Perquè el cel és blau

i els núvols són blancs?

Núvols de condensació, l’explosió sònica i la pregunta final…

Posted by Costa M. a 21 Febrer 2010


L’expressió “explosió sònica” (en anglès “Boom sonic”) s’utilitza comunament per a referir-se al soroll causat pel vol supersònic d’un avió quan trenca la barrera del so.

En general, les explosions o espetecs sònics generen enormes quantitats d’energia sonora, les quals sonen a oïda humana de manera molt semblant a una explosió. Un altre exemple, és el que passa quan es produeix un tro (en anglès “thunder”) en una tempesta; aquest és un tipus d’espetec sònic natural, creat pel ràpid escalfament i l’expansió d’aire en una descàrrega d’un llamp (d’aquest tema se’n parlarà en una propera entrada).

I també, el cruixit d’un fuet (en anglès “Bullwhip”) és, de fet, un espetec sònic petit. El final del fuet, conegut com el “cracker “, es mou més ràpid que la velocitat del so, el que resulta en l’explosió sònica. El fuet és, possiblement, la primera invenció humana, que va trencar la barrera del so.

Enfront la costa de Pusan, Corea del Sud, un F-18 Hornet assignat a l'esquadró 151 "Strike Fighter" dels EUA, trenca la barrera del so, en el cel sobre l'Oceà Pacífic, i crea un núvol de condensació o con de vapor, 7 de Juliol del 1999 (Fotografia de Domini Públic, Wikimedia Commons)

L’explicació és ben senzilla: quan un objecte passa a través de l’aire, crea una sèrie d’ones de pressió, similar les onades que es creen a l’aigua al pas d’un vaixell. La particularitat és que aquestes ones viatgen sinó a la una velocitat del so, a una de propera, i quan la velocitat de l’objecte augmenta, les ones són forçades a comprimir-se i amb el temps es fonen en una ona de xoc única. Aquesta velocitat crítica és coneguda com “Mach 1”, i és d’aproximadament 1.225 km/h (340m/s aproximadament, a nivell del mar a temperatura ambient). En un vol, l’ona de xoc s’inicia a la punta de l’aeronau i acaba a la cua, i com que l’ona es propaga igual en totes les direccions a l’entorn de l’aeronau, s’acaba formant l’anomenat “Con de Mach”, el qual s’inicia a la punta de davant l’aeronau (vegeu els esquemes següents).

Comportament de les ones sonores a velocitats: Subsònica, Sònica i Supersònica (Llicència de Creative Commons, Autor de la imatge: Ignacio Icke, àlies “Chabacano”)
Con de Mach (imatge de domini públic, Wikimedia Commons)

La meitat de l’angle (entre la direcció de vol i l’ona de xoc), o sigui α, bé donat per l’equació següent:

 \sin(\alpha) = \frac{v_{sound}}{v_{object}} ,
on,        \frac{v_{object}}{v_{sound}} és el nombre de Match de l’avió. Per tant, quan més ràpid va l’avió, més agut serà l’angle del con.

El so d’un espetec sònic depèn en gran mesura de la distància entre l’observador i la forma de producció de l’espetec sònic de l’aeronau. Un espetec sònic se sol escoltar com un profund doble “boom” quan l’avió és generalment a certa distància. No obstant això, els que han estat testimonis d’aterratges dels transbordadors espacials han escoltat, quan l’avió és a prop, l’espetec sònic se sent un agut “bang” o “crack”. El so és molt semblant a les “bombes aèries”, utilitzada en focs artificials.

I és que la causa de l’explosió que se sent són les variacions violentes de pressió que es produeixen en l’aire que envolta l’avió. La punta de l’avió penetra l’aire i incrementa sobtadament la pressió local, però la pressió va descendint fins a valors negatius a la cua (en termes relatius amb la pressió normal de l’aire en aquell moment). Per tant la doble explosió és causada pels increments entre l’aire de la punta frontal de l’avió i l’aire de la cua. En altres paraules, quan s’assoleix aquesta velocitat, les ones se solapen i produeixen aquestes ones de xoc que es van deixant enrere en forma d’un con i que es va estretint a mesura que es va augmentant la velocitat. El boom sònic es va produint constantment mentre l’avió viatja a velocitats hipersòniques. Curiosament, aquesta explosió no serà mai escoltada ni pel pilot ni pels passatgers, pel fet que aquests ja estan avançant a velocitats superiors a la que es pot propagar el so del boom.

