蓝天上的航迹云：人类编织的 “天空谜团”

图注：两架飞机在高空交汇，航迹云清晰可见

图源：英国皇家气象学会https://www.rmets.org/metmatters/contrail-clouds-and-climate-change

一、航迹云是什么？

航迹云是飞机高空飞行时留下的细长云带，当飞机在8000米以上高空飞行时，发动机排出的水蒸气在约-40°C的低温环境中迅速凝结成冰晶。这些冰晶构成了我们常见的白色线条——航迹云。根据持续时间，航迹云可分为短暂型（迅速消散）、持久型（存留数小时）和扩散型（逐渐扩展成云层），这取决于高空温度、湿度和大气稳定性等条件。

二、如何辨认航迹云？

它们通常呈现规则的直线或略微弯曲的线条，与自然云系的不规则形态形成鲜明对比。由于大型客机通常配备多个发动机，我们经常能看到平行排列的线对。晴朗天空中，这些线条从飞机尾部延伸，随着时间推移逐渐扩散变宽，有些还会缓慢变形。与坊间流传的"化学尾迹"阴谋论不同，航迹云纯粹是一种物理现象，其主要成分是水冰晶，与自然云的组成基本相同。

飞机尾流中冰晶形成的微物理过程如图

图源：论文：Ponsonby et al., 2024, https://acp.copernicus.org/articles/24/2045/2024/

注：发动机排放的非挥发性颗粒物（nvPM）、挥发性颗粒物（vPM）及环境气溶胶，在满足饱和相对湿度条件下，vPM发生冷凝或成核，激活凝结核（CCN）；在温度降至约235 K时，冰晶通过沉积成核并生长，最终形成稳定的冰晶结构。

三、科学家如何观测航迹云？

图源：论文：Schumann et al., 2013, https://amt.copernicus.org/articles/6/3597/2013/amt-6-3597-2013.html

图注：图中展示了一台安装在屋顶平台上的全景天空相机（sky camera），用于获取全天空云图。下方为相机拍摄的鱼眼图像，标注了多条飞机尾迹云（C1–C4），用于识别其形态、位置及演变，有助于研究飞机尾迹云对辐射和气候的影响。

地基观测：通过全天空成像仪等设备长期监测天空变化，这种方法相对便宜但是却很受天气条件限制。

飞机观测：通过直接进入航迹云内部进行精密测量，获取详细的微物理特性数据，这种方法覆盖范围有限且有成本较高的缺点。

卫星观测：通过利用气象卫星技术自动识别航迹云，这也是近些年伴随深度学习方法的发展备受青睐的方法，因为它能够使得检测精度大幅提升，让全球航迹云覆盖率的量化更加准确可靠。

四、为什么要研究航迹云呢？

最直接的就是在气候影响方面，航迹云存在双重作用：一方面反射太阳短波辐射产生冷却效应，另一方面吸收地表长波辐射造成增温效应。研究表明，总体而言航迹云产生净增温作用。"9·11"事件后美国空域临时关闭期间，科学家观测到昼夜温差显著增大，这一现象为航迹云的气候影响提供了直接证据。同样引人注目的是，与航迹云相比，船舶排放形成的"船迹云"却表现出相反的冷却效应，这一对比为地球工程学中的气候调节技术提供了宝贵思路。

通过了解航迹云形成机制，还有助于航空业优化飞行计划，例如调整飞行高度、路线和时间，甚至改进燃料成分，以减少航空活动对气候的负面影响。尽管航迹云研究仍面临观测难度大、形成条件复杂等挑战，但随着观测技术和分析模型的不断进步，我们对这种人为云层的认识将持续深入，为应对全球气候变化以及航空业发展提供更多可靠的研究参考。

图源：论文：Kärcher et al., 2018,https://www.nature.com/articles/s41467-018-04068-0

图注：图示对比了不同类型云层（a–d）对地气系统辐射收支的影响：(a)温室气体和气溶胶粒子导致辐射散射与吸收，引起下层大气变暖；(b)混合相云主要通过散射太阳辐射产生冷却，高空中冰相比例增大；(c)含航迹云的天然卷云，其光学厚度增强，冰晶较小、形态分布不同，导致近平衡或净增温效应；(d)老化航迹云及其演化形成的新冰晶增强卷云的温室效应，改变高层云结构与辐射特性

五、喜欢研究云的人该具备哪些知识？

想要真正了解云层及航迹云，需要打好特别是物理学的知识基础。首先是热力学，它能帮你真正理解云的形成机制。水汽在不同温度、压力下如何凝结成水滴或直接结冰成冰晶，过饱和空气中的气溶胶颗粒如何作为凝结核促进云的形成，这些都是基础却关键的概念。特别是对于航迹云，飞机排放物中的碳氢化合物和硫化物颗粒正是理想的凝结核，这就解释了为何在某些高空环境中飞机总能"画出"清晰的痕迹。流体力学知识也很重要，它能帮你理解大气运动规律，解释为何有些航迹云迅速消散而另一些却能扩展成大面积的卷云。光学基础则能让你理解云的颜色变化、光晕形成等现象。这些物理知识不必达到专业水平，但掌握基本原理会大大提升你的理解深度。

数据分析能力在现代云研究中也日益重要。学习数学基础统计和Python编程，能让你从观测数据中提取规律，甚至参与像Kaggle平台上的航迹云识别竞赛。Google在2023年就发起了一个5万美元的挑战赛，吸引众多数据科学爱好者开发算法识别卫星图像中的航迹云。这样的项目不仅有趣，还能为科学研究做出真正的贡献。

当然，实地观察依然是最直接的学习方式。可以养成定期观云的习惯，配合天气雷达和航班追踪应用，更精确地预测观测机会。观察时记录详细参数（如时间、温度、风向、云层高度估计等），这些数据积累起来不仅能揭示有趣的规律，长期坚持甚至具有足够科学价值，为理解局地气候特征或验证航迹云模型提供宝贵的第一手资料。

对于初学者，可以从识别基本云型开始，然后逐渐观察航迹云的形成与演变，进而理解各种气象条件下云的不同表现。这个过程需要耐心，但随着知识和经验积累，你会发现自己逐渐能够"读懂"天空中的信息，这种成就感是非凡的。

参考文献：
[1]Kärcher, B. Formation and radiative forcing of contrail cirrus. Nat Commun 9, 1824 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04068-0, 2018.

[2]Ponsonby, J., King, L., Murray, B. J., and Stettler, M. E. J.: Jet aircraft lubrication oil droplets as contrail ice-forming particles, Atmos. Chem. Phys., 24, 2045–2058, https://doi.org/10.5194/acp-24-2045-2024, 2024.

[3]Schumann, U., Hempel, R., Flentje, H., Garhammer, M., Graf, K., Kox, S., Lösslein, H., and Mayer, B.: Contrail study with ground-based cameras, Atmos. Meas. Tech., 6, 3597–3612, https://doi.org/10.5194/amt-6-3597-2013, 2013.

供稿单位：北京大学重庆大数据研究院

作者：北京大学重庆大数据研究院 王俊梅、兰州大学 母庆渝

审核专家：北京大学重庆大数据研究院 王俊梅

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