Trainées de condensation

Traînées de condensation derrière un avion quadriréacteur Boeing 747

Condensation d'altitude en sortie de réacteurs

Les traînées de condensation, également appelées traînées de vapeur et plus prosaïquement traînées blanches ou encore contrail (pour condensation trail), sont créés par la condensation de la vapeur d'eau émise par les moteurs d’avion à haute altitude^[1]. Elles peuvent également être formées plus rarement par les vortex de la voilure qui crée une saturation locale de l'air à l'altitude de vol en y abaissant la pression. Elles se transforment parfois en nuages artificiels analogues à des cirrus allongés^[2]. Vus d'un satellite météorologique, ces traînées sont détectables dans le spectre visible de jour mais on peut les suivre encore mieux en tout temps dans les 3 canaux 8,5, 11,0 et 12,0 micromètres de l’infra-rouge, qui correspondent à la présence d’eau liquide et/ou de cristaux de glace^[3].

Formation des traînées de condensation

Les deux façons de former les traînées. En haut, celles prenant naissant au bout les ailes et en bas, celles provenant des réacteurs

Différentes traînées, dont certaines évoluant en nuage d’altitude (Lille, 12 juin 2003 peu avant le coucher du soleil, direction W/NW)

Les traînées de condensation se forment de deux manières. Dans les deux cas, il faut que l'air contienne des noyaux de congélation pour créer les cristaux de glace qui les rendent visibles. En effet, les gouttellettes formées par la condensation peuvent exister à des températures bien inférieures à 0 °C parce que la tension superficielle de l'eau est très grande. On parle alors de surfusion qui peut persister jusqu'à -40 °C avant qu’une gouttelette se congèle sans l’intervention d’une particule d’aérosol servant de noyau glaçogène. Bien que l'atmopshère contiennent de tels noyaux, ils sont en faibles concentration à haute altitude. Ce sont donc surtout les gaz éjectés par les moteurs qui fournissent de tels éléments et précipitent la formations des cristaux et l'apparition de la traînée. Voici donc ces deux façons^[4],[5],[6] :

1. Les ailes de l’avion produisent une dépression sur le dessus de l’aile pour permette à un avion de voler. Cette baisse de la pression est particulièrment soudaine au bout des ailes et entraîne un abaissement de température similaire au fonctionnement d’un compresseur dans un réfrigérateur. Si l’humidité relative de l'air au niveau de vol est près de 100 %, la baisse de température peut faire passer l’air au-delà de la saturation au bout des ailes. Le tourbillon qu'on y retouve concentre cet air saturé en un tube et on a alors condensation de l’humidité présente dans l’air avec apparition de gouttelettes d’eau qui gèlent. Les traînées de condensation ainsi créées sont plus rares et peu durables car le mélange avec l’air ambiant derrière l'appareil ramène rapidement la température à son point de départ et l’humidité relative retombe sous 100 %. De plus la concentration de noyaux de congélation disponibles y est assez faible.
2. À l’arrière des moteurs, conventionnels ou réacteurs, les gaz d’échappement sont chauds et humides. Chaque litre de carburant consommé produit un volume quasi équivalent d’eau qui entre dans l’air froid en altitude. Comme la quantité d'humidité que peut contenir l'air à ces altitudes est bien inférieure en général à celle venant du réacteur, l'air devient saturé et la vapeur se condense alors en gouttelletes puis en cristaux de glace. Ces traînées peuvent se dissiper après seulement quelques minutes ou persister jusqu’à plusieurs heures.

Ce second type de traînées de condensation est beaucoup plus durable car il y a addition d’humidité absolue. Selon les conditions de pression, température, vent, etc., cette traînée pourra^[1],[4],[6] :

• Évoluer progressivement en nuage d’altitude plus ou moins épais, large et durable. Ce type de nuages dérive selon les vents d’altitudes et conserve souvent durant plusieurs heures la forme et la direction de la traînée. Ces cirrus artificiels persistants peuvent même s’installer pendant des jours ou des semaines ;
• Conserver une forme rectiligne ou se casser ou même prendre une forme de zigzag avant de disparaître ;
• Se dissoudre rapidement par évaporation/sublimation et/ou dispersion, en devenant invisible à nos yeux. Parfois seule une partie de la traînée ne se forme pas ou disparaît précocement, en raison d’un courant aérien qui la disperse localement ou de l’ombre portée d’un nuage situé entre le soleil et ce point (un tel phénomène est visible en haut à gauche de la photo ci-contre).

