Vliegende wolkenfabriek

‘Het is erger dan gedacht, maar misschien valt het ook wel mee. Eigenlijk is het nog te vroeg voor een oordeel.’ Zo zou je het laatste wetenschappelijke nieuws over de invloed van het vliegverkeer op het klimaat kunnen samenvatten. Het verscheen deze week in het net opgerichte tijdschrift Nature Climate Change dat misschien nog een beetje zijn vorm moet vinden.

Het slaat op de typische condensstrepen die hoog vliegende vliegtuigen soms achter zich aan de hemel trekken, en in het bijzonder op hun invloed op de stralingshuishouding van de aarde. Tot dusver werd aan die condenssporen, die in het Engels contrails (condensation trails) worden genoemd, een licht opwarmend effect toegeschreven. Hun zogenoemde ‘stralingsforcering’ zou rond de 0,01 watt per vierkante meter aardoppervlak liggen.

’t Is niet een-twee-drie uit te leggen wat dat is, die stralingsforcering. Het drukt in een getal uit wat een willekeurige nieuwe ontwikkeling in de stralingshuishouding van de aarde verandert aan de oude, onverstoorde situatie. De inkomende straling van de zon kan wat meer worden tegengehouden dan vroeger (dan zou het wat kouder worden) of de uitgaande warmtestraling van de aarde kan wat minder makkelijk weg dan voorheen (dan wordt het warmer). Het is het nuttig om te onthouden dat het broeikasgas CO2 een forcering van 1,7 watt per m2 teweeg brengt. Het vliegtuigeffect is dus sowieso bescheiden.

Tot dusver zijn voor wat betreft die vliegtuigen altijd alleen maar de contrails in rekening gebracht die satellieten vanaf hun hoge positie kunnen zien. Dat zijn de verse, smalle, witte sporen die zo helder afsteken tegen de rest van de aarde. Ze worden met linear contrails aangeduid. Boven West-Europa zien de satellieten er soms een heel spinnenweb van.

De kwestie is dat de condenssporen, die soms wel 17 uur blijven bestaan, zich onder bepaalde omstandigheden flink kunnen uitbreiden tot een hoge samenhangende cirrusbewolking die nauwelijks van natuurlijke cirrus is te onderscheiden. Maar deze fijne sluier, voornamelijk bestaande uit ijskristallen, verandert wel degelijk de stralingshuishouding. De Duitse onderzoekers Ulrike Burkhardt en Bernd Kärcher uit Oberpfaffenhofen hebben de invloed van de contrail-cirrus nu proberen te becijferen. Dat viel niet mee omdat contrail-cirrus boven West-Europa de kans op natuurlijke cirrus boven Oost-Europa verlaagt. (Omdat de luchtmassa meestal van west naar oost over Europa trekt en vocht dat eenmaal is gecondenseerd het niet nog een keer doet.) Er moesten dus twee nog slecht beschreven effecten van elkaar worden afgetrokken. Vandaar die grote onzekerheid. Eén ding lijkt wel vast te staan: het wolkeffect van vliegtuigen op het klimaat is groter dan de invloed van de CO2 die ze uitstoten.

De buitenstaander vraagt zich na de exercitie uit Oberpfaffenhofen af of hij contrails meer of minder moet haten dan vroeger. Ze hebben met hoogspanningsleidingen gemeen dat ze de ongereptheid van hemel en landschap aantasten, maar er tegelijk een eigen schoonheid aan toevoegen. Denk aan het vakwerk van de hoogspanningsmasten dat altijd weer anders is, en aan hun leidingen die net niet in een parabool hangen.

Het is het beste voor het humeur om maar van de condensstrepen te leren houden. Leer ze onderscheiden – er zijn grote verschillen – en denk na over de manier waarop ze ontstaan. De trefwoorden ‘contrail’ en ‘physics’ voeren naar nuttige informatie. Kortgezegd ontstaat het condensspoor uit vermenging van twee gassoorten die elk afzonderlijk niet of nauwelijks oververzadigd waren aan waterdamp. Het uitlaatgas niet omdat het te heet was, de lucht niet omdat er te weinig water in zat. Of en wanneer in de vermenging van de twee gassoorten wel of niet condensatie optreedt, valt redelijk te voorspellen omdat de uitlaatgassen van vliegtuigmotoren zoveel condensatiekernen bevatten dat ze geen oververzadiging meer toestaan. (Natuurlijke, schone lucht kan heel ver oververzadigd zijn voor condensatie optreedt.)

Het googlen van afgelopen week leverde twee verrassingen op. Opeens was er zomaar een verklaring voor de alledaagse waarneming dat het condensspoor achter een vliegtuig zo vaak uit een kralensnoer van kleine wolkjes lijkt te bestaan. Amerikanen gebruiken er graag het woord puffy voor. Het is zó gewoon dat je je niet gauw meer afvraagt hoe het zo komt. Het antwoord op de niet gestelde vraag is: Crow instability. Het condensspoor wordt beïnvloed door de typische wervelingen die altijd aan de vleugeluiteinden van het vliegtuig optreden (wing tip vortices). Per vliegtuig kan het effect verschillen, ontdekte ontdekker S.C. Crow die er in 1970 over publiceerde.

Onderzoekers van Stanford University hebben de vorming van puffy structures als gevolg van Crow instability mooi gemodelleerd en op hun site gezet. Het fenomeen kan soms heel extreme vormen aannemen en nog heel lang na het verdwijnen van het vliegtuig blijven bestaan, zoals op de onderste twee plaatjes is te zien. Ze komen beide van een wikipedia.

De bovenste foto toont twee Boeing B-17 ‘Flying Fortress’-bommenwerpers, misschien wel tijdens de Tweede Wereldoorlog of een paar jaar daarvoor. Ook al van een wikipedia. De puffy wolkjes zijn vooral linksboven goed te zien. Zeker zo interessant zijn de cirkelvormige wolkjes direct achter de motoren. Het kan zijn dat we hier de invloed zien van de propellerwerveling op het spoor van uitlaatgassen, maar het lijkt waarschijnlijker dat de kringetjes ontstaan aan de uiteinden van de propellerbladen. Dan zou de condensatie een gevolg zijn van druk- en temperatuurverlaging aan die propelleruiteinden. Het verschijnsel is meer bekend van de uiteinden van snel vliegende vliegtuigvleugels en wordt dan wing tip trail genoemd.

En google nu eens door naar de artikelen van Klaus Gierens, Bernd Kärcher en nog twee onderzoekers, weer uit Oberpfaffenhofen, over aerodynamic contrails. Zij ontdekten gevallen waarin achter de gehele vliegtuigvleugel zo’n temperatuurverlaging optreedt. Als dan niet waterdruppeltjes maar ijskristallen ontstaan, worden de mooiste kleuren zichtbaar in het vliegtuigspoor.