Esquema del Con de Mach produint el boom sònic (Llicència Wikimedia Commons, autors: Judy & Arie Melamed-Katz, àlies "Melamed katz")

Des de que l’avió es torna supersònic el boom s’està generant contínuament, i això fa que s’ompli un camí estret al terra després de la trajectòria de vol de l’aeronau anomenat “boom carpet”: la franja de la terra al llarg de la qual s’escolta l’explosió sonora que ha generat el vol d’avió supersònic (seria com si es desenrotllés una catifa per les celebritats, i per això es coneix com “la catifa del boom”). La seva amplada depèn de l’altitud de l’aeronau.  La distància des del punt de la terra des d’on s’escolta el boom dels avions depèn de la seva alçada i l’angle α.

El fenomen de l’explosió sònica es sol relacionar amb els cons de vapor i la singularitat de Prandtl-Glauert. Aquesta sorgeix de l’equació homònima que calcula el coeficient de pressió d’un fluid en funció del coeficient d’un fluid incompressible i el nombre Mach. Malgrat que encara hi continua havent cert debat, aquest espectacular núvol que es genera al voltant de l’avió (vegeu imatges, i vídeo, següents) en realitat es deu a la condensació de les molècules d’aigua que hi ha en l’aire que travessa l’avió (el qual conté un cert grau de vapor d’aigua, humitat). El fenomen s’ha observat també a velocitats subsòniques (malgrat que a grans velocitats és més probable que es produeixi) i també depèn del disseny de l’avió, la velocitat i la humitat de l’aire (lògicament a humitats elevades és també més probable que es produeixin els núvols). En definitiva es produeix quan les variacions de pressió en l’entorn que provoca el pas de l’avió, junt amb les condicions atmosfèriques presents, provoquen canvis locals de temperatura que aconsegueixen condensar les molècules d’aigua presents a l’aire i formen aquest núvol.


"Super Hornet F/A-18F" assignat a la "Diamondbacks" Strike Fighter Squadron Un Zero Dos (VFA-102) completa una super-sònics sobrevol com a part d'un demostració de la força aèria per als visitants a bord del USS, Oceà Pacífic (5 de novembre de 2006)

Un F-18 assignat a l'esquadró de caça-bombarders "DiamondBacks" (esquena de diamant) 102, completa un vol supersònic com a part d'una demostració de la força aèria dels EUA, 5 de Novembre del 2006 (Fotografia de Domini Públic, Wikimedia commons)

Un F-14 Tomcat volant probablement a 100 peus per sobre de l’aigua, captat des d’un vaixell-portaavions dels EUA. Observeu l’impacta d’ones de xoc a l’aigua sota de l’aeronau. (Vídeo de Domini Públic, Wikimedia Commons)

F18 trencant la barrera del so i generant un con de vapor (Fotografia de domini públic, Autor: Shizhao, Wikimedia Commons)

Trencant la barrera del so i creant cons de condensació

Trencant la barrera del so i creant cons de condensació

En alguns casos, les condicions meteorològiques poden distorsionar els espetecs sònics. Depenent de l’altitud de l’aeronau, els espetecs sònics poden tardar en arribar a terra des de 2 fins a 60 segons després d’ haver-se elevat. No obstant això, no tots els booms s’escolten a nivell del sòl. La velocitat del so segons l’altura és una funció de la temperatura de l’aire. Una disminució o un augment de la temperatura poden fer variar els resultats de la corresponent disminució o augment de la velocitat del so. Sota condicions atmosfèriques normals, disminueix la temperatura de l’aire amb la major altitud. Per exemple, quan el nivell del mar la temperatura és de 14 ° C, la temperatura a 30.000 peus d’alçada es redueix a -45 ° C. Aquest gradient de temperatura ajuda a doblar les ones sonores cap amunt. Per tant, perquè el boom sònic arribi a terra, la velocitat de l’aeronau respecte al terra ha de ser major que la velocitat del so a terra. Per exemple, la velocitat del so a 30.000 peus és d’aproximadament 670 milles per hora, però una aeronau ha de viatjar almenys 750 milles per hora perquè el boom sigui escoltat a nivell del terra.

