Las estelas de condensación de los aviones
1. ¿Qué son las estelas de condensación?
Una "estela de condensación" es ese rastro nuboso lineal que deja un avión a su paso cuando el agua gaseosa emitida por sus motores se "condensa" y se hace visible.
Dos aclaraciones:
- "Condensación" significa en sentido estricto el paso de gas a líquido. Pero en el caso de las estelas el agua pasa rápidamente a cristalitos de hielo, y aun así se suele llamar condensación.
- Además del agua emitida por los motores, las estelas suelen tomar humedad del aire circundante.
3. ¿A qué altura se encuentran las estelas de condensación?
4. ¿Por qué circulan a esas alturas los aviones comerciales normales?
A mayor altura, más escaso es el aire, y eso tiene ventajas para el avión: menos energía consume para atravesar el aire, menos turbulencia sufre el aparato... Pero a una altura excesiva empiezan a surgir inconvenientes: hay poco oxígeno para quemar el combustible, se genera poca sustentación... Por tanto, la mejor altura es la mayor altura a la que todavía no aparecen esos inconvenientes en un grado importante.
- Estelas efímeras: las que duran menos de diez minutos tras su formación.
- Estelas persistentes: las que duran más de diez minutos, a veces horas.
- Estelas persistentes extendidas: las que duran más de diez minutos, a veces horas, y además se extienden lateralmente.
- Nubes altas derivadas de estelas. Son nubes altas de aspecto asimilable a las nubes altas naturales, pero que se desarrollan a partir de las estelas de condensación. No pueden considerarse ya estelas, aunque a veces conservan un patrón general alargado que hace sospechar su origen.
6.¿Cómo se forman las estelas de condensación?
Depende sobre todo de la humedad relativa del aire que atraviesan:
- Al salir del motor, el chorro de emisiones se descomprime y se empieza a enfriar. Su agua gaseosa forma gotitas de agua. Inmediatamente se empieza a mezclar con el aire gélido del entorno. Si el aire del entorno es frío pero muy seco, al mezclarse con las gotitas del chorro de emisiones, las seca. Entonces no se forma estela.
- Si el aire es algo más húmedo, no puede secar las gotitas al mezclarse con ellas. Pero sí produce enfriamiento. Entonces el enfriamiento causa que se formen cristalitos de hielo a partir de las gotitas. Esos cristalitos son visibles desde tierra y constituyen la estela.
- La mezcla prosigue. A los pocos segundos o minutos, la cantidad de aire que ha entrado en la mezcla puede ser suficiente para secar los cristales de hielo por sublimación. Entonces la estela desaparece. Ha sido una estela efímera.
- Si el aire es aún más húmedo, pasan más de diez minutos y la estela sigue sin secarse. Tal vez incluso ha crecido incorporando humedad de ese aire. Ha alcanzado el rango de estela persistente.
- Si la humedad es suficiente, la estela persistente puede extenderse y generar más nubes altas, a expensas de la humedad del aire. Se trata de las estelas persistentes extendidas y de las nubes altas derivadas de estelas. Más adelante volveremos a referirnos a ellas.
a) En los motores. Si el combustible del avión fuera puro hidrocarburo y se quemara perfectamente, solo se produciría agua gaseosa y dióxido de carbono. Pero como el combustible tiene impurezas y no se quema perfectamente, y además el metal de los motores se desgasta, se emiten también otras sustancias: óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, hollín, monóxido de carbono, diversos hidrocarburos y compuestos orgánicos, y algunas partículas metálicas. Es más o menos lo mismo que emiten los coches. De todas estas sustancias, para las estelas de condensación nos importan sobre todo el agua gaseosa y las partículas de hollín.
b) Entre el motor y la estela: un espacio vacío. Al salir de cada motor, el chorro de emisiones se descomprime. Por tanto, se enfría. Con el enfriamiento, su agua gaseosa tiende a hacerse líquida. Las partículas de hollín se lo facilitan: las moléculas de agua gaseosa se unen entre sí sobre las partículas de hollín para formar gotitas. Se generan por tanto muchas gotas diminutas con núcleos de hollín. El enfriamiento aumenta, al mezclarse las emisiones con e aire circundante, gélido a esa altura. Pero en esos primeros instantes aún no han aparecido cristales de hielo. Por tanto no existe estela visible. Así que lo que se ve es un espacio vacío entre los motores y la estela. Este espacio vacío puede medir metros o decenas de metros.
