飞机飞过之后身后的“烟雾”是怎么回事?日常生活中,我们常常可以看到飞机飞过后,天空中会有一条或数条长长的“白烟”。而在飞行表演中,我们则可欣赏到飞机尾
有时,飞机在飞过天空后会留下长长的“白色条纹”,这其实就是飞机产生的凝结尾迹。凝结尾迹一般在较高的大气中形成,在某些情况下,它们可以持续存在数小时,有时还会促进卷云的形成。那么,飞机的凝结尾迹是怎么产生的呢?
飞机在飞行过程中需要消耗大量的燃料,同时排放出大量的废气,这就像开车所会出现的情况一样。在飞机的废气中包含着水蒸气,这就像我们的呼气中包含水蒸气一样。在寒冷的天气里,当我们呼气的时候,可以看到明显的“白气”,因为呼气中的水蒸气在温度较低的情况下会液化形成小水滴。同样的原理也适用于飞机的尾气。当飞机在1万米的高空飞行时,那里的温度非常低(低至零下四十度),从飞机尾部喷射出来的水蒸气与冷空气相遇,将会凝结成水滴甚至冰晶,从而产生了白色的凝结尾迹。大气的湿度、温度以及飞机尾气的化学成分都会影响凝结尾迹的持续时间、大小和长度。
另一方面,飞机机翼附近的气压降低,也可能导致空气冷却下来,从而促使空气中的水蒸气凝结,形成凝结尾迹。
如果凝结尾迹停留时间足够长,它们会在空中扩散,相当于产生了人造云。科学家认为,这可能会对地球气候造成影响。因为有报告指出,在空中交通繁忙的区域,云量增长了20%。这些人造云就像卷云一样,能够束缚住地球辐射到太空中的热量,从而促进温室效应。
而在飞行表演中的拉烟与上述情况有所不同。这些表演飞机装备了特殊的烟雾机,里面装满了特殊调配的油。在表演过程中,烟雾机把这些特制的油喷到飞机的热排气系统中,它们在那里迅速燃烧并产生了五颜六色的“彩烟”。
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首先,先介绍一下喷气式飞机,它是一种通过喷气发动机产生动力的一种飞机。它是通过燃料在喷气发动机中燃烧产生的气体,向后高速喷射而产生的反冲作用向前飞行的。题目中提到的能产生“烟雾”的飞机,就是喷气式飞机。因为它在飞行过程中会产生大量的气体。
而题目中所提到的“白烟”,最通俗最简单的原理就是水蒸气的液化与凝固。我们要知道现代飞机基本都采用航空煤油作为其燃料,而该燃料中含有大量的碳氢化合物,燃烧后产生产物是水和二氧化碳,因此会生成大量气态水。而飞机在高空飞行时,外界温度非常低,可达零下40-50度,甚至零下60多度。当外界空气温度足够低时,气态的水与外界空气相遇之后,会迅速液化为过冷水滴,也就是低于0度的水滴。而如果这时外界的水汽含量较少,同时伴随着发动机尾部的气流扰动,水滴会再次以水蒸气的形式散开。
但如果飞机外界水汽足够饱和,过冷水滴不会迅速消散、会随着外界温度的迅速降低进而凝固成冰晶,而且形成的固态小冰晶不会马上散开,从而在飞机后面形成一条长长的“白烟”。
而这个现象在航空气象学上,通常被称为“飞机尾迹”、“凝结尾迹”或者“尾迹云”。从上述过程我们也可以了解到,产生飞机尾迹是需要满足温度和湿度两方面要求的,只要有一方面不满足要求就不会产生“白烟”,因此飞机只有在一定的高度飞行(一定的温度湿度配合)才会产生“白烟”。而飞机表演中产生的“彩烟”其原理与尾迹云完全不同。其喷出来的彩烟是通过一种叫硫酸酐(三氧化硫)的有机化学溶剂从飞机的高压容器中喷出以后,立即与空气中的水汽结合形成烟雾,再配上不同的化学配料,产生各种颜色,最终就形成了我们看到的“彩烟”。
飞机飞过之后身后的“烟雾”是怎么回事?
在天气晴朗的时候,我们仰望天空,有时看到高空中的飞机飞过之后,会在天空中留下一连串的“白烟”,这些白烟会随着时间的推移慢慢变粗变弯,有的甚至能持续1个小时以上。而我们在观看航空表演时,有的飞机会喷出五颜六色的“彩烟”,组合成各种形状和图案,甚是壮观。那么,这些飞机飞过之后留下的“烟雾”,到底是什么东东呢,是如何形成的呢?
