飛行機雲（/ ˈ kɒ n t r eɪ l z / ; 「凝結雲」の略）または蒸気雲は、航空機のエンジン排気ガスや気圧の変化によって生成される線状の雲で、通常は地表から数キロメートル/マイル上空の巡航高度で発生します。主に水で構成され、氷の結晶の形で存在します。航空機のエンジン排気ガスに含まれる水蒸気と高高度の低い気温 の組み合わせが、この雲の形成を引き起こします。

エンジンの排気ガスに含まれる燃料由来の不純物、例えば煤や硫黄化合物（ジェット燃料中の重量比0.05%）は、排気ガス中の水滴成長の雲凝結核となる粒子の一部となります。水滴が形成されると、凍結して氷粒子となり、飛行機雲を形成します。[1]飛行機雲の形成は、翼端渦や翼面全体の空気中の気圧変化によって引き起こされることもあります。 [2]飛行機雲をはじめとする、人間の活動によって直接生成される雲は、均質雲と呼ばれます。[3]

ロケットによって生成される蒸気雲は「ミサイル飛行機雲」 [4]または「ロケット飛行機雲」と呼ばれます。ロケットによって生成される水蒸気とエアロゾルは、「大気中の氷過飽和層における氷雲の形成」を促進します。 [5] [6]ミサイル飛行機雲は主に「金属酸化物粒子、高温水蒸気凝縮粒子、およびエンジン燃焼のその他の副産物」で構成されています。[5]

飛行機雲が発生する高度の気温と湿度によって、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や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 homomutatus と呼ばれ、[7]巻雲、巻積雲、または巻層雲に似ていることがあり、cirrus aviaticus と呼ばれることもあります。[8]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。[9]

エンジン排気による結露跡

カンタス航空のボーイング747-438の高度11,000メートル（36,000フィート）における飛行機雲

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％は未燃焼の燃料です。[10]（エンジンの摩耗によって生じた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、局所的な水蒸気の増加によって空気の相対湿度が飽和点を超えて上昇することがあります。その後、水蒸気は小さな水滴に凝結し、気温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。水蒸気が凝結するのに十分な冷却時間を要するため、飛行機雲は航空機の後方である程度の距離に形成される。高高度では、過冷却水蒸気は沈着または凝結を促すきっかけが必要となる。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を急速に凝結させる。排気飛行機雲は通常、高度8,000メートル（26,000フィート）以上で発生し、気温は-36.5  ℃（-34  °F）を下回る。空気が冷たく湿っている場合は、地表近くでも発生することがある。[11]

NASA、ドイツ航空宇宙センター（DLR）、カナダ国立研究会議（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可能性があることが示されました。この減少は、バイオ燃料が氷結晶の形成核となる煤粒子の生成量を減らすことで説明されました。この試験は、 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実施されました。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%混合することで、飛行機雲を生成する煤粒子の数が50～70%減少しました。[12] [13] [14]

圧力低下による凝縮

プロペラ先端の渦が凝縮したヴィンテージP-40ウォーホーク

翼が揚力を発生させると、翼端と、展開されたフラップの先端に渦が発生します（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時間残留します。各渦の圧力と温度が低下すると、水が凝結し、翼端渦の中心部分が目に見えるようになります。この現象は湿度の高い日に多く見られます。翼端渦は、離着陸時の旅客機やスペースシャトルの着陸時に、翼のフラップの裏側で見られることがあります。[要出典]

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種類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、つまり各エンジンの真後ろで見られます。一方、目に見える翼端渦の核は通常、離陸後または着陸前の低高度、つまり航空機が低速で飛行しているとき、そして周囲の湿度が高いときにのみ見られます。つまり、翼端渦はエンジンの後ろではなく、翼端とフラップの後ろを流れます。[要出典]

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、（吸気口内に）結露霧が発生します。これは離陸時に乗客が目にすることが多い現象です。

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見えることがあります。[15]

