Perché il cielo è cambiato?

La versione "semplice"

1) UMIDITA'

Nel corso di pilota ultraleggero, ho imparato che l'aria contiene una certa quantità di acqua allo stato gassoso (ovvero VAPORE), che noi comunemente chiamiamo UMIDITA'. La quantità di vapore che l'aria può contere dipende dalla temperatura e dalla pressione atmosferica. Aumentando la temperatura, l'aria è in grado di contenere più vapore rispetto ad una temperatura più bassa, viceversa, diminuendo la temperatura, l'aria sarà in grado di contenere meno vapore. Quando nell'aria si immette più vapore di quello che essa è in grado di contenere, esso si separa dalla massa d'aria che dovrebbe contenerlo, e se le temperatura lo consente, l'umidità in eccesso, condenserà in goccioline. (ovvero acqua allo stato liquido)

Evidenza sperimentale di questa affermazione: prendi una bottiglia di quelle di plastica, da mezzo litro vuota, che sia stata per un po' a temperatura ambiente. La metti in frigorifero per un'oretta o più. Quando la tiri fuori, al suo interno si sarà formata della condensa, spesso visibile in tante goccioline d'acqua. Prima la bottiglia era vuota (solo aria), mentre adesso c'è una piccola quantità d'acqua. Questo perché prima quell'acqua era contenuta nell'aria sotto forma di vapore (anche se l'aria non era oltre i 100 gradi), calando la temperatura, l'aria è in grado di contenere sempre meno acqua, e l'umidità in eccesso esce dall'aria, e si manifesta condensando in piccole gocce.

Piccola nota, la quantità di vapore presente nell'aria, rispetto alla quantità massima di vapore che l'aria può contenere a quella temperatura, si dice umidità relativa (UR).
Dire che l'umidità relativa, ad esempio, è al 30%, vuol dire che nell'aria c'è il 30% del vapore che a quella temperatura, questa può contenere. L'UR non può superare il 100%. Quando lo supera, avviene la condensa, l'acqua in eccesso viene espulsa, ed il valore di UR, al massimo resta 100. A volte si parla impropriamente di UR maggiore di 100, ma quando lo si fa, si è in presenza di un fenomeno di condensazione, già in corso di svolgimento.

2) STATI DELL'ACQUA

La cosa più importante che ho imparato, dall'esempio sopra, è la questione del colore del vapore. Erroneamente, da bambino, guardando la pentola bollire, ero convinto che quel fumino che si vede sopra la pentola, sia il vapore, e sia di colore bianchiccio. ERRORE! Quello che vedo, ERA VAPORE, ma il solo fatto di vederlo, vuol dire che è già ricondensato, in microscopiche particelle d'acqua. Sale perché, anche se l'acqua è più pesante dell'aria, la goccia è talmente piccola, che riesce ad essere spinta dalla corrente ascensionale dell'aria sopra la pentola che bolle.

Evidenza sperimentale del fatto che l'acqua può stare sospesa anche se già condensata, sono le nuvole. Le nuvole (basse, ad esempio i cumuli) sono fatte di acqua condensata. Precipitano (PIOVONO) solo quando le goccioline microscopiche si aggregano in nuclei più grossi (gocce) che non riescono più a stare sospese e precipitano (pioggia alias precipitazioni).

Il vapore, invece, è TRASPARENTE. Esso è GIA' intorno a noi, eppure attraverso l'aria, riusciamo a vedere a decine di chilometri di distanza, se la visibilità lo consente. Molti liquidi, allo stato gassoso, sono trasparenti, e l'H2O è uno di questi. Se la vedi, vuol dire che almeno è liquida, se non solida.

3) PROVA CHE LE SCIE SONO CONDENSA

Perché ho voluto introdurre i concetti di cui sopra? Perché esiste una EVIDENZA sperimentale, che le scie rilasciate dagli aerei, sono effetto di un fenomeno di condensazione. E la prova in questione, è che nella stragrande maggioranza dei casi, quando si riprende (ingrandendo) un aereo che rilascia scie, si nota che la scia pur provenendo dai motori, non parte attaccata ad essi, ma sembra cominciare "qualche" metro dopo. In realtà la scia è trasparente nei primi metri, e diventa bianca dopo un po'. La trasparenza iniziale della scia è dovuta al fatto che in quel momento è allo stato gassoso, il fatto che dopo sia bianca, vuol dire che ha condensato.

