飛行機雲

飛行機雲（/ ˈ k ɒ n t r eɪ l z / ; 縮合雲の略）または蒸気雲は、航空機のエンジン排気ガスまたは気圧の変化によって生成される線状の雲で、通常は地球の表面から数キロメートル/マイル上の航空機の巡航高度で発生します。それらは主に水で構成されており、氷の結晶の形をしています。航空機のエンジン排気ガス中の水蒸気と高高度での低い周囲温度の組み合わせが、雲の雲の形成を引き起こします。すすや硫黄化合物（ジェット燃料の重量の0.05％）などの燃料からのエンジン排気ガス中の不純物は、 排気ガス中の水滴の成長のための雲の凝結核として機能する粒子の一部を提供します。水滴が形成されると、凍結して氷の粒子になり、飛行機雲を構成します。 ^{[1]それらの形成は、}翼端渦、または翼表面全体の空気の気圧の変化によって引き起こされることもあります。 ^[2]飛行機雲や人間の活動によって直接生成される雲は、ホモジニタス雲と呼ばれます。^[3]

飛行機雲が形成される高度の温度と湿度に応じて、飛行機雲は数秒または数分間しか見えないこともあれば、数時間持続して数キロメートル/マイルの幅に広がり、最終的に自然の巻雲または高積雲に似たものになることもあります。^[1] 持続的な飛行機雲は、大気の雲量を増やすため、科学者にとって特に興味深いものです。^[1]結果として生じる雲の形状は正式にはホモムタトゥスと呼ばれ、^{[3]巻雲、巻積雲、または巻層雲に似ていることがあり、時には}cirrus aviaticusと呼ばれます。^{[4]一部の持続的に広がる飛行機雲は、}気候変動の一因となっています。^[5]

エンジンの排気ガスは主に水と二酸化炭素で構成されており、これらは炭化水素燃料の燃焼生成物です。揮発性有機化合物、無機ガス、多環芳香族炭化水素、酸素化有機物、アルコール、オゾン、すすの粒子など、炭化水素燃料の不完全燃焼による他の多くの化学副産物が、低濃度で観測されています。正確な品質はエンジンの種類と基本的な燃焼エンジンの機能によって決まり、航空機の排気ガスの最大30％は未燃焼燃料です。^[6]（エンジンの摩耗から生じるミクロンサイズの金属粒子も検出されています。^[要出典]）高高度では、この水蒸気が寒冷環境に出てくるため、水蒸気の局所的な増加により、空気の相対湿度が飽和点を超えて上昇する可能性があります。その後、水蒸気は小さな水滴に凝縮し、温度が十分に低ければ凍結します。これらの何百万もの小さな水滴や氷の結晶が飛行機雲を形成します。飛行機雲が飛行機の後方で形成されるのは、水蒸気が十分に冷えて凝結するまでに要する時間による。高高度では、過冷却水蒸気は沈着や凝結を促すきっかけを必要とする。航空機の排気中の排気粒子がこのきっかけとなり、閉じ込められた水蒸気が急速に凝結する。排気飛行機雲は通常、高高度、通常は8,000メートル（26,000フィート）以上で、気温が−36.5  ℃（−34  ℉）を下回る場所で形成される。空気が冷たく湿っている場合は、地表近くでも形成されることがある。^[7]

NASA、ドイツ航空宇宙センターDLR、カナダ国立研究評議会NRCが共同で支援した2013～2014年の研究では、バイオ燃料が飛行機雲の発生を減らすことができると結論づけられた。この減少は、バイオ燃料が氷の結晶が形成される核となる煤粒子をより少なく生成することを実証することで説明された。このテストは、 DC-8を巡航高度で飛行させ、サンプル採取機を尾翼に乗せて飛行させることで行われた。これらのサンプルでは、​​従来のジェットA1燃料とカメリナから生成されたHEFA（水素化処理エステルおよび脂肪酸）バイオ燃料を50％ブレンドすることで、飛行機雲を生成する煤粒子の数が50～70％減少した。^{[8] [9] [10]}

