在天氣晴朗的時候,我們仰望天空,有時看到高空中的飛機飛過之後,會在天空中留下一連串的「白煙」,這些白煙會隨著時間的推移慢慢變粗變彎,有的甚至能持續1個小時以上。而我們在觀看航空表演時,有的飛機會噴出五顏六色的「彩煙」,組合成各種形狀和圖案,甚是壯觀。那麼,這些飛機飛過之後留下的「煙霧」,到底是什麼東東呢,是如何形成的呢?
上面提到的飛機飛過之後產生的「白煙」和「彩煙」,其形成原理是不一樣的,下面分別進行一下簡單的說明。
對於高空飛機留下的「白煙」,實質上是由於飛機的高速飛行,在周圍氣溫和氣壓環境變化條件下,所帶來的水汽凝結所致,被稱為「凝結尾跡」。這裡面包含著兩種情況,第一種是由飛機燃料消耗產生的廢氣所致。噴氣式飛機根據飛行路程的長短,其飛行高度有所不同,對於短距離的飛行來說,其高度一般在6000-9000米;而對於長途飛行來說,則高度則需要在9000-12000米之間,這個高度在地球的大氣層中,基本處於對流層的中上部甚至達到平流層的底部。
由於噴氣式飛機的燃料為「航空煤油」,是一種由直餾餾分、加氫裂化和精製等組分、一些必要的添加劑所組成的輕質石油產品,與傳統車用油品相比,較有穩定性強、不易揮發、燃燒充分、熱值較高等優勢。「航空煤油」的主要成分為烴類化合物,在燃燒的過程中,與其它石油產品一樣,主要產物也是二氧化碳和水。燃料燃燒之後,從發動機車產生的燃燒產物,就會隨著排氣管道從飛機尾部排出。
這些廢氣中的水一開始溫度雖然很高,但在1萬米的高空,周圍大氣層的溫度下降到零下50攝氏度左右,同時高空中的氣壓很低,包括水蒸氣在內的氣體分子密度,與地平面相比已經非常稀薄了,也就是說吸納水蒸氣的能力大為減弱,這樣所排出的水汽不能形成非常細小的水蒸氣分子,只能以體積較大的液滴形式存在,這些液滴在低溫環境下會迅速凝結成冰晶物質,在陽光的折射和反射下,從地面就看到了一串「白煙」,被我們形象地稱為「飛機拉線」。
形成「凝結」尾跡的第二種情況,是由飛機高速飛行時,對周圍空氣的擾動所引發的。由於機翼形狀的原因,使得在飛機飛行時,機翼上表面氣體的流動速度快,而下表面氣體的流動速度慢,由於流動速度快的氣體所產生的氣壓,會小於流動速度慢的,因此在飛機機翼的上下表面間產生了壓力差,為飛機提供了一定的升力。在此過程中,在機翼的上方,由於氣壓的降低,會使原本含在空氣中的水蒸氣,因為過飽和現象而「析出」,聚集成液滴,進而形成冰晶,所以,在有的情況下,在機翼的附近也會形成這種「拉線」現象。
那麼,在高空中飛行的噴氣式飛機,也不是任何時候都會形成「拉線」現象,這取決於所噴出廢氣與周圍空氣所形成混合氣體的熱增效應和溼增效應的強度對比,由於飛機所噴出的氣體這兩方面的物理性質是一定的,因此是否出現「拉線」,主要取決於周圍大氣層的溫度、壓力和溼度水平。總體上看,只有溫度低於-40攝氏度,同時大氣壓力小、溼度大且空氣層比較穩定的情況下,才會比較容易形成凝結尾跡。
至於航空表演時,我們看到的飛機噴出的五彩煙霧,並不是由水蒸氣而形成,而是事先將以硫酸酐為主要成分的拉煙劑,裝入到表演飛機機腹下的拉煙吊倉之內,然後在飛行表演時通過氮氣加壓的方式,將這些拉煙劑通過拉煙噴嘴噴出,然後在高速飛行時產生的劇烈氣流擾動、以及噴氣口的高溫氣體作用之下,使拉煙劑產生霧化效果,我們在地面上便看到了五顏六色的「彩煙」。
所以,從形成原理上看,高空噴氣式飛機在飛行時產生的「白煙」實質上並不是煙,而是水汽凝結而成的液滴和冰晶,這種現象受高空大氣的狀態影響較大,並不是任何時候都能形成。而航空表演時我們看到的「彩煙」,則可以看作是煙,是為了滿足人們的觀賞需求,在飛機的特定裝置內刻意添加的物質,在噴出時基本不受大氣狀態的影響,而且表演飛機距離地面都比較近,只要噴出,就很容易被人們所觀察到。