martedì 17 marzo 2009

Come verificare se esistono le condizioni per la formazione di scie di condensazione mediante l'Appleman Chart (tutorial)

Nell'ultimo mese, in seguito a una vivace e inaspettata discussione scaturita dalla pubblicazione di fotografie di scie di aereo e di semplici analisi dei dati atmosferici, ho potuto verificare che tra gli appassionati della tematica esiste un po' di confusione sulla distinzione tra concetti ben distinti quali formazione e persistenza, e sulla procedura da seguire per verificare se e a che quota si possono prevedere scie in una determinata giornata in base all'analisi dei dati atmosferici rilevati dalle radiosonde.
Affrontare la tematica delle scie di aereo vuol dire, in primo luogo, affrontare con sicurezza l'analisi dei dati atmosferici, e la confusione riscontrata su questo argomento non è certo d'aiuto al dibattito in corso.
Affrontare le scie di aereo senza essere in grado di leggere i dati atmosferici, è come tuffarsi in mare aperto senza saper nuotare.
Ho allora pensato che potesse essere utile fare ulteriore chiarezza su questi concetti.

Nel post di oggi spiego con un breve tutorial come verificare in una determinata giornata ed ad una determinata ora se e a che quota è prevista la formazione di scie di condensazione in basa all'analisi dei dati atmosferici. Ho utilizzato allo scopo il metodo dell’Appleman Chart. Tale metodo di previsione delle scie è esaustivamente spiegato sul sito della NASA [1].
In un prossimo post tornerò invece sul concetto della persistenza, concetto sicuramente ben più complesso.
Questi tutorial sono propedeutici alla analisi di alcune giornate di scie del mese di marzo 09 che conto di pubblicare a breve.

Tutorial: come verificare se esistono le condizioni per la formazione di scie di condensazione.

Per prima cosa dobbiamo decidere su cosa basare i nostri studi. Io mi baso sulla teoria scientifica che spiega la termodinamica della formazione delle scie, formulata negli anni 40-50 (Schmidt, 1941; Appleman, 1953) e successivamente rivista ed estesa negli anni '90 (Schumann, 1996) [2, 3, 4,]. Ricordo che in base a questa teoria che le scie di condensazione di aereo si possono formare a qualsiasi valore di umidità relativa, quindi anche a umidità relativa dello 0% in linea di principio. Se la temperatura è sufficientemente bassa, la umidità presente nello scarico dei motori è sufficiente per produrre una scia di condensazione. Sul sito della NASA troviamo infatti:

"If the atmosphere were colder than the temperature indicated by the 0% line, a contrail would form even if the relative humidity of the atmosphere were zero. By itself, the airplane will supply enough moisture to make the contrail, and no moisture is necessary from the atmosphere to form the cloud."

Questo fatto è risaputo da più di 50 anni. Il diagramma di Appleman (vedi oltre) mostra chiaramente come a qualsiasi quota, al di sotto di una determinata temperatura si entri in una zona chiamata "always contrail" dove le scie si possono formare a qualsiasi valore di umidità relativa.
Su internet gira tuttavia una definizione riguardo alla formazione di scie secondo la quale le normali scie si possono formare solo col 70% di umidità relativa. Risulta chiaro che sulla base di questa definizione alternativa, poichè raramente si osservano valori del 70% mentre frequentemente osserviamo scie, quasi tutte le scie di aereo che vediamo non sarebbero spiegabili, una cosa francamente fuori dal mondo.
Sarebbe bene che tutti gli interessati alla tematica riflettessero su questa cosa e decidessero su cosa basare le proprie convinzioni.

