Påvirkning av drivstoffsulfur på sammensetningen av flyets eksosplommer: Eksperimentene SULFUR 1 – 7

U. Schumann, F. Arnold, R. Busen, J. Curtius, B. Kärcher, EN. Kiendler, EN. Petzold, H. Schlager, F. Schröder, K.-H. Wohlfrom

Først publisert: 6. august 2002

https://doi.org/10.1029/2001JD000813

sitasjoner: 97

SEKSJONER

PDF

VERKTØY

DEL

Abstrakt

[1] Serien med SULFUR-eksperimenter ble utført for å bestemme aerosolpartikkelen og smussdannelsesegenskapene til flyets eksosrør for forskjellig drivstoffsulfurinnhold (FSC, fra 2 til 5500 ug / g), flyforhold og fly (ATTAS, A310, A340, B707, B747, B737, DC8, DC10). Denne artikkelen beskriver eksperimentene og oppsummerer oppnådde resultater, inkludert nye resultater fra SULFUR 7. Konverteringsfraksjonen ε av drivstoffsulfur til svovelsyre måles i området 0,34 til 4,5% for en eldre (Mk501) og 3,3 ± 1,8% for en moderne motor (CFM56-3B1). For lav FSC er ε betydelig mindre enn det som antydes av volumet av flyktige partikler i eksosen. For FSC ≥ 100 ug / g og ε målt, er svovelsyre den viktigste forløperen for flyktige aerosoler dannet i flyets eksosrør av moderne motorer.Aerosolen målt i plommene til forskjellige fly og modeller antyder at ε varierer mellom 0,5 og 10% avhengig av motor og driftstilstand. Antall partikler som slippes ut fra forskjellige subsoniske flymotorer eller dannes i eksosplommen per masse brent drivstoff varierer fra 2 × 10¹⁴ til 3 × 10¹⁵ kg^{− 1} for ikke-flyktige partikler (hovedsakelig svart karbon eller sot) og er i orden 2 × 10¹⁷ kg^{− 1} for flyktige partikler > 1,5 nm ved plommealder på noen få sekunder. Chemiions (CI) dannet i parafinforbrenning er funnet å være ganske rikelig og massiv. CIer inneholder svovelbærende molekyler og organisk materiale. Konsentrasjonen av CI ved motorutgang er nesten 10⁹ cm^{− 3}. Positive og negative CIer finnes med masser som delvis overstiger 8500 atommasseenheter. Det målte antallet flyktige partikler kan ikke forklares med binær homogen nukleasjonsteori, men er sterkt relatert til antall CI-er. Antall ispartikler i unge kontraster er nær antall sotpartikler ved lav FSC og øker med økende FSC. Endringer i sotpartikler og FSC har liten innvirkning på terskeltemperaturen for dannelse av smuss (mindre enn 0,4 K).

1. introduksjon

[2] En serie eksperimenter (SULFUR 1 – 7, forkortet S1 – S7) ble utført i årene 1994 til 1999 for å bestemme partikkel- og smussdannelsesegenskapene til flyets eksosplommer for forskjellig drivstoffsulfurinnhold (FSC) og atmosfæriske forhold. Denne artikkelen beskriver serien med eksperimenter og oppsummerer resultatene som er oppnådd. Spesielt diskuterer papiret utviklingen av vår forståelse av partikkeldannelse og kontraster som oppnådd i løpet av disse og relaterte eksperimenter.

[3] Partikkel- og contrail-dannelse i avgasser fra fly som en funksjon av FSC er av betydning for luftsammensetning og klima [Brasseur et al., 1998; Fahey et al., 1999; Schumann et al., 2001]. Før det første SULFUR-eksperimentet i 1994, ble det antatt at svovelsyre i flyets avgasser spiller en sterk rolle med hensyn til antall flyktige partikler dannet fra fly, “ aktivering ” av sotpartikler som skykondensasjonskjerner, og muligens “ passivering ” av sot for heterogen kjemi. Disse effektene er viktige for smussdannelse og luftsammensetning med mulig innvirkning på aerosoler, uklarhet og klima [Turco et al., 1980; Hofmann, 1991; Reiner og Arnold, 1993; Schumann, 1994; Arnold et al., 1994]. I unge eksosrør ble mange små kondensasjonskjerner ( CN ) målt, men ved ikke-typiske omgivelsesforhold ( 2600 m høyde, 11 ° C ) [Pitchford et al., 1991]. Sotpartikler ble notert å hydrere når de ble dannet av drivstoff med høyt svovelinnhold, men hydrer ikke ellers [Hallett et al., 1990; Whitefield et al., 1993]. Det ble antatt at mesteparten av drivstoffsulfur brennes til svoveldioksid ( SO₂) i forbrenningskammeret til motoren. En fraksjon oksideres av reaksjoner med co-utsatte hydroksylradikaler (OH) og vann til S^VI i form av svoveltrioksid (SO₃) og svovelsyre (H₂SÅ₄) [Miake-Lye et al., 1993; Reiner og Arnold, 1993, 1994; Kolb et al., 1994]. Svovelsyren ble antatt å danne flytende flyktige partikler ved binær homogen kjerne [Hofmann og Rosen, 1978], for å samhandle med sot [Zhao og Turco, 1995], og for å påvirke dannelse av smuss [Kärcher et al., 1995]. Standard utslippsmålinger for flymotorer gir røyknummeret (et mål for optisk sverting av et filter utsatt for et gitt volum av avgasser), som kan konverteres med noen forutsetninger for å sote masseutslipp [Petzold et al., 1999], men lite var kjent om antall, størrelser og hydratiseringsegenskaper for luftfartssot fra cruisingfly [Pitchford et al., 1991]. Målinger bak bakken bak en jetmotor av Frenzel og Arnold [1994] viste at flymotorer avgir kjemier (CI) dannet av radikal-radikale reaksjoner under forbrenningsprosessen og indikerte tilstedeværelsen av gassformig H₂SÅ₄. De utledet en konverteringsfraksjon ε av drivstoffsulfur til svovelsyre på mer enn 0,4%, antydet at atomisk oksygendannelse under forbrenningen kan bidra til oksiderende svoveldioksid i tillegg til OH, og foreslo at CIer kan fungere som kondensasjonskjerner for partikkeldannelse.

[ 4 ] I oktober 1994, partikkelmålinger i eksosplommen til et Concorde supersonisk fly med det stratosfæriske forskningsflyet ER-2 avslørte langt større antall konsentrasjoner av små partikler i flyets eksosplommer enn forventet før [Fahey et al., 1995]. Utslippsindeksen for ikke-flyktige partikler ble avledet fra målinger med en kondensasjonspartikkel-teller ( CPC ) [Wilson et al., 1983] under tre korte ( < 20 s ) plommegjennomtrengninger med betydelig CO₂ konsentrasjon øker definerende fortynning ved plommealder på 16 – 58 min. For å unngå metningseffekter ble forholdet mellom total og ikke-flyktig partikkelkonsentrasjon avledet fra svakere plommehendelser. Fra dataene ble mengden svovelsyre dannet i eksosen estimert under forutsetning av at de flyktige partiklene bare var sammensatt av svovelsyre og vann, og at den forventede avskjæringsstørrelsen (∼ 9 nm) av CPC-ene var nær volumens gjennomsnittlige diameter på partiklene. På denne måten ble en veldig stor konverteringsfraksjon ε avledet, større enn 12%, muligens over 45%. Konverteringsfraksjonen spådd av modeller som antok null konvertering ved motorutgang var i rekkefølge 1% [Miake-Lye et al., 1994; se også Kärcher et al., 1995, 1996a; Brown et al., 1996a; Tremmel et al., 1998]. Samtidig måling av OH dannet i plommen antydet at mindre enn 2% av SO₂ oksideres av OH via gassfase-reaksjoner i Concorde-plommen [Hanisco et al., 1997]. Nye modeller ble satt opp for å beregne svoveloksidasjonen i motorens forbrenningsovner og turbiner [Brown et al., 1996b]. Modellene foreslo ε-verdier opptil 10% for Concorde-motoren. Større verdier kunne ikke utelukkes med tanke på noen målinger bak konvensjonelle gassturbiner [Hunter, 1982; Harris, 1990; Farago, 1991].

[5] Store konverteringsfraksjoner vil ha viktige konsekvenser for flyets innvirkning på luftkjemi [Weisenstein et al., 1996] og på smussdannelse [Miake-Lye et al., 1994; Kärcher et al., 1996b]. Det klassiske kriteriet [Appleman, 1953] innebærer smussdannelse når plommen når flytende metning. Selv for en beskjeden mengde svovel til svovelsyrekonvertering ble det beregnet veldig store antall tettheter av svovelsyredråper (mer enn 10¹¹ cm^{− 3} for 0,6% konverteringsfraksjon [Miake-Lye et al., 1994] ). Med en høy mengde sot og svovelsyre i eksosplommen, ble det tenkt mulig at det allerede er i strid med å nå ismetning, dvs., ved omtrent 3 til 4 K ( økning med høyde ) høyere omgivelsestemperatur enn ved flytende metning, noe som kan utvide det atmosfæriske området betydelig i hvilket smuss danner [Miake-Lye et al., 1993; Schumann, 1996a].

[6] Derfor var temaet av høy interesse med mange åpne spørsmål: Hvor mange sotpartikler dannes per masseenhet brent drivstoff og hvor store er disse sotpartiklene? Hvor stor er konverteringsfraksjonen ε av drivstoffsulfur til svovelsyre? Hvor mange CIer slippes ut og hvor viktige er CI for partikkeldannelse? Hvor mange flyktige partikler dannes per masse brent drivstoff? Hva er virkningen av drivstoffsulfur på dannelse av smuss? Hvor viktig er FSC for flyktig aerosoldannelse, sotaktivering og kontrast av iskrystalldannelse?

[7] Derfor ble serien med SULFUR-eksperimenter satt i gang i desember 1994. Nye spørsmål som følge av resultatene fra de tidligere eksperimentene og utviklingen av nye instrumenter førte til at serien med eksperimenter ble beskrevet i denne artikkelen. Mange av resultatene fra de enkelte eksperimentene er publisert kort tid etter eksperimentene fra forskjellige forfatterteam, og disse papirene vil bli sitert nedenfor, men ingen av dem gir full redegjørelse for serien med eksperimenter som er utført så langt. Denne artikkelen gir en oversikt over de eksperimentelle forholdene og resultatene, og den beskriver forståelsesforløpet som ble oppnådd under utviklingen av forskningen på dette feltet. Diskusjonen inkluderer resultater fra relaterte målinger utført av vår gruppe innen forurensningsutslipp fra fly i de nordatlantiske flykorridorprosjektene (POLINAT) [Schumann et al., 2000a] med plommemålinger bak flere fly inkludert NASA DC8 [Thompson et al., 2000]. Også inkludert er resultater av NASA Subsonic Aircraft Contrail and Cloud Effects Special Study (SUCCESS) [Toon og Miake-Lye, 1998] og en serie subsoniske vurderinger nærfeltinteraksjoner felteksperimenter (SNIF, I – III) [Hunton et al., 2000]. Videre rapporterer vi resultater oppnådd på bakken i denne serien av eksperimenter og innen beslektede prosjekter, inkludert modellering utført under Chemistry and Microphysics of Contrail Formation (CHEMICON) -prosjektet [Gleitsmann og Zellner, 1999; Tremmel og Schumann, 1999; Sorokin og Mirabel, 2001; Starik et al., 2002]. I tillegg rapporteres nye data fra det siste SULFUR 7-eksperimentet.

2. eksperimenter

[8] Serien med SULFUR-forsøk, se Tabell 1, ble initiert av Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Physik der Atmosphäre (DLR, IPA), og utført i nært samarbeid med partnere, spesielt med Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), Heidelberg, for å undersøke partikkeldannelse fra forskjellige fly, og brenne drivstoff med forskjellige FSC-er under samme flyging. Eksperimentene S1 – S7 inkluderte 10 flyvninger med målinger i den unge eksosplommen til forskjellige fly i separasjonsavstander som varierte fra 25 m til omtrent 5 km (plomme i alderen 0,15 – 30 s, se Figur 1a, for eksempel), og målinger på bakken under S3 til S6. Målingene i og utenfor flyplommene er utført om bord på Falcon-flyet til DLR, se Figur 1b. Markforsøk ble utført for å måle partikler og partikkelforløpere nær jetmotorutgangen.

Tabell 1. Sammendrag av SULFUR-eksperimenter

• en Tall inkludert “ P ” for POLINAT.

[9] Observasjonene er utført med et stadig mer raffinert sett med instrumenter av forskjellige partnere, se Tabell 2, som beskrevet i detalj i de oppførte papirene. Instrumentene inkluderer innovative metoder, for eksempel fire forskjellige massespektrometerinstrumenter av MPIK, og et instrumentsystem for å måle antallet, størrelse og flyktighet av aerosoler i diameteren varierer fra 3 nm til 20 μm DLR-IPA og partnere.Tabell 2. Instrumenter brukt i de forskjellige eksperimentene

• en DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen; FhG / IFU: Fraunhofer-Institut für Atmosphärische Umweltforschung, Garmisch-Partenkirchen; MPIK: Max-Planck-Institut für Kernphysik, Atmospheric Physics Division, Heidelberg; MTU: Motoren und Triebwerk Union, München; NCAR: National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado; UMR: University of Missouri-Rolla, Rolla, Missouri Oppføringer med parenteser (X) betegner instrumentapplikasjoner med redusert datautgang.

