Une traînée de condensation, dite cirrus homogenitus dans l'Atlas international des nuages de 2017., est un nuage qui se forme à l'arrière d'un avion. Ce phénomène physique, qui dépend de phénomènes atmosphériques complexes., a été étudié dès les années 1950. et provient de la condensation de la vapeur d'eau émise par les moteurs d’avion à très haute altitude.. Le phénomène est encore plus prévalent si l'air est déjà sursaturé Gettelman, A., Liu, X., Ghan, S. J., Morrison, H., Park, S., Conley, A. J., Klein, S. A., Boyle, J., Mitchell, D. L., and Li, J.-L. (2010) Global simulations of ice nucleation and ice supersaturation with an improved cloud scheme in the Community Atmosphere Model, J. Geophys. Res., 115, D18216, doi:10.1029/2009JD013797. Sont aussi employées les expressions : traînée de vapeur, traînée blanche, ou encore (pour ).
Ces traînées apparaissent à la sortie des moteurs (à pistons ou réacteurs) ou en bout d'ailes dès d'altitude si l'hygrométrie dépasse 68 % pour une température de , à partir de noyaux de congélations fournis en grande partie par les gaz et résidus solides de combustion. Elles s'estompent par sublimation ou se transforment., dans certaines conditions d’hygrométrie et de température, en nuages artificiels analogues à des cirrus allongés.. Ces nuages artificiels peuvent alors couvrir de vastes surfaces de ciel, notamment dans l'hémisphère nord.. Ils peuvent persister durant plusieurs heures, parfois plusieurs dizaines d'heures...
Ces traînées augmentent le forçage radiatif. Le trafic aérien croissant modifie ainsi les échanges énergétiques de l'atmosphère.... Ces traînées, en permanence nombreuses tout autour de la Terre du fait de l'important trafic aérien mondial, et pouvant parfois fusionner pour former d'immenses cirrus constitués essentiellement de cristaux de glace, accentuent aussi l'effet de serre... : bien qu'elles réfléchissent les rayons du soleil le jour, elles réchauffent surtout la planète la nuit en retenant les infrarouges dans ces manteaux de cristaux de glace. Cela vient s'ajouter à l'effet de serre issu de la combustion importante de kérosène et double la responsabilité du trafic aérien en termes de contribution au réchauffement climatique, augmentant ainsi une part qu'on estimait autrefois faible par rapport à d'autres modes de transport..
La présence de ces traînées est signalée par le sigle COTRA, contraction de l'expression anglaise , dans un rapport météorologique METAR.
Nature physico-chimique des traînées thumb|upright=1.5|Photo satellitale prise au-dessus de la Géorgie (MODIS, NASA, le ), montrant des chapelets de centaines de traînées de condensation transformées en cirrostratus artificiels.. Les traînées de condensation sont des nuages. Vues 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 trois longueurs d'onde de , et de l’infrarouge. Ceci indique qu'elles contiennent de l'eau liquide et/ou des cristaux de glace . et qu'elles influencent le bilan radiatif de l'atmosphère terrestre Thèse de Ioan Balin ; ; Thèse (2004) ; école polytechnique fédérale de lausanne ; (Présentation, français et anglais)..
Ces traînées contiennent aussi des aérosols de particules émises par les réacteurs., dont du noir de carbone. et des sulfates., mais leur cinétique, et leurs modifications physico-chimiques sous l'effet de la température, des UV solaire et du rayonnement cosmique, de l'ozone et des gaz est encore incomplètement comprise. Des phénomènes discrets sont néanmoins mieux observés, grâce au lidar notamment...
Nouveaux outils d'étude et de suivi De nouveaux outils permettent de mieux comprendre la chimie et la physique des traînées de condensation, des cirrus et de leur processus de production et de disparition. Ils pourraient un jour assurer un suivi permanent de leur production, évolution et impacts géoclimatiques :
L'imagerie satellitaire aide à mieux comprendre leur dynamique dans la haute atmosphère, et certaines interactions avec les facteurs climatiques.. Elle a notamment permis de montrer en 2016 dans la revue Nature, que des traînées de condensation peuvent aussi se former à l'intérieur de cirrus naturels. Cela se traduite par un changement systématique et statistiquement significatif de l’épaisseur optique de ces cirrus, à l’intérieur des trajectoires de vol en latitude moyenne, comparée aux zones adjacentes immédiatement à l’extérieur de ces traces.. Puis, une quantification directe du forçage radiatif de ces traînées de condensation formées à l’intérieur de cirrus préexistants a été faite (en combinant positions d’aéronefs et observations lidar spatiales) pour environ 40 000 cas entre 2015 et 2021. Ce travail, également publié dans Nature, a montré que ces « traînées intégrées » causent un réchauffement local moyen de 60 mW/m². Extrapolé à échelle mondiale, c'est un forçage annuel d’environ 5 mW/m² qui n'avait jusqu'alors jamais été pris en compte (soit près de 10 % de l’impact climatique attribué aux traînées linéaires)..
le Lidar et en particulier du (LIDAR multi-longueur d’onde (JFJ - LIDAR)). Cet appareil émet un faisceau laser à trois longueurs d'onde (355, 532 et ) puis détecte les radiations rétro–diffusées : élastiques (Mie, 355, 532 et ) ou inélastiques (Raman, 387, 407, 607, et 532 rotationnel). Il permet un suivi distant et en temps quasi-réel. Il analyse des profils thermohygrométrique (de température et de la teneur en eau), tout au long de la colonne d'air. Il produit des profils de propriétés optiques qui renseignent sur le contenu particulaire des aérosols présents.
la dépolarisation de la lumière du laser rétrodiffusée (à ) renseigne sur le degré de présence d'eau et de glace, et éventuellement de particules minérales, dans les nuages. Ce type d'outil devrait donc aussi permettre de comprendre les éventuelles interactions entre traînées de condensation et particules minérales aérotransportées à échelle planétaire comme les poussières sahariennes (déjà étudié dans une thèse rendue en 2004) ou particules de nuage de cendres volcaniques, issues d'un accident
Des avions et drones peuvent échantillonner les traînées même et les cirrus induits.
Les progrès de la modélisation 3D et de l'intelligence artificielle améliorent la compréhension de la sensibilité de l’effet radiatif des trainées et des cirrus (naturels ou anthropiques). On sait maintenant que leur orientation, leur géométrie, leur épaisseur optique et/ou de l'angle d'incidence des rayons solaires modifient considérablement leur effet de forçage. Des effets 3D — liés aux bords, aux trous et à la structure réelle des nuages peuvent fortement modifier les contributions radiatives aux ondes courtes et longues. La diffusion directionnelle des cristaux de glace déterminent le signe et l’amplitude de ces effets..
Mécanisme de formation vignette|Deux types de traînées. En haut, celles apparaissant au bout des ailes (sans effets sur le climat) et en bas, celles provenant des réacteurs (avec des effets sur le climat). vignette|Exemple de condensation sur l'aile et de « trainée » se condensant en bout d'aile. vignette|Cette forteresse volante B-17 (Seconde Guerre mondiale) génère deux types de trainées, l'une discrète, en bout d'aile, l'autre en bouts de pales, d'où la forme hélicoïdale.
Ces traînées ne se forment qu'à certaines conditions, qui ne se rencontrent pratiquement que dans la haute troposphère et un peu plus souvent en hiver :
où l'air est à environ où l'air est assez humide pour atteindre la saturation et former des cristaux de glace, spontanément ou si un élément supplémentaire déclenche le processus. où l'air contient des noyaux de congélation, capables de nucléer la vapeur d'eau qui forme alors des gouttelettes surfondues de condensation. Ces dernières peuvent persister jusqu'à avant de se congeler sans l'intervention d'une particule d'aérosol servant de noyau glacigène. Bien que l'atmosphère contienne de tels noyaux, ils sont en faible concentration à haute altitude. Ce sont donc surtout les gaz éjectés par les moteurs et les particules qu'ils contiennent qui fournissent de tels éléments précipitant la formation des cristaux et l'apparition de la traînée.
Les principes de formation des traînées de condensation sont donc similaires à ceux des nuages et sont expliqués en détail par la physique des nuages.
La formation des traînées dépend essentiellement des six facteurs que sont l'humidité et la température de l'air traversé par l'avion, la quantité d'eau rejetée par le réacteur due à la combustion du carburant, la température des gaz d'échappement et la pression atmosphérique. Les émissions de vapeur d'eau des moteurs ont ainsi plus d'effets dans les zones froides de la stratosphère et lors des vols de nuit effectués durant les six ou huit mois les plus froids de l'année.. On a récemment montré que la forme et l'aérodynamique de l'avion influe aussi les premières minutes d'évolution des traînées de condensation (via notamment les tourbillons du plan horizontal de queue, qui déstabilisent les tourbillons de bout d'aile et élargissent significativement les contrails initiaux, un paramètre déterminant pour leurs propriétés optiques et leur impact radiatif, comme l'illustrent les différences d'extinction entre contrails d'Airbus A380 et de CRJ200)..
Types Il existe trois sources pouvant induire la formation de traînées visibles sur un avion... : le moteur à pistons, la turbine de moteur à réaction et (plus discrètement) certains éléments de portance.
Traînées d'ailes (ou de détente) Quelques éléments de portance (ailerons ou extrémité d'aile) produisent un vortex tubulaire associé à une dépression sur le dessus de l'aile (ce qui permet à l'avion de voler). La chute de pression est la plus brusque en bout d'aile où elle entraîne une chute instantanée de température (comme le fait la décompression du fluide compressé par le moteur d'un réfrigérateur, mais d'une manière bien plus brutale). Si l'avion vole dans une zone où l'humidité relative de l'air approche les 100 %, la baisse de température peut faire passer l'air au-delà de la saturation au bout des ailes. Elles sont connues comme traînées de détente..
Le tourbillon qu'on y retrouve concentre et piège cet air sursaturé en une sorte de tube qui rend brièvement visible cette condensation car les gouttelettes d'eau ont eu le temps d'y geler. Ces traînées sont rares et brèves car les cristaux de glaces sont rapidement sublimés en vapeur d'eau et l'humidité relative retombe sous 100 %. En effet, au contraire de ce qui se passe en sortie de réacteur ou de moteur, le taux de noyaux de congélation est très faible en bout d'aile car il ne dépend que de ceux de la masse d'air.
Traînées de moteur à pistons (ou d'échappement et de détente) En sortie de moteur à pistons, les gaz chauds et très humides, sont soumis à des phénomènes d'expansion/décompression quand ils sont pris dans le vortex de l'hélice et propulsés en arrière de l'avion. Si l'air est très humide et assez froid, ces gaz génèrent une traînée blanche, qui peut même prendre un aspect hélicoïdal. Cette trainée de condensation apparait quand la quantité d'humidité que peut contenir l'air est inférieure à celle ajoutée par les gaz d'échappement. Dès que l'air est en phase saturée, la vapeur se condense en microgouttelettes et éventuellement en cristaux de glace qui deviennent visibles. Selon les conditions de température et l'heure (jour nuit), ces traînées se dissipent en quelques dizaines de secondes, minutes ou dizaine de minutes ou contribuent à former ou alimenter des nuages. De tels phénomènes étaient observés lors de certains combats aériens lors de la Seconde Guerre mondiale.
Traînées de moteur à réaction (ou d'échappement)