Autres facteurs

Au moins un autre facteur peut s’additionner ou interférer dans la formation de traînées de condensation^{[réf. nécessaire]}. Dans la stratosphère, le rayonnement solaire, non filtré par la couche d’ozone ni l’épaisseur de l’atmosphère, est bien plus énergétique qu’au sol. Il a une forte capacité d’ionisation de l’air (cf. phénomènes d’aurores boréales). Comme cela peut-être reproduit dans une chambre à brouillard^{[réf. nécessaire]}, en altitude le rayonnement solaire catalyse la condensation de l’eau-vapeur émise par les réacteurs en microgouttelettes qui gèlent instantanément en devenant alors visibles sous la forme d’une traînée blanche.

Au-dessus des corridors aériens^{[réf. nécessaire]} ou sous leur vent, certains jours, plus de 80 %, voire 100 % de la nébulosité du ciel est artificielle.

Formation de traînées dans la troposphère

Un phénomène qui rappelle celui des traînées d’avion se produit pour d’autres raisons à une altitude beaucoup plus basse, dans la troposphère. Bien qu’indétectable par nos yeux dans le spectre visible, il est clairement perceptible dans l’infrarouge par les satellites^{[réf. nécessaire]}. Ces traînées sont produites par la formation de microgouttelettes, qui – à cette altitude – ne gèlent pas, à partir des émissions de cheminées de navires. Il semble que dans ce cas ce soit le soufre issu du fuel lourd brûlé dans les chaudières, qui, émis par les cheminées fasse fonction de catalyseur, constituant un noyau de nucléation de microgouttelettes d’eau. Il est possible que la réverbération du soleil et des UV sur l’eau ait une importance (à confirmer) en augmentant l’énergie disponible (que nous percevons par exemple sous la forme des coups de soleil).

Le fait que ces « traînées » soient nettement visibles dans l’infrarouge signifie qu’une partie du rayonnement calorique solaire est renvoyé en direction de l’espace. Localement, le phénomène contribue donc, comme les « contrails » d’altitude, à légèrement refroidir l’air ambiant, mais bien moindrement sans doute que dans le cas des avions.

Traînées d’avion et modifications climatiques

Traînées au soleil levant et évolution
(Lille, 8 octobre 2006)

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a consacré un rapport scientifique complet (non traduit en français) au phénomène des nuages artificiels produits par les traînées d’avion^[7]. Ce phénomène est clairement à considérer comme faisant partie des sources de modifications anthropiques du climat, mais avec un double aspect qui rend sa quantification complexe.

1. Les avions contribuent pour partie à l’effet de serre par leurs émissions de CO₂
2. Ils contribuent aussi, mais moindrement et momentanément à un effet antagoniste de refroidissement du climat lorsque ces traînées s’élargissent en formant de larges nuages qui modifient significativement l’albédo planétaire en blanchissant artificiellement le ciel d’altitude.

C’est une des raisons qui fait que le traité de Kyoto ne les a pas encore pris en compte, faute de capacité des négociateurs gouvernementaux à établir un consensus sur ce point.^{[réf. nécessaire]}

Les compagnies aériennes ne semblent pas avoir cherché à mesurer ni réduire ce phénomène dont elles ont parfois minimisé les impacts.^{[réf. nécessaire]}

L’interdiction de vol de trois jours qui a suivi aux États-Unis les attentats du 11 septembre s'est traduite par un écart de température moyenne par rapport aux prévisions météo qui a confirmé que les contrails refroidissaient, localement et provisoirement le climat.^{[réf. nécessaire]}

Un des moyens pour éliminer cet effet est d’abaisser l’altitude des vols ce qui entraînerait moins de formation de traînées car l'air peut contenir plus d'humidité à plus basse altitude et la dispersion par les vents y serait plus rapidement. Cependant, cela implique une diminution de la capacité de l’espace aérien et l’augmentation des émissions de CO2 causée par une activité aérienne moins efficiente^[8],[9].