[10] I de fleste av eksperimentene ble DLR Advanced Technology Testing Aircraft System (ATTAS) brukt som flyet som forårsaker eksosen, se Tabell 3. ATTAS er et mellomstor to-motors jetfly av typen VFW 614, med Rolls-Royce SNECMA M45H Mk501 motorer, se Figur 1c, bygget i 1971 [Busen og Schumann, 1995]. I nyere eksperimenter ble også yngre og større jetfly undersøkt; motorene deres har høyere skyvekraft, bypass-forhold og trykkforhold. Høyere bypass-motorer gir høyere total fremdriftseffektivitet og forårsaker mindre spillvarme som slippes ut i plommegassene [Cumpsty, 1997], som påvirker smittedannelse [Schumann, 1996a, 2000]. Drivstoffsulfurkonverteringsfraksjonen avhenger sannsynligvis av forbrenningstrykket [Brown et al., 1996b], som øker med trykkforholdet.Tabell 3. Fly og motorer undersøkt

• en Året er året for motorbygging; bypass-forholdet er forholdet mellom massefluksen gjennom den ytre viftekanalen til motoren i forhold til massefluksen gjennom kjernekanalen til motoren ved start; trykkforholdet er forholdet mellom trykk ved forbrenningsinntak og ved motorinntak ved start; skyvekraften er gitt for start [ICAO, 1995].

[11] Eksperimentene dekker et bredt spekter av FSC-verdier. Luftfartsdrivstoff produseres med FSC-verdier fra nær 1 ug / g til en øvre grense på 3000 ug / g. Den median FSC-verdien av drivstoff som leveres for flyselskaper er nær 400 ug / g [IPCC, 1999]. I tilfellene S1, S6 og S7 ble FSC variert ved å bruke forskjellige drivstoffleveranser. I tilfeller S2 – S5, opptil 60 kg dibutylsulfid (C₈H₁₈S) som inneholder en 22% massefraksjon av svovel ble tilsatt til en av drivstofftankene for å øke FSC i forhold til drivstoffet i andre tanker til ønsket nivå. Smelte-, kok- og flammepunktstemperaturer og tilsetningsstoffets tetthet (− 80 ° C, 182 ° C, 62 ° C, 840 kg m^{− 3}) er tilstrekkelig lik de med standard Jet-A1 parafinbrensel (− 50 ° C, 164 til 255 ° C, 52 ° C, 800 kg m^{− 3}) for å gi rimelig blanding, og tilsetningsstoffet kan håndteres enkelt. Senere brukte andre eksperimenter tetrahydrotiofen (C₄H₈S; − 96 ° C, 120 ° C, 12 ° C, 1000 kg m^{− 3}) for dette formålet [Cofer et al., 1998; Miake-Lye et al., 1998] som viser større forskjeller til parafin. FSC ble analysert fra drivstoffprøver med standard laboratoriemetoder eller utledet fra mengden svovel tilsatt et referansebrensel. Reproduserbarheten av svovelanalyse fra den samme prøven i forskjellige laboratorier med 95% konfidensintervall er bedre enn 10% [Schröder et al., 2000b]. Større forskjeller (maksimalt 25%, S5) ble funnet mellom FSC-analyse av drivstoffprøver og FSC-verdier avledet fra mengden svovel tilsatt, muligens på grunn av ufullstendig blanding og delvis fordampning av tilsetningsstoffet. For de to B747-flyene og DC10 under POLINAT bestemmes FSC fra SO₂ og CO₂ målinger i plommen med omtrent 30% nøyaktighet [Arnold et al., 1994; Schulte et al., 1997; Schumann et al., 2000a].

[12] Tabell 4 lister opp parametrene under rapporterte flymålinger. Flyet ble hovedsakelig operert i den øvre troposfæren, med eller uten smuss eller ved terskelforhold der det bare ble dannet eller forsvant smuss. Noen av de jagede raske flyene ble operert med reduserte kraftinnstillinger for å la den langsommere Falcon følge på kort avstand.Tabell 4. Atmosfæriske forhold under målinger i løpet av flyet

• en Eksperimentnavn, dato, flynivå (FL, 1 hft = 100 fot = 30,48 m), drivstoffsulfurinnhold (FSC), omgivelsestrykk (p), temperatur (T), relativ fuktighet av væskemetning (RH), ekte lufthastighet V, generell fremdriftseffektivitet η, beregnet contrail terskel temperatur (T_c), og rapporter om hvorvidt en contrail ble sett eller ikke.
• b Drivstoffanalysene (∼ 20 prøver) innebærer en forbrenningsvarme Q = 43,21 ± 0,06 MJ kg^{− 1}, og en hydrogenmassefraksjon på 13,71 ± 0,1% (EI_H2O = 1.225 ± 0.01; EI_CO2 = 3,16 ± 0,005).
• c T_c beregnes for de målte drivstoffegenskapene og den estimerte totale fremdriftseffektiviteten η ved å bruke Schmidt / Appleman-kriteriet med kode tilgjengelig fra http://www.op.dlr.de/ipa/schumann/.

3. resultater

3.1. Visuell observasjon av kontraformasjon uavhengig av FSC under SULFUR 1

[1. 3] Som en test for postulert påvirkning av svovelutslipp på nukleasjon, ble contrail-dannelsen fra ATTAS undersøkt ved bruk av drivstoff med forskjellige FSC-er (2 og 250 ug/g) på de to motorene under samme flytur [Busen og Schumann, 1995]. Kontraildannelse ble observert visuelt fra et annet fly som fulgte på kort avstand og dokumentert i bilder og videoer. Omgivelsestemperatur og luftfuktighet ble trukket fra en nærliggende radiosonde på flynivå. Ved terskelforhold ble det sett at korte kontraster dannes omtrent 30 m bak motorene. Bortsett fra forventet fra tidligere diskusjoner om viktigheten av drivstoffsulfur for partikkeldannelse, avslørte observasjonene, bildene og videoene ingen systematisk forskjell i kontrastene som dannes fra de to motorene.

[ 14 ] Kontrailen dannet seg imidlertid ved en temperatur som var omtrent 2 K varmere enn forventet fra Appleman-kriteriet. Denne forskjellen er ikke forårsaket av svovelutslipp, men av effekter av den totale fremdriftseffektiviteten η ikke inkludert i Appleman-kriteriet [Busen og Schumann, 1995]. Jo høyere verdi på η, jo mindre forbrenningsvarme forlater motorens utgang med eksosen, slik at det kan dannes smuss ved høyere omgivelsestemperatur [Schmidt, 1941]. Verdien av η = VF/(Q m_f) avhenger av flyets hastighet V, skyvekraft F, spesifikk forbrenningsvarme Q, og drivstofforbruk m_f [Schumann, 1996a]. Med (1-η) Q som effektiv forbrenningsvarme, passer Schmidt / Appleman-kriteriet de observerte terskeltemperaturene for smussdannelse til bedre enn 0,5 K (se Tabell 4).

[15] Terskeltemperaturen beregnes under forutsetning av at varme og vanndamp i eksosen blandes godt når motoren forlater, og at plommen når flytende metning lokalt under blanding. Imidlertid slippes vann bare fra kjernemotoren mens varme slippes ut fra både kjernen og bypass av motoren, noe som innebærer ikke-ensartede utgangsforhold. Dessuten forlater en del av forbrenningsvarmen motoren med strålen som kinetisk energi og blir spredt for å varme under blanding av strålen med omgivelsesluft [Schumann, 1996a]. Derfor avviker fuktigheten i plommen litt fra det som forventes i henhold til Schmidt / Appleman-konseptet. En modellberegning for S1-forholdene avdekket en lokal overmettelse av flytende vann på omtrent 7%, nok til å la ferske sotpartikler større enn 30 nm diameter aktiveres og danne vanndråper selv ved terskelforhold [Schumann et al., 1997]. Hvis sot ville bli hydrert før den når flytende metning, kan det dannes smuss ved litt høyere omgivelsestemperatur [Kärcher et al., 1996b]; en 10% lavere kritisk luftfuktighet øker terskeltemperaturen, som vanligvis er under − 40 ° C, med 0,9 til 1,1 K. De flytende dråpene dannet fryser raskt og vokser deretter ytterligere ved vannavsetning på grunn av høy isovermettelse. Homogene nukleerte svovelsyredråper fryser ikke og vokser raskt nok under terskelforhold til å danne en synlig smuss [Kärcher et al., 1995]. Antallet dannede ispartikler må være større enn 10⁴ cm^{− 3} for å produsere en synlig kontrast så tidlig som observert [Kärcher et al., 1996b]. Vanndråpene fryser ved tidsskalaer i størrelsesorden millisekunder og innkvarteringskoeffisienten for vanndampmolekyler på isoverflaten er minst 0,2 for å gi mulighet for partikkelvekst så raskt som observert i dette eksperimentet [Schumann, 1996b].

3.2. Oppdagelse av drivstoffsvovelpåvirkning på partikkeldannelse under SULFUR 2

[16] S2-eksperimentet ble utført for å dekke større FSC-verdier og for å måle egenskapene til partikler dannet som en funksjon av FSC [Schumann et al., 1996]. Igjen ble ATTAS-flyet brukt som eksosdannende fly. Ulike FSC-verdier på 170 og 5500 ug / g ble fremstilt ved å bruke et standarddrivstoff med 170 ug/g i det ene flydrivstofftanken og ved å tilsette dibuthylsulfid til drivstoffet i den andre tanken. Foruten foto- og videoobservasjoner fra nær avstand, ble det foretatt målinger på stedet som flyr Falcon-flyene i kjølvannet av ATTAS i en alder av omtrent 20 sekunder, i høyder mellom 9 og 9,5 km, og temperaturer mellom − 49 ° og − 55 ° C, når den synlige contrail utvidet til omtrent 2 km lengde.

[17] Foruten standardinstrumenter tilgjengelig på Falcon, instrumentene (se Tabell 2) inkluderte to CPC-er med avskjæringsstørrelser på 7 og 18 nm, og en Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe (PCASP) som teller optisk den tørkede aerosolen større 120 nm i diameter etter å ha kommet inn i målesystemene inne i flyet via en “ interstitiell, ” dvs., bakovervendt prøveinntak på toppen av flykroppen utenfor grenselaget, og en Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP-100) fra Particle Measuring Systems Inc. (PMS) montert utenfor flyet på en vingestasjon for partikler større enn 1 μm.

[18] Observasjonene demonstrerte at utslipp av drivstoffsulfur forårsaker målbare og til og med synlige endringer i partikkelegenskapene og smussene. Ved omgivelsestemperaturer 5 K kjøligere enn terskeltemperaturen for kontrastutbrudd, var plommen allerede synlig omtrent 10 m bak motorutgangen for høy FSC, men 15 m bak motorutgangen for lav FSC (se Figur 1c). Under nedstigning gjennom nivået av kontrautbrudd forble den høye svovelkontrailen synlig i litt lavere høyde (25 til 50 m) eller høyere temperatur (0,2 til 0,4 K). Den høyere FSC forårsaket en større optisk tykkelse på kontringen kort tid etter utbruddet. Den høye FSC-smittelen vokste raskere, men fordampet også tidligere enn den lave FSC-smittelen. I plommealder på omtrent 20 s ble hver motorplomme spredt til omtrent 20 m diameter. Plommene inneholdt mange undersynlige partikler. Maksimal tetthet var 30 000 cm^{− 3} for partikler med diameter over 7 nm og 15.000 cm^{− 3} over 18 nm. Partikkelmålingene ved lav FSC indikerer at antall partikler større enn 7 nm målt i plommen hovedsakelig stammet fra utsendte sotpartikler. Antall partikler i dette størrelsesområdet øker med omtrent 25% for partikkel med diameter over 7 nm og med 50% for partikler over 18 nm når FSC økes med en faktor 30. Resultatene antyder at en del av drivstoffsulfur omdannes til svovelsyre som samvirker med sotet. Derfor har svovelsyre en tendens til å “ aktivere ” sotpartikler [Kärcher et al., 1996b]. Anslag på antall, størrelse, og volumet av partiklene avslører at målingene er i samsvar med estimerte sotutslippsindekser (EI) og noe flyktig materiale fra svovel til svovelsyrekonvertering til en fraksjon ε på omtrent 0,4% eller litt større, som antydet av Frenzel og Arnold [1994]. Fargeforskjeller ble observert mellom kontraster dannet fra to motorer som brenner drivstoff med forskjellig FSC, og denne fargeforskjellen kan forklares med mer, men mindre ispartikler for høyere FSC [Gierens og Schumann, 1996].

