Kondensstreifen
Kondensstreifen ⓘ | |
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Gattung | Cirrus (Haarlocke), cirrocumulus oder cirrostratus |
Höhenlage | 7.500 bis 12.000 m (25.000 bis 40.000 ft) |
Klassifizierung | Familie A (hohe Stufe) |
Erscheinungsbild | Lange Bänder |
Niederschlagswolke? | Nein |
Kondensstreifen (/ˈkɒntreɪlz/; kurz für "condensation trails") oder Kondensstreifen sind linienförmige Wolken, die durch Abgase von Flugzeugtriebwerken oder Änderungen des Luftdrucks entstehen, typischerweise in Flughöhen von mehreren Kilometern über der Erdoberfläche. Kondensstreifen bestehen in erster Linie aus Wasser, das in Form von Eiskristallen vorliegt. Die Kombination aus Wasserdampf in den Abgasen der Flugzeugtriebwerke und den niedrigen Umgebungstemperaturen in großer Höhe ermöglicht die Bildung der Kondensstreifen. Verunreinigungen in den Triebwerksabgasen aus dem Treibstoff, einschließlich Schwefelverbindungen (0,05 Gewichtsprozent in Flugzeugtreibstoff), liefern einige der Partikel, die als Orte für das Wachstum von Wassertröpfchen in den Abgasen dienen können, und wenn sich Wassertröpfchen bilden, können sie zu Eispartikeln gefrieren, aus denen ein Kondensstreifen besteht. Ihre Bildung kann auch durch Luftdruckänderungen in den Wirbeln der Flügelspitzen oder in der Luft über der gesamten Flügeloberfläche ausgelöst werden. Kondensstreifen und andere Wolken, die direkt auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind, werden unter dem Begriff Homogenitus zusammengefasst. ⓘ
Je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Höhe, in der sich die Kondensstreifen bilden, können sie nur wenige Sekunden oder Minuten sichtbar sein, oder sie können stundenlang anhalten und sich über mehrere Kilometer ausbreiten, wobei sie schließlich natürlichen Zirrus- oder Altocumuluswolken ähneln. Anhaltende Kondensstreifen sind für Wissenschaftler von besonderem Interesse, weil sie die Bewölkung der Atmosphäre erhöhen. Die sich daraus ergebenden Wolkenformen werden formell als Homomutatus bezeichnet und können Cirren, Cirrocumulus oder Cirrostratus ähneln und werden manchmal auch als Cirrus aviaticus bezeichnet. Einige anhaltende, sich ausbreitende Kondensstreifen tragen zum Klimawandel bei. ⓘ
Kondensstreifen oder Homomutatus sind lange und dünne künstliche Wolken, die insbesondere im Gefolge von Luftfahrzeugen aus von den Antrieben ausgestoßenem Wasserdampf und sonstigen kondensierbaren Abgasbestandteilen durch Kondensation, Resublimation infolge Abkühlung oder Unterdruck entstehen können. Diese Eiswolken sind insbesondere typisch und dauerhaft für Flughöhen oberhalb von etwa 8 km, wenn dampf- und rußhaltige Triebwerksabgase auf relativ kalte Luft treffen. Sie können in ansonsten wolkenfreien Gebieten entstehen und auch länger fortbestehen, wenn für eine natürliche Wolkenbildung Kondensationskeime fehlen. Sie zählen zur Gruppe der Cirren und stellen auch eine wichtige Klasse anthropogener Wolken dar. In feuchter Luft können sie auch in niedrigeren Höhen auftreten. Dort können sie statt aus Eiskristallen auch aus Tröpfchen der Kondensate bestehen. ⓘ
Kondensstreifen als Folge von Triebwerksabgasen
