Kees Floor, Zenit april 2010

Vliegtuigstrepen komen door de groei van de luchtvaart in de afgelopen decennia steeds vaker voor, vooral in gebieden met druk luchtverkeer. Ze kunnen uitwaaieren tot hardnekkige contrails of verder verwaaien tot 'niet-van-echt-te-onderscheiden' sluierbewolking. Deze bewolking beïnvloedt de stralingshuishouding van de atmosfeer, al is niet precies bekend hoe. Waarschijnlijk leveren ze een bijdrage aan de opwarming van de aarde. Britse wetenschappers onderzochten een situatie van een jaar geleden waarin luchtvaartcirrus werd gevormd. Ze stellen onder andere voor de vluchten voortaan zo te plannen dat dit type sluierbewolking overdag zijn hoogtepunt bereikt.

Onzekerheden
Het internationaal klimaatpanel IPCC kwam in zijn rapport uit 1999 met een schatting van het gedeelte van de hemel dat bedekt wordt door hardnekkige vliegtuigstrepen. Gemiddeld over de hele aarde bedraagt dit 0,1 procent, maar de vliegtuigbewolking is vooral terug te vinden in de gebieden met veel vliegverkeer (figuur 2a). De schatting is gebaseerd op de situatie in de luchtvaart van 1992 en berekeningen van een atmosfeermodel over een periode van tien jaar. In hetzelfde rapport werd een aanzet gegeven voor de situatie rond het midden van deze eeuw. Uitgegaan werd van meer vluchten met zuiniger motoren. Een toename van het vliegverkeer is nog steeds een reële optie, zeker nu we kunnen constateren dat gebeurtenissen als de eerste Golfoorlog, de SARS-epidemie, de Mexicaanse griep en de aanslagen op het World Trade Centre in New York die groei niet tot staan hebben kunnen brengen. De gevolgen van het toenemend aantal vluchten voor de frequentie van optreden van hardnekkige vliegtuigbewolking in 2050 is uit figuur 2b goed af te lezen.
Het aandeel van de luchtvaart in de totale menselijke bijdrage aan het versterkt broeikaseffect schat men nu op 3,5%. Dat getal geldt voor 2005 en zonder de door het vliegverkeer veroorzaakte bewolking. Neemt men die wel mee, dan wordt dat aandeel 4,9%, al zijn vooral in dit geval de onzekerheidsmarges groot (Lee et al, 2009). Reden genoeg een situatie waarin de overgang van vliegtuigstrepen naar 'gewone' sluierbewolking werd waargenomen, aan nader onderzoek te onderwerpen en te proberen er conclusies aan te verbinden die een algemener geldigheid bezitten. Dat deed dan ook een groep onderzoekers van de Britse Weerdienst, samen met wetenschappers van de Engelse universiteiten van Reading en Leeds. Ze rapporteerden erover in het decembernummer van het vakblad Journal of Geophysical Research (Haywood et al. 2009). Hun artikel werd onder andere opgepikt door BBC News (2010). Voor we de door hen onderzochte weersituatie bespreken, gaan we eerst in op het verschijnsel vliegtuigstrepen.

2. Schatting van de bedekkingsgraad van de hemel voor hardnekkige contrails. Links: Gebaseerd op de toestand van de luchtvaart in 1992; de gemiddelde bedekkingsgraad over de hele aarde bedraagt 0,1 procent. Drukke vliegroutes springen er duidelijk uit. Rechts: Voorspelling voor 2050 met tegen die tijd sterk toegenomen vliegverkeer en efficiëntere motoren; de gemiddelde bedekkingsgraad over de hele aarde is toegenomen tot 0,5 procent. Bron IPCC 1999.