Dunque vediamo come calcolare la quota minima di formazione di scie di condensazione in base ai dati atmosferici.
Andiamo per prima cosa sul sito della NASA e prendiamo il diagramma di Appleman esteso alla superficie terrestre (Fig. 1)

Figura 1

Sull'asse delle x è riportata la temperatura in celsius e sull'asse delle y è riportata la pressione in hPa (ad ogni valore di pressione corrisponde una quota). Sul grafico sono poi presenti delle curve di umidità relativa, dallo 0 al 100%.
Focalizziamo la nostra attenzione alla linea orizzontale dei 400 hPa (corrispondenti a circa 7000 metri di quota). Osservate le curve di umidità nella figura 1. Esse intersecano la linea orizzontale dei 400 hPa in vari punti. Ogni punto di intersezione corrisponde ad uno specifico valore di temperatura.
Bene. Ora immaginiamo che la umidità relativa a 400 hPa sia del 100% (Fig.2)

Figura 2

La curva di umidità relativa del 100% incrocia la linea verde continua dei 400 Hpa nel punto A della figura 2. Se uniamo il punto A con la base del grafico mediante una linea perpendicolare ad essa (linea verde tratteggiata nel grafico) vediamo che il punto A corrisponde ad una temperatura di circa -37,0 °C.
Questa è la temperatura atmosferica massima alla quale si potrà avere la formazione di scie alla quota di 6860 metri con umidità relativa del 100%. Con temperature atmosferiche più alte di -36,5 °C non si formeranno scie, con temperature più basse continueremo ad avere scie.
Facciamo ora un altro esempio. Immaginiamo di essere sempre a 400 hPa ma di avere questa volta umidità relativa del 30% (Fig. 3) .

Figura 3


In questo caso, procedendo come sopra, la temperatura massima per la formazione di scie è più bassa, circa - 45,0 °C.
Vediamo anche cosa succede se l'umidità relativa è dello 0% (Fig. 4).

Figura 4

La temperatura massima per la formazione di scie scende a circa -47,0 °C.

Ora lasciamo i casi ideali e proviamo ad analizzare una giornata reale. Ho selezionato la giornata del 21 febbraio 2009. Gli appassionati della tematica, una volta letto il tutorial, per esercizio potranno poi provare a verificare le condizioni di altre giornate.
Per prima cosa ci servono i dati atmosferici della giornata. Questo è il link con i dati atmosferici relativi alla giornata (misurazione delle ore 12Z):


Per sapere se a una certa quota erano previste scie quello che dobbiamo fare è, semplicemente, derivare la temperatura massima a quella quota, come visto sopra, e verificare se la temperatura registrata a quella quota è minore di tale temperatura massima.
Nella giornata in studio, fino ai 400 hPa ciò non si verifica e quindi non abbiamo le condizioni per la formazione di scie (il lettore, volendo, potrà verificare quanto detto come esercizio).
Vediamo cosa succede dai 400 hPa fino ai 200 hPa (fino cioè alla fine della tipical flight level). Di seguito, i dati atmosferici.



Iniziamo a vedere cosa succede a 400 hPa (pallino rosso nella tabella). Vedo che l'umidità relativa era del 25% e la temperatura di -37,1 °C. La curva del 25% però sul grafico non c'è. Cosa faccio allora? La curva del 25% è compresa tra quelle del 30% e dello 0%, quindi quello che posso fare è considerare non un solo valore di temperature ma un intervallo di temperature. Considero cioè l'intervallo di temperature compreso tra la curva del 30% e dello 0%. (Fig. 5).

Figura 5

La temperatura massima necessaria per avere scie è dunque sicuramente compresa tra -47,0 e -45,0°C ma la temperatura misurata dalla sonda come visto è di -37,1 °C, ben più alta. Di conseguenza a quella quota non vi erano le condizioni per la formazione di scie. Lo stesso succede per le quattro quote successive misurate dalla sonda.
A 335 hPa (pallino arancione sulla tabella dei dati) succede invece qualcosa di interessante. (fig6)

Figura 6


L'umidità è del 42% quindi considero l'intervallo tra le curve del 30% e del 60%. La temperatura registrata dalla sonda, -46,8°C, in questo caso ricade nell'intervallo di temperature massime per cui rimaniamo nell'incertezza. Potrebbero esserci le condizioni come potrebbero non esserci.
Alla quota successiva infine (pallino verde nella tabella) siamo finalmente nelle piene condizioni per la formazione di scie di condensazione (Fig 7).