Triebwerksabgase bestehen überwiegend aus Wasser und Kohlendioxid, den Verbrennungsprodukten von Kohlenwasserstofftreibstoffen. Viele andere chemische Nebenprodukte der unvollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, darunter flüchtige organische Verbindungen, anorganische Gase, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige organische Stoffe, Alkohole, Ozon und Rußpartikel, wurden in geringeren Konzentrationen beobachtet. Die genaue Qualität hängt vom Motortyp und der grundlegenden Funktion des Verbrennungsmotors ab, wobei bis zu 30 % der Flugzeugabgase aus unverbranntem Kraftstoff bestehen. (Es wurden auch mikrometergroße Metallpartikel festgestellt, die auf den Verschleiß der Triebwerke zurückzuführen sind). In großen Höhen, wenn dieser Wasserdampf in eine kalte Umgebung aufsteigt, kann der örtlich begrenzte Anstieg des Wasserdampfs die relative Luftfeuchtigkeit über den Sättigungspunkt hinaus erhöhen. Der Dampf kondensiert dann zu winzigen Wassertröpfchen, die gefrieren, wenn die Temperatur niedrig genug ist. Diese Millionen von winzigen Wassertröpfchen und/oder Eiskristallen bilden die Kondensstreifen. Die Zeit, die der Wasserdampf braucht, um ausreichend abzukühlen und zu kondensieren, ist der Grund dafür, dass sich der Kondensstreifen in einiger Entfernung hinter dem Flugzeug bildet. In großen Höhen benötigt der unterkühlte Wasserdampf einen Auslöser, um die Ablagerung oder Kondensation zu fördern. Die Abgaspartikel im Auspuff des Flugzeugs wirken als dieser Auslöser, der den eingeschlossenen Wasserdampf schnell kondensieren lässt. Abgaswolken bilden sich in der Regel in großen Höhen, in der Regel oberhalb von 8.000 m, wo die Lufttemperatur unter -36,5 °C (-34 °F) liegt. Sie können sich auch in Bodennähe bilden, wenn die Luft kalt und feucht ist. ⓘ
Eine von der NASA, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem kanadischen National Research Council (NRC) gemeinsam unterstützte Studie aus den Jahren 2013 und 2014 ergab, dass Biokraftstoffe die Bildung von Kondensstreifen verringern könnten. Diese Verringerung wurde damit erklärt, dass Biokraftstoffe weniger Rußpartikel erzeugen, die die Kerne sind, um die sich die Eiskristalle bilden. Die Tests wurden durchgeführt, indem eine DC-8 in Reiseflughöhe geflogen wurde und ein Flugzeug, das Proben sammelte, im Schlepptau mitflog. Bei diesen Proben wurde die Anzahl der Rußpartikel, die Kondensstreifen erzeugen, um 50 bis 70 Prozent reduziert, wenn ein 50-prozentiges Gemisch aus herkömmlichem Jet-A1-Kraftstoff und HEFA-Biokraftstoff (hydroprozessierte Ester und Fettsäuren) aus Leindotter verwendet wurde. ⓘ
Kondensation durch Druckabfall
Wenn ein Flügel Auftrieb erzeugt, bildet sich an der Flügelspitze und an der Spitze der ausgefahrenen Landeklappe ein Wirbel (Flügelspitzen und Landeklappengrenzen sind Unstetigkeiten in der Luftströmung), der noch lange nach dem Vorbeiflug des Flugzeugs in der Atmosphäre bestehen bleibt. Der Druck- und Temperaturabfall über jedem Wirbel kann dazu führen, dass Wasser kondensiert und die Kerne der Flügelspitzenwirbel sichtbar werden. Dieser Effekt tritt häufiger an feuchten Tagen auf. Wirbel an den Flügelspitzen sind manchmal hinter den Flügelklappen von Flugzeugen bei Start und Landung sowie bei der Landung des Space Shuttle zu sehen. ⓘ
Die sichtbaren Kerne der Flügelspitzenwirbel stehen im Gegensatz zu der anderen Hauptart von Kondensstreifen, die durch die Verbrennung von Treibstoff verursacht werden. Kondensstreifen, die durch die Abgase von Düsentriebwerken erzeugt werden, sind in großer Höhe direkt hinter jedem Triebwerk zu sehen. Im Gegensatz dazu sind die sichtbaren Kerne der Wirbel an den Flügelspitzen normalerweise nur in geringer Höhe zu sehen, wenn das Flugzeug nach dem Start oder vor der Landung langsam fliegt und die Luftfeuchtigkeit höher ist. Sie entstehen eher hinter den Flügelspitzen und Flügelklappen als hinter den Triebwerken. ⓘ