上面提到的飞机飞过之后产生的“白烟”和“彩烟”,其形成原理是不一样的,下面分别进行一下简单的说明。
对于高空飞机留下的“白烟”,实质上是由于飞机的高速飞行,在周围气温和气压环境变化条件下,所带来的水汽凝结所致,被称为“凝结尾迹”。这里面包含着两种情况,第一种是由飞机燃料消耗产生的废气所致。喷气式飞机根据飞行路程的长短,其飞行高度有所不同,对于短距离的飞行来说,其高度一般在6000-9000米;而对于长途飞行来说,则高度则需要在9000-12000米之间,这个高度在地球的大气层中,基本处于对流层的中上部甚至达到平流层的底部。
由于喷气式飞机的燃料为“航空煤油”,是一种由直馏馏分、加氢裂化和精制等组分、一些必要的添加剂所组成的轻质石油产品,与传统车用油品相比,较有稳定性强、不易挥发、燃烧充分、热值较高等优势。“航空煤油”的主要成分为烃类化合物,在燃烧的过程中,与其它石油产品一样,主要产物也是二氧化碳和水。燃料燃烧之后,从发动机车产生的燃烧产物,就会随着排气管道从飞机尾部排出。
这些废气中的水一开始温度虽然很高,但在1万米的高空,周围大气层的温度下降到零下50摄氏度左右,同时高空中的气压很低,包括水蒸气在内的气体分子密度,与地平面相比已经非常稀薄了,也就是说吸纳水蒸气的能力大为减弱,这样所排出的水汽不能形成非常细小的水蒸气分子,只能以体积较大的液滴形式存在,这些液滴在低温环境下会迅速凝结成冰晶物质,在阳光的折射和反射下,从地面就看到了一串“白烟”,被我们形象地称为“飞机拉线”。
形成“凝结”尾迹的第二种情况,是由飞机高速飞行时,对周围空气的扰动所引发的。由于机翼形状的原因,使得在飞机飞行时,机翼上表面气体的流动速度快,而下表面气体的流动速度慢,由于流动速度快的气体所产生的气压,会小于流动速度慢的,因此在飞机机翼的上下表面间产生了压力差,为飞机提供了一定的升力。在此过程中,在机翼的上方,由于气压的降低,会使原本含在空气中的水蒸气,因为过饱和现象而“析出”,聚集成液滴,进而形成冰晶,所以,在有的情况下,在机翼的附近也会形成这种“拉线”现象。
那么,在高空中飞行的喷气式飞机,也不是任何时候都会形成“拉线”现象,这取决于所喷出废气与周围空气所形成混合气体的热增效应和湿增效应的强度对比,由于飞机所喷出的气体这两方面的物理性质是一定的,因此是否出现“拉线”,主要取决于周围大气层的温度、压力和湿度水平。总体上看,只有温度低于-40摄氏度,同时大气压力小、湿度大且空气层比较稳定的情况下,才会比较容易形成凝结尾迹。
至于航空表演时,我们看到的飞机喷出的五彩烟雾,并不是由水蒸气而形成,而是事先将以硫酸酐为主要成分的拉烟剂,装入到表演飞机机腹下的拉烟吊仓之内,然后在飞行表演时通过氮气加压的方式,将这些拉烟剂通过拉烟喷嘴喷出,然后在高速飞行时产生的剧烈气流扰动、以及喷气口的高温气体作用之下,使拉烟剂产生雾化效果,我们在地面上便看到了五颜六色的“彩烟”。
所以,从形成原理上看,高空喷气式飞机在飞行时产生的“白烟”实质上并不是烟,而是水汽凝结而成的液滴和冰晶,这种现象受高空大气的状态影响较大,并不是任何时候都能形成。而航空表演时我们看到的“彩烟”,则可以看作是烟,是为了满足人们的观赏需求,在飞机的特定装置内刻意添加的物质,在喷出时基本不受大气状态的影响,而且表演飞机距离地面都比较近,只要喷出,就很容易被人们所观察到。