Non esiste nessun'altra spiegazione chimica o fisica che possa giustificare quella trasparenza iniziale. Se fosse irrorazione, allora l'alta visibilità sarebbe attaccata all'ugello (maggior concentrazione della sostanza irrorata) e si diraderebbe mentre la scia si espande, come avviene nel caso del fuel dumping (scarico di carburante per emergenza), o anche come si vede negli scarichi del motore diesel (che emette del nanoparticolato molto inquinante) in cui il fumo è attaccato all'uscita della marmitta e si dirada con la distanza. La trasparenza iniziale, che poi muta in bianco, indica necessariamente un cambio di stato, da gas a liquido/solido, e questo fenomeno, si chiama appunto, condensa.

Nel caso delle scie di condensa, non si parla di acqua ma di ghiaccio, per via del fatto che dopo essere condensata, si trova in ambiente sottozero. Ed a quella temperatura l'acqua si trasforma in ghiaccio, microscopici aghetti di ghiaccio per l'esattezza.

4) COME FUNZIONA UN MOTORE

Ora un piccolissimo excursus sul funzionamento dei motori (anche se materia trita e ritrita).
Come immagino saprai, i motori funzionano aspirando aria, comprimendola, aggiungendo carburante, provocando una combustione, la quale con l'espansione della miscela aria/carburante fa girare le ventole che a loro volta ritrasmettono il movimento alla ventola principale che aspira altra aria... e così via.

La combustione, vuol dire unire combustibile e comburente. Il combustibile degli aerei a reazione è comunemente il cherosene, mentre il comburente è l'ossigeno. In generale, per noi, bruciare, vuol dire far legare qualcosa con l'ossigeno.

Evidenza sperimentale di quanto detto sopra: se chiudi una candela dentro un bicchiere di vetro, si spegnerà molto presto, pur se ha ancora cera e dello stoppino, questo perché per bruciare, unisce lo stoppino (combustibile) all'ossigeno (comburente). Quando quest'ultimo termina, non ci può più essere combustione.

Il cherosene è un idrocarburo. IDRO-CARBURO (altri idrocarburi sono ad esempio il metano e la benzina), vuol dire che di base è composto da idrogeno e carbonio. Senza scendere in complicate formule chimiche, bruciare un idrocarburo vuol dire far legare l'idrogeno ed il carbonio con l'ossigeno. Semplificando il tutto, l'idrogeno si unisce con l'ossigeno in H2O e diventa quindi acqua. Il carbonio si unisce in CO2 e diventa quindi, anidride carbonica.

Un motore d'aereo quindi bruciando, scalda dell'aria (nella quale c'è già del vapore) ci immette anidride carbonica e acqua e le mescola (girando vorticosamente) e poi le espelle a temperature elevate. Quando esce, l'aria espulsa dal motore, è molto calda e gli è stata aggiunta dell'acqua. D'improvviso (alle normali quote di volo) questa miscela calda e più umida dell'ambiente circostante, si mescola con l'aria attorno ad essa e si raffredda. Raffreddandosi può contenere sempre meno acqua. Quando avrà raggiunto la temperatura finale (più o meno quella dell'ambiente circostante), se l'acqua aggiunta avrà portato l'umidità ad essere troppa per la temperatura estremamente bassa, questa si separerà dalla miscela, e trovandosi a -40° o meno, diventerà istantaneamente un piccolo aghetto di ghiaccio.

5) UN PO' DI PRECISIONE, SUBLIMAZIONE ED IL SUO INVERSO.

Altro piccolo excursus, necessario.

Questa precisazione nasce dalla domanda che mi sono posto un giorno. "Come mai le scie, se sono fatte di ghiaccio, si dissolvono?" Domanda che pare banale, ma che non ha una risposta immediata. Del resto, le scie di condensa si formano in un ambiente la cui temperatura è -40 o meno. E che sappia io, il ghiaccio (anche quello di cui è composta la scia) non si scioglie a -40 gradi, né tantomeno evapora. Ed allora perché la scia sparisce?

La scia sparisce perché, illuminata dal sole, ha abbastanza energia per sublimare. La sublimazione, è il passaggio immediato da forma solida a forma gassosa, senza passare per la forma liquida. Il punto è che sublimando, la scia, reimmette vapore nell'aria, e questo naturalmente non è sempre possibile.