Bei hohen Schubeinstellungen erreichen die Gebläseschaufeln am Einlass eines Turbofan-Triebwerks transsonische Geschwindigkeiten, was zu einem plötzlichen Abfall des Luftdrucks führt. Dadurch entsteht der Kondensationsnebel (im Ansaugtrakt), der von Flugreisenden beim Start häufig beobachtet wird. ⓘ
Die Spitzen von rotierenden Oberflächen (wie Propeller und Rotoren) erzeugen manchmal sichtbare Kondensstreifen. ⓘ
Bei Schusswaffen wird manchmal ein Kondensstreifen beobachtet, wenn unter seltenen Bedingungen geschossen wird, da sich der Luftdruck in der Umgebung des Geschosses ändert. Der Kondensstreifen eines Geschosses kann aus jeder Richtung beobachtet werden. Der Kondensstreifen sollte nicht mit der Geschossfahne verwechselt werden, die ein viel häufigeres Phänomen ist (und normalerweise nur direkt hinter dem Schützen beobachtet werden kann). ⓘ
Strahlungsantrieb
Der Luftverkehr beeinflusst das Klima durch die Emission von Kohlendioxid und Stickoxiden sowie durch die Bildung von Kondensstreifen. Die anthropogenen Kondensstreifen bedecken einen kleinen Teil des Himmels und reduzieren damit durch Reflexion an ihrer Oberseite tagsüber die Sonneneinstrahlung (kühlender Effekt) und erhöhen so die planetare Albedo (vgl. Wolke). Andererseits absorbieren Eiskristalle die vom Erdboden kommende Strahlung und re-emittieren weniger energiereiche Strahlung (Treibhauseffekt), was eine Erwärmung nach sich zieht. Es wird daher vermutet, dass das Klima durch die Kondensstreifen des Flugverkehrs beeinflusst wird. Die Stärke dieses Effekts und seine Rolle in Bezug auf die globale Verdunkelung bzw. auch globale Erwärmung sind bisher nur mit großen Unsicherheiten bekannt, es wird jedoch lokal ein Einfluss auf die Globalstrahlung von bis zu 2 W/m2 geschätzt. Linienförmige Kondensstreifen bedecken dabei im Mittel etwa 0,5 % des Himmels über Zentraleuropa, am Tag 0,7 %, knapp 0,3 % nachts. Dabei sind die schwer messbaren Kondensstreifen-Zirren nicht berücksichtigt und es gibt Anzeichen, dass der Bedeckungsgrad aller Kondensstreifen weitaus höher liegt. Eine DLR-Studie fand heraus, dass die Kondensstreifen-Zirren über Zentraleuropa zeitweilig bis zu zehn Prozent des Himmels bedecken können. ⓘ
Die Aufwärmung der Erdatmosphäre durch Kondensstreifen-Zirren ist mit 31 mW/m2 etwas größer als der Effekt durch das beim Fliegen ausgestoßene CO2. Der Strahlungsantrieb von Kondensstreifen alleine wird durch Kondensstreifen-induzierte Bewölkung sogar um das Neunfache übertroffen. Durch dieses Wissen könnten durch einfache Maßnahmen der Einfluss auf den Klimawandel verringert werden – beispielsweise indem besonders feuchte Gebiete umflogen (wobei der dadurch verbundene Mehrausstoß berücksichtigt werden muss) oder Modifikationen an Treibstoff oder Triebwerk vorgenommen werden, damit der Ausstoß von Ruß und Wasserdampf reduziert werden kann. Im Umkehrschluss bedeutet der Umstand, dass ca. zwei Drittel des Klimaeffektes des Fliegens nicht auf Kohlenstoffdioxid zurückzuführen sind, allerdings auch, dass z. B. selbst eine Umstellung von fossilem Kerosin auf E-Fuels, die mit 100 % erneuerbaren Energien produziert werden, den Klimaeffekt des (Langstrecken)-Luftverkehrs nur um etwa ein Drittel senken kann. ⓘ
Auch können die sonstigen Aerosolpartikel der Flugzeugabgase noch über Tage und vergleichsweise großräumig die natürliche Wolkenbildung verändern. ⓘ