Vliegtuigstrepen
Vliegtuigstrepen of contrails ('condensation trails' of condensatiesporen van vliegtuigen) bestaan grotendeels uit ijs. Toch vormen zich in de waterdamp die bij de verbranding in de motoren vrijkomt, eerst waterdruppeltjes. Dat komt doordat ijskristallen alleen direct uit waterdamp kunnen ontstaan met behulp van zogeheten sublimatiekernen en die zijn vrij zeldzaam. Ook bij de vorming van wolkendruppeltjes zijn kernen nodig, maar deze zogenoemde condensatiekernen zijn meestal overvloedig aanwezig: zelfs buiten de uitlaatgassen van vliegtuigen bevat lucht gewoonlijk al zo'n honderd condensatiekernen per kubieke centimeter die geschikt zijn om druppelvorming op gang te brengen. Bovendien vraagt de directe overgang van waterdamp naar ijs om een hogere luchtvochtigheid dan de overgang van waterdamp naar vloeibaar water. Vandaar dat de tussenfase van waterdruppeltjes in de praktijk noodzakelijk is om uiteindelijk ijsdeeltjes te krijgen. De waterdruppeltjes kunnen ontstaan doordat de lucht in de warme, vochthoudende uitstoot van de vliegtuigmotoren bij menging met de koude omgevingslucht tijdelijk oververzadigd raakt ten opzichte van waterdamp.
De waterdruppeltjes bevriezen overigens vrijwel direct; bij temperaturen van min veertig of daaronder zijn daarvoor geen vrieskernen meer nodig. Zolang er nog vloeibaar water in het condensatiespoor aanwezig is, groeien de ijskristallen aan ten koste van de overgebleven wolkendruppeltjes. Boven ijs is de dampspanning namelijk lager dan boven vloeibaar water; ijs trekt daardoor als het ware de waterdamp bij de waterdruppeltjes naar zich toe. Na verloop van tijd is er in de vliegtuigstreep geen vloeibaar water meer over.
Het verschil in dampspanning boven water en boven ijs maakt ook dat ijskristallen zich kunnen handhaven in gebieden waar waterdruppeltjes verdampen en waar het dus, afgezien van de condensatiesporen van de vliegtuigen, onbewolkt is. Vliegtuigstrepen die zich lang handhaven, bevinden zich steeds in lucht die oververzadigd is voor ijs, maar nog niet verzadigd voor vloeibaar water. Als de lucht wel verzadigd zou zijn ten opzichte van vloeibaar water, zou er allang bewolking zijn. De voor de vorming van vliegtuigwolken vereiste omstandigheden komen in de atmosfeer op vlieghoogte geregeld voor: naar schatting tien tot twintig procent van de tijd. De contrails treden vooral op in een zone direct voor het gebied van de hogere bewolking van een warmtefront. Daarnaast doen ze zich voor aan de zuidzijde van de zogeheten straalstroom en zo nu en dan tevens in heldere lucht ver weg van depressies.
De vliegtuigstrepen en de daaruit voortkomende sluierbewolking beïnvloeden de stralingshuishouding van de atmosfeer. Enerzijds kaatsen ze zonlicht deels terug naar de wereldruimte voordat het kan worden geabsorbeerd door de atmosfeer of het aardoppervlak; dit effect draagt bij aan een daling van de temperatuur op aarde. Anderzijds absorberen de vliegtuigwolken de warmtestraling die door de aarde wordt uitgezonden, en stralen deze terug naar de ondergelegen lagen van de dampkring of naar het aardoppervlak; dat draagt bij aan een temperatuurstijging van de aarde. Men houdt het er vooralsnog op dat het opwarmend effect groter is dan het afkoelend effect en dat de vliegtuigstrepen en de daaruit voortgekomen bewolking dus een bijdrage leveren aan de opwarming van de aarde. In het onderzoek van de Britse meteorologen was dat een belangrijk aandachtspunt.

3. Satellietbeeld in natuurlijke kleuren van de Britse Eilanden en de Noordzee. Rechtsonder zijn ook Nederland en België te zien. Boven de Noordzee en Oost-Engeland bevinden zich vliegtuigstrepen. Niet alle vliegtuigstrepen zijn goed zichtbaar; als ze zich bevinden boven de witte stratocumulusvelden op de Noordzee, is het contrast onvoldoende om ze goed te kunnen waarnemen. Op infraroodbeelden komen de witte, koude contrails beter uit tegen de donkere, relatief warme ondergrond. Vergelijk deze afbeelding met het infraroodbeeld van hetzelfde moment in figuur 4b. Datum: 20 maart 2009. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA/University of Dundee.

5. Middagbeeld in natuurlijke kleuren van de Britse Eilanden en de Noordzee op 20 maart 2009. Rechtsboven bevinden zich stratocumulusvelden boven de Noordzee. Vliegtuigstrepen die eerder die ochtend op ongeveer 9 kilometer hoogte boven de zee gevormd waren, drijven met de op die hoogte heersende luchtstroming mee naar het zuidoosten van Engeland en gaan geleidelijk over in 'niet-van-echt-te-onderscheiden' sluierbewolking. Instrument: MODIS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA/GSFC, MODIS Rapid Response.