c) El inicio de la estela: una línea por cada motor. Por fin llega un momento en que aparecen cristales de hielo. Entonces el rastro de cada motor se hace visible desde tierra. Se ven tantas líneas blancas como motores hay. Si hay dos, pues dos; si hay cuatro, cuatro. Quedan a la altura por la que acaba de pasar el avión. Son el inicio de la estela. Se prolongan unos metros o decenas de metros hasta ser alcanzados por los remolinos de punta de ala.
d) Los remolinos de punta de ala: dos líneas más gruesas y más bajas. El ala del avión, impulsada hacia delante, quita aire de encima para ponérselo debajo. Se genera así una sobrepresión debajo, y una succión arriba. Gracias a eso se sostiene el avión en el aire. Como consecuencia de la diferencia de presión entre las dos caras del ala, aparecen sendos remolinos que crecen en espiral desde la punta de cada ala hacia atrás. Son los "remolinos de punta de ala". El remolino del ala izquierda gira en sentido horario (visto desde atrás), y el del ala derecha en sentido antihorario; y los giros se van haciendo más amplios conforme se alejan de las puntas de las alas. Ambos remolinos "caen" hacia abajo durante segundos o pocos minutos, hasta estabilizarse a unas decenas o pocos cientos de metros por debajo de la trayectoria del avión. Pues bien, al comienzo de ese descenso, cuando aún están arriba, los remolinos atrapan los rastros helados de los motores (o al menos sus partes externas e inferiores). Y durante el descenso, los arrastran consigo hacia abajo. El resultado es que la estela se extiende hacia abajo y aparecen en ella hasta tres partes:
- La parte superior. A la altura de la trayectoria del avión. Formada por lo que queda de los rastros de los motores. Queda desdibujada, puede quedar reducida a casi nada, o disiparse relativamente pronto, o persistir.
- La parte inferior. A decenas o pocos cientos de metros por debajo de la trayectoria del avión. Dominada por los dos remolinos de punta de ala. Se distinguen como dos líneas gruesas. Suele ser lo que mejor se distingue en el conjunto de la estela.
- La parte intermedia. Entre la parte superior y la inferior quedan esparcidos cristalitos. Pero algunos se pierden. Esto se debe a que el descenso del aire en esa zona ha conllevado cierta compresión y cierto calentamiento. Por eso, con cierta frecuencia, es una zona comparativamente más difusa.
e) Los remolinos de punta de ala interactúan y se extinguen: desaparece la división entre las dos líneas gruesas y pueden convertirse en bultitos colgantes. A los pocos minutos del paso del avión, los dos remolinos de punta de ala interactúan en la parte inferior de la estela. Como giran al contrario el uno del otro, la interacción está afectada por la "inestabilidad de Crow". Lo que ocurre es que los ejes de ambos remolinos se tuercen, se tocan, se trocean y forman anillos a intervalos regulares. (Este proceso se hace visible de manera espectacular en circunstancias excepcionales, cuando solo hay condensación en el eje del remolino.) Los anillos luego descienden a consecuencia de su vorticidad, hasta que se debilitan. Tales descendencias arrastran la condensación hacia abajo: son los típicos bultitos que cuelgan hacia abajo en muchas estelas. Como los anillos estaban regularmente espaciados, estos bultitos también lo están. Los bultitos aparecen a la perfección en las simulaciones por ordenador que se construyen con las ecuaciones del movimiento del aire (véase un ejemplo de ello en la figura 4 de este artículo o en las figuras 1 y 2 de este otro artículo).
- La distancia entre los motores y el inicio de la estela depende de diversos factores como la velocidad del avión o la humedad del aire.
- La proporción de la condensación inicial que queda atrapada en los remolinos de punta de ala varía en función de la distancia entre los motores y la punta del ala, la velocidad del avión, etc.
- Puede pasar que el inicio de la estela visible ocurra ya dentro de los remolinos de punta de ala, que favorecen la mezcla con el aire gélido del entorno.
- Los remolinos de punta de ala no son siempre igual de potentes. Los más potentes y que más bajan los crean los aviones pesados cuando vuelan lento.
- La interacción entre los remolinos de punta de ala puede verse alterada por los procesos del aire del entorno.
- Cuando un avión está trazando una curva, los bultitos colgantes tienden a ladearse hacia fuera de la curva.
- Cuando las condiciones del entorno hacen que los dos remolinos de punta de ala se desfasen, la interacción puede hacer que uno de ellos desaparezca. Entonces el otro sobrevive más tiempo. Se establece en él una inestabilidad que le da un trazado sinuoso. Es un fenómeno que se reproduce bien en experimentos de laboratorio con fluidos. Si solo hay condensación en el eje del remolino, el trazado sinuoso se hace visible como una estela fina con meandros; véanse diversos ejemplos y comentarios en esta página.