主要成分是燃料燃烧产生的水、二氧化碳、一氧化氮和二氧化氮四种物质,可以破坏臭氧层的。 我们常常在晴朗的天空中看到喷气式飞机在高空飞行时,机身后边会出现一条或数条长长的“白烟”,人们习惯地称它为“飞机拉烟”。飞机尾迹分为废气尾迹、对流尾迹和空气动力尾迹三种。废气尾迹又可分为废气凝结尾迹和废气蒸发尾迹两种,常见的飞机尾迹多是废气凝结尾迹。飞机过后,发动机向后喷出含有大量水汽的高温气体,如果环境温度很低(零下40摄氏度以下),这些高温高湿的气体迅速和周围环境空气混合,温度迅速下降,湿度急剧增大,再加上喷出的颗粒状灰尘,从而凝结产生飞机尾迹。 飞机尾迹的形成除与周围环境大气的温度有关外,还取决于飞行高度上的湿度。经验表明,气温在零下40摄氏度至零下60摄氏度的高空中,若湿度在40%以上,或对流层顶附近湿度在60%以上,就有可能出现飞机尾迹。 能够产生飞机尾迹的空气层称为飞机尾迹层,尾迹层通常以一层为多,偶尔也会出现数层。尾迹层出现的高度除与大气中气温湿度等气象条件有关外,还与飞机的种类、飞行状态有关。一般在7~8千米高空,属于对流层上层,那里气温常年处在0℃以下,由于飞机发动机喷口排出的废气中含有一定量的水汽,当它遇到外界低温空气时,就凝结成冰晶,形成白色云带,这样拉出的烟叫作飞机的凝结尾迹。 废气尾迹多发生在距地面11千米以上的高空。 空气动力尾迹比较少见,飞机在接近饱和的空气中飞行,一般出现在螺旋桨和机翼的翼尖附近,空气因降压产生凝结,现在很多航空迷看到的边条翼拉出的白色水汽涡流,就是这么产生的。当水汽含量达到轻微过饱和而又没有相对应大小的灰尘颗粒(专业名叫气溶胶)做凝结核的话,水汽是不会凝结成水滴的。飞机飞过时产生的尾气提供了很多微小的气溶胶颗粒使得水汽凝结在上面形成水滴,就是大家所看到的飞机后面带的一条白线。
图注:飞机在空中飞行留下的“凝结尾迹”
在拥有机场的大城市生活的人们都有这么一个生活经验,在天气晴朗的日子,抬头仰望蔚蓝的天空,会看到天空中纵横交错排布着一道道长长的“白色纹路”或痕迹,往往要过很长一段时间才会消散。这其实是飞机在天空中飞过时在大气中留下的一种特殊痕迹——凝结尾迹。
飞机在飞行过程中消耗燃料,发动机排出高温废气,这些废气里既含有二氧化碳等温室气体,也含有一定的水蒸气,因为航空煤油主要的燃烧物质是各种不同馏分的烃类化合物的混合物,而烃类主要是由碳原子和氢原子组成的,与氧气发生反应,在飞机发动机燃烧室中燃烧后,产生的物质里一定有水。刚从飞机发动机尾气中排出的水蒸气,温度是很高的,而此时飞机飞行在几千米(通常是一万到三万英尺)高空,由于海拔每上升1000米,温度下降6摄氏度,因此高空中的气温低于零度,是低温环境。也就是说高温的水蒸气会进入高空低温环境。我们学过中学物理的都知道,空气中水分含量多少与温度直接相关,温度越高,空气中容纳水分含量的能力就越强,空气越低,容纳水分的饱和度就越低。因此当飞机尾气中的高温水蒸气一旦进入高空低温环境,则水蒸气会因为空气中水含量过饱和而大量变成液滴微粒,而由于环境空气温度低于零度,因此液滴微粒又会在短时间内凝结成水滴甚至冰晶,从而产生凝结尾迹。这个凝结尾迹经阳光照射后发生复杂的散射反射,映入我们眼帘的,就是漂亮的白色尾迹。凝结尾迹一般在较高的大气中形成,在某些情况下,它们可以持续存在数小时,有时还会促进卷云的形成。
图注:英国“红箭”飞行表演队在进行拉烟表演
此外,除了飞机尾部,飞机的机翼处有时候也会拉出类似的尾迹,这是因为机翼附近气压降低,与温度降低一样也会导致空气中的水分因过饱和而凝结成液滴,形成凝结尾迹。
有的时候,飞机尾部的“烟雾”也可以是人造的,比如像珠海航展这样的航空特技飞行表演活动上,表演机会加装特殊的设备,在飞行中产生彩色的烟雾,这叫“拉烟”,配合飞机精彩的特技飞行动作,可以起到赏心悦目的视觉效果。
飞机飞过为什么会有烟雾,而且烟雾还能停留较长时间,通常客机飞行高度是距离地面8至10公里,这个高度气流相对稳定是为平流层。再下来就是距离地面高度每增加一公里温度下降4度,这就不难理解距地面8至10公里会是低温,
可以看图喷气发动机工作原理,由进气道进气经过压缩气体,通过燃料喷油嘴在燃烧室燃烧,高温的膨胀气体经过涡轮机高速从喷管喷出,飞机的热尾气体中所含水分,遇到冷空气会凝结成细小水珠或者是冰晶,就是我们看到的烟雾。
飞机飞过之后身后的烟雾是怎么回事?