Esiste, come parametro, oltre all'umidità relativa, anche l'umidità relativa rispetto al ghiaccio. Ed è anch'essa in funzione della temperatura, ed è SEMPRE maggiore della prima (UR). A differenza dell'UR, l'umidità relativa rispetto al ghiaccio, può superare il 100%. Tradotto in termini semplici, se l'umidità relativa rispetto al ghiaccio è bassa, allora il ghiaccio riesce a sublimare in vapore. Quando l'umidità relativa è esattamente uguale a 100% o un valore prossimo (sia in eccesso che in difetto), la scia diventa persistente.

Il punto è, cosa succede quando l'umidità relativa rispetto al ghiaccio è superiore al 100%? Beh, una condizione del genere, vuol dire che, se potesse ghiacciare, il vapore nell'aria, già lo farebbe. La situazione è in equilibrio, ed aspetta solo che qualcosa cominci la reazione (il processo di cambio da vapore a ghiaccio, chiamato anche SUBLIMAZIONE INVERSA). Quel qualcosa, è proprio la scia. Per il principio di prima, l'aria a quelle temperature, contiene vapore acqueo, ma a contatto con delle piccole particelle di ghiaccio, cede a sua volta spontaneamente vapore che fa INVERSAMENTE SUBLIMARE IN GHIACCIO.

L'umidità relativa rispetto al ghiaccio si comporta come l'umidità relativa standard. E' in funzione della temperatura. Più è freddo, meno vapore proveniente dal ghiaccio l'aria può contenere, e viceversa. Ergo, più è freddo, più sarà facile che la scia persista.

Quindi, le condizioni sono tre: URG (umidità relativa rispetto al ghiaccio) inferiore a 100, la scia svanisce, URG quasi uguale a 100, la scia persiste, URG superiore a 100, la scia si espande.

Ovviamente questo modello semplicistico, non tiene conto di un sacco di altri fattori, tra cui il vento, le correnti ed altro ancora.

Evidenza sperimentale della sublimazione inversa: una situazione come quella che ho descritto è, ad esempio, quello che succede al vetro della macchina d'inverno dopo una ghiacciata. Magari la temperatura è già sottozero, ma non c'è ghiaccio sul vetro. (In questo caso, l'umidità relativa è alta, e quella rispetto al ghiaccio è superiore al 100%). Alla prima gocciolina, od anche fiocco di neve, che si deposita o tocca il vetro, nel giro di poco, tutto il vetro ghiaccia, formando quelle figure particolari che sembrano infiorescenze. L'aria sublima inversamente, direttamente in ghiaccio.

6) PERCHE' ALLORA IL CIELO E' CAMBIATO?

Fino a qua, il punto della situazione, è per spiegare le dinamiche che contribuiscono alla formazione delle scie di condensa. Ma fino ad ora, nulla risponde alla domanda base, ovvero, come mai, oggi ci sono più scie che un tempo?

Nella mia ricerca, la risposta definitiva è dovuta alla combinazione di tre elementi (più un quarto, di cui parlerò alla fine).

I tre elementi, in questione sono:

aumento del traffico
nuovi motori
innalzamento delle quote

Ciascun elemento preso da solo, non è sufficiente a giustificare il numero delle scie presenti, di per sé. Occorre considerarli tutti assieme. Uno dopo l'altro, ora spiegherò da dove ho preso le evidenze, e perché questo elemento dovrebbe contribuire.

7) NUOVI MOTORI

Questo è l'elemento che a te credo interessi di più. Una scia (di condensa o no, che sia) è sicuramente inquinamento, quindi quando un debunker, od un detrattore, afferma che i motori di oggi sono più efficienti di quelli di una volta, ed è per questo che producono più scie, posso ben capire che una cosa del genere, se non adeguatamente argomentata, strida un bel po'.

Un motore fa sostanzialmente due operazioni, una a favore della condensa, ovvero aggiungere H2O allo scarico di uscita, l'altra contrapposta alla condensa, ovvero riscaldare l'aria.

