Renere brennende luftfartsdrivstoff kan redusere smuss

Contrail cirrus står for den største andelen av luftfartens klimapåvirkning. Likevel er koblingene mellom jetbrensel-sammensetning, kontra-mikrofysikk og klimapåvirkning uavklarte. Her presenterer vi unike observasjoner fra to DLR-NASA-flykampanjer som målte eksos- og smitteegenskaper for en Airbus A320 som brenner enten standard jetbrensel eller lave aromatiske bærekraftige flydrivstoffblandinger. Resultatene våre viser at sotpartikler kan regulere antall contrail cirrus-iskrystaller for nåværende utslippsnivåer. Vi gir eksperimentelle bevis på at forbrenning av lavt aromatisk bærekraftig luftfartsdrivstoff kan føre til 50 til 70% reduksjon i sot- og isnummerkonsentrasjoner og en økning i iskrystallstørrelse. Reduserte kontrasil-isantall forårsaker mindre energiavsetning i atmosfæren og mindre oppvarming.Meningsfulle reduksjoner i luftfartens klimapåvirkning kan derfor oppnås ved utbredt bruk av lave aromatiske brensler, og fra forskrifter for å senke det maksimale aromatiske drivstoffinnholdet.

Lignende innhold blir sett av andre

Større drivstoffeffektivitet er potensielt å foretrekke fremfor å redusere NO_x utslipp for luftfartens klimakonsekvenser

Artikkel Åpen tilgang25. januar 2021

Definisjoner og implikasjoner av klimanøytral luftfart

Artikkel 25. juli 2022

Hvordan lage klimanøytral luftfartsfly

Artikkel Åpen tilgang6. juli 2023

introduksjon

Flymotorer slipper ut en rekke forbrenningsprodukter inkludert 3,16 kg karbondioksid (CO₂) og omtrent 1,23 kg vanndamp (H₂O) for hvert kg brent drivstoff¹. Ved de kalde temperaturene som er typiske for cruisehøyder, H₂O kondenserer raskt til co-utsendte sotpartikler og eksisterende atmosfæriske partikler. De små vanndråpene fortsetter å vokse i størrelse når motorens eksosplume avkjøles til de til slutt fryser, og danner en synlig linjeformet kondensløype, eller contrail, som består av flere hundre iskrystaller per kubikk centimeter luft^2,3,4,5. Vedvaren av denne nyopprettede contrail styres av omgivelsestemperaturen og H₂O blandingsforhold. Et is-overmettet miljø opprettholder contrail i noen timer, slik at den kan vokse og spre seg for å danne utvidet contrail cirrus over regionale skalaer^6,7. Slike funksjoner blir ofte oppdaget fra verdensrommet^8,9, som fremhever deres potensielle betydning for å endre jordas strålingsbudsjett ved å spre innkommende solstråling tilbake i verdensrommet (avkjøle jorden), ved å slukke solstråling og deponere solenergi i atmosfæren (oppvarme atmosfæren) og ved å fange utgående infrarød stråling (oppvarming jorden). Totalt sett antas nettoeffekten av contrail cirrusskyer på klima å være varmende^10,11, med en global gjennomsnittlig effektiv strålingskraft på 57 mW m⁻² og et 90% sannsynlighetsområde på 17 – 98 mW m^−2 1. Dermed gir contrail cirrus det største enkeltbidraget til den netto effektive strålingsstyrken fra luftfart på 101 mW m⁻² i 2018¹, etterfulgt av bidragene fra fly CO₂ og NEI_x utslipp.