翼が揚力を生み出すと、翼端に渦が形成され、フラップが展開されるとフラップの先端にも渦が形成されます (翼端とフラップの境界は気流の不連続性を表します)。これらの翼端渦は、航空機が通過した後も大気中に長く残ります。各渦の圧力と温度が低下すると、水が凝結して翼端渦の核が見えるようになります。この現象は湿度の高い日によく見られます。翼端渦は、離着陸時やスペース シャトルの着陸時に、旅客機の翼フラップの後ろに見られることがあります。

目に見える翼端渦の核は、燃料の燃焼によって発生する他の主要なタイプの飛行機雲とは対照的です。ジェット エンジンの排気ガスから発生する飛行機雲は、高高度で各エンジンの真後ろに見られます。対照的に、目に見える翼端渦の核は通常、離陸後または着陸前に航空機が低速で移動し、周囲の湿度が高い低高度でのみ見られ、エンジンの後ろではなく、翼端と翼フラップの後ろをたどります。

高推力設定では、ターボファン エンジンの吸気口にあるファン ブレードが遷音速に達し、気圧が急激に低下します。これにより、離陸時に飛行機の乗客が頻繁に目にする結露霧 (吸気口内) が発生します。

回転面（プロペラやローターなど）の先端からは目に見える飛行機雲が現れることがある。^[11]

銃器では、まれな条件下での射撃時に、弾丸の周囲の気圧の変化によって引き起こされる凝縮により、蒸気の跡が観察されることがある。 ^{[12] [13]}弾丸からの蒸気の跡はどの方向からでも観察できる。^[12]蒸気の跡は、弾丸が移動する際の気圧の変化による屈折効果である弾道と混同してはならない。弾道は、はるかに一般的な現象である（そして、通常は射手の真後ろからしか観察できない）。^{[12] [14]}

航空による気候変動への最大の寄与は飛行機雲だと考えられている。^[15] 一般的に、飛行機雲は入射する太陽放射を反射するよりも、地球と大気から放射される外向きの長波放射を捕らえるため、放射強制力が純増する。1992年には、この温暖化効果は3.5 mW/m ²から17 mW/m ²と推定された。^{[16] 2009年には、}再解析データ、気候モデル、放射伝達コードに基づき、2005年の値が12 mW/m ² と推定されたが、不確実性の範囲は5～26 mW/m ²で、科学的理解のレベルは低かった。^[17]

飛行機雲巻雲は航空交通による最大の放射強制力成分である可能性があり、航空から蓄積されるすべてのCO2よりも大きく_、介入がなければ2050年までに2006年の基準値から3倍の160～180 mW/m ^{2になる可能性があります。 [18] [19]}比較すると、人間の活動による放射強制力の合計は2019年に2.72 W/m ²（範囲は1.96～3.48W/m ²）に達し、2011年から2019年までの増加は0.34W/m ²に達しました。^[20]飛行機雲の影響は形成される時期によって大きく異なり、日中の気温を下げ、夜間の気温を上昇させるため、その差は小さくなります。^[21] 2006年には、夜間飛行は毎日の航空交通量の25％を占めながら飛行機雲の放射強制力の60～80％を占め、冬季飛行は年間平均放射強制力の半分を占めながら年間航空交通量の22％を占めると推定されました。^[22]

1990年代から、日中の飛行機雲には強い冷却効果があり、夜間の飛行による温暖化と相まって、かなりの日較差（ある一定の観測所における一日の最高気温と最低気温の差）につながることが示唆されてきた。^[23] 9月11日の攻撃後、米国を商業航空機が飛行しなかったとき、日較差は1.1 °C（2.0 °F）拡大した。^[24]米国本土の4,000の気象観測所で測定されたこの上昇は、過去30年間で最大の記録であった。 ^[24]飛行機雲がない場合、局所的な日較差は直前よりも1 °C（1.8 °F）高かった。^[25]米国南部では差が約3.3 °C（6 °F）縮小し、米国中西部では2.8 °C（5 °F）縮小した。^{[26] [27]}しかし、その後の研究では、雲量の自然な変化がこれらの研究結果を説明できる以上のものであることがわかった。^[28] 2008年の研究の著者は、「飛行機雲や飛行機雲によって引き起こされる巻雲を含む高層雲量の変動は、主に低高度の雲、風、湿度によって左右される日中の気温範囲の変化にわずかながら寄与している」と書いている。^[29]