Che differenza c'è tra i nuovi motori e quelli vecchi? Che nei nuovi motori (cerca ad esempio il CFM56, o "nuovi turbofan" su wikipedia) dell'aria che viene aspirata dalla ventola principale, solo il 20% passa per la camera di combustione, mentre il restante 80% viene mandato direttamente all'uscita, ed usato unicamente come forza propulsiva. La camera di combustione di oggi, raggiunge sicuramente temperature più elevate, che in un motore vecchio. Ma quello che conta è la temperatura complessiva dello scarico, che è più fredda, poiché i gas molto caldi del motore, vengono mescolati con quell'80% preso dalla ventola principale, che passa però all'esterno della camera di combustione. Il risultato è un getto di uscita più freddo.

Se consideri un attimo questa cosa, dato che il getto finale è più freddo, pure la miscela finale tra getto del motore e aria esterna, risulterà più fredda alla fine, e quindi sarà più facile che condensi.

Il punto, è che la maggiore efficienza del motore, vuol dire che tutto il carburante (o la quasi totalità) viene bruciata nella camera di combustione. Questo si traduce, in un numero inferiore di molecole di monossido di carbonio (Cioè CO invece di CO2, maggiormente inquinante) e in un numero inferiore di molecole di idrocarburo incombuste (Cioè HC). Ed in un numero maggiore di CO2 e H2O. Per questo, per assurdo, i motori più efficienti, pur essendo meno inquinanti, producono più facilmente scie.

Evidenza sperimentale di quanto ho detto sopra, ce l'hai se chiedi di guardare il monitor dell'analizzatore gas di un centro revisioni auto (tra parentesi, questo è il mio lavoro dipendente). Un motore nuovo di zecca, a benzina, avrà un alto valore nella CO2 (perché ne produce molta), un bassissimo valore di O2 (ossigeno) perché riesce a bruciarlo tutto, un bassissimo valore di CO (monossido di carbonio, perché bruciando bene, riesce a produrre tutta CO2), ed un valore quasi nullo HC (idrocarburi incombusti) e vedrai che (specialmente d'inverno) il tubo di scarto della condensa (H2O) farà uscire spesso acqua. Al contrario un motore che brucia male, genera CO2 più bassa, ed a seconda del problema che ha, gli altri valori si alzeranno.

?? INQUINAMENTO

Ora la questione, che immagino ti interessi, è capire cosa si intende per inquinamento e cosa no. Un motore di quelli moderni, dicevo prima, più efficiente, produce meno scarti di combustione, e produce più CO2 e H2O. Ma, mi sembra di aver capito che te diano fastidio le scie in sé. A questo aggiungo alcune considerazioni. 1) La copertura totale delle scie di condensa, rispetto alle nuvole, costituisce poco più dell'1% in atmosfera (fonte, resoconto dell'ARPAT toscana, sulle scie di condensa) 2) il global dimming, ovvero la riduzione della luminosità che raggiunge il pianeta, dal 2005 si è osservato essere in controtendenza (fonte Martin Wild et alii, "From Dimming to Brightening: Decadal Changes in Solar Radiation at Earth's Surface", Science, 2005, Vol. 308. no. 5723, pp. 847 - 850) 3) spesso e volentieri le velature che si formano all'arrivo delle scie persistenti, fanno parte di un fronte umido d'alta quota, in avanzamento. Ovvero, c'è un parte di cielo, i cui bordi sono umidi, in movimento. Nei bordi, si sarebbero comunque addensate velature e formati cirri, ma il passaggio degli aerei (che si sovrappone) rende più visibile (ed apparentemente più esteso) tutto ciò. (fonte, non linkabile, ovvero risultato di una chiacchierata tra me, ed un mio amico meteorologo in torre all'aeroporto di bologna).

Inoltre aggiungo che i motori degli aerei, sempre più, con leggi apposite, sono sottoposto al controllo delle emissioni. Qui avevo trovato qualcosa con una ricerca su google, ma non ho link a portata di mano.

Il senso è che, è corretto preoccuparsi delle scie, ma fa bene sapere che la situazione, come per altre cose, ha un impatto inferiore al sospettato, e che le istituzioni cercano comunque di controllarla.

