飛機身後的「煙霧」是怎麼回事？

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日常生活中，我們常常可以看到飛機飛過後，天空中會有一條或數條長長的「白煙」。而在飛行表演中，我們則可欣賞到飛機尾部噴出五顏六色的「彩煙」，它們在空中幻化出美麗的圖案，頗為炫酷奪目。

圖1 - 連飛行軌跡都是愛你的形狀（圖片來源：wonderopolis.org）

其實，不管是「白煙」還是「彩煙」，都不是真正的「煙」，而且，它們的產生原理也有很大差異。那它們是怎麼形成的呢？

高冷的「白煙」

烈日炎炎，我們在吃冰棍時常會發現冰棍冒「白煙」。學過物理的小夥伴們對此不會感到陌生，所謂的「白煙」實際是由空氣中的水蒸氣遇冷凝結而成。多數情況下，飛機在空中留下的「白煙」，也是相同的道理。

現代飛機基本都採用航空煤油作燃料，它以加氫裂化煤油餾分或直餾煤油餾分為原料，經精製水洗並添加適量抗爆劑、抗磨劑調和而成。航空煤油中含有大量的芳烴、烯烴等碳氫化合物，燃燒後會生成大量氣態水。高溫的水汽通過發動機尾噴管噴到空氣中，遇到大氣層中的冷空氣后急劇降溫、增濕，凝結成千千萬萬的小冰晶，從而在飛機發動機後面形成一條長長的白色尾巴。這條尾巴俗稱「飛機拉煙」，而在航空氣象學上，通常稱為「飛機尾跡」、「凝結尾跡」或「尾跡雲」。

細心的網友們一定注意到，飛機並非每次飛行都會拉煙。比如，在燃爆的建軍90周年閱兵式上，當英姿颯爽的殲20飛過時，我們就沒有看到尾跡雲。這就不得不提形成尾跡雲所必須的飛行條件和氣象條件。

圖2 - 閱兵式上的殲20由於飛行高度低，未形成尾跡雲（圖片來源：北京時間網）

飛機拉煙的現象，通常只在噴氣式飛機上才會出現。但噴氣式飛機究竟能否拉煙，還要看溫度和高度的臉色。一般來說，凝結尾跡只有在飛機周圍環境溫度很低的情況下才會產生。這裡的「很低」有多低呢？答案是零下40攝氏度以下！因此，飛機必須飛行在近萬米高的大氣層中，才可達到這一溫度要求。

航空上把能形成尾跡雲的大氣層稱為「拉煙層」，其高度受空氣溫度和濕度影響，在盛夏時節，拉煙層的下限高度比冬天高很多。尾跡雲在空中一般可持續約30~40分鐘，條件有利時，甚至能存在1小時以上。它好比人走路時留下的腳印，對客機來說並不影響飛行安全，但對戰機而言，則很容易暴露飛機的數量、位置和軌跡，因此，戰機在執行軍事任務時會盡量避開拉煙層。

圖3 - 尾跡雲對於客機或許意味著優美，但對於戰機則意味著危險（圖片來源：www.airliners.net）

絢麗的「彩煙」

和戰機故意避開尾跡雲不同，在特技飛行表演中，為了讓觀眾能清晰地觀賞飛機各種驚險動作的運動軌跡，身臨其境地領略飛機性能和飛行技巧，飛機都會拉出一條條或紅或藍、或黃或綠的曼妙的「彩煙」。「彩煙」的形成原理與尾跡雲完全不同。

我們知道，硫酸酐（三氧化硫）溶於水會生成霧狀的硫酸並放出大量的熱。人們利用這一原理，將液態硫酸酐裝進高壓容器中，當飛行員通過拉煙劑施放控制系統將硫酸酐噴出時，硫酸酐便會迅速與空氣中的水蒸氣反應產生煙霧。通過在高壓容器中加入不同顏色的配料，就會噴出顏色各異的煙霧。

圖4 - 研究人員在進行地面試車拉煙試驗（圖片來源：參考文獻[2]）

不過，由於硫酸酐對人體健康有嚴重損害，且其生成的煙霧會腐蝕飛機表面，如今早已被棄用。在多年前就已研製出多種無毒環保、顏色鮮艷、煙霧量大的新型彩煙劑，並成功應用於2015年紀念抗戰勝利70周年的閱兵式上。據報道，當時八一飛行表演隊在殲10上掛載了一個裝有新型液體彩煙劑的大型容器，彩煙劑由專門的管線引至發動機尾噴管，在高溫、高速的尾氣作用下發生升華，從而形成煙霧。

圖5 - 2015年9月3日，在紀念抗戰勝利70周年閱兵式上，殲10採用了新型液體彩煙劑（圖片來源：新華網）

風景or危害？

飛機在空中留下的「煙霧」十分壯觀，引人入勝。然而，這些「煙霧」美則美矣，卻對大氣環境有不小的危害。

尾跡雲的結構與捲雲類似，均由大量冰晶組成，由於每天都有成千上萬的飛機在空中穿梭，難免存在人造雲效應，對天氣造成影響。科學家們研究發現，頻繁的飛行活動已經導致歐美部分地區雲量增加。這些人造雲一方面反射來自太陽的光照，使地球變冷，另一方面又吸收來自地面的紅外輻射，使大氣變熱。

或許有小夥伴會問，為何不讓噴氣式飛機在拉煙層以下飛行呢？實際上，飛機排放的廢氣中不僅有水蒸氣，還含有大量二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物等有害物質。雖然飛機降低飛行高度后，可以避免形成尾跡雲，但由於燃油消耗量也隨之增加，並不能根治飛行造成的污染。

幸運的是，各國政府和科學家們已經對此給予了廣泛關注，相信在不久的將來，人們能夠妥善解決飛機帶來的環境污染問題。

圖6 - 飛機「彩煙」美則美矣，但飛機排放的廢氣會對環境造成損害（圖片來源：新浪網）

參考文獻：

[1] 賈忠湖. 飛行原理基礎[M]. 北京:國防工業出版社, 2016.

[2] 劉飛保,陶厚生. 織練記——我軍第二代彩煙劑揭秘[J]. 航空知識, 2007(8): 41-44.

[3] 周毅. 「飛機拉煙」對大氣環境的影響[J]. 氣象知識, 1997(2): 10-11.

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