Kondensstreifen beeinflussen die Strahlungsbilanz der Erde und wirken damit als Strahlungsantrieb: Sie fangen die von der Erde und der Atmosphäre ausgesandte langwellige Strahlung stärker ein als sie die einfallende Sonnenstrahlung reflektieren. Im Jahr 1992 wurde der Erwärmungseffekt auf 3,5 mW/m2 bis 17 mW/m2 geschätzt. Der globale Strahlungsantrieb wurde anhand von Reanalysedaten, Klimamodellen und Strahlungstransfercodes berechnet; er wird für 2005 auf 12 mW/m2 geschätzt, mit einem Unsicherheitsbereich von 5 bis 26 mW/m2 und einem geringen wissenschaftlichen Kenntnisstand. ⓘ
Die Wirkung variiert täglich und jährlich: Nachtflüge tragen zu 60 bis 80 % des Strahlungsantriebs von Kondensstreifen bei, während sie 25 % des täglichen Flugverkehrs ausmachen, während Winterflüge die Hälfte des mittleren jährlichen Strahlungsantriebs beitragen, während sie 22 % des jährlichen Flugverkehrs ausmachen. Die Zirruswolken der Kondensstreifen könnten die größte Strahlungskomponente des Luftverkehrs sein, größer als das gesamte durch den Luftverkehr akkumulierte CO2, und könnten sich bis 2050 ohne Eingriffe auf 160-180 mW/m2 verdreifachen (Basisjahr 2006). ⓘ
Kondensstreifen können noch einige Zeit lang zu regionalen Veränderungen der Oberflächentemperatur führen. Die NASA untersuchte im Rahmen des Atmospheric Effects of Aviation Project (AEAP) die atmosphärischen und klimatologischen Auswirkungen von Kondensstreifen, einschließlich der Auswirkungen auf Ozon, Eiskristallbildung und Partikelzusammensetzung. ⓘ
Bomberkondensstreifen beeinflussten das Klima während des Zweiten Weltkriegs. In der Nähe von Luftwaffenstützpunkten wurde eine um 0,8 °C (1,4 °F) höhere Temperatur gemessen. ⓘ
Tageszeitliche Temperaturschwankungen
Der Tagesgang der Temperatur ist die Differenz der Tageshöchst- und Tiefstwerte an einer festen Station. Kondensstreifen senken die Tagestemperatur und erhöhen die Nachttemperatur, wodurch sich die Differenz verringert. ⓘ
Als nach den Anschlägen vom 11. September keine Verkehrsflugzeuge mehr über die USA flogen, vergrößerte sich die Tagestemperaturschwankung um 1,1 °C (2,0 °F). Dieser Anstieg, der an 4 000 Wetterstationen auf dem amerikanischen Festland gemessen wurde, war der größte seit 30 Jahren. Ohne Kondensstreifen war die lokale Tagestemperaturspanne um 1 °C höher als unmittelbar zuvor. Dies war möglicherweise auf das ungewöhnlich klare Wetter in diesem Zeitraum zurückzuführen. Im Süden der USA verringerte sich der Unterschied um etwa 3,3 °C und im mittleren Westen der USA um 2,8 °C. ⓘ
Frontale Kondensstreifen
Ein Kondensstreifen von einem Flugzeug, das auf den Beobachter zufliegt, kann den Anschein erwecken, als würde er von einem senkrecht fliegenden Objekt erzeugt. Am 8. November 2010 wurde ein solcher Kondensstreifen im US-Bundesstaat Kalifornien von den Medien als "mysteriöser Flugkörper" bezeichnet, der von den US-Militär- und Luftfahrtbehörden nicht erklärt werden konnte, und es dauerte mehr als 24 Stunden, bis seine Erklärung als Kondensstreifen von den US-Medien und militärischen Einrichtungen akzeptiert wurde. ⓘ
Kondensstreifen
Wenn ein Flugzeug durch eine Wolke fliegt, kann es die Wolke auf seinem Weg zerstreuen. Dies wird als Kondensstreifen (kurz für "dissipation trail") bezeichnet. Die warmen Triebwerksabgase des Flugzeugs und die verstärkte vertikale Durchmischung im Kielwasser des Flugzeugs können vorhandene Wolkentröpfchen zum Verdampfen bringen. Wenn die Wolke ausreichend dünn ist, können solche Prozesse einen wolkenfreien Korridor in einer ansonsten festen Wolkenschicht ergeben. Eine frühe Satellitenbeobachtung von Distrails, bei denen es sich höchstwahrscheinlich um längliche, flugzeugbedingte Fallstreifenlöcher handelt, erschien in Corfidi und Brandli (1986). ⓘ