Figura 7


A quella quota, a 300 hPa, l'umidità relativa registrata è del 55% e la temperatura registrata è di -52,3°C. Anche in questo caso la curva del 55% non è disegnata, per cui di nuovo considero un intervallo di temperature compreso tra le curve del 30% e del 60%: -48,0 - -47,0°C. La temperatura effettiva misurata dalla sonda è ben più bassa, -52,3°C. Siamo nelle condizioni per la formazione di scie. Le condizioni sussistono poi fino ai 200 hPa (verifica lasciata al lettore come esercizio).
Sulla base di questa analisi possiamo quindi dire che il 21 febbraio alle 12Z ci aspettavamo scie dai 9080 fino ad almeno 11660 metri di quota (i lettori possono verificare cosa succede a pressioni inferiori a 200 hPa).

Alcune importanti considerazioni.

1. Le misurazioni sono delle 12Z (le 13:00 da noi). Al meglio delle mie conoscenze so che il pallone parte di norma alle 11Z (le 12:00 da noi) Con una velocità ascensionale di circa 5 m/s.
In base a questi dati il pallone raggiunge la quota dove noi abbiamo scie (9080) in circa 30 minuti quindi alle 11:30 Z (le 12:30 da noi) e raggiunge i 12 mila metri dopo altri 10 minuti. Quindi il momento migliore per l'osservazione delle scie il 21 febbraio era dalle 12:30 alle 12:40 (diciamo pure per semplicità tra mezzogiorno e l'una).

2. Per semplicità ho considerato i valori della tabella come tali. Tuttavia dobbiamo ricordare che tutti i dati atmosferici della tabella presentano dei parametri di dispersione. La misurazione dei temperatura della sonda RS92 ha incertezza totale nell'accuratezza di 0.5°C mentre quella di umidità 5% RH. Questo vuol dire che il 39% in realtà è un valore compreso tra 40,95% e 37,05%. Inoltre, sappiamo anche che la sonda alle 12Z tende a sottostimare di circa il 10% [5], per cui dovremmo considerare anche un 10% in più di umidità relativa.

3. Il diagramma di Appleman è riportato e usato sul sito della NASA, tuttavia negli ultimi anni sono state apportate importanti modifiche alla teoria originale per adeguarla ai nuovi motori. Sono quindi disponibili in letteratura diagrammi e curve più accurate.

A questo punto, con un po' di attenzione, e con il grado di precisione desiderato, siamo in grado di andare a verificare per qualsiasi giornata a quale quota troviamo le condizioni per la formazione di scie.

Referenze
[2] Schmidt, E. 1941: Die Entstehung von Eisnebel aus den Auspuffgasen von Flugmotoren. Schriften der Deutschen Akademie der Luftfahrtforschung, Verlag R. Oldenbourg, Muenchen und Berlin, Heft 44, p 1-15.
[3] Appleman, H. S. 1953: The Formation of Exhaust Condensation Trails by Jet Aircraft, Bulletin American Meteorological Society, 34, p 14-20.
[4] Schumann, U. 1996: On conditions for contrail formation from aircraft exhausts, Meteorol. Zeitschrift, 5, p 4-23.
[5] V. O. John and S. A. Buehler. Comparison of microwave satellite humidity data and radiosondeprofiles: A survey of European stations. Atmos. Chem. Phys., 5, 1843–1853, 2005

18 commenti:

Gianni Comoretto ha detto...

La teoria di Appleman e i suoi grafici partivano dall'assunzione che tutta l'energia del combustibile riscaldasse i gas di scarico. Nei motori una parte dell'energia serve per spingere l'aereo, e quindi i gas sono più freddi, e condensano prima. Quindi andrebbe visto un grafico corretto per i motori odierni.