[19] Resultatene fra S1 og S2 ble brukt til å veilede og teste modellstudier i mange oppfølgingsartikler [Kärcher, 1996, 1998a, 1998b; Kärcher et al., 1996b, 1998a; Brown et al., 1996b, 1997; Gleitsmann og Zellner, 1998a, 1998b, 1999; Konopka og Vogelsberger, 1997; Andronache og Chameides, 1997, 1998; Taleb et al., 1997; Lukachko et al., 1998; Yu og Turco, 1997, 1998a; Jensen et al., 1998a, 1998b; Garnier og Laverdant, 1999; Tremmel og Schumann, 1999; Zaichik et al., 2000; Starik et al., 2002]. Spesielt, Yu og Turco [1998a]viste at målingene kan reproduseres kvantitativt til god tilnærming med en plomme-aerosolmodell under forutsetning av ε = 1,8%, når de inkluderer forbedret koagulering av CIer i modellen. Den relativt sterke økningen av det observerte antall partikler > 18 nm sammenlignet med det > 7 nm er forårsaket av rensing av damper og partikler av ispartikler i den unge contrail som da la aerosolen måles etter fordampning. Den gjenværende sulfat-aerosolakkumuleringsmodus kan bidra til skykondens og iskjerner. Observasjonene og modellstudiene viser at FSC ikke påvirker terskeltemperaturen for smussdannelse, men påvirker det optiske utseendet til contrail.En økning i FSC vil sannsynligvis forårsake mer svovelsyre i plommen og ved en kombinasjon av homogen og sotindusert heterogen som fryser flere partikler som vokser ved vannopptak, fryser, og danne ispartikler [Kärcher et al., 1998a].

3.3. Jordbaserte målinger av gasser og joner under SULFUR 3

[20] Et bakkebasert eksperiment ble utført for å sikre at forskjellene målt mellom venstre og høyre motorens eksosrør stammer fra forskjellige FSC og ikke er forårsaket av motorforskjeller. Videre ble dette eksperimentet brukt til utslippsmålinger veldig nær motorutgangen, inkludert de første massespektrometriske målingene av negative og positive CI-er, og av gassformig H₂SÅ₄ og SÅ₃ i eksosen ved plomme i alderen 6 til 20 ms [Arnold et al., 1998a]. Lignende målinger ble også utført bak en JT9D-7-motor i jet-engine testanlegget til Lufthansa i Hamburg på 18,6 m avstand, 170 ms plysjalder [Arnold et al., 2000].

[ 21 ] EI-ene til NO, NO_x, CO, HC og røyknummeret til ATTAS-motorene ble målt ved bakken ved å bruke instrumenter som tilfredsstiller International Civil Aviation Organization ( ICAO ) standarder [ICAO, 1981]. Prøvene ble tatt bak ATTAS i samme stilling ( senterlinje, 1 m bak motorens utgangskjegle, 1,8 m bak motorens dyseutgang, se Figur 1e) for forskjellige strøminnstillinger og FSC-verdier, se Tabell 5. De målte verdiene viser de samme trendene med kraft som ICAO-dataene, men med 20% høyere EI-er for NO_x og omtrent 50% lavere verdier for CO og HC sammenlignet med verdiene rapportert av ICAO [ 1995 ]. Den nedre EI_CO verdier støttes også av samtidig Fourier transform infrarødt spektrometer (FTIR) målinger utført under S4 ved bakken og under flyging [Haschberger et al., 1997; Heland og Schäfer, 1998]. ICAO [1995] inneholder ingen informasjon om NO / NO_x forhold. Målingene indikerer at omtrent 30 til 50% av NO_x sendes ut som NEI₂; mindre verdier er avledet under cruise fra FTIR-målinger (NO₂/NEI_x forholdet på 12 – 22%) [Haschberger og Lindermeir, 1997]. Uansett, NEI₂/NEI_x brøkdel målt for ATTAS er langt høyere enn for RB211-524-motoren [Schumann, 1995], som avgir mindre enn 5% av alt NO_x som NEI₂, muligens på grunn av høyere forbrenningstemperatur og trykk. Utslippsdataene som er oppnådd bak venstre og høyre vingemotor til ATTAS, og for forskjellige FSC-verdier (med forskjellige mengder tilsetningsstoffer), viser ingen signifikante forskjeller. Derfor er ikke noen forskjell målt i plommene forårsaket av motorforskjeller. Videre har FSC ingen påvisbar innflytelse på de oppførte utslippsindeksverdiene, inkludert røyknummeret. De grunnleggende utslippene inkludert sot ser ut til å være ufravikelige for FSC. Disse målingene har blitt brukt for sammenligning med målinger under flyging av EIer for CO og HC av Slemr et al. [1998, 2001]. Som et resultat er ATTAS-motoren en av de best karakteriserte motorene beskrevet i åpen litteratur, godt egnet for modellering.Tabell 5. Utslippsparametere for ATTAS-motorene på bakken og ved cruise

• en Utslippsindekser (EI) for nitrogenoksider (NO_x) og nitrogenoksid (NO, i masseenheter av NO₂) for karbonmonoksid (CO) og for ikke-metan hydrokarboner (HC, i masseenheter av CH₄); røyknummer (SN); drivstoffstrømningshastighet (m_f); statisk temperatur for kjerneutgang (T_C); bypass exit statisk temperatur (T_B); statisk gasstemperatur (T) målt 1,8 m forbi motorens dyseutgang; kjerneutgangstrålehastighet (V_C), bypass exit speed (V_B), for forskjellige strøminnstillinger i prosent av full effekt på bakken og for observerte cruiseforhold.
• b Markmålinger under SULFUR 3 og 4 bak ATTAS av Motoren og Triebwerk Union (MTU, G. Huster, personlig kommunikasjon, 1995) fra målinger rapportert i ICAOs utslippsdatabase [ICAO, 1995] og fra FTIR-utslippsspektrometri av Fraunhofer-Institut für Atmosphärische Umweltforschung (IFU) [Heland og Schäfer, 1998; J. Heland, personlig kommunikasjon, 1996] og av Haschberger et al. [1997](DLR); og som avledet fra motorens ytelsesdata levert av Rolls-Royce (RR). MTU-verdiene er middelverdier over tre målinger: En fra høyre vingemotor med lav FSC (218 ug / g), en fra venstre vingemotor med lav FSC (218 ug/g), og en fra venstre vingemotor med høy FSC (2800 ug / g), uten signifikante forskjeller og med relative avvik på noen få prosent.
• c Haschberger og Lindermeir [1997].
• d Utvalg av data for forskjellige plummøter fra Slemr et al. [2001].
• e Petzold og Döpelheuer [1998].
• f Motorberegninger for forholdene til S1; for S2, se Schumann et al. [1996].

[ 22 ] Massespektre av negative og positive CIer ble målt ved bruk av et quadrupole Ion Mass Spectrometer ( IOMAS ). Gassformig H₂SÅ₄ og SÅ₃ ble målt ved bruk av et kjemisk ioniseringsmassespektrometer ( CIMS ). For disse målingene føres eksosen gjennom et strømningsrørsystem som inneholder en kapillær ionekilde. Kilden introduserer nitrationer ( stort sett NO₃⁻( HNO₂)_n, n = 0, 1, 2 ) inn i strømningsrøret som reagerer med gassformig H₂SÅ₄ og SÅ₃ til stede i eksosen for å danne HSO₄⁻ ioner og NEI₃ ⁻ SÅ₃⁻ henholdsvis ioner. Analyse av ionesammensetningen i strømningsrøret nedstrøms kilden, antall tetthet av H₂SÅ₄ og SÅ₃ kan bestemmes for gitt reaksjonstid og hastighetskoeffisienter av de respektive ion-molekylreaksjonene. Resultatene viser en total negativ ionkonsentrasjon på mer enn 1,4 × 10⁷ cm^{− 3} i plommealder på rundt 10 ms i eksosen av en jetmotor i bakken [Arnold et al., 1998a]. For lav FSC S^VI konsentrasjonen ble målt som antyder en konverteringsfraksjon ε på 1,2%. For høy FSC dannet det meste av svovelsyre ioner HSO₄⁻ (H₂SÅ₄)_m med m > 1 med masser utenfor området som kan påvises av IOMAS-instrumentet (220 atommasseenheter, amu). Dette funnet initierte nye eksperimenter ved bruk av massespektrometre med større masseområder som beskrevet nedenfor.

3.4. Sammenligning av eksos fra forskjellige fly under SULFUR 4

[ 23 ] For å generalisere resultatene til andre fly, med mer moderne motorer, og for å søke etter svovelsyre i eksosplommen til cruisingfly, det ble organisert et eksperiment der Falcon kunne måle i den unge eksosplumen til en Airbus A310 på cruise ( plomme i alderen 1 – 4 s ), og bak ATTAS med raffinerte instrumenter, ved veldig nær tilnærming ( plommealder 0,5 – 1 s ), for situasjoner med og uten smussdannelse og for et stort spekter av FSC-verdier ( 6 til 2830 ug / g ) [Petzold et al., 1997]. Falconens nære tilnærming til ATTAS- og Airbus-flyene ble muliggjort av Falcon-pilotene etter å ha lært om arten av wake virvelformasjon [Gerz og Holzäpfel, 1999]. Det kan oppnås jevnlige flyforhold på noen posisjoner i vekkevirvelen så nær 25 m (under S6) bak de ledende flyene av ekspertpiloter. Jevn flyging er ikke mulig i en alder av mellom 5 og 20 år når våkne virvler er fullt utviklet og brytes opp i småskala turbulens [Gerz et al., 1998; Holzäpfel et al., 2001].

[24] Under S4 ble nye optiske spektrometre av PMS-type implementert: En PCASP-100 (0,1 – 3 μm tørr diameter) og en FSSP-300 (0,35 – 20 μm), begge montert utenfor Falcon flykroppen. For første gang er spektralfordelingen og variabiliteten til større aerosol- og contrail-iskrystaller i unge eksosrør dokumentert. Gjennomsnittsmodus for iskrystall var lokalisert rundt 1 μm. Partikkelstørrelsesfordelingene viser sterke variasjoner fra plommesenteret til den fortynnede plommekanten. Antallet ispartikler i kontrastene ble funnet å øke med omtrent en faktor 1,3 til 2,7 med kontrastalder. Ved 10 s plysjalder øker antall detekterte partikler med størrelse > 10 nm med en faktor 1,3 for en økning av FSC med en faktor 500.

[25] Det ble ikke funnet noen systematisk forskjell ved lavere plommealder (< 3,3 s) i A310 for forskjellige FSC-verdier. Imidlertid var FSSP-300 opprinnelig designet for lave til moderate aerosolpartikkelkonsentrasjoner med korreksjoner som ble nødvendige over typisk 500 cm^{− 3}. Derfor ble antall ispartikler undervurdert i S4 med mer enn en faktor 2 [Schröder et al., 2000a], og overlater muligheten for en sterkere følsomhet av krystallkonsentrasjoner for FSC.

[26] Sot (svart karbon) EI for ATTAS-motorene ble bestemt fra sotstørrelsesspektre målt ved bakken og under flyging. Konvertert til cruiseforhold med omtrent 50% full effekt, utgjør sotmassen EI 0,15 g kg^{− 1} [Petzold og Döpelheuer, 1998]. Før disse målingene var det forventet en større EI (ca. 0,5 g kg^{− 1} [Schumann et al., 1996]). Målinger av brytningsindeksen for ispartikler ble funnet å være i samsvar med en stor brøkdel av sot som kommer inn i ispartiklene [Kuhn et al., 1998]. Dette ble bekreftet ved is-krystallresumanalyse [Petzold et al., 1998]. Sot samlet på filtre prøvetatt på bakken tett bak motorene inneholdt sulfat. Ionekromatografimålinger indikerte 0,5% konvertering av drivstoffsulfur til sulfat i sotet, med bare en liten avhengighet av innstillingen av motoreffekten. Organisk karbon ble funnet å bidra med opptil 40% til den karbonholdige fraksjonen av sotpartikler ved typiske cruiseforhold [Petzold og Schröder, 1998].

[27] Negative ioner observert med Small Ion-Mass Spectrometer (SIOMAS, en forbedret versjon av IOMAS) inne i plommen til et Airbus A310-fly i flukt i høyder rundt 10,4 km i plommealder på omtrent 2 – 3 s var hovedsakelig HSO₄⁻ (H₂SÅ₄)_m, HSO₄⁻ (HNO₃)_m, og NEI₃⁻ (HNO₃)_m ioner med m ≤ 2 [Arnold et al., 1998b]. Ingen negative CIer fra motoren ble funnet. Det ser ut til at de negative CI-ene vokser raskt og når massetall større enn målt (1100 amu) i en røralder på 3 s. Den øvre grensen for gjennomsnittlig positiv CI-konsentrasjon estimert på basis av målingene var omtrent 3 × 10⁵– 3 × 10⁶ cm^{− 3}. Dette tallet er veldig nær den maksimale mulige ionekonsentrasjonen som er tillatt ved ion-ion-rekombinasjonsprosesser i den unge eksosplommen. Fortynning alene [Schumann et al., 1998] innebærer omtrent 300 ganger større konsentrasjoner ved motorutgang.

[28] Disse målingene oppdaget ikke gassformig H₂SÅ₄ [Arnold et al., 1998b; Petzold et al., 1997]. Bare en øvre grense for den gassformige H₂SÅ₄ konsentrasjon av < 2 × 10⁸ cm^{− 3} kunne fås med SIOMAS. Noen H₂SÅ₄ damp som opprinnelig ble dannet, opplever rask konvertering av gass til partikkel i plommealder < 1,6 s, som forventet av modellresultater [Kärcher et al., 1995].