La composició de l’atmosfera és també un factor a tenir en compte. Les variacions de temperatura, la humitat, la contaminació, i els vents poden tenir un efecte en com un espetec sònic es percebrà sobre el terreny. Fins i tot el propi sòl pot influir en el so d’un espetec sònic: les superfícies dures com formigó, asfalt i els edificis grans poden provocar reflexions que poden al seu temps amplificar el so d’un espetec sònic. De la mateixa manera camps coberts d’herba i un munt de fullatge pot contribuir a atenuar la força de la sobrepressió d’un espetec sònic.

Con de vapor, imatge del transbordador especial (Autor: NASA, domini públic)

Aquests núvols de condensació una mica diferents als cons de vapor (vegeu fotografies següents), també es coneixen com “colls de xoc”, i es veuen amb freqüència durant el llançament del transbordador espacial (“Space Shuttle”) posa en marxa al voltant de 25 a 33 segons després del llançament, quan el vehicle està viatjant a velocitats supersònic.

Com que la calor no deixa a la massa d’aire afectada, aquest canvi de pressió és adiabàtica, amb un canvi associat a la temperatura. En l’aire humit, el descens de la temperatura a la porció més enrarida de l’ona de xoc (les més properes a l’aeronau) pot portar la temperatura de l’aire per sota del seu punt de rosada, en la qual es condensa la humitat per a formar un núvol visible de gotes d’aigua microscòpiques. Atès que l’efecte de la pressió de l’ona es redueix en la seva expansió (el mateix efecte de la pressió s’estén sobre un radi més gran), l’efecte del vapor també té un radi limitat. Aquestes vapor també pot ser vist en les regions de baixa pressió durant les maniobres d’alta gravetat subsònica en condicions humides.

Coll de xoc ("shock collar cloud) del llançament del Ares I (Autor: NASA, domini públic)

Coll de xoc (Shock collar cloud) del llançament de l'Apollo XI (Autor: NASA, domini públic)

L’efecte també és evident en el model “super-high-bypass turbofan jet engines” (motors d’avió turbohèlice) quan operen a potència d’enlairament, a causa de la baixa pressió i la velocitat transsònica en el ventilador a l’entrada del motor.

Finalment, la pregunta que em faig, i que deixo aquí plantejada per si algú em pot resopondre, és la següent:

– Aquests núvols (cons de vapor i colls de xoc) es poden considerar una tipologia de núvols que  entren dins la classificació del ‘ICA de la WMO (International Cloud Atlas from The World Meteorological Organization) com a  ” II.6 – SPECIAL CLOUDS”, o sigui, núvols especials? però de quina tipologia serien classificats: com a “contrails” o com a “clouds resulting from explosions”?

– O és que tenen alguna altra classificació especial?

– O per l’època en que es va editar l’Atlas de Núvols Internacional (jo em refereixo a la del 1975) encara no s’havien vist o definit aquesta tipologia de núvols?

– O és que tenen una duració tan curta que no val la pena tipificar-los?

Jo m’inclino a pensar que entren a formar part dels núvols especials, però no sé si es poden considerar “condensation trails” (o “contrails”) ja que a la p-66 del ICA PART II – 6. SPECIAL CLOUDS, no ho deixa del tot clar; a la definició dels contrails es refereix als núvols que es formen a l’estela (en anglès “form in the wake of an aircraft”), però com ho traduim? com a l’estela que deixa l’avió, o com a núvol que es forma al pas d’un avió (forma més generalista, i que potser si que inclouria aquest tipus de núvols que no sé com classificar…). Tot hi que també podrien ajustar-se a la definició de “Clouds resulting from explosions”, ja que no deixen de ser núvols causats per una ona de xoc, i en aquesta classificació diu textualment: “Sometimes the propagation of shock waves is manifested by dark rings or bands moving with extreme rapidity”… En fi, continuarem investigant…


Com que tampoc sé quin és el nom que tenen, m’he aventurat a posar possibles noms que he vist com són anomenats a les fons on he buscat:

* Shockwave clouds

* Prandtl-Glauert Condensation Clouds

* Clouds of the Transonic Flight Regime

*  ????


