Aviatikus felhőképződés hatása az éghajlatra 2009.11.10
Bevezetés •
• 1. 2.
Mint minden belső égésű jármű, a légi közlekedés is számos légköri szennyezőanyagot bocsát ki. Két szempontból specifikusak a repülőgépek hatásai: Az emisszió döntő hányada a troposzféra felső határán jelentkezik A kibocsátott anyagok mesterséges felhőképződést eredményezhetnek, először kondenzációs csíkok formájában
• A repülések számának dinamikus bővülése (+5%/év) várható a következő 20 évben1 • Az IPCC (Penner JE, Lister DH, Griggs DJ, Dokken DJ, McFarland M. Aviation and the Global Atmosphere. IPCC. Cambridge University Press 1999. ) szerint, a kondenzációs csíkok rendelkeznek a légi közlekedés legjelentősebb sugárzási kényszerével. • Mára ez a becslés kissé túlzottnak bizonyul • Azonban a légi szállítások dinamikus gyarapodása, a lineáris felhőképződmények hatásának ugrásszerű fokozódása várható
Közép-Európai megfigyelések szerint az aviatikus fátyolfelhőzet 1-2%-al nő évtizedenként.
Hatásmechanizmus • A kondenzcsíkok látható vonalas alakzatok a repülőgépek mögött, melyeket apró jégkristályok alkotnak 2 • száraz levegőben rövid idő alatt szétfoszlanak • a harmatponttól viszont a környező nedvességet „felvéve” terebélyes kondenzációs cirrusokká fejlődhetnek 3
Schmidt-Appleman törvény A kondenzcsíkok képződését szinte kizárólag a termodinamika törvényei és a légköri kondíciókba ágyazódott emissziós folyamatok befolyásolják A kialakulásuk feltételeit a Schmidt-Appleman törvény határozza meg4, melynek hatótényezői: • Légköri hőmérséklet • Légnyomás • Az üzemanyag fajlagos (kémiai)hőenergiája (kerozin= 43MJ/kg) • A vízgőz fajlagos kibocsátása (1,25kg víz/kg kerozin) • Mozgási nyomaték
Csak a kondenzcsík-képződés lehetőségét tükrözi, a további folyamatokkal nem számol • A huzamos fennmaradás csak akkor lehetséges, ha a környező levegő eléri/meghaladja a jégképződés harmatpontját. • ha a jégkristályok túl nagyra nőnek a nehézségi erő hatására csapadékká válva lehullnak (ezen mesterséges jégmagokra nem jellemző instabilak)
Az aviatikus felhősödés hatása A tartós kondenzcsíkok gyakorta fátyolfelhővé terebélyesednek A vizsgálatok során a legnagyobb nehézség az indukált fátyolfelhők ill. a kondenzcsíkok (fizikai tulajdonságainak) megkülönböztetésében rejlik (óvatos becslések szerint arányuk 1:1,8-10 közé eshet Az utóbbi 1-2 évtizedben 1-2%-al nőtt ezen cirrusok gyakorisága Az USA-ban a fátyolfelhők trendje jól korrelált a kondenzcsíkok kiterjedésével és gyakorisága Regionális trendek alapján számolták az átlagos globális „RF”-t, mely 2000-ben 0,03-0,048W/m2 volt.5 ’92-es becslés szerint a légi közlekedés összességében 3,5%-át adta a sugárzási kényszernek6 A folyamatok alacsonyfokú ismertsége, ill. a kvantitatív megközelítések hiánya egyelőre nem teszi lehetővé a részletes hatásvizsgálatokat.
Aviatikus aeroszolok 1. 2.