3.5. Ultrafine aerosoler, joner og svovelsyre oppdaget under SULFUR 5

[29] Rett etter S4 utførte NASA-kolleger lignende eksperimenter under en rekke målinger i SUCCESS-prosjektet i april – Mai 1996 [Toon og Miake-Lye, 1998]. Videre ble de første resultatene rapportert fra SNIF-oppdragene utført bak forskjellige jetfly (MD80, B727, B737, B747, B757, DC8, T-38) i januar – Mai 1996 [Anderson et al., 1998a, 1998b; Cofer et al., 1998]. En sterk økning i antall flyktige partikler med FSC ble funnet i den unge plommen [Miake-Lye et al., 1998]. I den første foreløpige presentasjonen av resultatene fra disse målingene under en konferanse på Virginia Beach i april 1996 ble det antydet at konverteringsfraksjonen kunne nå opp til 70%. Senere publikasjoner om disse eksperimentene konkluderte med ε-verdier på 8 til 15% [Anderson et al., 1998b], 31% (basert på CIMS-målinger av SO₂, analysert FSC av drivstoffet som ble brukt, og in situ CO₂ målinger) [Miake-Lye et al., 1998], 26% [Hagen et al., 1998], og 37% [Pueschel et al., 1998]. CIMS-målingene under SUCCESS bak en B757 indikerte at konverteringsfraksjonen øker fra 6% for lav FSC (72 ug / g) til 31% for høy FSC (676 ug / g). I diskusjonen om forskjellene ble det hevdet at S2-målingene muligens kan undervurdere brøkdelen av ultrafine partikler [Anderson et al., 1998b]. Derfor utførte vi et ytterligere eksperiment med forbedret evne til å måle flyktige og også ikke-flyktige fraksjoner av ultrafine partikler, og svovelsyre i gassfasen og i flytende partikkelfase, se nedenfor.

[ 30 ] Sammenlignet med S4, aerosolprøvetakingssystemet for finmodus ( CPC med d > 5 og 14 nm ) ble hovedsakelig modifisert av en passiv prøvefortynning for å øke det påvisbare partikkelkonsentrasjonsområdet til omtrent 5 × 10⁵ cm^{− 3} [Schröder, 2000]. En oppvarmingsdel ble introdusert for ( alternativt ) fordamper den flyktige aerosolfraksjonen for eksklusiv deteksjon av sotpartikkelnummerdensiteten. Videre en infrarød CO₂ sensor, et frostpunkthygrometer, to forskjellige massespektrometerinstrumenter og dunker for prøvetaking av luftfangst ble lagt til Falcon nyttelast, se Tabell 2.

[31] Falken jaget ATTAS i to høyder og i avstander mellom 70 og 3100 moh. Drivstoff med lav og høy FSC (22 ± 2 og 2700 ± 350 ug / g) ble brukt under forhold med og uten smussdannelse, se Tabell 4.

[32] Aerosolmålinger ble presentert av Schröder et al. [1998]. Sotutslipp viste seg å ikke ha noen betydelig avhengighet av FSC. Det ble gitt bevis for at minst 1/3 av sotpartiklene gikk tapt fra den interstitielle aerosolen. Dermed har sot vært involvert i iskjerneprosessen, muligens i tillegg til frysing av nyopprettede flyktige partikler. For ultrafine (d = 5 – 14 nm) flyktig aerosol, en tydelig økning av de tilsynelatende EI-ene i løpet av den første 10-tallet, illustrere de dynamiske vekstprosessene for nyprodusert aerosol forbi avkjørsel. Videre avslørte S5-målingene forskjeller mellom flyktig partikkeldannelse i og utenfor smidig miljø. I mangel av kontraster når antallet flyktige partikler med diametre > 5 nm¹⁷ kg^{− 1} for høy FSC og når fremdeles 10¹⁶ kg^{− 1}for lav FSC. I kontrast ble ultrafine partikler funnet redusert med betydelige fraksjoner, mest sannsynlig på grunn av rensing av iskrystaller i den aldrende plommen. Det ble observert en klar sammenheng mellom FSC og flyktig partikkelvekst. Størrelsesspektrene er bimodale med mange flyktige partikler for stor FSC i et diameterområde nær 14 nm.

[33] Observasjonene ga viktige data til testmodeller for aerosoldannelse i motorplommer. Modellstudier viste at den observerte veksten av ultrafine partikler ikke kan forklares med klassisk homogen nukleasjonsteori, men er gjengitt i detalj ved en mikrofysisk simulering når CI-utslipp (summen av positive og negative ioner) på 2,6 × 10¹⁷ per kg drivstoff [Kärcher et al., 1998b; Yu et al., 1998]. Modellen forklarer det målte bimodale størrelsesspekteret med forbedret koagulasjon med ladede partikler [Yu og Turco, 1997]. Modusen over 14 nm er resultatet av raskt voksende ladede partikler, mens bare noen få av de nøytrale partiklene vokser til den oppdagede størrelsen på > 5 nm diameter. For høy FSC er det flyktige materialet i samsvar med en drivstoffsulfur til H₂SÅ₄ konverteringsfraksjon ε på 1,8%. For lav FSC (22 ug / g) vil det være nødvendig med en urealistisk høy konvertering på 55% for å forklare det målte flyktige materialet. Det ble antydet at en del av det flyktige materialet er resultatet av kondensbare eksos-hydrokarboner. Ytterligere støtte for denne konklusjonen ble gitt i en oppfølgingsstudie av Yu et al. [1999].

[34] Total konsentrasjoner av svovelsyre (gass pluss aerosol) fra motorens eksos ble for første gang direkte målt i eksosplommen til et jetfly under flyging med Volatile Aerosols Component Analyzer (VACA) [Curtius et al., 1998; Curtius og Arnold, 2001]. Instrumentet består av et bakovervendt prøveinntak, et oppvarmet strømningsrør (90 ° – 120 ° C), en ionekilde som injiserer nitrationer for kjemisk ioniserende svovelsyre, og et quadrupole massespektrometer for å oppdage ionene. Varmeren fordamper de flyktige komponentene i små aerosolpartikler som kommer inn i instrumentet. Deteksjonsgrensen for H₂SÅ₄ konsentrasjon er 10⁷ cm^{− 3}. På grunn av en rekke tapsprosesser oppnådde H₂SÅ₄ konsentrasjoner blir sett på som lavere grenseverdier. Målingene ble verifisert under en første flyging ved å injisere svovelsyre direkte i eksosstrålen ved motorutgang og måle den i den gamle plommen. Massespektrene oppnådd i eksosen av svovelfattig drivstoff under den andre S5-flyvningen skilte seg ikke fra bakgrunnsspektrene som bare viser de reaktante ionene NO₃⁻ (HNO₃)_m med m = 0 og 1. For det svovelrike drivstoffet viser spektrene imidlertid klare signaturer av svovelsyre: HSO₄⁻, HSO₄⁻ (HNO₃), og HSO₄⁻ (H₂SÅ₄), henholdsvis 97, 160 og 195 amu. H₂SÅ₄ konsentrasjon nådde verdier så høye som 1500 pmol mol^{− 1} (bakgrunn: 10 – 50 pmol mol^{− 1}) og var nært korrelert med temperaturøkning og CO₂ blandingsforhold, se Figur 2. En konverteringsfraksjon av drivstoffsulfur til H₂SÅ₄ på minst 0,34% ble trukket fra disse dataene [Curtius et al., 1998].

[35] Hvis konverteringsfraksjonen vil være den samme for de lave som for den høye FSC, er den forventede økningen under 12 pmol mol^{− 1} selv for veldig unge plysjalder. Under penetrasjoner av den svovelfattige plommen økte ikke svovelsyrekonsentrasjonen betydelig over det lokale atmosfæriske bakgrunnsnivået fra 15 til 50 pmol mol^{− 1}. Et signal burde vært synlig hvis konverteringsfraksjonen ved lav FSC ville være 2,5 ganger større enn ved høy FSC. Følgelig var omregningskursen ved lav FSC < 2,5 verdien ved høy FSC [Curtius et al., 1998]. Hvis den øvre grensen for ε er 1,8% ved høy FSC, som utledet fra å matche de målte aerosolnummerkonsentrasjonene med d > 5 nm og d > 14 nm med aerosolmodeller inkludert CIer [Yu og Turco, 1998a; Kärcher et al., 1998b; Yu et al., 1998], er en øvre grense ved lav FSC for ATTAS 4,5%. Denne verdien er ikke langt unna verdien 6% beregnet av Brown et al. [1996b] for ATTAS-motorene på lav FSC.

[36] I den første S5-flyvningen et ytterligere instrument (Large Ion-Mass Spectrometer, LIOMAS) ble fløyet på Falcon for å måle gassformige negative ioner i eksosplommen til ATTAS jetfly under flyging [Arnold et al., 1999]. Det ble funnet at langt de fleste av de negative ionene hadde massetall > 450 amu og antall tettheter som markant overskred antall tettheter i omgivelsesatmosfære ioner. De store konsentrasjonene som er målt antyder at de massive ionene som ble observert inne i plommen stammer fra CIer i jetmotorene. Resultatene for den lave FSC antyder at de massive ionene i det minste delvis består av andre arter enn svovelsyre. Den målte antall tetthet av ioner falt raskere enn forventet fra fortynning. En total negativ ionkonsentrasjon på > 5 × 10⁴ cm^{− 3} for en plysjalder på 1 s ble utledet. De målte dataene representerer lavere grenser på grunn av delvis tap av ionene på veggene i prøvetakingsrørene, og fra veksten av ladede partikler utover størrelsen som kan påvises av instrumentet [Arnold et al., 1999; Wohlfrom et al., 2000].

3.6. Ultrafine partikkel- og ionkomposisjon og størrelsesfordeling under SULFUR 6

[37] De forrige målingene ga mye fremgang med å identifisere antall ultrafine partikler, men størrelsesspekteret av partikler var fremdeles dårlig definert på grunn av manglende kontinuitet fra de minste klyngene til partiklene som kan måles optisk i størrelser ∼ 100 nm og større. Videre avslørte første målinger med et nytt LIOMAS-instrument overraskende store ioner i eksosplumen til DC8 (0,5 til 1,5 s plysjalder) under POLINAT 2-eksperimentet. Gassformig H₂SÅ₄ ble i tillegg oppdaget av SIOMAS i eksosplumen til DC8 (ca. 3 × 10⁹ cm^{− 3} i 1 s plysjalder), muligens på grunn av den mindre plysjalderen sammenlignet med A310-saken (detaljer som skal beskrives andre steder).

[38] Derfor ble S6 fremført. Målekonseptet forble i utgangspunktet uendret sammenlignet med S5. Den alternative driftsdelen av CPC-ene (d > 14 nm) ble erstattet av en parallell overvåking av den ikke-flyktige aerosolfraksjonen med d > 10 nm og stor innsats ble brukt for å oppnå en mer detaljert størrelsesoppløsning for kjerner og aerosoler i Aitken-modus. Videre ble et sotfotometer og et nephelometer integrert for en uavhengig bestemmelse av aerosolabsorpsjonen og spredningskoeffisientene. FSSP-300 ble modifisert for påvisning av iskrystallkonsentrasjoner større enn 5000 cm^{− 3} ved ytterligere overvåking av sondens elektroniske “ aktivitet ” for å bestemme og korrigere for den faktiske dødtidsfraksjonen under målingen [Schröder et al., 2000a]. For første gang ble partikkelstørrelsesfordelingene fra 3 til 60 nm diameter bestemt ved bruk av et utvidet sett med 10 CPC-er som ble operert parallelt med suksessivt økende deteksjonsgrenser for lavere størrelse (Tabell 2). Ved normalisering med samtidig målt CO₂ konsentrasjoner en tilsynelatende partikkelutslippsindeks (PEI) ble bestemt [Brock et al., 2000; Schröder et al., 2000b]. Videre et forbedret LIOMAS-instrument med økt masseområde (1 – 8500 amu) [Wohlfrom et al., 2000] og et forbedret VACA-instrument ble utstyrt med reduserte overflater i det interne varmesystemet som reduserte mulige tap av vegger, og instrumentet ble kalibrert med svovelsyre / vann-aerosolpartikler i laboratoriet [Curtius og Arnold, 2001].

[ 39 ] Målinger in situ ble utført i cruisehøyder bak ATTAS og et B737-fly. Målinger ble foretatt 0,15 – 20 s etter utslipp da kildeflyet brant drivstoff med forskjellige FSC-er, se Tabell 4. Målinger av ultrafine aerosolpartikler viste at ikke-sotpartikler var til stede i høye konsentrasjoner [Schröder et al., 2000b; Brock et al., 2000]. Det faktisk oppdagede antall partikler som er dannet tilsvarer partikkel EIer som overstiger 1 × 10¹⁷ kg^{− 1} og 2 × 10¹⁶ kg^{− 1} for henholdsvis partikler > 3 nm og > 5 nm. Følgelig ble de sanne konsentrasjonene av flyktige aerosoler (inkludert fraksjonen under 3 nm) estimert til å overstige 2 × 10¹⁷ kg^{− 1}. Flyktige partikkelutslipp endret seg ikke nevneverdig med FSC da FSC ble redusert under 100 ug / g. De målte partikkelutslippene øker med plysjalder. Partikkelnummerkonsentrasjonene er mye mindre (med omtrent en faktor 4 – 8) i plommer ved omgivelsesforhold der det dannes smuss enn i plommer uten smuss. Eksperimentene gir igjen klare indikasjoner på at ikke-sulfatforbindelser, mest sannsynlig kondensable hydrokarboner, begynner å dominere den flyktige partikkelkomposisjonen da FSC synker under omtrent 100 ug / g. EI for flyktige partikler er bare svakt avhengig av motortypen.