Mens det globalt gjennomsnittlige bidraget fra flytrafikken til menneskeskapt klimatvingning er ~3,5%¹, kan det regionale fingeravtrykket til contrail cirrus på det atmosfæriske energibudsjettet være betydelig høyere. For eksempel, i store flytrafikkorridorer over USA og Europa, kan contrail cirrus varme den atmosfæriske kolonnen med mer enn 500 mW m⁻², og dermed bidra vesentlig til den regionale antropogene strålingsstyrken^12,13. Dessuten har flytrafikken økt markant de siste to tiårene, noe som resulterte i en økning i effektiv strålingskraft fra contrail cirrus med 64% fra 2005 til 2018¹. Overflateoppvarmingen av contrail cirrus forventes å øke ytterligere i fremtiden, med noen anslag som antyder en økning på 3 – fire ganger innen 2050^14,15. Voksende flytrafikk fører også til betydelige klimagassutslipp. I motsetning til lang levetid CO₂, contrail cirrus eksisterer bare i atmosfæren i en periode på timer⁷, noe som betyr at innsatsen for å redusere contrail cirrus vil ha en umiddelbar avkjølende effekt på klimaet. Flere avbøtningsstrategier vurderes for tiden, inkludert væravhengig flyruting¹⁶ eller cruisehøydevariasjoner for å unngå dannelse av contrail cirrus¹⁷; noen av disse tilnærmingene kan imidlertid komme på bekostning av økt drivstoffforbrenning, lengre flyreiser eller redusert luftromskapasitet. I tillegg til tiltak for å unngå dannelse av smuss i utgangspunktet, kan den neste beste strategien være å redusere den strålende effekten av skyene som dannes.

Globale modellsimuleringer antyder at en reduksjon i radiativ kraft av contrail cirrus kan oppnås ved å redusere konsentrasjonen av iskrystall¹⁸. En mulig mekanisme, støttet av teori¹⁹, som kan brukes for å oppnå dette målet, er å endre jetbrenselsammensetningen for å redusere sotpartikkelutslippene. Tidligere flykampanjer²⁰ demonstrerte at bruken av en jet biodrivstoffblandinger reduserte utslipp av sotnummer i cruisehøyder. Til tross for disse lovende resultatene, er det ikke etablert en direkte kobling mellom sotnummer og kontrasil-iskrystallnummer eksperimentelt for disse biodrivstoffene. Det har til og med vært noen antydninger om at det forbedrede drivstoffhydrogeninnholdet i jetbrensel faktisk kan fremme snarere enn å undertrykke contrail-tvingen på grunn av den økte H₂O-utslipp²⁰. Å løse disse spørsmålene får ytterligere press da nasjonale og internasjonale organisasjoner seriøst vurderer bruken av alternative biobaserte jetbrensel og drivstoffblandinger for å redusere luftfart CO₂ utslipp fra fossilt brensel^21,22. Nyere fremskritt på internasjonalt nivå antyder bærekraftig luftfartsdrivstoff for å redusere luftfartens ikke-CO₂-klimapåvirkning til null innen 2050²³. Her rapporterer vi resultatene av testing under flyging under kontrastdannende forhold som ytterligere begrenser effekten av alternative drivstoffblandinger på flyets sotutslipp og direkte kobler disse partikkelutslippene til egenskapene til de resulterende contrail cirrus skyene (fig. 1). Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) og National Aeronautics and Space Administration (NASA) samarbeidet om to nylige flykampanjer der instrumenterte forskningsfly samplet eksosplumen og strider bak DLR Advanced Technology Research Aircraft (ATRA). Et bilde av NASA DC-8 som jager ATRAs kontrast er vist på fig. 1. ATRA er en topp moderne Airbus A320 utstyrt med to International Aero Engines V2527-A5 motorer og en omfattende serie sensorer for å fange opp sanntidsdata for flyets ytelse. Flytestene ble utført som en del av utslipps- og klimakonsekvensen av alternativt drivstoff (ECLIF) -prosjektet med det første settet med flyvninger gjennomført i 2015 (ECLIF1) med DLR Falcon 20 prøvetakingsfly fra Oberpfaffenhofen, Tyskland, og det andre settet av flyreiser gjennomført i 2018 (ECLIF2 /ND-MAX) med NASA DC-8 prøvetakingsfly som opererer fra Ramstein Air Base, nær Kaiserslautern, Tyskland. Begge kampanjene inkluderte også omfattende sett med bakkeprøver for å kvantifisere ATRA-utslippsdataene over hele flyets landing og start-syklus²⁴.

