Промисловість докладає більше зусиль, щоб краще зрозуміти вплив, відмінний від CO2

Тривають дослідження для оцінки радіаційного впливу зворотних слідів.
Авторство: NASA

Починаючи з Нового року, європейські авіакомпанії зіткнуться з новою вимогою: у рамках законодавства про Європейську систему торгівлі викидами перевізники повинні будуть здійснювати моніторинг, звітування та перевірку авіаційних впливів, не пов’язаних із CO 2 .

Європейська нормативна політика є лише одним із показників того, що наслідки зворотних слідів та інші наслідки авіації, не пов’язані з CO 2 , стають все більш у центрі уваги. Оскільки обізнаність про вплив зворотних слідів на клімат зростає, у новому році очікується подвоєння досліджень потенційних методів пом’якшення наслідків та фундаментальної атмосферної фізики цього явища.

• Краще моделювання та прогнозування можуть допомогти перевізникам уникнути утворення зворотних слідів
• Екологи хочуть швидшого прогресу в боротьбі зі слідами

Темпи дослідження зворотних слідів прискорюються, оскільки авіація визнає, що підвищення стійкості залежить як від вирішення проблеми викидів CO 2 , що не впливають на клімат, так і від скорочення викидів CO 2 шляхом розширення використання палива з низьким вмістом вуглецю та підвищення ефективності літаків.

Але екологи стверджують, що, незважаючи на досягнення прогресу, він відбувається недостатньо швидко. У листопаді в Баку проходила кліматична конференція COP29, група вчених з питань авіації та клімату написала відкритий лист із закликом до швидших дій щодо зворотних слідів, назвавши це можливістю значно змінити ситуацію за відносно низьких витрат для промисловості.

Проблематичні наслідки зворотних слідів були відомі десятиліттями, але це питання просто замовчували, каже екологічна неурядова організація Transport & Environment (T&E), яка опублікувала лист.

«Вкрай важливо, якщо вжити рішучих заходів, ці наслідки можна частково пом’якшити швидшим і економічно ефективнішим способом, ніж інші кліматичні проблеми, завдяки дещо зміненому маршруту невеликої кількості цільових рейсів», – йдеться в листі. «Це призведе до мінімального впливу на авіаційну галузь і пасажирів і незначного ризику заподіяння клімату більше шкоди, ніж користі».

Contrails – це «кліматична можливість авіації десятиліття», – сказав технічний менеджер T&E Aviation Карлос Лопес де ла Оса. «Є дуже мало кліматичних рішень, які можна впровадити так швидко за такої невеликої вартості».

Нещодавні дослідження, спрямовані на краще розуміння зворотних слідів, підтверджують позицію T&E. Зворотні сліди утворюються, коли гарячі вихлопи двигуна змішуються з навколишнім більш холодним повітрям, утворюючи кристали льоду. У перенасичених льодом регіонах атмосфери ці кристали ростуть, і зворотний слід може зберігатися та розширюватися до перистої хмари, створеної літаком.

Протягом дня цей тонкий шар перисті відбиває сонячне світло та охолоджує Землю; вночі ж хмара затримує тепло і зігріває планету. Вважається, що цей дисбаланс, або «радіаційний вплив», що виникає через зворотні сліди, має загальний вплив на потепління клімату.

Основна увага для дослідників — удосконалення методів вимірювання та оцінки зворотних слідів, створюваних поточним поколінням літаків і двигунів, таким чином встановлюючи базову лінію, за якою можна виміряти покращення та досягти пом’якшення.

У США NASA і GE Aerospace почали оцінювати технологію сканування слідом літака в листопаді під час льотних випробувань в рамках експерименту Contrail Optical Depth Experiment (CODEX). У випробуваннях, проведених у Норфолку, штат Вірджинія, брали участь літак Gulfstream III дослідницького центру NASA Langley та літаючий випробувальний стенд Boeing 747-400 компанії GE.