Wolken entstehen, wenn unsichtbarer Wasserdampf (H2O in der Gasphase) zu mikroskopisch kleinen Wassertröpfchen (H2O in der Flüssigphase) oder zu mikroskopisch kleinen Eiskristallen (H2O in der Festphase) kondensiert. Dies kann geschehen, wenn sich Luft mit einem hohen Anteil an gasförmigem Wasser abkühlt. Ein Kondensstreifen entsteht, wenn die Wärme der Triebwerksabgase die flüssigen Wassertröpfchen in einer Wolke verdampft und sie in unsichtbaren, gasförmigen Wasserdampf zurückverwandelt. Kondensstreifen können auch durch eine verstärkte Durchmischung (Mitreißen) trockenerer Luft unmittelbar über oder unter einer dünnen Wolkenschicht nach dem Durchflug eines Flugzeugs durch die Wolke entstehen, wie auf dem zweiten Bild unten zu sehen ist: ⓘ
Galerie
Ein Kondensstreifen über Südwest Virginia
Kondensstreifen spaltet Stratocumulus-Wolke - Reste des Kondensstreifens sichtbar (siehe Anmerkungen auf der Wiki Commons Beschreibungsseite) ⓘ
Vom Kondensstreifen fallende Virga ⓘ
Entstehung und Zusammensetzung
In der Reiseflughöhe von Langstreckenjets ist es unter −40 °C kalt, sodass auch in relativ trockener Luft Kondensstreifen entstehen. Im Prinzip kondensieren oder resublimieren (ausführlicher erklärt bei Sublimation) gasförmige oder gefrieren flüssige Bestandteile der Luft und der Abgase, gefördert durch gleichzeitiges Auftreten von Rußteilchen aus dem Abgas, die dabei als Kondensationskeim oder Kristallisationskeime dienen. Eine Keimbildung und somit Kondensation/Frieren kann bei diesen Umgebungsbedingungen aber auch spontan aus lokalen Dichtefluktuationen, d. h. ohne Kern oder Keim entstehen. Bei der Verwirbelung mit kalter Umgebungsluft nimmt der Sättigungsdampfdruck viel stärker ab als der Partialdruck des Wassers, mit der Folge einer Übersättigung. Die Rußteilchen im Abgas erlauben die rasche Keimbildung, indem sich Wassermoleküle daran anlagern. Bei tiefen Temperaturen entstehen direkt Eiskristalle. ⓘ
Die hauptsächlichen Verbrennungsprodukte von Kerosin sind Kohlendioxid und Wasserdampf, sowie in geringeren Anteilen Rußpartikel, Schwefelsäure, Salpetersäure und die Verbrennungs- und Rekombinationsprodukte der Treibstoffadditive. Kerosin ist kein Reinstoff mit einheitlicher Zusammensetzung, sondern ein Gemisch diverser Stoffe, die im Zusammenspiel erst die Verwendung als Brennstoff bei diesen extremen Anforderungen ermöglichen (siehe dazu auch beispielsweise JP-8 oder die zahlreichen Treibstoffspezifikationen für die Militärluftfahrt). ⓘ
Auch bereits in der Luft flüssig oder gasförmig vorhandene Luftverschmutzungen, wie beispielsweise Freone oder sonstige Lösungsmittel oder natürliche Terpene können unter diesen Bedingungen zur Verbrennung angesaugt werden oder im Abgasstrom aus der Umgebungsluft kondensieren oder resublimieren. ⓘ
Form
Bis zu einer Größe von etwa 100 Nanometern streuen die Kristalle kaum Licht, dann zunächst vorwiegend blaues Licht. Erst durch Anlagerung weiterer Wasserteilchen erreichen sie eine Größe, in der sie Licht unabhängig von dessen Wellenlänge streuen und hell weiß werden. Das und die restliche Abhitze erklären die charakteristische Lücke zwischen Triebwerken und Kondensstreifen. Die Streifen nehmen an Breite zu und berühren sich bei vierstrahligen Jets zunächst paarweise. Durch das Auseinanderweichen der Luft im unteren Teil der Wirbelschleppe wird aber die Lücke in der Mitte zunächst breiter und die Streifen von den innen liegenden Triebwerken tauchen unter den äußeren Strahlen weg. Weitere Turbulenz erzeugt einen einzigen breiten Streifen, der insgesamt absinkt.