Incredibilmente, nei siti pro-scie si dice che i gas più freddi dovrebbero dare MENO scie, perché queste persone, nella loro ignoranza, sono convinti che sia il calore del gas, e non la sua umidità, a produrre le scie di condensa.

Ci sono molti altri problemi nell'applicare le teorie di Appleman.Soprattutto le sonde fanno misure puntuali, ad una certa ora ed in un certo luogo. Sono quindi molto utili per capire (come si fa qui) come funzionano in generale le cose, ma non per stabilire se QUELL'aereo poteva o no rilasciare scie.

L'umidità può cambiare drasticamente a poche centinaia di metri di distanza, la temperatura è più uniforme ma anche lei varia.

Concludendo: i grafici e le radiosonde van benissimo per smentire chi dice che le scie non possono formarsi a umidità sotto il 70%, e per far vedere che praticamente tutti i giorni ci sono condizioni per le scie. Ma van presi con un grano di sale.

Nico ha detto...

Che dire.. sto giusto studiando altimetria di volo, quindi la cosa è parecchio interessante.

Il problema è che chi non è pratico non sa nemmeno cosa significhi hPa (ettopascal) e che è il nuovo termine per i millibar.

La cosa migliore per spiegare le zone sarebbe di poter far vedere le isobare in tridimensionale per far capire il movimento delle masse d'aria.. poi ci fai passare un aereo in mezzo e si può vedere tutti i tipi di contrail che può formare.

Certo, un bel lavorone di grafica 3D...

just ha detto...

Fantastico! Stasera mi prendo tutto il tempo e me lo leggo con calma.

Oggi cielo particolarmente azzurro con molte scie che persistono un paio di minuti, deve esserci poco vento in quota perché restano molto nette, non si disperdono, sembrano tracciate col righello da capo a coda.

Ho fatto una raffica di foto e tra quelle più o meno sfocate (ma più che altro qui urge dotarsi di treppiede) questa è la più bella. Credo sia un Airbus a330 o simile.

cieliazzurri ha detto...

Ciao Gianni.

Il metodo dell'Appleman chart è proprio un metodo previsionale, e come tutte le previsioni non ha una affidabilità del 100%, anche perchè i dati di umidità atmosferica rilevati dalle radiosonde vanno sempre presi con cautela.

Come scritto nelle considerazioni finali, la teoria iniziale di Appleman è stata modificata negli ultimi anni per adeguarla ai nuovi motori e sono presenti in letteratura i valori dei contrail factor per i nuovi motori.

Tuttavia, l'Appleman Chart è il metodo grafico più semplice e immediato (è infatti il metodo presente e descritto sul sito della NASA per la previsione delle scie) e permette di ottenere facilmente un quadro della sitazione.

cieliazzurri ha detto...

Ciao Nico.

Lo so, chi non è pratico può fare fatica. Ma le scie di condensazione sono un fenomeno fisico la cui descrizione prevede l'utilizzo di alcune conoscenze di base.
Chi vuole occuparsi di scie e vuole impegnarsi a verificare quello che legge su internet dovrebbe quindi fare un piccolo sforzo.
Senza verifiche, l'alternativa è affidarsi in toto a quello che si trova su internet, coi rischi che tutti conosciamo.

Io cerco di fornire gli strumenti (appleman, stima della quota di volo da una foto)a chi desideri provare a mettere in discussione le proprie convinzioni sulle scie chimiche.
Poi sta a ciascuno decidere se impegnarsi o meno.

Gianni Comoretto ha detto...

@cieliazzurri. Il commento non era diretto a te.

Lo scopo di questo post mi sembra sia far vedere che con i dati che abbiamo possiamo verificare che le scie sono un fenomeno ragionevole, e frequente. E ci riesci benissimo, complimenti. Il tuo post in cui metti a confronto "quel che dice la scienza" e "quel che dicono i sostenitori delle sciechimiche" è un esempio altrettanto chiaro di come si puo' creare dal nulla una teoria bislacca semplicemente distorcendo due frasi.