Double impact climatique

L’effet de refroidissement est incontestable, mais il ne persiste que durant le temps précédant la dilution ou l’évaporation de la traînée visible (ou du nuage invisible mais visible dans l’infrarouge), soit quelques minutes, quelques heures à quelque dizaines d’heures (rarement pour les traînées de navires), à plusieurs jours parfois dans le cas des traînées d’avion.

Le CO₂ émis par les navires est probablement assez rapidement, pour la plus grande partie, absorbé par les écosystèmes terrestres et/ou océaniques. Au contraire, l’effet de serre induit par le CO₂ émis par les avions à haute en altitude, c'est-à-dire là où il n'y a pas de photosynthèse pour le réabsorber, serait lui bien plus durable, puisque ce CO₂ émis en altitude y serait présent en moyenne pour environ un siècle selon les modélisateurs^{[réf. nécessaire]}.

À la différence des traînées d'avions, les traînées de navires ne semblent pas directement former de nuages, ni participer de manière aussi importante à la modification de l'albédo terrestre et donc du climat. Elles traduisent un autre type de pollution.

Il existe dans les deux cas un phénomène d'acidification avec production d'acide carbonique derrière les avions et d'acide sulfurique et carbonique dans les traînées de cheminées de navires^{[réf. nécessaire]}. L'utilisation de fuel désulfuré diminuerait ce phénomène pour les navires.

Invisibles mais préoccupantes traînées nocturnes

Traînées se formant au soleil levant
(Lille, 8 octobre 2006)

Il existe un facteur jour/nuit déterminant. En effet, la vapeur d’eau est un puissant gaz à effet de serre (dont le coefficient est plus élevé que celui du CO₂^{[réf. nécessaire]}), mais cette vapeur d'eau a un impact tout à fait différent en matière de réchauffement selon sa forme :

1. forme condensée dans l'air, notamment sous forme de nuages artificiels blanc le jour,
2. vapeur d'eau la nuit, généralement invisible à nos yeux, mais faisant barrage à une partie des infrarouges.

À titre d'exemple, selon une étude de 2005, au Royaume-Uni, les vols de nuit ne représentent que 25 % environ du trafic mais ils seraient responsables de 60 % à 80 % du réchauffement climatique dû aux traînées de condensation. Une équipe de chercheurs conduite par Nicola Stuber (université britannique Reading) a étudié l'impact des traînées se transformant en nuage d'altitude au dessus de la région de Herstmonceux (Sud-Est de l'Angleterre) à l'entrée du couloir aérien de l'Atlantique-Nord.
Cette étude a été soutenue par les deux ministères anglais des Transports et du Commerce et de l'Industrie ainsi que par Airbus.
Une des conclusions de ces chercheurs est que diminuer le nombre de vols de nuit ou décollant de nuit pourrait permettre de significativement réduire les impacts de l’Aviation en matière de réchauffement.

• Les vols de jour ont une responsabilité à long terme car le CO₂ émis par la combustion du kérosène reste dans la haute atmosphère pour environ 100 ans^{[réf. nécessaire]}. Ce CO₂ émis le jour a cependant une responsabilité immédiate sur le réchauffement diminuée car les traînées de condensation des avions volant sous le soleil blanchissent et/ou réfléchissent une partie de l’énergie solaire thermique en la renvoyant vers l’espace avant qu'elle n'ait eu le temps de réchauffer le sol ou les masses d'air^{[réf. nécessaire]}. Ce phénomène tend à refroidir la basse atmosphère. L'albédo est ici le phénomène déterminant.
• Les vols de nuit, inversement ne produisent que très rarement des traînées, et celles-ci ne se transforment pratiquement jamais en nuages blancs, qui de toute manière ne diminueraient pas la température au sol. La vapeur d'eau de ces traînées s’oppose au refroidissement et accroît le réchauffement, car en tant que gaz à effet de serre, elle piège la chaleur rayonnée par le sol dans les basses couches de l’atmosphère^{[réf. nécessaire]}.

Aspects saisonnier

Nicolas Stuber a aussi calculé que les vols de nuit (de 6h du soir à 6h du matin) effectués en Grande-Bretagne en saison froide (durant les seuls 3 mois de décembre, janvier et février) contribuent pour environ 50 % au réchauffement alors qu'ils comptent pour moins d’un quart (22 %) du trafic annuel.