- Naturalmente, puede ocurrir la disipación de la estela o de sus partes intermedia y superior en cualquier momento si el aire del entorno con el que se está mezclando es lo suficientemente seco.
10. ¿Qué fenómenos pueden observarse en las estelas después de sus primeros minutos de vida?
- Estelas que se extienden lateralmente. Ya hemos comentado el papel de los remolinos de punta de ala en la extensión vertical de las estelas. Otros procesos pueden contribuir a dicha extensión vertical: precipitación de los cristales más grandes, algunas inestabilidades o turbulencias. Al final, la estela puede haber adquirido algunos cientos de metros en la vertical. Por tanto, puede situarse en más de una capa de aire. Y cuando esas capas de aire tienen desplazamientos distintos (cosa frecuente), "tiran" de la estela en sentidos distintos. Desde tierra, lo que se aprecia es la extensión lateral. El resultado es lo que se llama una "estela persistente extendida". A veces la extensión lateral permite que desde tierra se distingan mejor las partes alta, intermedia y baja de la estela.
- Estelas que se transforman en otras nubes altas. Cualquier observador de nubes sabe que con cierta frecuencia una nube de un tipo se trasforma en otro de la misma altura. Las estelas de condensación no son una excepción. La intervención de los procesos naturales sobre una estela, puede desdibujarla y transformarla en otras nubes altas, de aspecto natural (cirros, cirrocúmulos, cirrostratos). Surgen así las nubes altas derivadas de estelas.
Nubes altas derivadas de estelas. En este caso son cirros que se extienden hacia la izquierda a partir de lo que queda de las estelas.
- Estelas que se disipan. Como cualquier otra nube alta, las estelas y sus nubes derivadas pueden por supuesto disiparse.
- Estelas en cielo azul. Los cielos de estelas más llamativos son los que tienen estelas bien definidas sin otras nubes altas que las acompañen. Esto se debe a que existe un rango de humedad del aire para el que no pueden formarse nubes altas naturales, pero sí puede persistir una nube alta creada artificialmente mediante la adición de humedad, como es el caso de la estela.
- Estelas discontinuas. A veces se observa que las estelas se interrumpen, o que comienzan de pronto en un punto, o que se interrumpen y recomienzan. Se debe a que el avión ha atravesado zonas con aire más seco, donde la estela no ha podido formarse, y otras más húmedas donde sí. En ocasiones puede observarse que la estela aparece o desaparece al acercarse o alejarse de una nube alta natural a la misma altura, que señala una zona húmeda. Pero esto solo se aprecia bien cuando hay nubes altas únicamente a la altura del avión.
- Estelas que se desplazan. La estela se forma en el seno de una capa de aire que está en movimiento (viento). De modo que se desplaza con el aire de la capa, como cualquier nube alta. Por eso vemos que la estela se mueve. El desplazamiento puede alcanzar decenas o cientos de kilómetros.
- Estelas paralelas. Se deben al paso de sucesivos aviones por una misma aerovía o ruta aérea. El viento va desplazando las estelas, una tras otra, a medida que van apareciendo. De ese modo, las estelas más antiguas quedan más alejadas de la aerovía, las más recientes más cercanas, y todas aproximadamente paralelas entre sí. No es raro observar que las más antiguas están más extendidas, más transformadas, o más disipadas. También puede pasar que la aerovía esté siendo muy transitada y distintos aviones vayan en paralelo a la vez, con cierta separación.
- "Redes" de estelas cruzadas. Si, en la misma situación del párrafo anterior, hay varias aerovías que se cruzan, pueden formarse varias familias de estelas paralelas, cruzadas entre sí. Esto resulta en rejillas u otros patrones de estelas cruzadas en el cielo.
- Estelas con cambio de rumbo. Sobre algunos lugares, los aviones hacen una ligera curva al enlazar con otra aerovía. Es por ejemplo el caso de aviones que pasan sobre Sevilla más o menos en dirección Nordeste-Suroeste procedentes de Centroeuropa, y que sobre la ciudad giran ligeramente hacia la izquierda para dirigirse a Canarias. El giro queda reflejado en una ligera curva en las estelas de los aviones que siguen esas aerovías.