[40] I tillegg til resultatene fra S4 og S5, ble S6 brukt til å bestemme utslippene av sot (ikke-flyktige partikler) fra ATTAS, A310 og B737 [Petzold et al., 1999]. Sotnummerdensitet varierte fra 3,5 × 10¹⁴ (B737) til 1,7 × 10¹⁵ kg^{− 1} (ATTAS), med tilsvarende masse EI på 0,011 g kg^{− 1} til 0,1 g kg^{− 1}. Kombinasjonen av sotfotometer og integrerende nephelometer viste en aerosol-enkeltspredende albedo på omtrent 1 utenfor plommen og < 0,01 inne i plommen som tydelig indikerte at den desidert største brøkdelen av utsendte partikler er sammensatt av svart karbon. I tillegg ga sotfotometeret for første gang en direkte måling under flyging av den utsendte sotmassen som stemte veldig godt med sotmassekonsentrasjoner beregnet fra målte størrelsesfordelinger [Petzold et al., 1999].

[41] En ny korrelasjonsmetode ble satt opp for å estimere masse-EI-ene basert på tilgjengelige bakkemålinger. De målte og beregnede verdiene er enige om omtrent 10% ved cruiseforhold. Korrelasjonsmetoden ble brukt for å estimere gjennomsnittlig EI for sot av den globalt opererende flyflåten fra 1992 til å være 0,038 g kg^{− 1} [Petzold et al., 1999].

[42] Iskrystallkonsentrasjoner i unge kontraster ble målt med den forbedrede FSSP-300 for å nå 4 × 10⁴ cm^{− 3} og 8 – 10 × 10⁴ cm^{− 3} for B737 (plommealder 0,4 s, FSC = 2,6 ug / g) og ATTAS (1 og 20 s, 2,6 og 118 ug / g). Resultatene ble bekreftet ved ekstrapolering av målinger utført på større avstander og tilsvarer PEI på 3,6 × og 15 × 10¹⁴ kg^{− 1} med omtrent 50% usikkerhet.

[43] Totale svovelsyrekonsentrasjoner ble målt bak B737 med massespektrometerinstrumentet VACA i den veldig unge plommen (> 0,15 s). Dessverre var de øvre FSC-verdiene for drivstoffene som ble levert på flyplassen i München (56 ug / g) ganske små. Svovelsyre (opptil 8 × 10⁹ cm^{− 3} eller omtrent 600 pmol mol^{− 1}) produsert av drivstoffsulfur ble påvist da motorene brente drivstoff med FSC = 56 ug / g, men for den ekstremt lave FSC = 2,6 ug/g litt forbedret (med hensyn til bakgrunnen) H₂SÅ₄ konsentrasjon ble bare registrert på kortest avstand. Fra samtidig CO₂ og H₂SÅ₄ måler en konverteringsfraksjon av drivstoffsulfur til H₂SÅ₄ av ε = 3,3 ± 1,8% ble trukket ut for FSC = 56 ug / g [Curtius et al., 2002]. ε-verdien er større enn den nedre grensen på 0,34% for ATTAS, muligens på grunn av den forskjellige motoren (se nedenfor). Imidlertid resulterer den større verdien også på grunn av reduserte og kalibreringskorrigerte tap av innløpsvegg. Dette er den første absolutte og direkte målingen av konverteringsfraksjonen av drivstoffsulfur i eksosplommen til et fly. Den direkte metoden anses å gi resultater som er mer pålitelige enn de som indirekte stammer fra aerosoldata.

[44] Til sammenligning, hvis den flyktige aerosolen bare inneholder H₂SÅ₄ og H₂O, Brock et al. [2000] avledet 2,4 ± 0,8% konvertering fra aerosolstørrelsesfordelingen i diameterområdet 3 til 10 nm ved plomme i alderen 0,4 til 0,6 s. På bakgrunn av observert vekst av partikler med plommealder forventet de 2 – 3 ganger større verdier i den modne plommen. En analyse av CPC-dataene med modellen etter Kärcher et al. [2000] (beskrevet nedenfor) antyder enda større (faktor 10) økning i aerosolvolum med 3 s plysjalder, slik at dette ikke kan brukes til å utlede en realistisk øvre grense for ε.

[45] Både negative og positive CI-er ble målt med LIOMAS under flukt i plommen til ATTAS i plommealder 0,6 og 6,2 s [Wohlfrom et al., 2000]. Massive ioner ble påvist med et quadrupole massespektrometer med høy følsomhet og lav massediskriminering. Den drives i en integrert høypass-modus der alle ioner over en lavere avskjæringsmasse passerer quadrupole stangsystemet og blir oppdaget av en kanalelektronmultiplikator; skanning av avskjæringsmassen resulterer i et integrert massespekter. CI-massefordelinger ble oppnådd for massetall opp til 8500 amu, og i tillegg ble det totale antall CI-er som overskrider denne størrelsesgrensen bestemt.

[46] Både positive og negative CI-er ble funnet å være veldig massive selv når nesten svovelfritt drivstoff ble brent i ATTAS-motorene (FSC på 2 ug / g). Observerte positive CI-er har en mindre middelmasse sammenlignet med negative CI-er. De rå CI-dataene er CI-teller i vilkårlige enheter. Dataene ble normalisert for å passe til størrelsesspektrene avledet fra CPC-tellere, se Figur 3. De normaliserte CI-dataene utvider partikkelstørrelsesspektrene til området under 3 nm, den for tiden laveste påvisbare partikkelstørrelsen for CPC-er. Partikkelfordelingens spektrale form målt ved CPC-er [Schröder et al., 2000b] og oppdaget av IOMAS [Wohlfrom et al., 2000] for første gang løse hovedmodusposisjonen nær 3 nm diameter. De positive CI-konsentrasjonene har et maksimum nær d = 1,5 nm. Størrelsesfordelingen på positive ioner var lik for to FSC-verdier (2 og 118 ug / g), mens størrelsesfordelingen for de negative CI-ene ble forskjøvet mot større størrelser. For FSC = 118 ug / g ser det ut til at et betydelig antall av ionebestanden er større enn 2,8 nm [Wohlfrom et al., 2000]. Lignende oppførsel ble modellert i detaljerte numeriske simuleringer [Yu et al., 1999]. I bakkebaserte målinger ble det ikke observert noen signifikant CI-vekst da FSC ble hevet fra 2 til 66 ug / g [Kiendler et al., 2001]. Selv om de positive CI-ene ikke vokser sterkt fra svovel, men mer sannsynlig fra hydrokarboner med lav flyktighet, vokser de negative CI-ene med økende FSC. CIer er også til stede i størrelsesområdet målt med CPC-er.

[47] Sammensetningsmålinger av negative og positive CIer ble gjort av et nytt firedoblet ionfelle massespektrometer. Målinger ble tatt bak ATTAS og andre jetmotorer på bakken og over en parafinbrennerflamme i laboratoriet av Kiendler et al. [2000a, 2000b]. Entydig massebestemmelse og identifisering av ioners kjemiske natur ble utført. Målingene indikerer at svovelsyre ikke har en tendens til å kondensere sterkt på positive ioner, og at positive ioner i flyets jetmotoreksos inneholder fortrinnsvis organiske molekyler [Kiendler et al., 2000b]. Dette er i samsvar med modellforutsetninger [Yu et al., 1999].

[48] Totale positive CI-konsentrasjoner i ATTAS-motorens eksos ved bakken ble målt [Arnold et al., 2000] ved hjelp av en elektrostatisk sonde (Gerdien-kondensator). For en plysjalder på 12 ms, 1,4 m bak motorutgangen, var den positive ionekonsentrasjonen 1,6 × 10⁸ cm^{− 3}. Antall positive ioner avtar raskt med økende plysjalder, men er uavhengig av FSC. Når både ion-ion-rekombinasjon og plumefortynning tas i betraktning, ser det ut til at den opprinnelige ionekonsentrasjonen ved motorens utgangsplan er omtrent 1 × 10⁹ cm^{− 3}, tilsvarende et CI-nummer EI på omtrent 10¹⁷ kg^{− 1} [Arnold et al., 2000]. En mer detaljert modellanalyse av Sorokin og Mirabel [2001] finner for de samme dataene en maksimal konsentrasjon for de positive og negative ionene ved motorutgang ved bakken på 0,8 × 10⁹ cm^{– 3} med en usikkerhet på ± 30%, som ikke er vesentlig forskjellig fra ovennevnte 1 × 10⁹ cm^{– 3}. Man må merke seg at ionekonsentrasjonen sannsynligvis vil være mye større ved forbrenningens utgang enn ved motorutgang [Starik et al., 2002].

3.7. Motorteknologipåvirkning på kontraster og partikler i SULFUR 7

[ 49 ] Det siste S7-eksperimentet ble utført for å teste påvirkningen av motorens effektivitet på smussdannelse. En slik innflytelse ble forventet basert på S1 og i mellomtiden trukket fra mange individuelle kontraobservasjoner under POLINAT og SUCCESS [Jensen et al., 1998a; Kärcher et al., 1998a; Schumann, 2000], men direkte bevis for forskjellig kontraformasjon fra to fly med ulik motoreffektivitet manglet. I eksperimentet ble det observert contrail-dannelse bak to firemotors jetfly med forskjellige motorer som flyr vinge for vinge. De to kontrastdannende flyene var en Boeing B707 og en Airbus A340. De to flyene ble valgt for denne testen fordi de moderne A340-motorene gir betydelig høyere motoreffektivitet enn de for eldre B707 med lavere bypass og trykkforhold, se Tabell 3. Et høydeområde eksisterer, se Figur 1d, der flyet med høy motoreffektivitet forårsaker kontringer, mens det andre flyet med lavere motoreffektivitet forårsaker ingen [Schumann et al., 2000b]. Tabell 4viser at alle kontraster ble observert i nær samsvar med Schmidt / Appleman-kriteriet.

[50] Aerosolmålingene i de unge plommene på A340 (Tabell 4, nær flynivå 314) og B707 (310) med typiske FSC-verdier (380 og 120 ug / g) og ved ikke-kontraildannende forhold, ved tett separasjon (70 til 140 m; bestemt fra bilder, se Figur 1f) avsløre sterke forskjeller, se Figur 4. Antall ikke-flyktige (hovedsakelig sot) partikkelutslipp er omtrent 1 størrelsesorden større for B707 enn for A340, se Tabell 6. Dataene i denne tabellen er basert på hendelser med topp plommekonsentrasjon ( 12 – 15 i antall ) inne i den unge plommen, med typisk ± 30% usikkerhet. Volumstørrelsesspekteret til B707 domineres av partikler målt med PCASP. Partiklenes optiske egenskaper og volumspektrene er avledet under forutsetning av sfæriske sotpartikler som kan diskuteres. Sotmassen EI bestemt av disse dataene, se Tabell 7, vis en trend mot mindre sotutslipp med mer moderne motorteknologi. Antall flyktige partikkelutslipp påvist med diameter > 5 nm ( flertallet konsentrert i kjernemodusområdet ) skilte seg enda mer ut og på motsatt måte, se Figur 4 og Tabell 6. Overflate- og volumtettheten avviker også sterkt, se Tabell 6. Det tilgjengelige aerosoloverflaten hos de unge, noncontrail plomme er bundet til det nedre akkumuleringsmodusområdet rundt 100 nm diameter for B707-saken, men bredt forskjøvet i Aitken-modus ( ~ 50 nm ) for A340-saken. PEI for A340 er omtrent 10 ganger større enn for B707, se Tabell 8. Forskjellene i motorene følger med forskjeller i EI for CO som vi målte under disse flyvningene: A340, 1,9 g kg^{− 1}; B707, 14,4 g kg^{− 1}. Mens de gamle motorene avgir flere aerosoler etter masse, bidrar de moderne motorene med et større antall ( ultrafine ) partikler.

Tabell 6. Aerosolkonsentrasjoner i den unge plommen bak A340 og B707 fly under S7, og i bakgrunnen øvre troposfære

• en Konsentrasjoner per volumenhet; antall i parentes angir bidragene fra partikler målt med PCASP; estimert plommealder 0,4 til 0,8 s; konsentrasjoner er gitt for plommeforhold med fortynningsfaktor 5000, basert på temperatur og fuktighet øker målt i plommen. Usikkerheten er vanligvis ± 30%. Det totale antall konsentrasjoner av partikler med d > 5 nm bak A340 kan nå så høyt som 10⁷ cm^{− 3} fordi CPC-telleren av typen TSI 3760A brukt var nær metning (tilfeldighetskorreksjon inkludert).