Le transport aérien est celui qui connaît la plus forte croissance mondiale, devant l’automobile. S'il n'émet que 3 % environ des gaz à effet de serre^{[réf. nécessaire]}, son impact est proportionnellement plus important. Faut-il diminuer les vols de nuits, et les décollages en hiver pour mieux respecter la convention de Rio sur les modifications climatiques ? (Source : journal Nature ; juin 2006)

Tendances et prospective

Ce phénomène de traînées célestes est en très forte augmentation depuis 20 ans. Il est jugé préoccupant^{[réf. nécessaire]} car la contribution de l'aviation civile à l'effet de serre est en forte augmentation (elle serait passée de 3 % environ à 5 % en quelques années), sans être prise en compte par le traité de Kyoto^{[réf. nécessaire]}. On manque de données publiées^{[réf. nécessaire]} pour évaluer quantitativement et qualitativement les impacts des traînées émises par les navires, ou celle des avions militaires. Depuis 2005, on^{[réf. nécessaire]} sait que les vols de nuit ont une responsabilité considérablement plus importante que les vols de jours pour le réchauffement climatique à brève échéance. (Cf. § ci-dessus).

Les contrails sont un des moyens utilisés^{[réf. nécessaire]} pour détecter a posteriori le trajet d'avions, par analyse d'images satellites ou de photos prises du sol.

Il semble que d’autres facteurs tels que les particules émises par les volcans, ou l’activité solaire puissent aussi interférer avec la formation de traînées^{[réf. nécessaire]}.

Nuisance supplémentaire

Traînée nocturne : cette photographie a été faite avec une pose de 15 secondes, le 14 janvier 2006, par nuit de pleine lune, froide, claire et sans vent, dans la banlieue lilloise.

Les nuits de pleine lune, des traînées peuvent être clairement visibles.

En réalité^{[réf. nécessaire]}, par nuit noire, de telles traînées sont très rarement visibles, en tous cas pour les longueurs d'ondes perçues pour l'œil humain. Lorsqu'elles le sont, elles peuvent alors gêner l’observation astronomique. Ce phénomène est généralement classé comme « nuisance lumineuse » pour l'astronomie, plutôt que comme pollution lumineuse bien qu'il soit associé à une pollution réelle et durable à partir des réacteurs, liée au CO₂, à la vapeur d'eau (gaz à effet de serre) et aux particules émises.

Impact environnemental

Traînées de condensation au dessus de la Nouvelle-Écosse, vues de satellite

En 1998, des scientifiques de la NASA ont montré que les traînées de condensation produites sur la côte pacifique des États-Unis d'Amérique pouvaient fusionner pour produire un cirrus couvrant 3 600 km². Des photographies satellite ont un jour dévoilé des traînées de condensation produites par l'aviation commerciale au dessus de la Nouvelle-Angleterre formant un nuage de 34 000 km².

Dans l'hémisphère sud, les avions sont bien moins nombreux, mais la calotte glaciaire est plus vaste qu'au nord et climatiquement plus isolée, ce qui explique que cette zone est beaucoup plus froide. En exploitant des données fournies par un satellite de la NASA chargé de la recherche de la haute atmosphère, les chercheurs ^{[réf. nécessaire]}ont remarqué que les nuages stratosphériques de l'Antarctique avaient une durée de vie deux fois plus longue que ceux situés au-dessus de l'Arctique où les couches d'air sont plus mélangées et chaudes. En contribuant à maintenir les hautes couches plus froides, les traînées d'avion exacerbent les réactions chimiques de destruction de la couche d'ozone.

Éjection de l'eau sanitaire dans l'atmosphère

Dans l'origine de ces traînées responsables en partie du réchauffement climatique, l'eau sanitaire n'est jamais mentionnée dans les études^{[réf. nécessaire]} or, cet apport pourrait atteindre 8 % des rejets d'eau sur les vols longs courriers.

Arrêt du trafic aérien suite au 11 septembre 2001

L'hypothèse avait été émise que dans les régions à fort trafic aérien (telles que les États-Unis d'Amérique), les traînées de condensation pouvaient avoir un impact visible sur le climat en augmentant l'albédo de la terre : réduction de l'apport solaire diurne ainsi que des déperditions de chaleur nocturne^[10],[11].

