航天航空科普:飛機飛行時為什麼會產生一條長長的白色「尾巴」?

2021-01-16 江華科協

在生活中我們經常會看見這樣一個現象:飛機在天空中飛行時,尾部經常會拖著一條長長的白色「尾巴」,但是在某些時候卻又沒有,那麼這條白色的「尾巴」到底是什麼,又是怎麼產生的?

 

飛機產生的這條白色的「尾巴」被稱為「尾跡雲」,它的主要成分和普通的雲差別不大,都是一些細小的冰晶組成,這些冰晶通過對陽光進行反射和折射,於是讓我們看見了這樣一條白色的長線。那麼為什麼飛機飛過後又會形成這些小冰晶呢?

尾跡雲的形成原理

燃料燃燒產生水分

航空飛機使用的燃料主要是航空煤油,航空煤油的主要成分是一些烴類物質(碳和氫形成的化合物)CH3(CH2)nCH3(n為11~19),航空煤油相比於汽油來說,分子量更大,更不易揮發,物理性質比較穩定,能在較低溫下不凝固。煤油在與氧氣發生燃燒反應時,不僅會產生二氧化碳,還會產生一定的水分,這些水分作為飛機尾氣排出時,在較低的環境下,則有可能會形成小冰晶凝固並生長。

 

飛機飛行的高度一般處於一萬米左右,而溫度隨著海拔的升高而降低,在飛機飛行所處的大氣層氣溫通常處於零下三十到零下六十度之間,溫度越低,水的蒸氣壓越低,水越容易液化和固化,有相關研究表明,通常溫度在低於零下四十攝氏度時,更有利於尾跡雲的產生。所以這也是為什麼飛機飛過後,有時會產生尾跡雲,有時候又不會。

 

排放的尾氣顆粒以及氣流的擾動促進了空氣中的水蒸氣形成小冰晶

在生活中,我們大多數人都知道,溫度越低,水越容易凝固,其實影響水的凝固行為因素有很多,還包括氣壓、水中的氣泡、水流等等。水的在凝固時,首先需要形成一些微小的冰晶核,但液態的水形成冰晶核時又產生了新的表面,這個時候表面能就增加了,物體體積越小,比表面積越大,那麼增加相同的體積情況下,冰晶越小需要的能量越大,所以在剛開始形成冰晶時,需要突破一個臨界半徑點,我們把這個臨界半徑稱之為臨界形核半徑,形成臨界形核半徑時的溫度並不會等於液體的凝固點,通常會比凝固點的溫度還要低。臨界晶核形成之後水會不斷地在晶核上生長,形成大的冰晶,這個時候總的能量是降低的,因此凝固速度會迅速加快。在臨界晶核形成過程中,任何能量的波動都會影響水氣的凝固行為,而飛機飛行時會強烈的擾動周邊空氣,這就為空氣中的水氣形成臨界晶核提供了有利條件,於是,在水氣處於過飽和的區域,飛機的流過會導致大量的冰晶出現並迅速生長成較大的冰晶。

 

另一方面,飛機燃料燃燒所排放的尾氣中就含有一些細小的微粒,而這些微粒為冰晶的生長提供了幫助,由於有了這些微粒,水分凝結便不需要從零開始形成小冰晶,只需直接在這些微粒的表面進行生長即可,因此也就不需要突破這樣一個能量勢壘,促進了冰晶的形成。或許有些人聽過過冷水這個概念,過冷水一般使用的是較純淨的水,同時裝水的容器表面也很光滑,在這種情況下,水可以在0℃以下依舊是液態,但當我們攪動或者倒出來時,由於能量波動促進了水溶液中晶核的形成,於是開始迅速凝固,這個原理與尾跡雲的形成原理類似。

 

總結

以上就是關於尾跡雲形成的主要原因,簡單來說,尾跡雲實際上是飛機飛過後會產生的小冰晶所形成的,飛機飛行過程中會從多方面影響冰晶的形成,一個是燃料本身燃燒產生的水氣凝結,一個是飛機的飛行影響了該區域中水分的結晶行為。

來源:科學觀世界


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