Tabell 7. Sotmasse- og nummerutslippsindekser ved cruise- og røyknumre^en

• en EI_sot og PEI_sot: sotmasse og antall utslippsindekser per enhetsmasse brent drivstoff; røyknummer (SN) ved to effektinnstillinger fra ICAO [1995] så langt tilgjengelig; data for ATTAS, A310 og B737 fra Petzold et al. [1999]; for B747 og DC10 fra målinger utført av University of Missouri-Rolla [Schumann et al., 2000a]; B707 og A340 fra dette arbeidet. EI_sot verdier er avledet ved å montere bimodale lognormale distribusjoner til PCASP og de ikke-flyktige CPC-dataene, se Figur 4 [Petzold et al., 1999].

Tabell 8. Konvertering Fraksjon av drivstoffsvovel til svovelsyre og partikkelnummerutslippsindekser fra forskjellige studier^en

• en Tabellen er bestilt av drivstoffsulfurinnhold (FSC); ε = konvertering molfraksjon, d = avskjæringsdiameter, PEI_sot og PEI_totalt = utslippsindeks for partikkelnummer for ikke-flyktige eller “ sot ” partikler og totale (inkludert flyktige) partikler per enhetsmasse brent. Verdier i parentes angir det mulige spekteret av resultater fra eksperimentene.
• b Beregnet fra partikkelvolum og antar at partiklene utelukkende er sammensatt av svovelsyre og vann, betegnet med epsilonstjerne i teksten.
• c Verdiene avledet fra DMA og slaginstrumenter avviker fra CPC-dataene, muligens på grunn av tap av innløpsvegg, andre avskjæringsstørrelser eller mindre innsamlingseffektivitet.

[51] Hvis man antar at det flyktige materialet bare er sammensatt av svovelsyre og vann, er en volumtetthet v av flyktig aerosol (Tabell 6) ville innebære en konverteringsfraksjon ε * = ρ_syrevx_syreN 32 / (98 FSC ρ), med syretetthet ρ_syre = 1,8 g cm^{− 3}, syremassefraksjon x_syre = 0,92, lufttetthet ρ og fortynningsfaktor N = 5000. Dette gir ε * = 1,6, 22 og 25% for A340 og 0,4, 21 og > 100% for B707, avhengig av om man beregner volumet bare fra antall flyktige partikler som er talt med CPC-ene og deres avskjæringsdiametre på 5 og 14 nm, eller tar verdiene avledet fra volumfordelingen som er oppført i Tabell 6 uten eller med volumet målt med PCASP. Maksimumsverdiene er tydelig urealistiske. Disse hensynene viser det store usikkerhetsområdet for slike estimater.

[52] Målingene under flyging i våkner av A340- og B707-flyene med LIOMAS-instrumentet bekreftet at allerede 70 til 140 m bak motoren, 50 – 60% av de negative CI-ene som ble dannet under forbrenning, har vokst til masser på mer enn 8500 amu, spesielt for A340.

4. diskusjon

4.1. Drivstoffsvovel til svovelsyrekonvertering Fraksjon

[53] Konverteringsfraksjoner ε (per molekyl) avledet fra SULFUR-eksperimentene, samt fra SUCCESS (målinger bak en B757 [Miake-Lye et al., 1998]), Concorde [Fahey et al., 1995], fra Lufthansa bakkeprøveanlegg [Frenzel og Arnold, 1994], og fra POLINAT 2 [Schumann et al., 2000a] er samlet i Tabell 8. Tabellen samler inn dataene for forskjellige lavere avskjæringsstørrelser av partikkel tellere, plommealder fra 0,15 til 3360 s, FSC-verdier fra 2,6 til 5500 ug / g, forskjellige instrumentteknikker, forskjellige metoder for indirekte å utlede ε-verdier, og forskjellige fly / motorkombinasjoner på cruise eller på bakken. Tabellen strekker seg en lignende Brock et al. [2000].

[54] De eneste direkte målingene av svovelsyre i eksosplommen til cruisefly er de som er oppnådd for ATTAS- og B737-flyene. Målingene bak ATTAS avslører en omdannelse av drivstoffsulfur til svovelsyre med fraksjon ε > 0,34% [Curtius et al., 1998], i samsvar med direkte målinger på bakken under S3 (ε = 1,2%, ved FSC på 212 ug / g) [Arnold et al., 1998a], og i samsvar med det tidlige resultatet (ε > 0,4%) målt ved bakken av Frenzel og Arnold [1994]. Mengden flyktig materiale funnet ved høy FSC antyder ε < 1,8% [Yu og Turco, 1998a; Kärcher et al., 1998b; Yu et al., 1998], og de kombinerte VACA / CPC-funnene innebærer ε < 4,5% ved lav FSC for ATTAS. For B737 måles ε til å være 3,3 ± 1,8% for den ganske lave FSC på 56 ug / g [Curtius et al., 2002].

[ 55 ] Ellers er de listede tilsynelatende ε-verdiene ( betegnet med ε * ) avledet fra flyktige partikkelvolummålinger i den unge eksosplumen for forskjellige FSC-verdier. For lave FSC-verdier innebærer noen av resultatene ε * > 50%. Aerosoldata med lav svovel målt bak ATTAS ville innebære enda større ε * -fraksjoner enn avledet andre steder, og resultatene for B707 og A340 er innenfor samme område som SUCCESS-resultatene [Toon og Miake-Lye, 1998]. Slike store konverteringseffektivitet kan ikke forklares med svovelsyredannelse med modellberegninger for rimelige motorutslipp [Brown et al., 1996b; Lukachko et al., 1998; Tremmel og Schumann, 1999; Miake-Lye et al., 2001; Starik et al., 2002], og er heller ikke i samsvar med målinger på bakken [Arnold et al., 1998a; Hunton et al., 2000]. Den aerosolavledede ε * avhenger sterkt av avskjæringsdiameteren d over som mer enn 50% av partiklene telles; på muligens en forbedret tellesffektivitet for ladede klynger; på bredden av detektorstørrelsesfølsomheten, spesielt for små d; på formen til aerosolnummerspekteret som brettes med detektorens følsomhetsfunksjon; på veggtap av små eller veldig store partikler i innløpet [Cofer et al., 1998], muligens med forbedrede veggtap for ladede partikler; og på berikelseseffekter på grunn av ikke-isokinetisk prøvetaking av rester av ispartikler. En usikkerhet på 21% i d, som kan forventes [Wilson et al., 1983; Brock et al., 2000; Schröder et al., 2000b], innebærer 50% usikkerhet i ε*. Variasjoner i partikkelens motfølsomhet og aerosolspektrum kan forårsake opptil 50% usikkerhet i ε * for d < 10 nm hvis ikke nøye korrigert [Brock et al., 2000]. Deteksjonsfølsomheten til en CPC for ladede molekylklynger er ukjent [Yu og Turco, 1998b]. En stor berikelse av rester fra iskrystaller større enn ca. 1 μm kan ikke utelukkes hvis det brukes fremtidsrettede aerosolinntak [Konopka et al., 1997]. Av samme grunn teller ikke det interstitielle aerosolinnløpet den flyktige aerosolen som er inneholdt i smussispartikler [Schröder et al., 2000b]. Brock et al. [2000] konkluderte med en relativ usikkerhet på ± 38% for ε * -verdiene avledet for B737 ved FSC = 56 ug / g, inkludert usikkerheter i FSC. Ellers må det antas at mye av spredningen i de rapporterte ε * -verdiene skyldes usikkerheter hovedsakelig med hensyn til partikkelkomposisjon.

[56] Den sterke økningen i aerosolavledet ε * for små FSC-verdier indikerer at andre kondensbare gasser enn svovelsyre bidrar til dannelse av flyktige partikler i den unge eksosplommen, som opprinnelig antydet av oss under paneldiskusjonen på International Colloquium “ Impact of Aircraft Emissions Upon the Atmosphere, ” Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatial (ONERA), Chatillon, Paris, 15 – 18. oktober 1996. Forutsetningen ble introdusert for å gi en forklaring på den store svovelkonverteringsfraksjonen ε rapportert av Fahey et al. [1995] fra Concorde-målingene. Disse målingene kan bare forklares under forutsetning av at en stor brøkdel av drivstoffsulfur (25 til 60%) blir konvertert til S^VI (H₂SÅ₄ + SÅ₃), allerede før du forlater motorutgangen [Danilin et al., 1997; Kärcher og Fahey, 1997; Yu og Turco, 1998b]. Alternative forklaringer når det gjelder CIer [Yu og Turco, 1997, 1998b] eller oksidasjon til S^VI i plommen av noen “ ukjent ” kjemi [Danilin et al., 1997] kunne ikke forklare den store mengden flyktig materiale som ble funnet bak Concorde og i unge eksosrør. Med tanke på målte OH-konsentrasjoner dannet i plommen hovedsakelig ved fotolyse av lystsyre [Hanisco et al., 1997] og nye laboratorieundersøkelser, større svoveloksidasjon i den aldrende plommen kan utelukkes [Rattigan et al., 2000]. En innsats utført av Konopka et al. [1997] å utlede svovelsyreinnholdet i flyktige partikler fra det målte partikkelstørrelsesspektre oppnådd under POLINAT indikerte at til og med 100% konvertering fra drivstoffsulfur ville ikke være tilstrekkelig for å forklare det målte volumet av flyktig materiale i eksos-aerosoler i noen tilfeller, men overprøvetaking av ispartikler som inneholder flyktige partikler kunne ikke utelukkes. Disse diskusjonene motiverte studier til å se etter hydrokarboner med lav flyktighet, muligens inkludert aldehyder, alkener og alkynes [Kärcher et al., 1998b; Yu et al., 1999]. Organisk materiale ble målt i sot av Petzold og Schröder [1998]. Bevis for eksistensen av organiske materialklynger i eksosen er gitt av “ OHC ioner ” som inneholder C- og H-atomer og delvis også O-atomer i negative CIer målt ved Kiendler et al. [2000a].

[57] Motorkjemimodeller innebærer en reduksjon på ε med voksende FSC på grunn av den endelige mengden oksiderende radikaler som er tilgjengelige ved forbrenningens utgang. For ATTAS-motoren, Brown et al. [1996b] beregnet ε = 6% og 1% for FSC = 2 og 5400 ug / g, veldig nær de øvre grensene avledet for ε i denne artikkelen. Andre studier [Lukachko et al., 1998; Tremmel og Schumann, 1999; Starik et al., 2002] utledet en svakere avhengighet av FSC. De fleste flyktige aerosoldata antyder en sterk nedgang på ε * med økende FSC, men dette kan være misvisende på grunn av mulige organiske komponenter. Økningen i konverteringsfraksjon med FSC avledet fra SO₂, CO₂, og FSC-data [Miake-Lye et al., 1998] er sannsynligvis en gjenstand på grunn av problemer med å måle FSC, og presisjonen til SO₂ og CO₂ data tillater ikke å bestemme den ikke-målte S^VI brøkdel som en rest for konverteringsfraksjonsverdier under 10 til 20% [Hunton et al., 2000].

[58] ATTAS ε * -verdiene på 55 og 1,8% for 20 og 2700 ug / g FSC kunne forenes med ε * på 1,4% og 40 ug / g avgitt kondensert organisk materiale, men andre ε * − FSC-datapar vil innebære forskjellige mengder organisk materiale fra 1 til 400 ug / g (med maksimal beregnet for Concorde) for den samme konverteringsfraksjonen.

[59] Svovelkonverteringsfraksjonen ε kan avhenge av motoren og dens driftstilstand. En motorkjemimodell [Tremmel og Schumann, 1999] har blitt brukt for å beregne ε for de termodynamiske forholdene til ATTAS- og B737-motorene under S5 og S6. Simuleringene (se Tabell 9) gi ε = 3,4 – 3,7% for ATTAS-motoren og ε = 5,6 – 5,9% for B737 (FSC = 100 ug / g i begge tilfeller). De beregnede verdiene er innenfor området målte verdier og viser samme trend. ε-verdien er høyere for B737-motoren enn for ATTAS på grunn av høyere temperatur og trykk bak forbrenningsovnen. Modellen brukes med en foreskrevet eksponentiell temperatur og trykknedgang med tiden fra forbrenningsutgang til motorutgang montert på motordata. Med en annen modell og for en annen motor (RB211-524B, trykkforhold 28) med enda høyere utløpstrykk og temperatur, Starik et al. [2002], se Tabell 9, beregne ε opptil 10%, og bekreft økningen av ε med forbrenningstrykk og temperatur. Dette støttes videre av en analyse av S^VI dannelse som en funksjon av trykk og temperatur i en likevektsmodell [Miake-Lye et al., 2001]. Faktoren 6 til 18 større antall flyktige partikler større 5 nm målt bak A340 sammenlignet med B707 (se Tabell 6 og 8) antyder også sterkt at ε er større for motorene i A340 med høyt trykkforhold sammenlignet med de fra eldre B707. Parametrene til Concorde-motorene (Olympus 593 Mk610) [Deidewig, 1998] er mellom B737-motoren og RB 211 (trykkforhold 10.6, forbrenningstrykk og temperatur 9000 hPa og 1430 K, ingen bypass, generell fremdriftseffektivitet 0,4 ved cruise med Mach 2, og maksimalt røyknummer i bakken uten etterbrenner på 26,4). Som nevnt tidligere, ble noen av hurtigflyene som ble jaget av Falcon operert med reduserte strøminnstillinger. Derfor kan ikke muligheten for større verdier for visse motorer og driftsforhold, med høyere forbrenningstrykk, utelukkes fra målingene.Tabell 9. Beregnede motorparametere og konverteringsfraksjoner ε Sammenlignet med målinger

• en Tilfeller ATTAS og B737 fra G. Tremmel ( personlig kommunikasjon, 1999 ); sak B747 fra Starik et al. [ 2002 ].