NASA і GE співпрацювали в недавньому експерименті CODEX з визначення характеристик слідів. Авторство: NASA

Працюючи на висоті понад 30 000 футів у обмеженому повітряному просторі біля східного узбережжя, Gulfstream рухався на різних відстанях позаду та над 747, скануючи кільватерний слід випробувального стенду GE за допомогою датчиків виявлення світла та визначення дальності (лідар) для створення 3D-зображення слідів. Для CODEX 747 був оснащений чотирма стандартними двигунами GE CF6-80CB1F, що працюють на звичайному паливі Jet A.

Окрім покращення знань про утворення та поведінку зворотного сліду з часом, очікується, що дані CODEX допоможуть GE прокласти шлях до майбутніх льотних випробувань камер згоряння з низьким рівнем викидів та інших передових технологій силової установки, запланованих спільно з партнером CFM International Safran у рамках Революційної інновації для стійких двигунів. (RISE) програма.

«З останніх оцінок моделювання та консенсусних звітів ми знаємо, що зворотні сліди мають значний вплив на клімат, і ми вважаємо, що згідно з поточними оцінками моделі масштаб цього впливу від зворотних перистих хмар сьогодні такий же, як і від накопичених авіаційних викидів CO2 протягом минулого століття», — говорить Річард Мур, науковий співробітник дослідницького центру NASA Langley.

«Тож, хоча це дуже невизначено, ми знаємо, що це потенційно важливий вплив того, як зворотний слід взаємодіє та розвивається в атмосфері та взаємодіє з радіацією та сонячним світлом, що сходить, і радіацією, що йде від Землі», — пояснює Мур. «Це безпосередньо залежить від оптичних властивостей цієї хмари. З лідаром ми приносимо власне джерело світла. Замість того, щоб покладатися на Сонце та певні сонячні кути, ми можемо вистрілити лазером із зеленою довжиною хвилі, 532 нанометри, і ми можемо виміряти кількість світла, яке розсіюється кристалами льоду в зворотному сліді».

G-III був налаштований з обсерваторією Langley's High-Altitude Lidar (HALO), інструментом, розробленим для характеристики розподілу парникових газів, хмар і дрібних часток в атмосфері. HALO забезпечує оглядові профілі водяної пари, метанових стовпів і профілі аерозольних і хмарооптичних властивостей. Доки NASA не провело випробування з Boeing за програмою ecoDemonstrator наприкінці 2023 року, HALO ніколи не застосовувався для аналізу слідів.

«Ми отримуємо профіль цього світла, яке розсіюється назад до літака, а потім ми можемо пов’язати це з кількістю світла, яке не тільки розсіюється назад, але також поглинається та гаситься», – каже Мур. «Якщо ми візьмемо цей профіль згасання світла через зворотний слід, ми можемо скласти його, і це те, що ми називаємо оптичною товщиною хмари або зворотним слідом. Це важливий параметр для розуміння радіаційного впливу».

Разом з інформацією з каналів лідара з високою спектральною роздільною здатністю набір датчиків включав лазер, налаштований на певні смуги поглинання водяної пари. «Тож окрім того, що ми проводимо лазерний промінь по трасі літака, щоб отримати профіль зворотних слідів, ми безперервно вимірюємо вздовж траси завісу поля водяної пари під літаком», — каже Мур. Щоб завершити набір даних, літак NASA також скинув радіозонди для вимірювання температури.

Атмосферні дані, отримані в результаті обстеження зворотних слідів, допоможуть перевірити моделі, які передбачають умови утворення зворотних слідів, і прогнозують властивості оптичної товщини, які враховуються в розрахунках радіаційного впливу. Робота спрямована не лише на розуміння утворення слідів, але й, у довгостроковій перспективі, на надання точних даних для промисловості, яка обережно ставиться до політики пом’якшення впливу слідів, якщо виявиться, що нагрівається периста все одно утворилася природним шляхом.