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結露のために、蒸気の跡が観察されることがある。[16] [17]弾丸からの蒸気の跡はどの方向からでも観察できる。[16]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り（通常は射手の真後ろからしか観察できない）、通常は射手の真後ろからしか観察できない。[16] [18]

気候への影響

飛行機雲と自然の雲を写したNASAの写真

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。[19] 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多く捕捉するため、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 2～17 mW/m 2と推定された。[20] 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。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。[21]

アメリカ陸軍航空隊第8空軍のB-17と飛行機雲

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に増加する可能性があります。[22] [23]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。[24]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、夜間の気温を上げてその差を縮めます。[25] 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。[26]

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（固定された観測所における1日の最高気温と最低気温の差）につながると示唆されてきた。[27] 9月11日の攻撃後、米国上空を商業航空機が飛行しなかったため、日較差は1.1 °C（2.0 °F）広がった。[28]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年間で最大の記録だった。 [28]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。[29]米国南部では差が約3.3 °C（6 °F）、米国中西部では2.8 °C（5 °F）減少した。[30] [31]しかし、その後の研究では、雲量の自然な変化がこれらの結果を説明できる以上の効果があることがわかった。[32] 2008年の研究の著者らは、「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の変化にわずかに寄与している」と述べている。[33]

2010年の航空交通混乱後のヴュルツブルク上空。飛行機雲がない状態（左）と、通常の航空交通と適切な条件下（右）

2011年、第二次世界大戦中の英国の気象記録に関する研究で、編隊飛行を行ったアメリカ陸軍航空隊（USAAF）の戦略爆撃機が使用していた空軍基地付近で、気温が日中の平均気温より0.8℃（1.4℉）高かった事例が特定されました。しかし、この研究の著者らは、これは単発の事例であり、確固たる結論を導き出すことは困難であると警告しています。 [34] [35] [36]その後、 2020年の新型コロナウイルス感染症のパンデミックへの世界的な対応により、世界の航空交通量は2019年と比較して約70%減少しました。そのため、飛行機雲が地域および地球全体の気温に与える影響を研究する長期的な機会が生まれました。複数の研究で、飛行機雲の変化による「日周地表気温差への有意な反応は見られなかった」こと、そして「正味で有意な地球全体の実効放射強制力（ERF ）は見られなかった」か、非常に小さな温暖化効果が見られたことが明らかになりました。[37] [38] [39]

2020年に開始されたEUのプロジェクトは、飛行計画の策定における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。[40]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、[41] 、 Reviate、[42]、Ciconiaプロジェクト[43]、Googleの「プロジェクト飛行機雲」などがあります。[44]

正面からの飛行機雲

観測者に向かって飛行する飛行機雲は、物体が垂直方向に移動することによって発生するように見えることがある。[45] [46] 2010年11月8日、米国カリフォルニア州で、この種の飛行機雲が「謎のミサイル」としてメディアの注目を集めたが、これは米国軍および航​​空当局によって説明できなかった。[47]そして、飛行機雲としての説明が[45] [46] [48] [49]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。[50]

ディトレイル

ディストレールは飛行機雲の反対である

航空機が雲を通過すると、その進路上にある雲が拡散することがあります。これはディストレール（「dissipation trail（消散跡）」の略）として知られています。航空機のエンジンから出る高温の排気ガスと、航空機の後流における鉛直混合の増加により、既存の雲粒が蒸発することがあります。雲が十分に薄い場合、このようなプロセスにより、本来は固体である雲層の中に雲のない通路が形成されることがあります。[ 51]ディストレールの初期衛星観測は、CorfidiとBrandli（1986）に掲載されています。[52]

雲は、目に見えない水蒸気が微細な水滴または微細な氷結晶に凝縮することで形成されます。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。ディトレイルは、エンジンの排気熱によって雲内の液体の水滴が蒸発し、目に見えない気体水蒸気に戻ることで形成されます。また、航空機が雲を通過した後、薄い雲層の直上または直下の乾燥した空気の混合（エントレインメント）が促進されることで、ディトレイルが発生することもあります。これは、下の2番目の画像に示されています。

参照

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