• • • •
Transzmittálódnak a felső troposzférába – alsó sztratoszférába A legfontosabbak a Szulfát-cseppecskék és a korom komplexei (továbbá szerves molekulák, ill. SO2, SO3 mint katalizátor gázok) A legjelentősebb hatásuk, hogy kondenzációs magként jelentkeznek jelentősen módosítják a felhő mikrofizikai adottságait (ld. „felhő-szoba” kísérletek) kicsiny méretük révén igen messzire juthatnak Ezek is a globális klímaváltozás nem elhanyagolható „RF”-módosító tényezői, de még nem sikerült számszerűsíteni a felhőképződésben játszott szerepét
A kondenzcsíkok „RF”-jét befolyásolják • • • • • •
Aktuális kiterjedésük Földrajzi elhelyezkedésük Relatív magasságuk Év/napszaki megjelenésük A légkör/földfelszín háttér állapota7 A repülőgépek égéstermékeinek hatása a kibocsátástól időben és térben távol is jelentkezhetnek8, mégha az aktuális légköri szituáció nem kedvez a kondenzációnak9
A Hangsebességnél lassabb repülőgépek alkalmazásának hatása a sugárzási kényszerre
A kondenzcsíkok hatásai • A felső troposzféra jéggel túltelített légtömegében jelentkeznek • Már a viszonylag vékony fátyolfelhőknek is már számottevő a sugárzási kényszere • Az RF – addigi számítások szerint – legjobb közelítéssel 0,01W/m2
DE! számos regionális bizonytalanságot (pl. optikai mélységbeli eltérések) takarnak a globális vizsgálatok
A Kondenzcsíkok megelőzésének néhány lehetősége • Az emisszió anyagösszetétel-módosítással a kondenzáció bekövetkezését nem, csak annak összetételét és tulajdonságait lehet megváltoztatni • Repülési magasságok módosítása10 • Alternatív üzemanyagok alkalmazása • csak ha csökken az üzemanyag kémiai hőenergiája és a kibocsátott vízgőz!11 • egy új koncepció12 szerint az elhasznált gázokat – a külső levegő hőjére alapozó - hőcserélő rendszerrel lehűtve, annak vízgőztartalma kicsapódik, ezáltal a víz- és károsanyag (aeroszolok, NOx) felfogása is megoldható!13
A módszer a légi közlekedés üvegházhatásának drasztikus mérséklésére is alkalmas
Köszönöm a figyelmet!
Lábjegyzetek 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Az üvegházhatás fontos tényezőjévé válva. Igen alacsony hőmérsékleten (~ =<-20°C). Főképp az igen forgalmas észak-amerikai, európai, ill. újabban keletázsiai légi folyosók környékén. Kondenzcsíkok csak akkor képződnek, ha a kibocsátott gázok és a levegő keveredése a harmatpont környékén következik be. Ez nem tartalmazza az aviatikus cirrusokat. Elképzelhető, hogy a duplája is lehet napjainkban. Míg a magasan lévő vékony cirrusok éjjel-nappal hűtik a világos és meleg felszíneket, az alacsonyabb, de vastagabb pehelyfelhők főként a sötét és hűvös felszíneket csak nappal hűtik. Megfelelő kondenzációs magok jelenlétében Különösen a légi folyosók mentén, ahol a jégkristályok sűrűsége 1,6-2,6X-a korom nélküli légtereknek, bár az előbbi esetben a jégmagok mérete jóval kisebb. Az IPCC által ajánlott fagyasztott, folyékony H-nek és (m)etanoloknak azonban magasabb a hőenergia ill. a vízgőz tartalma. Közepes szélességeken a magasabb ( szárazabb a sztatoszféra), trópusokon pedig az alacsonyabb ( a meleg nem kedvez a jégmagoknak) repülési magasságot ajánlják. ..mely zárt hőcserélő és gáztisztító („recuperator”) rendszeren alapul. A hőcserélő rendszerek jelentős fejlődésével képzelhető el.
Válogatott irodalom • • • • • • • • • •
• •
Contrails to Cirrus—Morphology, Microphysics, and Radiative Properties CONTRAILS FACTS Contrails, Natural Clouds, and Diurnal Temperature Range Aircraft Contrails Factsheet The impact of cruise altitude on contrails and related RF A Review of Various Strategies for Contrail Avoidance (!) ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF A NOVEL AERO ENGINE CONCEPT (MSc Thesis) http://greenaironline.com/ Climate impact of aircraft contrails much larger than was previously thought, says aviation climate scientist : Fri 30 Oct 2009 - According to a leading climate scientist, recent studies have shown the net warming effect of aviation induced cloudiness (AIC) is far larger, up to 30 times more, than had previously been thought and immediate attention should be given to mitigate the impact. Professor Ulrich Schumann, Head of the Institute of Atmospheric Physics at the German Aerospace Centre (DLR), said more focus should be placed on reducing aircraft contrails through improved air traffic management and better weather forecasting. Depending on temperature and humidity, contrails occur inside thin cirrus in the upper troposphere, which is the cruising altitude of most aircraft. By adjusting the flight level, more than 50 percent of contrails could be avoided, said Prof Schumann. http://www.dlr.de/en/desktopdefault.aspx/tabid-5103/8592_read-20376/ http://www.biofuelsdigest.com/blog2/2009/11/11/jet-plains-do-grasseswoods-mustards-grown-in-the-heartlands-hold-the-key-for-aviation-fuels
