Original
Plume dynamics
Observations and high-resolution modeling of aircraft wakes has shown three dynamical regimes in the first few minutes after emission (early jet, jet and vortex regimes), before the wake develops into a “mature” plume.
Over the first few minutes, the plume cools rapidly to ambient temperatures (∼220 K) from an initial temperature of 500–600 K, leading to a spike in ice and liquid water saturations approximately 100 ms after emission and triggering a range of microphysical processes (Karcher et al., 2015).
During this period, formation of sulfate aerosols, freezing on solid nuclei, condensation, heterogeneous nucleation, and coagulation also occur.
Since previous studies suggest that homogeneous freezing is unlikely in aircraft plumes given the number of pre-existing nuclei (Wong and Miake-Lye, 2010), we do not consider homogeneous freezing of particles in this work.
This is because combustion particles can acquire an ice coating at temperatures much higher than cruise temperatures, implying that ice crystals formed in the vicinity of the engines freeze by virtue of heterogeneous nucleation.
In APCEMM, the plume is assumed to be well mixed during the first three regimes—the “early plume phase”.
We model this early plume as a uniform, well-mixed air mass evolving through time. In the following, we refer to this early-plume representation as a “box model”.
The output of this box model is then provided as the initial condition for the model of the long term diffusion regime.
This regime begins when the aircraft-induced vortices break apart and the plume expands in ambient air.
The rate of diffusion is controlled by the vertical stratification of the atmosphere and by the vertical gradient of the wind speed (wind shear).
Unlike the early plume phase, spatial heterogeneity of the plume is explicitly accounted for in APCEMM during the diffusion regime, thereby allowing for cross-plume concentration gradients.
For the first hour of this regime, we simulate an upward motion of the plume.
This is because the vortex sinking, modeled as a simple vertical displacement, results in adiabatic compression of the plume.
In a stably-stratified atmosphere, this causes the plume to be warmer than its surroundings.
The resulting buoyancy and radiative imbalance causes the plume to rise back to its original emission altitude, which we simulate as taking place over a one-hour timescale (Heymsfield et al., 1998).
In APCEMM, we use an operator splitting method that allows us to treat the chemical kinetics terms separately from the turbulent diffusion terms, and to apply optimized solution methods for these different processes.
For chemistry calculations, the domain is represented using a set of fixed concentric elliptical rings (Figure 21). The central ring (semi-major and semi-minor axis of 75 m and 30 m respectively) is initialized using chemical concentrations and aerosol properties as calculated at the end of the “early plume” stage, and after accounting for losses due to vortex sinking.
All other rings are initialized with ambient air.
Each ring is further discretized into a lower and upper half-ring to allow for vertical variations in temperature, and to account for sedimentation of aerosols.
Diffusion and advection of pollutants relative to the plume centerline (due to wind shear), in addition to sedimentation of aerosols and buoyant motion, are simulated on a regular, rectilinear grid with a horizontal and vertical grid spacing of 100 m horizontally and 5 m vertically.
Prior to these “transport” processes, concentrations of constituents in the rings are mapped to the rectilinear grid.
Following transport, the constituents are mapped back to the ring discretization.
Traduzione
Dinamica del pennacchio
Le osservazioni e la modellazione ad alta risoluzione delle scie degli aerei hanno mostrato tre regimi dinamici nei primi minuti dopo l'emissione (regimi jet iniziale, jet e vortice), prima che la scia si sviluppi in un pennacchio "maturo".
Nei primi minuti, il pennacchio, da una temperatura iniziale di 500-600 K, si raffredda rapidamente fino a temperature ambiente (∼220 K), portando a un picco di saturazione di ghiaccio e acqua liquida circa 100 ms dopo l'emissione e innescando una serie di processi microfisici (Karcher et al., 2015).
Durante questo periodo si verificano anche la formazione di aerosol di solfati, il congelamento su nuclei solidi, la condensazione, la nucleazione eterogenea e la coagulazione.
Poiché studi precedenti suggeriscono che il congelamento omogeneo sia improbabile nei pennacchi degli aerei dato il numero di nuclei preesistenti (Wong e Miake-Lye, 2010), non consideriamo in questo lavoro il congelamento omogeneo delle particelle.
Questo perché le particelle di combustione possono acquisire un rivestimento di ghiaccio a temperature molto più elevate rispetto alle temperature di crociera, il che implica che i cristalli di ghiaccio formati nelle vicinanze dei motori congelano in virtù della nucleazione eterogenea.
In APCEMM, si presume che il pennacchio sia ben miscelato durante i primi tre regimi, la "fase iniziale del pennacchio".
Modellizziamo questo pennacchio iniziale come una massa d'aria uniforme e ben miscelata che si evolve nel tempo. In quanto segue, ci riferiamo a questa rappresentazione del pennacchio iniziale come un modello a box.
L'output di questo modello a box viene quindi utilizzato come condizione iniziale per il modello del regime di diffusione a lungo termine.
Questo regime inizia quando i vortici indotti dagli aerei si rompono e il pennacchio si espande nell'aria circostante.
La velocità di diffusione dipende dalla stratificazione verticale dell'atmosfera e dal gradiente verticale della velocità del vento (wind shear).
A differenza della fase iniziale, l'eterogeneità spaziale del pennacchio è esplicitamente tenuta in conto nel APCEMM durante il regime di diffusione, consentendo quindi gradienti di concentrazione attraverso il pennacchio stesso.
Durante la prima ora di questo regime simuliamo un movimento del pennacchio verso l'alto.
Questo perché l'abbassarsi del vortice, modellizzato come un semplice spostamento verticale, provoca una compressione adiabatica del pennacchio.
Questo fa sì che, in un'atmosfera stabilmente stratificata, il pennacchio sia più caldo dell'ambiente circostante.
Il galleggiamento che ne risulta e lo squilibrio dell'irraggiamento fanno sì che il pennacchio risalga alla sua altitudine di emissione originale, che simuliamo come avvenente nell'arco di un'ora (Heymsfield et al., 1998).
In APCEMM utilizziamo un metodo di divisione dell'operatore che ci permette di trattare i termini cinetici chimici separatamente dai termini di diffusione turbolenta, e di applicare metodi di soluzione ottimizzati per questi diversi processi.
Per i calcoli di chimica, il dominio è rappresentato utilizzando un insieme di ellissi concentriche fisse (figura 21). L'ellisse centrale (semiasse maggiore e semiasse minore rispettivamente di 75 m e 30 m) è inizializzata utilizzando concentrazioni chimiche e proprietà aerosol calcolate alla fine dello stadio di "pennacchio iniziale" e dopo aver tenuto conto delle perdite dovute alla discesa dei vortici.
Tutti le altre ellissi sono inizializzate con l'aria ambiente.
Ogni anello è ulteriormente diviso in un semianello inferiore e uno superiore, per consentire variazioni verticali della temperatura e per tenere conto della sedimentazione degli aerosol.
La diffusione e l'avvezione degli inquinanti rispetto alla linea mediana del pennacchio (dovuta al wind shear), oltre alla sedimentazione degli aerosol e al movimento di galleggiamento, sono simulate su una griglia regolare rettilinea con una spaziatura orizzontale e verticale di 100 m orizzontalmente e 5 m verticalmente.
Prima di questi processi di "trasporto", le concentrazioni dei costituenti negli anelli sono mappate sulla griglia rettilinea.
Dopo il trasporto, i componenti sono riportati sulla suddivisione in anelli. NASA/CR