[60] En konvertering av ε gir en tilsvarende H₂SÅ₄-utslippsindeks ε × FSC × 98/32, der 98/32 er molekylvektforholdet for H₂SÅ₄ og S. For ε = 3% og en typisk FSC = 400 μg / g oppnår man en ekvivalent EI (H₂SÅ₄) på 0,04 g H₂SÅ₄ kg^{− 1}. Dette kan sammenlignes med gjennomsnittlig EI_sot på 0,04 g kg^{− 1}, men overskrider EI markant_sot på 0,01 g kg^{− 1} av moderne jetmotorer. Hvis gjennomsnittsdiameteren til de flyktige partiklene er 5 nm, og dens tetthet er nær 1,5 g cm^{− 3}, deretter 10¹⁷ slike partikler per kilo tilsvarer en masse EI på 0,01 g kg^{− 1}. Den utledede EI for flyktig materiale er mindre enn EI (H₂SÅ₄). For typiske FSC-verdier forblir svovelsyre det viktigste kondenserte materialet i plommen foruten vann.

4.2. Sot og flyktige partikler

[61] I tillegg, Tabell 8 lister opp utslippsindeksene for partikkelnummer (PEI) for totale (flyktige og ikke-flyktige) og sotpartikler avledet fra de forskjellige målingene. Fra SULFUR-eksperimentene, verdier PEI = Δc N / ρ er avledet fra de målte partikkelkonsentrasjonenec over bakgrunn, lufttetthet ρ og fortynningsfaktor N (masse avgasser per forbrent enhetsmasse), med N bestemt fra målte sporstoff for drivstofforbruk (CO₂ konsentrasjon eller temperaturøkning over omgivelsesverdiene; se Figur 2, for eksempel), eller fra den observerte plumdiameteren, eller plommealderen og en empirisk fortynningslov [Schumann et al., 1998].

[62] PEI for sotpartikler > 50 nm identifisert i Concorde-plommen med slagverk [Pueschel et al., 1997] (beregnet fra EI_sot = Δc EI_CO2M_luft/{M_CO2 ρ Δ [CO₂] } og dataene fra Pueschel et al. [1997]: Δc = 0,21 cm^{− 3}, EI_CO2 = 3,16, M_luft = 29, M_CO2 = 44, ρ = 0,17 kg m^{− 3}, Δ [CO₂] = 0,34 × 10^{− 6}) er 10⁴ ganger mindre enn PEI for ikke-flyktige partikler > 9 nm regnet med CPCer [Fahey et al., 1995]; kompatibilitet mellom begge tallene og den rapporterte sotmasseutslippsindeksen på 0,07 ± 0,05 g / kg [Pueschel et al., 1997] vil kreve en volum gjennomsnittlig sotdiameter < 13 nm, som ikke støttes av andre observasjoner. Målingene oppnådd med CPC bak flere subsoniske fly varierer fra 2 × 10¹⁴ til 3 × 10¹⁵ kg^{− 1}. Figur 5 viser at sot-EI-ene målt for ATTAS og B737 ikke er avhengig av FSC. Utslippene varierer hovedsakelig på grunn av forskjellig motorteknologi, se Tabell 7, og vis den samme trenden som røyknummerdataene til ICAO [1995] for lavere innstillinger for cruisekraft enn normalt. De moderne motorene til B737, B747, A310, A340 og DC10 har omtrent en faktor 10 mindre sot-EI enn de eldre ATTAS og B707. For partikkelstørrelsesfordelingen av moderne motorer anslås luftfartsflåten fra 1992 å avgi 1,2 × 10¹⁵ kg^{− 1} sotpartikler i gjennomsnitt [Petzold et al., 1999]. Litt større verdier målt i den nordatlantiske flykorridoren kan omfatte noen flyktige brøk [Anderson et al., 1999a].

[63] For flyktige partikler viser målingene generelt veldig store PEI fra mindre enn 10¹⁵ til mer enn 10¹⁷ kg^{− 1} øker med synkende avskjæringsdiameter d og øke FSC. Figur 6 oppsummerer SULFUR-resultatene i ikke-kontraildannende plommer. PEI for flyktige partikler større enn 5 nm øker med en faktor 10 for en økning av FSC fra 2,6 til 2800 ug / g. Utslipp av partikler større 14 nm øker med en faktor 5 over dette området. Ytterligere data er tilgjengelige fra SNIF III-eksperimentene, og viser en maksimal PEI på 8,7 × 10¹⁷ kg^{− 1} partikler større 4 nm når du brenner drivstoff i en etterbrenner (muligens forbedrer CI-dannelse) av et F-16 jagerfly [Anderson et al., 1999b]. En del av variasjonen i PEI-verdiene skyldes forskjellige motorer og flyforhold. PEI-verdien til B707 er lavere enn for A340 muligens på grunn av mer sot og derav mer rensing av flyktige aerosoler. ATTAS er i mellom disse teknologiene. Ultrafine CN-økninger målt med forskjellige metoder i forhold til nitrogenoksider øker i minutter til 10 timer gamle flyplommer avslørte PEI-verdier mellom 10¹⁶ og 1,2 × 10¹⁷ kg^{− 1} [Schlager et al., 1997; Anderson et al., 1999a].

[64] Dataene kan ikke forklares med den klassiske teorien om binær homogen kjerne av H₂SÅ₄ med H₂O. Denne teorien innebærer PEI-verdier for d > 3 nm som er langt under PEI-resultatene målt for FSC < 1000 ug / g og vokser brattere enn lineære med FSC, forskjellig fra det som er observert [Kärcher et al., 2000]. Dataene kan bare forklares når man tar ionindusert kjerne og ionforbedret koagulasjon. For å matche dataene modellene [Yu et al., 1998; Kärcher et al., 2000] krever en initial total ionekonsentrasjon ved motorutgang på 4 × 10⁸ cm^{− 3} ved temperatur T = 600 K og trykk p = 220 hPa, eller en ion EI på 2 × 10¹⁷ CI per kg brent drivstoff. Disse forutsetningene er omtrent i samsvar med antall ioner målt på bakken med en Gerdien kondensator [Arnold et al., 2000]. Modellene inkluderer ikke klyngevekst inne i motoren før de når avkjørselen. Detaljene om dannelse, dynamikk og partikkelnukleasjon for ioner, svovelsyre og kondensbare hydrokarboner fra forbrenningsutgang til dyseutgangen er ennå ikke modellert.

[65] Mye av variasjonen i flyktige aerosoler kan forklares med tanke på forskjellig størrelsesfølsomhet for CPC-instrumentene, plommealder og FSC-verdier. Kärcher et al. [2000] ga en analytisk modell for å forklare den store variansen av observerte PEI-er i eksosrør. Modellen forutsetter at antall tilgjengelige CIer bestemmer antall nanometerstore flyktige partikler som kan påvises med CPC i eksosplumen. Mengden svovelsyre (avhengig av FSC og konverteringsfraksjonen ε) og mengden kondensabelt organisk materiale kontrollerer størrelsen på de dannede partiklene. Koagulering og fortynning kontrollerer tidsskalaene for partikkelvekst. Bruke denne modellen, og parametrene oppført i Tabell 10, kan de målte PEI-ene normaliseres til en gitt plommealder (3 s) og avskjæringsstørrelse på partikkelbenkene (5 nm), se Figur 7. De normaliserte PEI-ene sprer seg med en faktor på 10, mye mindre enn de opprinnelige dataene (sammenlign Figur 6). Legg merke til uklarheten i å dele den flyktige massen i svovelsyre og organisk materiale (OM). En reduksjon på ε med εΔ tilsvarer en økning i EI for OM med Δε (98/32) FSC. For null EI_OM dataene vil kreve maksimale ε-verdier på 25% for å forklare de laveste PEI-dataene som er rapportert for Concorde og 22% for B737 med 56 ug / g FSC, og verdier som til og med overstiger 100% for de lavere FSC-tilfellene. Det er klart at andre kondensbare stoffer er nødvendig foruten svovelsyre for å forklare observasjonene. De fleste data ( unntatt Concorde ) stemmer overens med modellen hvis konverteringsfraksjonen ε varierer mellom 0,5 og omtrent 10%, mengden kondensabelt organisk materiale mellom 1 og 30 ug / g, og antall CIer som sendes ut mellom 1 og 4 × 10¹⁷ kg^{− 1}.

Tabell 10. Parametere brukt for å normalisere PEI til fast avskjæringsstørrelse og plommealder

• en Partikkelutslippsindekser (PEI) beregnet for plommealder 3 s og avskjæringsdiameter 5 nm (se Figur 7) for gitt drivstoffsulfurinnhold (FSC) for å passe flyktige partikkelnummerkonsentrasjoner målt med CPC-er med avskjæringsdiameter d i plommealder t bak Concorde [Fahey et al., 1995] under SULFUR 5 – 7 [Schröder et al., 1998, 2000b; Brock et al., 2000; dette arbeidet], SNIF-II, -III og SUCCESS [Anderson et al., 1998a, 1998b, 1999b], og POLINAT [Schumann et al., 2000a], ved å bruke verdier av EI for kondensbart organisk materiale (OM), svovelkonverteringsfraksjon (ε) og EI for utsendte CIer, som modellen passer til dataene optimalt. Områder gis for tilfeller med flere data. Data som i arbeidet med Kärcher et al. [2000], med tillegg for B737 (S6), B707 (S7) og A340 (S7). A340-verdiene er best estimater; verdiene i parentes dekker en rekke nedre og øvre estimater. Concorde-verdiene passer til den laveste målte PEI på 1,7 × 10¹⁷ kg^{− 1} i plommealder på 960 – 3480 s; modellen vil samsvare med PEI-verdier på høyst 3,2 × 10¹⁷ kg^{− 1} i den gamle plommen for EI_OM = 100 ug / g, ε = 30%, og EI_CI = 8 × 10¹⁷ kg^{− 1}.

4.3. Partikler i kontrasjer

[66] Antall flyktige og ikke-flyktige (sot) partikler i kontraster skiller seg fra antallet i ikke-kontrail (tørre) plommer, se Figur 8. I kontrastmiljøet med det interstitielle innløpet teller CPC-ene aerosolen som ikke er inneholdt i smidig ispartikler. PEI-ene for de interstitielle flyktige partiklene er vanligvis en faktor 2 – 8 ganger mindre og viser mindre trend med FSC sammenlignet med PEI-er målt i tørre plommer. I den unge strider overflaten til ispartiklene (ca. 4 × 10⁵ μm² cm^{− 3} for B737 [Schröder et al., 2000b]) er mer enn 100 ganger større enn overflaten levert av aerosoler i tørre plommer (se Tabell 6). Derfor kommer en stor brøkdel av kondensbare gasser, CIer og flyktige partikler inn i ispartiklene [Schröder et al., 1998, 2000b]. De tidlige resultatene fra S2 (7 og 18 nm avskjæringsstørrelser) stemmer overens med resultatene fra S4 til S7.

[67] Avhengigheten av FSC av antall dannede ispartikler er fremdeles usikker fra et observasjonelt synspunkt, se Figur 8. En økning av kontrastkrystallkonsentrasjonen med FSC ble indikert av fargevariasjonene observert under S2 [Schumann et al., 1996]. Fargeendringen som ble observert ble forklart med en faktor 10 endring i antall ispartikler dannet for en FSC-økning fra 170 til 5500 ug / g [Gierens og Schumann, 1996]. En mikrofysisk modell beregner en faktor 3 (øker med synkende omgivelsestemperatur) endring i antall iskrystaller for en slik FSC-økning [Kärcher et al., 1998a]. En langt mindre økning i ispartikkelkonsentrasjoner med FSC ( faktor 1,3 for 6 til 2800 ug / g ) er målt i de 10 s gamle smussene av ATTAS under S4. Som forklart tidligere gir S4-målingene bare krystallkonsentrasjoner med lavere grense [Schröder et al., 2000a]. De faktiske verdiene kan være en faktor 10 større enn målt. Derfor kan økningen i iskrystallkonsentrasjoner med FSC være større enn målt under S4.

[ 68 ] Ispartikkelkonsentrasjonsdata ble oppnådd med høy nøyaktighet under S6, med omtrent 10 ganger høyere konsentrasjon enn i S4. Data er tilgjengelig fra en flytur bak B737 for en lav FSC-verdi, og en flytur bak ATTAS-brennende alternativt drivstoff med FSC enten 2,6 eller 118 ug/g på de to motorene. Forskjellene i iskrystallkonsentrasjonene målt for de forskjellige FSC-verdiene er ubetydelige sammenlignet med variabiliteten som finnes langs flysporet. Derfor kan en trend med FSC ikke oppdages fra disse dataene. Antallet ispartikler i den unge kontringen er større for ATTAS enn for B737, men omtrent det samme som det respektive antall sotpartikler som slippes ut i de tørre plommene. Videre tilsvarer antall contrail-krystaller omtrent antallet manglende interstitielle sotpartikler i contrail.Derfor ser det ut til at de fleste eller i det minste mange av ispartiklene er dannet av sotpartikler i disse tilfellene med ganske lav FSC.