2011年、第二次世界大戦中に行われた英国の気象記録の調査で、編隊飛行した米空軍の戦略爆撃機が使用した空軍基地付近で、気温がその日の平均気温より0.8℃（1.4℉）高かったという出来事が1件確認された。しかし、この研究の著者らは、これは単発の出来事であり、そこから確固たる結論を導き出すのは難しいと警告した。 ^{[30] [31] [32]その後、} 2020年のコロナウイルスのパンデミックに対する世界的な対応により、世界の航空交通量は2019年に比べて約70％減少した。そのため、飛行機雲が地域および世界の気温に与える影響を研究する長期的な機会が生まれた。複数の研究で、飛行機雲の変化の結果として「日中の地表気温範囲の有意な反応は見られなかった」こと、および「正味で有意な地球規模のERF（有効放射強制力）は見られなかった」か、または非常に小さな温暖化効果が見られた。^{[33] [34] [35]}

2020年に開始されたEUのプロジェクトは、飛行計画を立てる際の運用上の選択によって飛行機雲の影響を最小限に抑える実現可能性を評価することを目的としています。^[36]その他の同様のプロジェクトには、ユーロコントロールのContrailNet、^[37]、 Reviate、^[38]、Ciconiaプロジェクト^[39]、Googleの「プロジェクト飛行機雲」などがあります。^[40]

観測者に向かって飛んでくる飛行機雲は、物体が垂直に動くことによって発生するように見えることがある。^{[41] [42] 2010年11月8日、米国}カリフォルニア州で、このタイプの飛行機雲が、米軍や航空当局では説明できない「謎のミサイル」としてメディアの注目を集めたが、^[43]飛行機雲としての説明が^{[41] [42] [44] [45]}米国のメディアや軍事機関に受け入れられるまでに24時間以上かかった。^[46]

航空機が雲を通過すると、その経路にある雲が拡散することがある。これはディストレール（「消散トレイル」の略）と呼ばれる。航空機のエンジンの排気ガスの熱と航空機の航跡による垂直方向の混合が、既存の雲粒を蒸発させる可能性がある。雲が十分に薄い場合、このようなプロセスにより、本来は固体の雲層の中に雲のない通路ができる。^[47]航空機が引き起こした細長い落下流跡穴である可能性が高いディストレールの初期の衛星観測は、 Corfidi と Brandli (1986) に掲載されている。^[48]

雲は、目に見えない水蒸気が凝縮して微細な水滴や微細な氷の結晶になったときに形成されます。これは、気体水の割合が高い空気が冷却されたときに発生することがあります。ディストレールは、エンジン排気熱によって雲内の液体水滴が蒸発し、目に見えない気体水蒸気に戻るときに形成されます。また、ディストレールは、航空機が雲を通過した後、薄い雲層の真上または真下の乾燥した空気の混合 (エントレインメント) が強化された結果として発生することもあります。これは、以下の 2 番目の画像で示されています。

ウィキメディア・コモンズには、飛行機雲に関連するメディアがあります。

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• Contrail Education (アーカイブ) | NASA
• Contrails.nl: 飛行機雲と航空スモッグ 2011 年 2 月 20 日にWayback Machineにアーカイブ| 飛行機雲と航空スモッグのギャラリー
• Contral Science | 飛行機雲に関する奇妙な話を暴く参考サイト
• ダニング、ブライアン(2007 年 2 月 15 日)。「Skeptoid #27: ケムトレイル: 本物か偽物か?」Skeptoid。