一般的说是飞机在一定的高度发动机排放尾气遇冷空气凝结而成。那为什么相同高度速度前后左右几架飞机有排烟有不排烟的呢?这是可人为控制的,就是说飞行员能操控,想叫它排出的能看见或不能看见,或者在后方烟雾保留的时间,都可由飞行员控制。如果不能控制那在空战中或侦察时后部经常拖着白尾巴,那不是给敌机提示目标吗。
在飞机航展或节目表演时机后冒的彩色烟雾,又是一回事,这和发动机排放尾气没有关系,是特殊的烟雾装置定时施放的。可同时施放几种色彩的烟雾。和空气的冷热没有关系。
日常生活中,我们常常可以看到飞机飞过后,天空中会有一条或数条长长的“白烟”。而在飞行表演中,我们则可欣赏到飞机尾部喷出五颜六色的“彩烟”,它们在空中幻化出美丽的图案,颇为炫酷夺目。
图1 - 连飞行轨迹都是爱你的形状
其实,不管是“白烟”还是“彩烟”,都不是真正的“烟”,而且,它们的产生原理也有很大差异。那它们是怎么形成的呢?
高冷的“白烟”
烈日炎炎,我们在吃冰棒时常会发现冰棒冒“白烟”。学过物理的小伙伴们对此不会感到陌生,所谓的“白烟”实际是由空气中的水蒸气遇冷凝结而成。多数情况下,飞机在空中留下的“白烟”,也是相同的道理。
现代飞机基本都采用航空煤油作燃料,它以加氢裂化煤油馏分或直馏煤油馏分为原料,经精制水洗并添加适量抗爆剂、抗磨剂调和而成。航空煤油中含有大量的芳烃、烯烃等碳氢化合物,燃烧后会生成大量气态水。高温的水汽通过发动机尾喷管喷到空气中,遇到大气层中的冷空气后急剧降温、增湿,凝结成千千万万的小冰晶,从而在飞机发动机后面形成一条长长的白色尾巴。这条尾巴俗称“飞机拉烟”,而在航空气象学上,通常称为“飞机尾迹”、“凝结尾迹”或“尾迹云”。
细心的蝌蚪网友们一定注意到,飞机并非每次飞行都会拉烟。比如,在燃爆的建军90周年阅兵式上,当英姿飒爽的歼20飞过时,我们就没有看到尾迹云。这就不得不提形成尾迹云所必须的飞行条件和气象条件。
图2 - 阅兵式上的歼20由于飞行高度低,未形成尾迹云
飞机拉烟的现象,通常只在喷气式飞机上才会出现。但喷气式飞机究竟能否拉烟,还要看温度和高度的脸色。一般来说,凝结尾迹只有在飞机周围环境温度很低的情况下才会产生。这里的“很低”有多低呢?答案是零下40摄氏度以下!因此,飞机必须飞行在近万米高的大气层中,才可达到这一温度要求。
航空上把能形成尾迹云的大气层称为“拉烟层”,其高度受空气温度和湿度影响,在盛夏时节,拉烟层的下限高度比冬天高很多。尾迹云在空中一般可持续约30~40分钟,条件有利时,甚至能存在1小时以上。它好比人走路时留下的脚印,对客机来说并不影响飞行安全,但对战机而言,则很容易暴露飞机的数量、位置和轨迹,因此,战机在执行军事任务时会尽量避开拉烟层。
图3 - 尾迹云对于客机或许意味着优美,但对于战机则意味着危险
绚丽的“彩烟”
和战机故意避开尾迹云不同,在特技飞行表演中,为了让观众能清晰地观赏飞机各种惊险动作的运动轨迹,身临其境地领略飞机性能和飞行技巧,飞机都会拉出一条条或红或蓝、或黄或绿的曼妙的“彩烟”。“彩烟”的形成原理与尾迹云完全不同。
我们知道,硫酸酐(三氧化硫)溶于水会生成雾状的硫酸并放出大量的热。人们利用这一原理,将液态硫酸酐装进高压容器中,当飞行员通过拉烟剂施放控制系统将硫酸酐喷出时,硫酸酐便会迅速与空气中的水蒸气反应产生烟雾。通过在高压容器中加入不同颜色的配料,就会喷出颜色各异的烟雾。
图4 - 研究人员在进行地面试车拉烟试验