Weersituatie
Een situatie waarbij hardnekkige vliegtuigstrepen overgingen in 'niet-van-echt-te-onderscheiden' sluierbewolking, deed zich voor op 20 maart 2009; dit geval werd verder onderzocht door de Britten. Figuur 3 geeft het satellietbeeld in natuurlijke kleuren van die dag van 1130 UTC. Het beeld is gebaseerd op stralingsmetingen van de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) op de Amerikaanse satelliet Terra. Op die dag bevond zich boven de Noordzee en het noorden van Duitsland een hogedrukgebied. Boven zee bevinden zich onder een zogeheten subsidentie-inversie uitgestrekte stratocumulusvelden, maar daarbuiten zijn er talrijke vliegtuigstrepen zichtbaar. Ook boven de stratocumulus bevinden zich overigens vliegtuigstrepen. Deze zijn echter moeilijker te zien doordat het wit van de contrails niet altijd voldoende contrasteert met het wit van de onderliggende wolkenvelden. Toch is er soms een glimp van de vliegtuigwolken op te vangen, bijvoorbeeld doordat ze hun schaduw werpen op onderliggende bewolking of doordat ze samen met de onderliggende stratocumulus meer zonlicht reflecteren in de richting van de sensor van de satelliet dan de wolkenvelden alleen.
De subsidentie-inversie, en daarmee de bovenkant van de stratocumuluslaag, bevond zich op ongeveer 260 meter hoogte; de temperatuur lag op dat niveau rond het vriespunt. De temperatuur van de vliegtuigstrepen, die zich doorgaans bevinden op 8 kilometer hoogte of meer, was uiteraard aanzienlijk aanzienlijk lager. Weerwaarnemingen laten op die hoogte een temperatuur zien van 50 graden onder nul. Objecten die zo sterk in temperatuur verschillen, zijn doorgaans goed te onderscheiden op satellietbeelden in het infrarood. Infraroodbeelden tonen als het ware een temperatuurplaatje van het aardoppervlak en de bewolking of objecten daarboven. Het bij figuur 3 behorende infraroodbeeld, eveneens afkomstig van de MODIS op de Terra, is afgebeeld als figuur 4b. Op dit zwart-witbeeld zijn koude objecten wit en warme zwart. De koude vliegtuigstrepen steken door hun lichte tinten duidelijk af tegen de minder koude, donkerder getinte bovenkant van de stratocumulusvelden, het zeewater en vooral het landoppervlak.

Spiraalvorm
Opvallend is de spiraalvorm van een van de vliegtuigstrepen boven de stratocumulus, die op het beeld in natuurlijke kleuren van figuur 3 nog niet of nauwelijks te zien was. Deze spiraalvormige contrail was al eerder zichtbaar geweest op een infraroodbeeld van de Amerikaanse weersatelliet NOAA17, die bijna anderhalf uur eerder overkwam. Het aantal windingen van de spiraal, dat toen nog vijf bedroeg (figuur 4a), was om 1130 UTC verdubbeld tot 10.
De spiraalvormige vliegtuigstreep werd naar alle waarschijnlijkheid veroorzaakt door een vliegtuig van het Airborne Warning and Control System (AWACS). Als zo'n toestel 'in de holding' staat, vliegt het rondjes boven hetzelfde gebied. Tegelijkertijd voert de wind het vliegtuigspoor mee. Steeds als een rondje is volbracht en het vliegtuig terug is op de uitgangspositie, heeft de wind het deel van de contrail dat daar was gevormd al verplaatst. Uiteindelijk ontstaat zo de spiraalvorm. In dit geval draaide de AWACS vermoedelijk zijn rondjes van 0850 tot 1150 UTC. Een zo'n rondje nam ongeveer 17 minuten; in de anderhalf uur die liggen tussen de situatie van figuur 4a en die van figuur 4b, zijn er namelijk vijf windingen bij gekomen.
De meeste van de vliegtuigstrepen die in de loop van 20 maart 2009 overgingen in 'gewone' cirrus, ontstonden in de loop van de ochtend, voor 1200 UTC. Na hun ontstaan werden ze met de op dat niveau heersende luchtstroming mee gevoerd in de richting van Zuidoost-Engeland. 's Middags verwoei het oorspronkelijke patroon geleidelijk tot 'niet-van-echt-te-onderscheiden' sluierbewolking. De spiraal en de strepen waren om 1342 UTC op het infraroodbeeld van de weersatelliet NOAA18 nog enigszins te onderscheiden (figuur 4c); op het satellietbeeld van 1526 UTC van de NOAA15 (figuur 4d) was dat echter nauwelijks nog mogelijk.
In de middagperiode bevond de uit vliegtuigstrepen gevormde sluierbewolking zich boven open water of het vasteland. De stratocumulusvelden fungeerden daarmee niet langer als achtergrond, zodat de vliegtuig- of sluierbewolking zich op zichtbaarlichtbeelden duidelijker kon aftekenen tegen een donkerder ondergrond. Daardoor werden de ontwikkelingen tot zonsondergang ook weer te volgen op zichtbaarlichtbeelden. Een voorbeeld geeft het MODIS-beeld van 1330 UTC (figuur 5), gebaseerd op gegevens van de Aqua, een zustersatelliet van de Terra. Vergelijk dit beeld in natuurlijke kleuren met het zwart-wit infraroodbeeld van de NOAA18 van 1342 UTC, ruim 10 minuten later (figuur 4c).
De uit de vliegtuigstrepen voortgekomen sluierbewolking, zoals onder meer zichtbaar op het infraroodbeeld van de NOAA15 van 1526 UTC (figuur 4d), kon zich nog geruime tijd handhaven. Zelfs op satellietbeelden van de volgende ochtend 0332 UTC (niet afgebeeld) was het verschijnsel duidelijk aanwezig.