Moltes més fotos i informació a les webs següents:

Wikipedia: Prandtl- Glauert_singularity

Wilk4: Breaking the Sound Barrier (and Vapor Cones around Jets)

Chamorrobible in English (i els seus enllaços)

Wikipedia: Sonic_boom

Fluid Mechanics: Sonic Boom, Sound Barrier, and Prandtl-Gauert Condensation Clouds

Ah!! per cert, no deixeu de veure el comentari que farà en Xus, ja que mentre jo estava redactant aquesta entrada al blog, ell precisament ha trobat uns vídeos que estan relacionats amb aquest tema i que val la pena veure’ls!!! I el millor de tot és que ha estat pura coincidència!! Ell no sabia que jo estava escribint sobre això, i em diu: ” Has vist aquest vídeo?”, i jo li dic: “Precisament és del que estic escribint al blog!!”. Quina casualitat!!! Impresionant!!

En definitiva, que m’ha dit que els penjarà com a comentaris!! Us animo a què vosaltres també hi digueu la vostra: si sabeu alguna de les preguntes que em faig, si teniu més informació, si us heu plantejat alguna altra pregunta relacionada amb el tema, si teniu algun dubte del que s’ha explicat… Utilitzeu els comentaris sense cap mena de por!!

Com deia Albert Einstein: “Tots som molt ignorants,  el que passa és que no tots ignorem les mateixes coses”, amb això vull dir que entre tots podem apendre uns dels altres, i ser cada dia menys ignorants…

Encara que, algú també havia dit que  “Cada dia sabem més i entenem menys”, i és cert, jo també penso que quan més coses saps, més t’adones del que et falta per saber! i això de vegades és frustrant. És llavors quan m’agrada llegir una frase de Confució (un filòsof Xinès que va viure entre els anys 551 i 478 A.C.): “Saber que se sabe lo que se sabe y que no se sabe lo que no se sabe; he aquí el verdadero saber”. Perquè com molt bé diu l’Stephen Hawking: “El gran enemigo del conocimiento no es la ignorancia, sino la ilusión de conocimiento”. I jo d’això crec que en tinc molta!!! I el mateix penso quan llegeixo la frase de L. Pauling (1901-1994); “Una de les grans fonts de joia a la vida és la satisfacció de la curiositat d’un mateix”, ja que per mi és una gran font de joia satisfer les curiositats que tinc… tot hi que de vegades crec que en tinc masses!! ;-D

En definitiva, com la meva mare em deia: “Qui fa el que pot no està obligat a més” i no devia estar mal encaminada ja que Aristòtil en els seus temps ja deia: “L’ignorant afirma, el savi dubta i reflexiona”, que és el que venim fent en aquest blog (o més aviat, és el que vindria a fer-se, tenir un lloc on debatre qüestions que ens interessen, i així, davant els dubtes i les reflexions, entre tots ens fariem més sabis, no creieu?? Perquè, ja fa molts anys, els Grecs venien afirmant que “L’Educació no és una part de la vida, és la vida mateixa”. Font: edunomia.net (frase impresa a les carpetes de la Universitat d’Atenes).

Que tothom faci el que vulgui o el que pugui perquè potser Fritz Perls tenia raó quan deia:

“No estoy en este mundo para cumplir tus expectativas.
Y tú no estás en este mundo para llenar las mías.
Tú eres tú, y yo soy yo.
Y si por casualidad nos encontramos es hermoso.
Si no, no puede remediarse”


I al capdavall, com deia Elbert Hubbard (1856-1915, assagista nord-americà):

“No es prengui la vida gaire seriosament, mai en sortirà viu d’ella.”

5 Respostes to “Núvols de condensació, l’explosió sònica i la pregunta final…”

  1. xus206 said

    Casualitats de la vida, mira que tinc als feeds. Al minut 1:50 impressive.