«Може бути 70% невизначеності в ефективному радіаційному впливі зворотних слідів, але це не повинно заважати нам [від] почати зменшувати їх», — сказала Крістіане Фойгт, керівник відділу фізики хмар Німецького аерокосмічного центру DLR, на симпозіумі ICAO. про авіаційні викиди, не пов’язані з CO 2 , у Монреалі у вересні. «У найнижчій точці панелі помилок вони все ще важливі».

Хоча багато представників галузі вважають, що для боротьби із зворотними слідами необхідні негайні дії, деякі стверджують, що глибше розуміння цього явища має бути першочерговим.

Нещодавнє дослідження, проведене вченими з Імперського коледжу Лондона, підкреслило складність розуміння того, як зменшення зворотних слідів поєднується з більш широкими зусиллями щодо обмеження впливу авіації на клімат.

Дослідження, засноване на аналізі супутникових даних про зворотні сліди над Північною Атлантикою за допомогою машинного навчання, показало, що сучасні комерційні літаки створюють довготривалі зворотні сліди на великих висотах, ніж старі літаки. Хоча сучасні літаки викидають менше вуглецю, ніж старі літаки, вони можуть більше сприяти зміні клімату через зворотні сліди, заявили дослідники в серпні.

На цьому лідарному зображенні експерименту CODEX зафіксовано зворотне розсіювання від вихорів кристалів льоду в поперечному перерізі зворотного сліду. Авторство: NASA

«Це дослідження є поштовхом до роботи для авіаційної промисловості», — сказав тоді провідний автор дослідження Едвард Ґріспеердт, науковий співробітник Університету Королівського товариства Імперського коледжу Лондона з питань зміни клімату та навколишнього середовища. «Новіші літаки літають все вище і вище в атмосфері, щоб підвищити паливну ефективність і зменшити викиди вуглецю. Ненавмисним наслідком цього є те, що ці літаки, які літають над Північною Атлантикою, тепер створюють більш довготривалі зворотні сліди, захоплюючи додаткове тепло в атмосфері та посилюючи вплив авіації на клімат.

«Це не означає, що більш ефективні літаки — це погано», — додав він. «Далеко не так, оскільки вони мають менші викиди вуглецю на пасажиро-милю. Проте наш висновок відображає проблеми, з якими стикається авіаційна промисловість, зменшуючи свій вплив на клімат».

Дослідження показало, що один простий крок — зменшення кількості сажі, що виділяється з двигунів літаків — може скоротити термін служби зворотних слідів.

«Наше дослідження надає перші докази того, що викид меншої кількості частинок сажі призводить до зворотних слідів, які падають з неба швидше, ніж зворотні сліди, утворені на більшій кількості частинок сажі від старих, брудніших двигунів», — сказав співавтор дослідження Марк Стеттлер, професор транспорту. та навколишнього середовища на факультеті цивільної та екологічної інженерії Імперського коледжу Лондона.

Стратегії пом’якшення утворення слідів зосереджені насамперед на уникненні умов перенасичення льодом в атмосфері та зменшенні часток у вихлопних газах двигуна, на яких можуть зароджуватися кристали льоду. Щоб уникнути зон, схильних до утворення слідів, потрібно буде змінити маршрут лише невеликої частини рейсів, сказав Фойгт.

Літаки можуть уникати областей утворення слідів, 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 вимагатиме співпраці з диспетчером повітряного руху, який має схвалити зміни. Тривають експлуатаційні випробування для визначення практичності та ефективності коригування висоти. «З операційної точки зору це дуже складно, і моделі погоди та зворотних слідів необхідно вдосконалювати та перевіряти», — сказав Фойгт.