La suspension de tous les vols pendant trois jours au dessus du territoire américain suite aux attentats du 11 septembre 2001 a permis à Davis Travis de l'université du Wisconsin de noter une forte augmentation, de plus d'un degré Celsius, de l'amplitude thermique d'une journée (écart entre la température la plus haute, le jour, et la plus basse, la nuit) ^[12]. Les mesures et les modèles ont montré que, sans traînée de condensation, l'amplitude des températures entre le jour et la nuit était d'environ 1 degré plus élevée que lors de la période précédente. Cet écart est significatif. En effet, même si la température varie fortement d'un jour à l'autre, rendant le recueil de données peu significatif, l'amplitude jour/nuit, pour sa part, est un facteur beaucoup moins variable d'un jour à l'autre.

Photos

Traînées et son ombre portée sur le dessous des cirrus par le soleil déjà bas

Parfois le passage de l'avion interrompt au contraire la formation ou la continuité des nuages d'altitude, on parle alors de distrail

Noter l’ombre portée d’une traînée sur l’autre, par la lumière rasante du soleil encore bas.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• (en) H. Appleman, « The formation of exhaust condensation trails by jet aircraft », dans Bulletin of the American Meteorological Society, Boston, États-Unis, vol. 34, 1953, p. 14-20 
• (en) Olivier Boucher, « Aircraft can increase cirrus cloudiness », dans Nature, Nature Publishing Group (Macmillan Publishers Limited), n^o 397, 7 January janvier 1999, p. 30-31 [lien DOI] 
• M.-L. Chanin (sous la direction de), Impact de la flotte aérienne sur l’environnement atmosphérique et le climat, Tec & Doc Lavoisier, coll. « Académie des sciences et Académie nationale de l’air et de l’espace, Rapport N° 40 », Paris, France, 1997, 166 p. (ISBN 2743002468 et ISBN 978-2743002466) [présentation en ligne] 
• (en) D. W. Fahey, U. Schumann, S. Ackerman, P. Artaxo, Olivier Boucher, M. Y. Danilin, B. Kärcher, P. Minnis, T. Nakajima et O. B. Toon, Aviation-produced aerosols and cloudiness, Cambridge University Press, coll. « Rapport spécial du GIEC sur l'aviation et l'atmosphère globale », 1999, p. 65-120 
• (en) D. L. Hartmann, M. E. Ockert-Bell et M. L. Michelsen, « The effect of cloud type on Earth’s energy balance: Global analysis », dans Journal of Climate, American Meteorological Society, Boston, États-Unis, vol. 5, n^o 11, novembre 1992, p. 1281-1304 [texte intégral lien DOI (pages consultées le 2009-07-14)] [pdf]
• (de) E. Schmidt, « Die Entstehung von Eisnebel aus den Auspuffgasen von Flugmotoren », dans Schriften der Deutschen Akademie der Luftfahrtforschung, Verlag R. Oldenbourg, Munich/Berlin, n^o 44, 1941, p. 1-15 
• (en) A. Schmitt et Brunner B., « Emissions from Aviation and their Development over Time », dans DLR-Mitteilung, DLR, Cologne, Allemagne, vol. 97, n^o 04, 1997, p. 37-52 
• (en) U. Schumann, « On conditions for contrail formation from aircraft exhausts », dans Meteorologiche Zeitschrift, n^o 5, 1996, p. 4-23 

Articles connexes

• Chemtrail (article dont le fond est discuté)
• Parhélie
• Changements climatiques
• Assombrissement global

Liens externes

• (en)Langley Research Center, « Contrail Education », NASA. Consulté le 2009-07-13[pdf]
  • (en)Langley Research Center, « Liste de papiers scientifiques sur le sujet », NASA. Consulté le 2009-07-13[pdf]
  • (fr)Langley Research Center, « Charte de reconnaissance des traînées de condensations », NASA. Consulté le 2009-07-13[pdf]

• (fr)O. Boucher, G. Brogniez, V. Giraud, Y. Fouquart et J.F. Gayet, « Aviation, traînées de condensation et changement climatique », Société météorologique de France. Consulté le 2009-07-13

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