Дослідження дають комплексні відповіді на вплив слідів повітряних суден

Авторство зображення: ЮРІЙ КАДОБНОВ/AFP через Getty Images

Зусилля, спрямовані на розуміння та пом’якшення впливу авіації на викиди, не пов’язані з CO 2 , зосереджені на зворотних слідах, одному з найбільш помітних ознак впливу авіації на атмосферу Землі.

Зворотні сліди утворюються через змішування теплих вологих вихлопів двигуна з навколишнім більш холодним повітрям, утворюючи кристали льоду. У перенасичених льодом регіонах атмосфери ці кристали ростуть, і зворотний слід може зберігатися та поширюватися, утворюючи перисті хмари, спричинені авіацією.

Протягом дня тонкий шар перисті відбиває сонячне світло і охолоджує Землю. Але вночі хмара затримує тепло, намагаючись вирватися в космос, і нагріває планету. Загалом вважається, що цей дисбаланс, або «радіаційний вплив», спричинений зворотними слідами, має вплив на потепління клімату.

Важко порівняти кліматичний вплив CO 2 , який залишається в атмосфері тисячі років, із впливом зворотних слідів, які діють кілька годин. Але консенсус полягає в тому, що вплив авіаційних викидів, крім CO 2 , має такий же порядок величини, що й викиди CO 2 .

Льотні випробування Airbus A319neo з двигуном LEAP-1A та United Boeing 737 MAX-10 з двигуном LEAP-1B підтвердили зменшення кристалів льоду за допомогою 100% SAF, незважаючи на наявність зворотних слідів. Авторство: Airbus

Але там, де авіаційні викиди CO 2 важко зменшити порівняно з іншими секторами, є обіцянка того, що зворотні сліди можна практично усунути, змінивши висоту невеликого відсотка польотів, щоб уникнути перенасичених льодом регіонів, хоча й ціною невеликого збільшення Викиди CO 2 від літака, що змінює маршрут.

Однак існує значна невизначеність у розумінні утворення зворотних слідів і кліматичних впливів зворотних циррусів, і промисловість обережно ставиться до заохочувальної політики та правил, які б вимагали пом’якшення зворотних слідів, якщо виявиться, що теплі перисті все одно сформувалися природним шляхом.

«Можливо, існує 70% невизначеності щодо ефективного радіаційного впливу зворотних слідів, але це не повинно завадити нам почати їх зменшувати. У найнижчій точці смуги похибок вони все ще важливі», — сказала Крістіане Фойгт, керівник відділу фізики хмар у Німецькому аерокосмічному центрі DLR, на Симпозіумі ICAO з авіаційних викидів, не пов’язаних із CO 2 , у Монреалі у вересні.

ЕКСПЛУАТАЦІЙНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Утворення зворотного сліду вимагає двох ключових речей: перенасичених льодом умов в атмосфері та частинок у вихлопі двигуна, на яких кристали льоду можуть зароджуватися. Уникання одного та зменшення іншого пропонує потенціал для пом’якшення проблеми, але із застереженнями.

Області, перенасичені льодом, являють собою тонкі шари атмосфери завширшки багато миль, але глибиною лише пару сотень футів. Вони зустрічаються тільки в тропосфері. Далі на північ, де тропопауза нижча і літаки курсують у стратосфері, зворотні сліди не утворюються, оскільки повітря надто сухе.

Перенасичення льодом може відбуватися у фронтальних регіонах і регіонах високого тиску, де вологе повітря піднімається на крейсерську висоту. Регіони залежать від фактичних погодних умов і мають сильну регіональну залежність, але вони невеликі, і щоб уникнути їх, потрібно буде змінити маршрут лише невеликої частини рейсів, сказав Войт.

Регіонів, що утворюють сліди, можна уникнути, літаючи вище або нижче, але це вимагатиме вдосконалення моделювання та прогнозування, щоб центри авіакомпаній могли передбачати гарячі точки в атмосфері, де можуть утворюватися сліди, і змінювати маршрути польотів з мінімальним впливом на споживання палива та викиди.