9) IL TRAFFICO

E' ovvio che il traffico dal 1995, è aumentato. C'è chi dice raddoppiato, c'è chi dice triplicato. Qualcuno ricorda che con la crisi, nel 2007 il traffico è calato, senza dubbio. Ma rispetto al 1995, è in aumento. Prendo quell'anno poiché se non erro, è di quegli anni l'evento della prima denuncia di scie chimiche, da un giornalista della cittadina di Espanola, in Canada. Dalle mie ricerche, io vedo che rispetto agli anni '95, il traffico ha subito un incremento generale di un fattore 3x (almeno sopra l'Italia) ma lascio a te, quantificare la cosa.

10) LE QUOTE

Questo è un fattore importante. Importante perché è un ultimo tassello, in cui inquadrare il tutto. So di per certo, che le quote di volo, sono aumentate, almeno per i volti transcontinentali e quelli a lungo raggio. Ma di quanto, e come, non lo so. Ho difficoltà a reperire i dati, e gli elementi di controllo, mi hanno risposto che non sono dati per il pubblico (nonostante abbi trovato un report, che afferma che nel 2011, la quota più usata, sia stata FL350, ovvero 35000 piedi, ovvero 10668 metri. Perché è importante?

Perché ho fatto un lavoro statistico. Ho preso tutti i radiosondaggi su Pratica di Mare, ed ho verificato quanti giorni ed a quali quote, si verificano le condizioni per la formazione delle scie (usando ovviamente la legge di Appleman). E' saltato fuori, che per le normali scie, (non necessariamente persistenti) le condizioni ci sono state 344 giorni su 365 (alla faccia del fenomeno raro), ed ho anche fatto un grafico delle quote in cui era possibile che tale fenomeno si verificasse.

Il risultato lo trovi a http://riccardodeserti.blogspot.it/2012/08/sviluppo-statistico-sui-radiosondaggi.html

Se guardi il grafico in fondo, c'è una zona molto ben definita, in cui le scie si formano con una maggiore probabilità. Zona che corrisponde alle quote a cui volano gli aerei.

Una volta che avrò trovato i dati delle quote di volo, vecchie e nuove (oltre che per sentito dire), saprò anche di quanto è aumentata la probabilità che si formino scie.

11) IMPATTO DEI NUOVI MOTORI

Ho anche calcolato quante scie in più generano i nuovi motori, e sono il 35% in più rispetto ai motori normali. Non è tanto come credevo, ma se unito agli altri moltiplicatori se nel '90 c'era una scia sola, oggi ce ne sono almeno 4, forse più (1 x3 (traffico) x1,35 (nuovi motori) x??? aumento di quota).

Inoltre, da un primo tentativo, sembra che il fattore 35% sia maggiore con le scie persistenti, ma dato che non ho dati sicuri per i miei calcoli, non voglio sparare prima di essere certo.

12) IL "QUARTO" MOTIVO

Questo non ti piacerà, ma va tenuto in considerazione. Uno dei motivi per cui (probabilmente) il cielo non è come una volta, è il cosiddetto "bias dello sguardo selettivo", ovvero che le cose le notiamo maggiormante, quando le stiamo osservando. Sicuramente hai visto un cielo che non è come in passato, e questo è INNEGABILE. Ma forse è possibile sovrastimare un fenomeno. Ovvero se ti metti guardare le scie, ne vedrai di più, rispetto a quando credevi di essere un osservatore attento, ma non stavi cercando proprio quelle. So che questo discorso è molto da debunker, ma non posso non aggiungerlo alla lista delle considerazioni, dato che ogni lavoro più o meno scientifico, si cerca di tenerlo non influenzato dai biasis (fallacie nel ragionamento, studiate e catalogate).

Per dartene una prova, prova a fare una ricerca. Usando Flickr o Getimages, o altri motori di ricerca d'immagini, e siti di raccolte fotografiche, cerca dei panorami (io ho fatto ad esempio London skyline, o altre città). Prendi in considerazione tra i risultati, tutte le foto in cui il cielo occupa una gran parte della foto e controlla quante foto, contengono scie. Se le scie persistenti fossero davvero un fenomeno quotidiano, praticamente tutte le foto, ne conterrebbero al meno una. Noterai che parecchie foto, non ne ritraggono. Non ti indico numeri in questo caso, ma solo questa considerazione, che spero accoglierai, come le altre.

Quindi, in soldoni, il cielo oggi è diverso per cambio quote, nuovi motori e aumento del traffico aereo, per i motivi di cui sopra, che spero di aver argomentato.