Il mio commento era rivolto a chi prende i dati di una radiosonda su Milano, e ne deduce che quella particolare foto che mostri tu (da cui non si vede neppure se la scia è persistente, non è lo scopo) è palesemente chimica.

Gianni Comoretto ha detto...

Altro commento. Mi ha colpito come, nella trasmissione di Controradio, Penna dicesse "le scie di condensa sono rarissime", e dieci minuti dopo io dicessi "le scie di condensa sono comunissime".

Mi chiedo che pensi la gente comune. O crede a me, o a Penna. O si deve fare un minimo di conti, magari seguendo quel che dici in questo post.

Ma quanta gente sa anche solo leggere un grafico? O ha voglia di seguire un ragionamento che comunque richiede 10-15 minuti? Si finisce per decidere sulla base di "titoli" (chi e' "più scienziato", come diceva il presentatore), sul tono di voce, o su propri pregiudizi.

cieliazzurri ha detto...

Ciao Just, grazie!

Molto bella la foto! Mi sembra un A320.

cieliazzurri ha detto...

Ah, ok Gianni :)

Io spero proprio che dopo questo post gli interessati alla tematica riescano a vedere la cosa in modo più chiaro.

Certo che se qualcuno continua a basare le proprie convinzioni sul 70% di umidità relativa, allora quasi tutte le scie saranno considerate chimiche :(

E' solo questione di decidere se accettare la teoria scientifica o meno. Se una persona interessata alla tematica fa questo importante passo, allora vedrà tutto in modo diverso.

cieliazzurri ha detto...

Purtroppo sì, non tutti hanno voglia e tempo di verificare le informazioni che trovano e ad un certo punto ci si deve affidare ad una delle spiegazioni proposte.
Ed effettuare verifiche sulla tematica delle scie di aereo è davvero difficile.

L'ideale sarebbe fornire le informazioni sulle scie di aereo con un linguaggio non troppo tecnico. Solo che non è affatto semplice. Ma ci si può provare.

Giornalettismo ha detto...

Effettivamente somiglia più all'a320.

Mi son fatto due calcoli: il mio "attrezzo" col massimo ingrandimento usato copre 0.0006934° con ogni pixel (dato ricavato fotografando - con filtro - il disco solare).
Nella foto l'aereo era quasi sulla mia verticale quindi approssimo quota=distanza.

Le dimensioni apparenti quindi mi risultano 0.2052° in lunghezza e 0.1837° in apertura alare.

Le dimensioni reali sarebbero
tan(dim.apparente) * distanza

quindi

distanza = dim / tan(dim.app.)

preso per buono che sia un a320 viene

considerata la lunghezza:

dist = 37,5m / tan(0.2052°) = 10.490metri

considerata l'apertura alare:

dist = 34m / tan(0.1837°) = 10.604metri

Più o meno ci siamo.

Considerando che l'aereo forse non era esattamente a 90° nel momento dello scatto, si può benissimo dire che in quel momento stava volando a circa 10.700-10.800 metri di quota. C.V.D.

E posso anche escludere che si trattasse di un aereo simile ma più grande, come l'a330: dal calcolo verrebbe fuori una quota esaGGerata :D

Tutto questo sempre che non abbia sbagliato nulla, il che non è mica detto ;)

[just]

cieliazzurri ha detto...

Ciao, il risultato che ottieni dalla tua analisi mi sembra in linea con altre stime effettuate.

Ho verificato poi che ci sono dei fattori di correzione da applicare alla stima che si determinano calibrando lo strumento con fotografie di bersagli di dimensioni note a distanze note e variabili.

Se tutti gli appassionati della tematica provassero a stimare la quota di volo di un aereo con scia che vola sulla propria verticale, si accorgerebbero che le quote di volo degli aerei con scia sono appunto intorno ai 10-11mila metri. E si aprirebbe un mondo..

scie-nziato ha detto...

stamattina ho partecipato ad un briefing dedicato alla descrizione di alcune modifiche apportate di recente alla codifica dei bollettini meteo ed altro.
Non entro nei dettagli perchè non sarebe di alcuna utilità, però voglio fare una semplice considerazione di carattere genrale.

