorie che il risultato netto potrebbe essere piccolo. L’effettiva entità e direzione dell’effetto sul meteo possono essere stabilite solo mediante l’analisi dei dati. Lo scopo di questo articolo è mostrare che esiste una solida base per l’indagine. La menzione di prodotti commerciali non costituisce un’approvazione.
FONTE:
ON THE POSSIBILITY OF WEATHER MODIFICATION BY AIRCRAFT CONTRAILS
Print Publication:
01 Oct 1970
DOI:
https://doi.org/10.1175/1520-0493(1970)098<0745:OTPOWM>2.3.CO;2
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