Це також вимагає співпраці з диспетчером повітряного руху, який має затвердити зміни. Тривають експлуатаційні випробування для визначення практичності та ефективності регулювання висоти. «З операційної точки зору це дуже складно, і моделі погоди та зворотного сліду потрібно вдосконалювати та перевіряти», — сказала вона.

ТЕХНІЧНІ ЗАХОДИ

Другий ключ до утворення зворотного сліду, сажа у вихлопних газах, уже вирішується шляхом удосконалення технології двигуна та зміни палива. Доведено, що двигуни з чистішим горінням і екологічно чисте авіаційне паливо (SAF) утворюють менше сажі та зворотних слідів. Але результати не зовсім такі, як очікувалося.

Останнє покоління комерційних турбовентиляторів із збідненим горінням — GEnx від GE та LEAP від ​​CFM — утворює значно менше сажі, також відомої як нелеткі тверді частинки (nvPM). Зменшення сажі повинно зменшити кристали льоду, а отже, і утворення зворотних слідів, але нещодавні льотні випробування показують, що існує межа.

Оскільки викиди nvPM зменшуються, деякі моделі передбачають, що утворення кристалів льоду має зменшуватися, доки воно не досягне нижньої межі, встановленої природними аерозолями в атмосфері. Інші прогнозують, що утворення льоду спочатку зменшиться, але потім збільшиться, оскільки летючі частинки в шлейфі займуть місце сажі як центри зародження.

Останній ефект був підтверджений льотними випробуваннями літака сімейства Airbus A320neo з двигуном LEAP-1A у Франції в рамках проекту Volcan і Boeing 737 MAX-10 з двигуном LEAP-1B в США в рамках програми Boeing ecoDemonstrator. Польоти Volcan показали, що летючі частинки стають центрами зародження, коли сажа зменшується. Польоти ecoDemonstrator показали, що використання 100% SAF зменшує утворення кристалів льоду, але зворотні сліди все одно утворюються через летючі частинки.

Летючі тверді частинки (vPM) — це гази, що конденсуються у вихлопному шлейфі, які можуть утворювати нові частинки або покривати наявні частинки сажі, роблячи їх більш здатними до утворення кристалів льоду. Вони залежать як від процесу згоряння, так і від складу палива, сказав Річард Міаке-Лай, головний науковий співробітник і віце-президент Aerodyne Research, на симпозіумі.

Приклади vPM включають незгоріле та частково згоріле паливо, сірчану кислоту з сірки в паливі та мастило, що виділяється з двигуна. Масло наразі не вважається викидом, і способи його виведення різняться між виробниками двигунів. Існують стандарти сертифікації для викидів nvPM, які вимірюються на землі на виході вихлопу, але не для vPM, який розвивається після викидів.

Важливим фактором є склад палива. SAF мають менший вміст сірки та вищий вміст водню, ніж викопне реактивне паливо, що зменшує утворення сажі та льоду. Коли в шлейфі менше кристалів льоду, вони стають більшими й швидше осідають, скорочуючи тривалість життя та радіаційний вплив зворотного сліду, сказав на симпозіумі Марк Стеттлер, викладач транспорту та навколишнього середовища в Імперському коледжі Лондона.

ПОДАЛЬШІ КРОКИ

Щоб розробити технічні рішення проблеми зворотних слідів, Інститут аерокосмічних технологій Великобританії, який підтримується урядом, запустив програму без викидів CO2 вартістю 20 мільйонів фунтів стерлінгів (26 мільйонів доларів США ) .

«Якщо ми будемо чекати надто довго, ми ризикуємо не мати готових технологій для наступного покоління літаків», — сказав на симпозіумі Адам Мортон, керівник відділу технологій і стратегії ATI. «Ми чекаємо науки чи починаємо розвивати технологію? Робити це паралельно – правильне рішення».

Найближча потреба полягає в більшій кількості даних для покращення кліматичних і зворотних моделей. Плани включають запуск супутникових атмосферних інфрачервоних ехолотів і розгортання датчиків водяної пари на експлуатованих літаках.

«У нас є обмежені дані про круїзи з різними літаками, двигунами та паливом. Будуть деякі сюрпризи, так само як нафта піднялася на поверхню з двигунами з бідним спалюванням», — сказав на симпозіумі головний дослідник NASA для ecoDemonstrator Річ Мур.