    La explosión sónica de un Atlas V visualizada en cristales de hielo en la atmósfera

    El pasado 11 de febrero, un cohete Atlas V fue lanzado desde Cabo Cañaveral en Florida (Estados Unidos). Justo al momento de pasar la barrera del sonido atravesaba una capa de cristales de hielo suspendidos en la atmósfera permitiendo, literalmente, la visualización de las ondas de sonido creando un efecto espectacular.

    I un altre d’interessant:

  2. Costa M. said

    Com ja he dit en el post: QUINA CASUALITAT!!! que tots dos estiguessim mirant coses tant relacionades i que no teniem perquè saber l’un de l’altre el k estavem fent!! com dirien a l’APM: “Hay que ver… como es la vida…”

    Jejeje…. estic molt contenta perquè m’ha agradat molt!!! Sobretot el primer vídeo que has penjat!! és molt espectacular veure el que jo estic explicant en el blog!! Una passada vaja!!

    I el segon video… no sé ben bé si és un “con de xoc o con de condensació” com dels que jo parlava, o és que simplement és una “contrail” (la “típica” que deixen els avions; però en aquest cas no és un avió, sinó un llançament espacial, que també tindria la seva gràcia, en tot cas!!)

    Molt bons i grans descobriments internautes Xus!!! Gràcies per fer-m’ho saber!!!

    Montse.

  3. JOAN MUNDET said

    Tinc un dubte….
    Imaginem que tenim una el•lipse de 100 km de llarg formada per un tub de 3 m de diàmetre fet d’un material molt resistent i a dins i fem circular un coet de 2,999 m de diàmetre a una velocitat que contínuament trenqui la barrera del so, es produiria a dins del tub aquest fenomen que descrius en el blog de l’explosió sònica?
    En cas afirmatiu, aquesta enorme quantitat d’energia sonora que es produeix amb l’explosió sònica es podria aprofitar d’alguna manera?

  4. Costa M. said

    Bones Joan!!
    Quina pregunta més difícil que em planteges!! Intentaré respondre’t amb el que bonament conec:
    – Primerament, al formular la pregunta crec que et deus haver inspirat amb els acceleradors de partícules, com ara el del CERN:
    (més informació: http://ca.wikipedia.org/wiki/Accelerador_de_part%C3%ADcules i també a http://public.web.cern.ch/public/ ).
    És així? … la veritat és que penso que no té res a veure amb el que jo he explicat al blog, o no sé si pot tenir-hi alguna relació que desconegui… Però en principi els acceleradors de partícules són per finalitats científiques (investigació, etc…) i no per generar electricitat, en tot cas.
    – Pel que fa a les mides que em dius… primerament no sé perquè proposes una el•lipse i no una circumferència (els teus motius deus tenir….). Segon, i no ho dic per desanimar-te…, si el coet tingués aquest diàmetre tan pròxim al del tub crec que hi hauria problemes, ja que es produiria fregament amb les parets, molt probablement, i això faria escalfar el sistema i en el fons perdre energia, és així? O col•lapsaria… no?
    – Per últim, només dir-te que el fet que ningú hi hagi pensat abans, o que no s’hagi inventat a aquestes alçades em fa sospitar que no deu ser possible aprofitar aquest tipus d’energia que es desprèn del “boom sònic”… però m’és complicat contestar-te perquè no tinc gaires coneixements d’enginyeria, com comprendràs, i no sé si podria funcionar… En tot cas és una idea… i els grans descobriments gairebé sempre van acompanyats d’una gran idea (o d’un error a vegades!, oi!?) proposa-la a algun fòrum d’enginyers, i ja veuràs que ràpid et contesten! O et diuen k és impossible o algun es queda la idea abans que tu la patentis!! Ull!!
    Sort i una abraçada!!
    Els teus missatges (encara que difícils) sempre són i seran benvinguts!!
    Així com els dels altres lectors del blog! Per cert, si algun s’atreveix a respondre-li la pregunta a aquest bon home siusplau… que ho faci! Així quedarem tots més descansats i podrem dormir tranquils, Jejeje….

  5. joan mundet said

    Bé això era per posar un exemple, el que volia saber era si dins un lloc tancat es pot produir aquest efecte de l’explosió sònica.
    gràcies……….

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s

 
%d bloggers like this: