Original paper
On conditions for contrail formation from aircraft exhausts
[Über Bedingungen zur Bildung von Kondensstreifen aus Flugzeugabgasen]
Schumann, Ulrich
Meteorologische Zeitschrift Vol. 5 No. 1 (1996), p. 4 - 23
129 references
published: Mar 5, 1996
published online: Aug 2, 2018
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Abstract
The formation of contrails (condensation trails) from aircraft exhaust has been investigated since 1919. Related studies are reviewed. The thermodynamical foundation of the Appleman threshold criterion for contrail formation has been first described by Schmidt in 1940. The Schmidt/Appleman criterion is reexamined, including the effects of the conversion of part of the combustion heat into kinetic energy of the motions in the wake of the aircraft causing higher threshold temperatures for contrail formation than without this conversion. The criterion is also derived including the kinetic energy of the jet plumes but this effect changes the threshold temperature only a little. The analysis is applied for a measured test case with the so-called ATTAS aircraft and for typical modern wide-body aircraft of type B747. If the aircraft would burn liquid hydrogen (liquid methane) instead of kerosene fuel, contrails would appear at typically 10 K (4.5 K) higher ambient temperatures and would be geometrically thicker and longer. However, this does not necessarily mean that such alternative fuels have a stronger impact on climate because such fuels will cause less and larger particles with smaller optical thickness and faster sedimentation.
Kurzfassung
Die Bildung von Kondensstreifen aus Flugzeugabgasen wurde seit 1919 untersucht. Entsprechende Studien werden in einer Übersicht dargestellt. Die thermodynamische Grundlage der von Appleman angegebenen Grenzwert-Bedingung für die Bildung von Kondensstreifen wurde zuerst von Schmidt im Jahr 1940 beschrieben. Das Schmidt/Appleman-Kriterium wird dargestellt und erweitert. Die teilweise Umwandlung von Verbrennungswärme in kinetische Energie im Nachlauf eines Flugzeuges führt zu einer Erhöhung der Grenztemperatur zur Kondensstreifenbildung. Es wird auch untersucht, wieweit die kinetische Energie des Abgasstrahls der Triebwerke die Kondensstreifen verändert. Es zeigt sich, daß dieser Effekt die Grenztemperaturen für Kondensstreifen nur wenig verändert. Die Analyse wird angewandt auf Beobachtungen an dem sogenannten ATTAS Flugzeug und auf typische Großraumflugzeuge vom Typ B747. Bei Verwendung von flüssigem Wasserstoff (flüssigem Methan) statt Kerosin entstünden Kondensstreifen typisch bei 10 K (4.5 K) höheren Umgebungstemperaturen und die Kondensstreifen hätten größere Durchmesser und Längen. Daraus kann allerdings nicht auf größere Klimabeeinflussung geschlossen werden, da solche Kondensstreifen vermutlich weniger, aber größere Partikel mit geringerer optischer Dicke und rascherer Sedimentation verursachen.
Keywords
condensation trails • aircraft exhaust • thermodynamical • kinetic energy • hydrogen • methane • Kondensstreifen • Flugzeugabgase • thermodynamisch • kinetische Energie • Wasserstoff • Methan