Дослідження T&E, опубліковане в листопаді, показало, що незначна зміна маршруту лише кількох рейсів може вдвічі зменшити зворотне потепління до 2040 року за ціною менше 4 євро (4,20 долара) за рейс. У звіті говориться, що 80% зворотного потепління викликано лише 3% польотів; географія, широта польоту, час доби та сезонність відіграють важливу роль у впливі потепління клімату. У дослідженні зазначено, що додаткове паливо, витрачене на уникнення зворотних слідів, становитиме менше 0,5% у всьому флоті протягом року.

Загалом дослідження T&E показало, що переваги для клімату від уникнення зворотних слідів будуть у 15-40 разів більші, ніж покарання CO 2 . Зміна траєкторії польоту лише найгірших винуватців мала б непропорційно великий вплив.

Другий ключ до утворення зворотного сліду, сажа у вихлопних газах, уже вирішується шляхом удосконалення технології двигуна та зміни палива. Доведено, що двигуни з більш чистим спалюванням і екологічно чисте авіаційне паливо (SAF) утворюють менше сажі та зворотних слідів. Але результати включають деякі сюрпризи.

Останнє покоління комерційних турбовентиляторів із збідненим спалюванням, таких як GEnx 1 від GE та Leap 1 від CFM, утворює значно менше сажі, також відомої як нелеткі тверді частинки (nvPM). Зменшення сажі повинно зменшити кристали льоду і, отже, утворення зворотних слідів, але нещодавні льотні випробування показують, що є межа.

Оскільки викиди nvPM падають, деякі моделі передбачають, що утворення кристалів льоду зменшуватиметься до досягнення нижньої межі, встановленої природними аерозолями в атмосфері. Інші моделі передбачають, 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 Airbus A320neo з двигуном Leap 1A у Франції в рамках проекту Volcan і літака 737-10 з двигуном Leap 1B в США в рамках програми NASA- Boeing ecoDemonstrator. Польоти Volcan показали, що летючі частинки стають центрами зародження, коли сажа зменшується. Польоти ecoDemonstrator показали, що SAF на 100% зменшує утворення кристалів льоду, але зворотні сліди все одно утворюються через летючі частинки.

На відміну від викидів nvPM, леткі тверді частинки (vPM) складаються з конденсованих газів у вихлопних газах, 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 ІКАО.

Приклади vPM включають незгоріле та частково згоріле паливо, сірчану кислоту з палива та мастила, що виділяється з двигуна. Наразі олива не вважається викидом, і виробники двигунів випускають її по-різному. Існують стандарти сертифікації для викидів nvPM, які вимірюються на землі на виході вихлопу, але не для vPM, який розвивається після викидів.

Важливим фактором є і склад палива. SAF має нижчий вміст сірки та вищий вміст водню, ніж викопне реактивне паливо, що зменшує утворення сажі та льоду. Коли в шлейфі менше кристалів льоду, ці кристали ростуть і швидше випадають в осад, скорочуючи тривалість життя та радіаційний вплив зворотного сліду, сказав Стеттлер на симпозіумі.

Усі ці випробування, включно з тими, які були проведені для експериментів ЄС щодо викидів і впливу альтернативного палива на клімат (ECLIF), вказали на необхідність майбутніх кампаній для картографування широкого діапазону композицій палива, типів двигунів і технологій камер згоряння. Зокрема, несподіване відкриття утворення зворотного сліду навіть у двигунах з бідним спалюванням, що використовують SAF, призвело до закликів до вивчення інших видів vPM, включаючи моторне масло. Такі програми, як CODEX, доповнили базу даних для оцінки зворотних слідів від старих двигунів і з часом розширили знання про їхні властивості.

Плани щодо збору додаткових даних для покращення кліматичних і зворотних моделей включають запуск супутникових атмосферних інфрачервоних ехолотів і розгортання датчиків водяної пари на експлуатованих літаках. «Ми маємо обмежені дані про круїзи з різними літаками, двигунами та паливом», — каже Мур. «Будуть деякі сюрпризи, подібно до того, як нафта піднялася на поверхню з двигунами з бідним спалюванням».