不过,由于硫酸酐对人体健康有严重损害,且其生成的烟雾会腐蚀飞机表面,如今早已被弃用。我国在多年前就已研制出多种无毒环保、颜色鲜艳、烟雾量大的新型彩烟剂,并成功应用于2015年纪念抗战胜利70周年的阅兵式上。据报道,当时八一飞行表演队在歼10上挂载了一个装有新型液体彩烟剂的大型容器,彩烟剂由专门的管线引至发动机尾喷管,在高温、高速的尾气作用下发生升华,从而形成烟雾。
图5 - 2015年9月3日,在纪念抗战胜利70周年阅兵式上,歼10采用了新型液体彩烟剂
风景or危害?
飞机在空中留下的“烟雾”十分壮观,引人入胜。然而,这些“烟雾”美则美矣,却对大气环境有不小的危害。
尾迹云的结构与卷云类似,均由大量冰晶组成,由于每天都有成千上万的飞机在空中穿梭,难免存在人造云效应,对天气造成影响。科学家们研究发现,频繁的飞行活动已经导致欧美部分地区云量增加。这些人造云一方面反射来自太阳的光照,使地球变冷,另一方面又吸收来自地面的红外辐射,使大气变热。
或许有小伙伴会问,为何不让喷气式飞机在拉烟层以下飞行呢?实际上,飞机排放的废气中不仅有水蒸气,还含有大量二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物等有害物质。虽然飞机降低飞行高度后,可以避免形成尾迹云,但由于燃油消耗量也随之增加,并不能根治飞行造成的污染。
幸运的是,各国政府和科学家们已经对此给予了广泛关注,相信在不久的将来,人们能够妥善解决飞机带来的环境污染问题。
图6 - 飞机“彩烟”美则美矣,但飞机排放的废气会对环境造成损害
很高兴回答你的问题。
首先,谢邀。
打个比较简单的比方,在冬天哦,你去户外呼吸,你就会发现你面前有白色的水汽氤氲。这其实不是气态,因为气态你是看不见的,这就是液态的小水滴呢。
那么飞机情况也是类似的,它是个不停喷射暖的湿哒哒的气体的庞然大物。在高空呢,气温比较低,在喷出来的几乎一瞬间,就液态成为了小水滴,甚至一些凝华成了小冰晶。这就成了一条云的轨迹,也可以理解为飞机快速制造的云。
另一方面,飞机机翼附近的气压也在降低哦,也可能导致空气冷却下来,从而促使空气中的水蒸气凝结,促进形成凝结尾迹。
因为这个原理,我们就有了飞行表演,带着有颜色的气体或者粉尘,快速飞过后,也在空中像童话般,留下各种五颜六色的轨迹。
所以只要气温足够低,水汽足够多,不管是不是飞机,都会造成这样子的效果。尤其是飞机速度很快加上是直线飞行,所以尾部的轨迹就很直、很长、很壮观。
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都是胡扯,飞机?拉的“线”,跟发动机喷烟没关系。有时飞机翼尖也会拉出“线”,而翼尖并没有发动机,民航的发动机在机翼,但却在尾部也能拉“线”。还有,看战斗力航空表演,大仰角的时候,机身背部也出现雾状(而发动机在尾部)。
其实,这是潮湿空气被激烈扰动,水分就饱和了,形成雾状。所以速度更高的军机拉线更常见。包括发动机后面的“拉线”,这是空气被扰动的结果。
龙卷风未接近地面之前,就像乌云的大尾巴,并不是乌云漏下来,是向上吸的。“尾巴”周围是没有云的,“尾巴”周围是“干净的”,为什么“尾巴”是云雾状呢?就是高速扰动造成了水分饱和。
再举个例子,零度的水,透明液态,搅动一下,立刻凝结,成糊状。
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