4. De ontwikkeling en verplaatsing van vliegtuigstrepen boven de Noordzee en Zuidoost-Engeland op 20 maart 2009, zoals te zien op infraroodbeelden van weersatellieten. a. NOAA17 1006 UTC; b. MODIS/Terra 1130 UTC; c. NOAA18 1342 UTC; d. NOAA15 1526 UTC. Bron: b. NASA/University of Dundee; overige: NOAA/University of Dundee.

'Vliegtuigcirrus bij voorkeur overdag'
De Britse onderzoekers kunnen niet geheel uitsluiten dat de sluierbewolking ook zonder de bijdrage van de spiraalvormige en rechte vliegtuigstrepen zou zijn ontstaan. Toch hebben ze voldoende aanwijzingen om van een zeer waarschijnlijke overgang van vliegtuigstrepen naar 'gewone' sluierbewolking te spreken. Ze gaan daarbij niet alleen uit van wat ze op de satellietbeelden konden waarnemen, maar voerden ook berekeningen uit met een verspreidingsmodel van stoffen die in de atmosfeer worden geloosd of per ongeluk daarin terecht komen. Als ze bij de modelberekeningen een bron van verontreiniging plaatsen op de positie waar de vliegtuigstrepen werden waargenomen en op een hoogte van 9 kilometer, dan trad er een verplaatsing op zoals die ook werd waargenomen bij de uitwaaierende en vervagende vliegtuigstrepen van 20 maart 2009. De hoogte van 9 kilometer is een gebruikelijke hoogte voor het vliegverkeer; bovendien was deze waarde in overeenstemming met wolkenhoogtemetingen van een Dopplerlidar die stond opgesteld in het gebied waar de uit vliegtuigstrepen voortgekomen sluierbewolking overtrok.
Verder noemen de Britten het opmerkelijk dat de vliegtuigstrepen zich zo sterk kunnen uitbreiden en zich zo lang kunnen handhaven. Op het hoogtepunt van de bewolking, 5 - 9 uur na de vorming ervan, had de sluierbewolking een omvang van 50 000 vierkante kilometer. De bewolking kon 18 uur lang worden teruggevonden op satellietbeelden. De onderzoekers voerden ook berekeningen uit over het opwarmend of afkoelend effect dat met het optreden van de luchtvaartbewolking samenhing. Daarbij gaat het om een klein verschil tussen twee veel grotere, elkaar tegenwerkende effecten, namelijk opwarming door het vasthouden van warmtestraling van de aarde en afkoeling door het deels terugkaatsen van zonnewarmte. Ze kwamen tot de conclusie dat de sluierbewolking in dit geval geheel volgens hun verwachtingen meer warmte vasthield dan terugkaatste en dus een bijdrage kon leveren aan de verdere opwarming van de aarde.
Het effect van een zo'n gebeurtenis als hier onderzocht, is relatief groot ten opzichte van de impact van alle vluchten over de hele aarde samen. Het kan dus zinvol zijn dit soort situaties zo veel mogelijk te vermijden. Op grond daarvan laten de Britse onderzoekers een proefballonnetje op om de vliegroosters van de burgerluchtvaart aan te passen aan hun bevindingen en ze zodanig te kiezen dat de vliegtuigcirrus vooral overdag aanwezig is. Deze bewolking is dan namelijk het effectiefst in het terugkaatsen van zonlicht naar de wereldruimte, zodat de bijdrage aan de opwarming van de aarde zo veel mogelijk wordt gereduceerd. Zonaanbidders, die zelf overigens vaak het vliegtuig naar de zon nemen, en de daarvan afhankelijke reisorganisaties en hotel-exploitanten zullen dergelijke voorstellen beslist niet omarmen.

Verwijzingen
Lee, D.S., et al., 2009, Aviation and global climate change in the 21st century, Atmospheric Environment, doi:10.1016/j.atmosenv.2009.04.024.
Haywood, J.M. et al., 2009, A case study of the radiative forcing of persistent contrails evolving into contrail-induced cirrus, Journal of Geophysical Research, Vol. 114, D24201, doi:10.1029/2009JD012650.
BBC News (10 januari 2010): http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8309629.stm