[69] Ispartikkelkrystallkonsentrasjoner ble også målt bak 10 andre fly i langt eldre kontraster (0,5 minutter til > 30 minutter [Schröder et al., 2000a]). Bruke en empirisk fortynningslov [Schumann et al., 1998], beregner man fra disse dataene iskrystall “ utslippsindekser ” (antall per kilo brent drivstoff) på 1 × 10¹⁴ til 1 × 10¹⁵ kg^{− 1}, uten systematisk trend med alder, med variasjon delvis på grunn av forskjellige eksperimentelle forhold, og et område som passer til området målte sot PEI-verdier.

5. konklusjoner

[70] Serien med SULFUR-eksperimenter ga observasjoner og detaljerte målinger av de forskjellige typer aerosol og sporforbindelser i eksosplumen og kontrailer av jetfly som brenner drivstoff med forskjellig drivstoffsulfurinnhold på cruise og på bakken, så vel som i plysjalder fra noen få millisekunder til nesten et minutt. De målte aerosoltypene inkluderer flyktige og ikke-flyktige komponenter i størrelsesområdet fra nanometer til mikrometer, og sporforbindelsene inkluderer de viktigste aerosolforløperne svovelsyre og kjemier (CI). På bakgrunn av disse resultatene og relaterte modellstudier kan spørsmålene som ble reist i begynnelsen av disse undersøkelsene, besvares som følger:

1. Når det gjelder sotutslipp, slipper ATTAS-motorene ved cruise ut 0,1 g kg^{− 1} masse ikke-flyktige sotpartikler, som tilsvarer 1,7 × 10¹⁵ partikler per kg brent drivstoff. Den gjennomsnittlige diameteren på sotmodus er omtrent 70 nm. Sotutslippene er størst for B707, og slipper ut 0,5 g kg^{− 1} av sot; partiklene er enda større enn for ATTAS-motorene. Mer moderne motorer avgir mindre sot etter masse og antall. Motorene A340 og B737 slipper ut 0,01 g kg^{− 1}, tilsvarende utslippet på 0,25 × 10¹⁵ kg^{− 1} partikler per kilo brent drivstoff. Masse gjennomsnittsdiameteren til eksos sot-aerosol er omtrent 50 nm for moderne motorer. Gjennomsnittlig sotmasse for flåten fra 1992 og antall utslippsindekser er omtrent 0,04 g kg^{− 1} og 1,2 × 10¹⁵ kg^{− 1}, henholdsvis.
2. Når det gjelder konverteringsfraksjonen ε, har de første direkte målingene av svovelsyre utført bak to fly vist at fraksjonen av drivstoffsulfur omdannet til svovelsyre er større enn 0,34% for ATTAS og 3,3 ± 1,8% for et B737-fly. Det målte aerosolvolumet innebærer ε < 1,8% for ATTAS ved høy FSC, og de direkte og aerosolavledede dataene innebærer ε < 4,5% ved lav FSC. Til tross for betydelig forbedring, har data om aerosolvolum fortsatt stor usikkerhet. Konverteringsfraksjonen er mindre enn antydet av mengden flyktige partikler målt fordi partiklene inneholder kondensbart organisk materiale foruten svovelsyre og vann. Aerosolen målt i plommene til forskjellige fly og modellene antyder at ε varierer mellom 0,5 og 10% avhengig av motor. I følge modellstudier,ε vokser med økende trykk og temperatur ved forbrenningsutgang, og kan derfor være større for moderne motorer med større trykkforhold enn for eldre motorer. Svovelsyre dannes hovedsakelig inne i motoren og i den unge avkjølende eksosstrålen og blir deretter raskt utarmet fra gassfasen i løpet av omtrent et sekund etter hvert som plommealderen øker. Ytterligere målinger ved høyere FSC vil gjøre det mulig for en å bestemme ε med høyere nøyaktighet.
3. Når det gjelder kjemier, er konsentrasjonen av ladede partikler dannet av forbrenningsinduserte kjemier (CI) høy ved motorutgang. På bakken er konsentrasjonen omtrent 10⁹ cm^{− 3} ved motorutgang; dvs. av ordren 10¹⁷ kg^{− 1} av brent drivstoff. De positive og negative CI-ene er delvis veldig massive (over 8500 amu), selv for nesten svovelfritt drivstoff (FSC = 2 μg / g). Sannsynligvis involverer veksten av disse CI-ene organiske sporingsgasser. Ved bruk av drivstoff med FSC = 118 ug / g observeres en markant tilleggsvekst av negative, men ikke positive CI-er. Dette antyder et svovelholdig molekyl, for eksempel H₂SÅ₄, for i det minste delvis å være ansvarlig for den ekstra ioneveksten. Negative ioner identifisert inkluderer klyngeionene HSO₄⁻ ( H₂SÅ₄)_n, HSO₄⁻ ( H₂SÅ₄)_n( SO₃)_m (n ≤ 3, m = 0, 1 ), og organiske ioner. Positive CIer inneholder stort sett oksygenholdige organiske forbindelser. CI-konsentrasjonen avtar bratt med økende plysjalder. Under flyging er CI-komposisjonen og dens endring med plommealder bare målt under spesielle forhold. En total negativ ionekonsentrasjon på > 5 × 10⁴ cm^{− 3} for en røralder på 1 s ble utledet i ett tilfelle, og en øvre grense for positive ionekonsentrasjoner på 3 × 10⁶ cm^{− 3} ble avledet i 3,6 s plysjalder fra en annen sak. CIer er nå forstått som langt viktigere for partikkeldannelse enn for noen år siden. Dannelsen av CIer i forbrenningsovnen og deres endring på vei fra forbrenningsovnen gjennom motoren så vel som detaljene for partikkeldannelse er ennå ikke forstått.
4. Antall flyktige partikler med størrelser > 1,5 nm produsert i flyplommer er i størrelsesorden 2 × 10¹⁷ per kg brent drivstoff, 100 til 1000 ganger større enn antallet sotpartikler som slippes ut, og nært knyttet til antall tilgjengelige CI-er. Størrelsen på partiklene avhenger av plommealder og overflod av svovelsyre og kondensabelt organisk materiale, som er drivstoff- og motoravhengig. Våre data antyder at for FSC som overstiger omtrent 100 ug / g, synes svovelsyre å være den viktigste forløperen for flyktige aerosoler dannet i moderne flyavgasser. For lavere FSC synes organiske sporingsgasser, inkludert oksygenholdige forbindelser, å være viktigst. Viktigheten av flyktige partikler sammen med sot for skydannelse er ennå ikke helt forstått.
5. Kontrailer dannes når blandingen av avgasser og kald omgivelsesluft når flytende vannmetning. Ved disse forholdene dannes flytende dråper, hovedsakelig ved kondensering av H₂O på CN i eksosplommen, som snart fryser for å danne ispartikler. Ufullstendig spredning av kinetisk energi i den unge strålen, turbulente luftfuktighetssvingninger i plommen og sotfuktighet før kontrastutbruddet kan øke terskeltemperaturen for begynnelsen av contrail-dannelse. Terskeltemperaturen kan imidlertid spås å være bedre enn 1 K uten å ta hensyn til slike effekter. Kontrailer dannes ved høyere omgivelsestemperatur for motorer med høyere total fremdriftseffektivitet. Både sot og flyktig materiale bidrar til kjerner for dannelse av smuss og cirruspartikler. Endringer i sot og FSC har imidlertid liten innvirkning på terskeltemperaturen for dannelse av smuss (mindre enn 0,4 K).Kontrailer (med mindre optisk tykkelse) ville danne seg selv for null partikkelutslipp fra flymotorene på grunn av CN som er innkapslet i eksosplumen fra omgivelsesluften. Aerosolen som er igjen etter evaporering av contrail inneholder 2 – 8 ganger mindre partikler, men større enn dannet i contrail-free plommer. Fra de få tilgjengelige dataene finner vi at antallet ispartikler dannet i unge kontraster er sammenlignbart med antall sotpartikler og øker med mer enn en faktor på 1,3 for en økning i FSC fra 6 til 2800 ug / g. Avhengigheten av antall ispartikler på FSC (og omgivelsestemperatur) bør måles igjen med den forbedrede FSSP-300-sonden.Aerosolen som er igjen etter evaporering av contrail inneholder 2 – 8 ganger mindre partikler, men større enn dannet i contrail-free plommer. Fra de få tilgjengelige dataene finner vi at antallet ispartikler dannet i unge kontraster er sammenlignbart med antall sotpartikler og øker med mer enn en faktor på 1,3 for en økning i FSC fra 6 til 2800 ug / g. Avhengigheten av antall ispartikler på FSC (og omgivelsestemperatur) bør måles igjen med den forbedrede FSSP-300-sonden.Aerosolen som er igjen etter evaporering av contrail inneholder 2 – 8 ganger mindre partikler, men større enn dannet i contrail-free plommer. Fra de få tilgjengelige dataene finner vi at antallet ispartikler dannet i unge kontraster er sammenlignbart med antall sotpartikler og øker med mer enn en faktor på 1,3 for en økning i FSC fra 6 til 2800 ug / g. Avhengigheten av antall ispartikler på FSC (og omgivelsestemperatur) bør måles igjen med den forbedrede FSSP-300-sonden.Avhengigheten av antall ispartikler på FSC (og omgivelsestemperatur) bør måles igjen med den forbedrede FSSP-300-sonden.Avhengigheten av antall ispartikler på FSC (og omgivelsestemperatur) bør måles igjen med den forbedrede FSSP-300-sonden.

[ 71 ] Resultatene viser at drivstoffsulfur bidrar til mengden kondensbart flyktig materiale i eksosplommen, påvirker størrelsen på flyktige partikler, og aktiverer en større del av sotpartikler for å påvirke antall dannede ispartikler. Effektene av drivstoffsulfur på kontraster er imidlertid mindre enn det som er forventet før serien med SULFUR-eksperimenter ble startet og mindre enn det som ble konkludert med fra andre eksperimenter. Prosessen med flyktig partikkeldannelse styres ikke hovedsakelig av binær homogen kjerne av nøytrale klynger som antall partikler vil vokse mer enn lineært med mengden FSC.

[72] Effekten av sot og kondensbart materiale på dannelse av contrail-partikler er nå relativt godt forstått. Imidlertid er det fremdeles ikke kjent hvilke av de dannede partiklene som har størst effekt på uklarhet og kjemi, og hvor store disse effektene er. Dette bør undersøkes i fremtidige prosjekter. Utslippene fra motorer blir videre undersøkt av vårt team i EU-prosjektet Måling og prediksjon av utslipp av aerosoler og gassformige forløpere fra gassturbinmotorer (PARTEMIS), og virkningen av aerosoler på cirrusdannelse er nå undersøkt i EU-prosjektet Interhemisphheric Differences in Cirrus Properties from Anthropogenic Emissions (INCA; se http://www.pa.op.dlr.de/INCA/). Videre behandler et pågående tysk prosjekt Partikel og Zirren (PAZI) disse spørsmålene (http://www.pa.op.dlr.de/pazi/).

erkjennelser

[73] Vi anerkjenner takknemlig støtte fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; Schwerpunkt Programm Grundlagen der Auswirkungen der Luft- und Raumfahrt auf die Atmosphäre, 1991 – 1997), Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF; Schadstoffe in der Luftfahrt, 1992 – 1998; UFA-Project 1999 – 2000), Lufthansa AG, og EU-kommisjonen, Research DG, Brussel (prosjekter POLINAT, 1994 – 1996; POLINAT 2, 1, 1998 – 2000). Den endelige dataevalueringen var en del av PAZI-prosjektet. Videre takker vi pilotene og teknikerne for flyanleggene på Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Lufthansa Frankfurt og Hamburg, og av Motoren og Turbinen Union (MTU), München, og mange kolleger for bidrag til målingene og analysen. Til slutt,vi takker kollegene i NASA-prosjekter for mange stimulerende diskusjoner, inkludert nyttige kommentarer til en første versjon av denne artikkelen.

referanser

Siterer litteratur

Volum107, UtgaveD15

16. august 2002

sider AAC 2-1-AAC 2-27

• figurer
• referanser
• Relatert
• Informasjon

anbefalt

• SÅ_x oksidasjon og flyktig aerosol i eksosrør fra fly avhenger av svovelinnholdetR. C. Miake-Lye, B. E. Anderson, W. R. Cofer, H. EN. Wallio, G. D. Nowicki, J. O. Ballenthin, D. E. Hunton, W. B. Knighton, T. M. Miller, J. V. Seeley, EN. EN. ViggianoGeofysiske forskningsbrev
• Luftfartsmålinger av biomasse som brenner aerosol over Vest-Afrika under DABEXB. T. Johnson, S. R. Osborne, J. M. Haywood, M. EN. J. HarrisonJournal of Geophysical Research: Atmospheres
• Kontrail ispartikler i fly våkner og deres klimatiske betydningUlrich Schumann, Philipp Jeßberger, Christiane VoigtGeofysiske forskningsbrev
• Rollen av fly sotutslipp i smussdannelseB. Kärcher, F. YuGeofysiske forskningsbrev
• Den mikrofysiske veien til smussdannelseB. Kärcher, U. Burkhardt, EN. Bier, L. Bock, JEG. J. FordJournal of Geophysical Research: Atmospheres