Il relatore è un meteo che lavora a roma e che in modo discontinuo fa l'osservatore meteo. Ovviamente la prima cosa che ho chiesto ha riguardato le radiosonde e la loro attendibilità ai fini della umidità. L'impressione che ho avuto è che non avesse una grossa conoscenza dell'argomento, era consapevole che le sonde hanno problemi a temperature molto basse ma non è stato in grado di dirmi se i valori visualizzati nei vari siti sono corretti o meno dei vari algoritmi usati per correggere tali errori. Ha semplicemente detto che a suo parere quelli pubblicati erano dati grezzi così come ricevuti dalla sonda, ma rimaneva un suo parere. Il fatto è che per le normali previsioni avere i dati dell'umidità relativa a 10 km di altezza o più, serve a poco.

L'idea che mi sono fatto è che anche uno del mestiere se non è direttamente interessato alla previsione delle contrails non è in grado di dare risposte soddisfacenti.

Però stamattina ho scoperto una cosa che non sapevo: esistono dei messaggi che si chiamano PREREG, in cui sono riportate le previsioni di contrails. Ho fatto una ricerca e purtroppo non ho trovato siti in qui tali messaggi siano disponibili (provateci anche voi, magari siete più fortunati), per esempio è possibile avere i METAR, i TAF ma non i PREREG.

Non so nemmeno se dal lavoro riesco ad ottenere i PREREG, farò delle verifiche nei prossimi giorni.

Certo, se riuscissi ad avere tali previsioni sarebbe molto interessante.

Credo comunque che tali PREREG siano disponibili ai piloti presso i vari aeroporti.

Giornalettismo ha detto...

Infatti io ho prima calibrato con un paio di foto del disco solare (al momento appare di dimensione 0,5353°) visto che uso uno strumento piuttosto "anomalo" :D

Possono esserci errori di qualche centinaio di metri di quota, ma l'importante è capire che è impossibile che aerei a 2000-4000 metri di quota rilascino scie, perché apparirebbero ENORMI, come ENORMI sarebbero le scie, roba che la gente per strada si fermerebbe a guardare.

[just]

Giornalettismo ha detto...

Già che ci sono metto anche i dati atmosferici alla quota di volo rilevata

245.0 10408 -56.5 -72.1 12 0.01 340 26 323.8 323.8 323.8
219.0 11122 -57.7 -76.7 7 0.01 337 28 332.5 332.5 332.5


[just]

cieliazzurri ha detto...

Esatto Just, e la stima della quota di volo da una foto permette in ogni caso di discriminare con sicurezza tra un aereo che sta a 10mila metri e un aereo che sta a 2mila metri.
Chi ritiene che vengano rilasciate scie di aereo a 2000 metri, equiparabili a quelle rilasciate a 10mila metri, potrebbe provare a mettere in gioco le proprie convinzioni (non ci sarebbe nulla da perdere) provando a stimare la quota di un aereo con scia da una foto. Se la convinzione è esatta, si troveranno le scione a bassa quota. Se la convinzione è errata non le si troveranno, ma si capirà come stanno le cose. In entrambi i casi c'è da guadagnarci :)

cieliazzurri ha detto...

Ciao Scienziato

Non conoscevo i PREREG, sembrerebbero molto interessanti.

Per quel che riguarda i dati atmosferici pubblicati credo che bisognerebbe rivolgersi direttamente ai responsabili delle stazioni di rilevamento per sapere se i dati vengono trattati o meno.
Io credo di no, anche perchè esistendo vari tipi di trattamento ciascuno può decidere che tipo di trattamento effettuare. Comunque per avere la certezza possiamo informarci.

Ciao

Massimo

Nico ha detto...

Forse vi può essere utile questo?
http://www.luizmonteiro.com/StdAtm.aspx