- Estelas con curvas de muchos grados. Esporádicamente se observan grandes curvas en las estelas de condensación. Revelan que el avión ha dado un gran giro, o media vuelta, o una vuelta completa, o incluso más de una vuelta. Son infrecuentes, salvo en lugares y periodos concretos. Pueden generarse por vuelos de investigación o prácticas militares, pero también por el establecimiento de aerovías específicas muy curvadas alrededor de aeropuertos o bases aéreas (para esperas en el aire, giros previos al aterrizaje, "holding stack", etc.).
- Estelas con forma de "ADN". Son relativamente frecuentes. En distintas páginas web se discuten algunos ejemplos.
- Fenómenos luminosos de nubes altas. Hay una serie de fenómenos luminosos que se manifiestan solo en las nubes altas. Como las estelas son nubes altas, pueden darse en ellas estos fenómenos. Por ejemplo, Wegener (el mismo de la deriva continental, que era meteorólogo y no geólogo) observó en 1921 halos de 22 grados en estelas de aviones, de lo que dedujo que estaban formadas por cristales de hielo, y no eran directamente el humo de los motores. Sin embargo, la observación de estos fenómenos en las estelas no es muy habitual, porque en las estelas se dan más raramente las condiciones necesarias: una densidad más bien escasa, una extensión suficiente, y una forma adecuada de los cristalitos.
- Sombras de estelas. Es meramente la sombra que proyecta una estela de condensación sobre otra nube, como en este ejemplo y en este otro.
En el caso de una nube alta, el efecto combinado es complejo. Varía según muchos factores: latitud alta o baja, sol alto o bajo, día o noche, océano o continente, invierno o verano... Pero, a escala mundial y anual, las nubes altas generan un efecto conjunto de calentamiento.
- El efecto es más intenso que en las nubes altas naturales, por el distinto tamaño de sus cristales de hielo.
- El efecto es artificial, porque no existiría de no ser por los aviones.
- El efecto es creciente, porque el tráfico aéreo no para de crecer.
- El efecto es insignificante en estelas no extendidas, por su poca superficie, pero es importante en las estelas extendidas y nubes altas derivadas, por su mayor superficie.
De todos modos, aún queda bastante por aclarar acerca de los efectos de las estelas y sus nubes derivadas sobre las temperaturas. No están aún bien incorporados en los modelos de predicción climática ni en los mercados de emisiones. Es un tema en proceso de investigación. Ejemplo de ello son los recientes proyectos HL-CIRRUS y ML-CIRRUS, con el avión alemán HALO.
Para paliar los efectos de las estelas y sus nubes altas derivadas sobre las temperaturas, se están sugiriendo medidas como modificar las altitud de crucero, disminuir la generación de hollín, no sobrevolar zonas donde el efecto de calentamiento se multiplica, etc. Hay muchos artículos científicos recientes sobre este tema.
12. ¿Dónde encontrar más información?
Se puede buscar información algo más técnica sobre la formación y evolución de las estelas de condensación en muchos sitios. Sugiero algunos:
- Este sitio web.
- Este PDF divulgativo que hizo la NASA.
- Esta revisión reciente publicada en Nature Communications.
- Esta revisión muy completa publicada por la revista de la Sociedad Meteorológica Americana.
- "Contrail" (de "condensation trail"). Nombre informal aplicable a cualquier estela de condensación, pero no a las nubes altas derivadas de estelas.
- "Cirrus homogenitus". Nombre científico aplicable a las estelas persistentes y a las extendidas, pero no a las efímeras, ni a las nubes altas derivadas de estelas.
- "Nubes inducidas por aeronaves" o AIC ("aircraft-induced clouds"). Nombre técnico aplicable a las estelas persistentes, a las estelas extendidas y a las nubes altas derivadas de estelas, pero no a las estelas efímeras.
- "Cirro de estela" o "contrail cirrus". Nombre informal aplicable a las nubes altas derivadas de estelas, ya sean cirros, cirrocúmulos o cirrostratos, pero no a las estelas.
- "Homomutatus". Término que se añade al final del nombre científico que le corresponde a una nube alta derivada de estela en tanto que nube alta. Ejemplos: Cirrus fibratus homomutatus, Cirrocumulus stratiformis homomutatus, etc. No es aplicable a las estelas.
Las estelas de condensación que hemos descrito hasta ahora son estelas de condensación de escape. Eso significa que lo que condensa originalmente es el agua gaseosa emitida por los escapes de los motores. Aunque luego pueda añadirse agua gaseosa del aire circundante.
Pero hay otras estelas de condensación: las aerodinámicas. En ellas solo condensa el agua gaseosa del propio aire. Están causadas por los efectos aerodinámicos directos de las alas sobre el aire circundante.