Persistenz und Wandel
Der weitere Verlauf hängt stark von der Situation ab, insbesondere von der relativen Feuchte. In zirka 70 Prozent der Fälle ist die Luft untersättigt, die relative Feuchte liegt also unter 100 Prozent, und die Kondensstreifen lösen sich innerhalb weniger Minuten auf. Die vertikale Erstreckung beträgt dann je nach Flugzeugtyp 300 bis 500 Meter. ⓘ
Bei einer Feuchte um 100 Prozent löst sich der Kondensstreifen dadurch auf, dass die relative Feuchte durch sein Absinken abnimmt. Wie schnell einzelne Volumenelemente unsichtbar werden, hängt über die Partikelgröße von der ursprünglichen Lage im Strahl ab. Es können sich mammatusähnliche Ausstülpungen bilden. ⓘ
Bei größerer Übersättigung der Umgebungsluft bleiben die Kondensstreifen längere Zeit bestehen. In großer Höhe sind Feuchten bis über 200 % möglich. Die Menge des aus der Atmosphäre aufgenommenen Wasserdampfs kann dann den Triebwerksausstoß um einige Größenordnungen übersteigen. Die Lebensdauer kann mehrere Stunden betragen, in einem Fall war ein einzelner Kondensstreifen über 17 Stunden auf einem Satellitenbild zu erkennen. Je nach anliegender Windscherung kann die Breite der Kondensstreifen auf über 20 km anwachsen; sie sind dann nur noch schwer von natürlich gebildeten Cirren zu unterscheiden. In der Fachwelt wird dann von Kondensstreifen-Cirren gesprochen. Diese können über mehrere Tage am Himmel verbleiben. Meist jedoch lösen sie sich durch großräumiges Absinken der Luft bald auf oder gehen durch großräumige Hebung in eine geschlossene Wolkendecke über. ⓘ
Negative Streifen
Fliegt ein Flugzeug dicht über oder unter einer dünnen Wolkendecke, so kann der von ihm bewirkte Abwind die Wolke auflösen. Der Kondensstreifen kann auch einen Schatten auf eine darunter liegende dünne Wolkenschicht werfen, was ebenfalls zu einem dunklen Streifen führt. ⓘ
Ferner können Kondensstreifen auch bei Nacht sichtbar werden, wenn sie das Mondlicht absorbieren oder streuen und den Mond dadurch teilweise verdecken. ⓘ
Kondensstreifen von Raketen
Auch bei der Verbrennung von Raketentreibstoffen entstehen im Wesentlichen – je nach Art des Treibstoffs – Wasserdampf und gegebenenfalls auch feste Bestandteile wie Ruß. Die Booster von Feststoffraketen beinhalten vorwiegend Ammoniumperchlorat und Aluminium, woraus dann in allen Höhen sehr dichte Aerosolstreifen aus Salzsäure und Aluminiumoxid entstehen. Kondensstreifen von Raketen zeigen wegen des meist senkrechten Flugverlaufs und der Wirkung des Windes eine starke Abhängigkeit von Windrichtung und Windstärke. Daraus resultiert oft ein zickzackförmiger Verlauf, der nicht mehr der eigentlichen Flugbahn entspricht. ⓘ
Kondensstreifen von Schiffen
Auch die Abgase großer Schiffsmotoren können lange, bodennahe Kondensfahnen hinterlassen. ⓘ
Kondensation durch Unterdruck
In feuchter Luft kann ein starker Druckabfall rasch zu sichtbarer Kondensation führen. Über den Tragflächen von Flugzeugen und hinter der Stoßfront, die von Überschallflugzeugen ausgeht, siehe Wolkenscheibeneffekt, löst sich der Nebel sofort wieder auf. Im Kern von Randwirbeln besteht der Unterdruck jedoch länger, sodass dort längere Kondensstreifen entstehen können. ⓘ