翼端渦

渦の中心部は非常に高速で回転し、非常に低圧の領域です。第一近似では、これらの低圧領域は隣接する領域との熱交換がほとんどない状態で形成されるため（つまり断熱的に）、低圧領域の局所的な温度も低下します。^{[ 6 ]}局所的な露点 を下回ると、翼端渦の中心部に存在する水蒸気が凝結し、渦が見えるようになります。^{[ 6 ]}温度が局所的な凝固点を下回る場合もあり、その場合は中心部に氷の結晶が形成されます。^{[ 6 ]}

水の相（つまり、固体、液体、気体のいずれの状態をとるか）は、温度と圧力によって決まります。例えば、液相から気相への相転移の場合、それぞれの圧力において特別な「相転移温度」が存在します。${\displaystyle T_{c}}$サンプル温度が少しでも高い場合${\displaystyle T_{c}}$サンプルは気体になりますが、サンプルの温度が少しでも低い場合${\displaystyle T_{c}}$試料は液体になります。相転移を参照してください。例えば、標準大気圧では、${\displaystyle T_{c}}$100  °C  =  212  °F です。${\displaystyle T_{c}}$圧力が低下すると減少します（これが、水が高地ではより低い温度で沸騰し、圧力鍋ではより高い温度で沸騰する理由です。詳細については、こちらを参照してください）。空気中の水蒸気の場合、${\displaystyle T_{c}}$水蒸気の分圧に対応する温度を露点と呼びます。（固体と液体の相転移は、融点と呼ばれる特定の相転移温度付近で起こります。ほとんどの物質では、融点は圧力の低下とともに低下しますが、特に最もよく知られている氷（ I _h型）は、この規則の顕著な例外です。）

渦核は低圧領域です。渦核が形成され始めると、空気中の水（渦核になろうとしている領域）は気相になり、局所的な温度が局所的な露点よりも高くなります。渦核が形成されると、内部の圧力は周囲の値よりも低下するため、局所的な露点（${\displaystyle T_{c}}$）は周囲の値から低下しています。したがって、それ自体では、圧力の低下は水を蒸気の形で維持する傾向があります。初期の露点はすでに周囲の空気温度を下回っており、渦の形成により局所的な露点はさらに低くなっています。しかし、渦の中心が形成されるにつれて、圧力（したがって露点）だけが低下するわけではありません。渦の中心温度も低下しており、実際には露点よりもはるかに大きく低下する可能性があります。

第一近似として、渦核の形成は熱力学的に断熱過程、すなわち熱交換のない過程である。このような過程では、圧力の低下に伴って温度も低下し、その状態方程式は次のようになる。

${\displaystyle {\frac {T_{\text{f}}}{T_{\text{i}}}}=\left({\frac {p_{\text{f}}}{p_{\text{i}}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}.}$^{[ 6 ]}

ここ${\displaystyle T_{\text{i}}}$そして${\displaystyle p_{\text{i}}}$はプロセス開始時の絶対温度と圧力（ここでは周囲の空気温度と圧力に等しい）です。${\displaystyle T_{\text{f}}}$そして${\displaystyle p_{\text{f}}}$は渦核内の絶対温度と圧力（プロセスの最終結果）であり、定数は${\displaystyle \gamma }$空気の場合、約 7/5  =  1.4 です (こちらを参照)。

したがって、渦核内部の局所露点は周囲の空気よりもさらに低いにもかかわらず、渦の形成によって局所温度が新たな局所露点を下回ると、水蒸気は凝結する可能性がある。^{[ 6 ]}

空港に着陸する一般的な輸送機の場合、以下の条件が適用されます。${\displaystyle T_{\text{i}}}$そして${\displaystyle p_{\text{i}}}$いわゆる標準条件に対応する値を持つ、すなわち、${\displaystyle p_{\text{i}}}$ =  1 atm = 1013.25 mb = 101      ${\displaystyle \,}$325 Paと ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ =  293.15 K (20 °C = 68 °F)。相対湿度は快適な35% (露点 4.1 °C = 39.4 °F)。これは水蒸気分圧820 Pa = 8.2 mbに相当します。渦核では、圧力 (             ${\displaystyle p_{\text{f}}}$）は周囲の圧力の約80％、つまり約80,000 Paまで 低下します 。^{[ 6 ]}

渦核の温度は上記の式で与えられる。${\displaystyle T_{\text{f}}=\left({\frac {\scriptstyle 80\,000}{\scriptstyle 101\,325}}\right)^{\scriptscriptstyle 0.4/1.4}\,T_{\text{i}}=0.935\,\times \,293.15=274\;{\text{K}},}$または0.86  ℃  =  33.5  °F。

次に、渦核内の水蒸気分圧は全圧の低下に比例して（つまり同じ割合で）低下し、約650  Pa  =  6.5  mbになります。露点計算機によると、この分圧によって局所露点は約0.86  °Cになります。言い換えれば、新しい局所露点は新しい局所気温とほぼ等しくなります。

したがって、これはぎりぎりのケースです。周囲の空気の相対湿度が少しでも高ければ（全圧と温度は上記と同じまま）、渦内部の局所露点が上昇し、局所温度は変化しません。その結果、局所温度は局所露点よりも低くなり、渦内部の水蒸気は実際に凝結します。適切な条件下では、渦核の局所温度が局所凝固点を下回る可能性があり、その場合は渦核内部に氷の粒子が形成されます。

翼端渦における水蒸気凝結のメカニズムは、局所的な気圧と温度の変化によって引き起こされます。これは、飛行機に関連するもう一つのよく知られた水蒸気凝結の事例である飛行機エンジンの排気による飛行機雲とは対照的です。飛行機雲の場合、局所的な気圧と温度は大きく変化しません。重要なのは、排気には水蒸気（局所的な水蒸気濃度と分圧を上昇させ、露点と凝固点を上昇させる）とエアロゾル（凝結と凍結の核生成中心を提供する）の両方が含まれていることです。^{[ 7 ]}