I flykontrail og utslipp ble data anskaffet for fem forskjellige drivstoff, inkludert to tradisjonelle, petroleumsbaserte Jet A1-drivstoff (Ref2 og Ref3) og tre blandinger av Jet A1 med syntetisk jetbrensel eller biobasert alternativt jetbrensel. Skillet mellom den semisyntetiske jetbrenselblandingen (SSF1) og den bærekraftige luftfartsstrålebrenselsblandingen (SAF1 og SAF2) er at førstnevnte bruker Fischer-Tropsch (FT) -prosessen for å produsere den syntetiske parafinkomponenten fra kull, mens sistnevnte inneholder en mer bærekraftig, biobasert hydrobehandlet estere og fettsyrer (HEFA) parafin produsert av planteolje.

Ufullstendig forbrenning av hydrokarbonforbindelser med drivstoff i flymotoren fører til utslipp av store små sfæriske karbonholdige sotpartikler. Luftfartsdrivstoff inneholder en hovedfraksjon av alifatiske hydrokarbonkjedestrukturer og <25% av sykliske aromatiske hydrokarboner. Det kreves høyere energi for å bryte de kjemiske bindingene og oksidere de aromatiske ringene sammenlignet med hydrokarbonkjedene, derfor er aromater blitt identifisert som viktigste sotforløpere^25,26. På grunn av deres ringstruktur viser aromatiske molekyler et lavere forhold mellom hydrogen og karbon (H: C ∼ 1: 1) sammenlignet med alifatiske hydrokarbonkjeder (H: C-forhold ∼02: 1). Derfor er drivstoffhydrogeninnholdet eller H: C-forholdet et godt mål for den beroligende tendensen til et drivstoff^24,27. Naftalener er bi-sykliske aromatiske hydrokarboner, hvis rolle i sotdannelse ennå ikke er kjent²⁴. Her evaluerer vi hypotesen om at naftalener er mer effektive sotforløpere enn monosykliske aromatiske molekyler eller hydrokarbonkjedestrukturer i drivstoffet.

Drivstoffene ble designet og blandet for å undersøke effekten av aromater og spesifikt naftalen i alternative drivstoffblandinger²⁸ på sotpartikkelutslipp og ispartikkeldannelse i smuss. I tillegg er svovelinnholdet i bærekraftige luftfartsdrivstoff (se tabell 1) ble holdt lavt for å utforske påvirkningen av det endrede hydrogeninnholdet mens det ble kontrollert for svoveleffektene på sotpartikkelaktivering og flyktig partikkeldannelse.Tabell 1 Egenskaper for brensel som ble brent under ECLIF1 og ECLIF2 / ND-MAX eksperimentene.

Full størrelse bord

For ECLIF1 ble petroleumsbasert standard Jet A1-drivstoff med litt <19% aromatisk voluminnhold blandet med FT-basert syntetisk parafin for å produsere den semisyntetiske jetbrenselblandingen SSF1 med 11,1 volumprosent aromater. For det andre flyeksperimentet ble to forskjellige Jet A1-drivstoff (Ref3 og Ref4) med forskjellig aromatisk og naftaleninnhold blandet med HEFA-basert parafin for å produsere bærekraftig luftfartsdrivstoff (SAF1 og SAF2) med 8,5 og 9,5% aromatisk innhold (etter volum) . For å få innsikt i de spesifikke effektene av polysykliske aromatiske molekyler i alternative drivstoffblandinger, ble SAF2 forberedt på å inneholde 0,05% bi-sykliske naftalener etter volum, noe som er mer enn en størrelsesorden lavere enn naftaleninnholdet i de andre blandede testdrivstoffene. Selv om SAF2 er 70% Jet A1 (etter volum),den viser det høyeste hydrogeninnholdet i alle testede drivstoff. De målte egenskapene til drivstoffsammensetning er oppsummert i tabellen 1. Her fokuserer vi på de tre alternative drivstoffblandingene for å forstå deres utslippskarakteristikker og innvirkning på smitteegenskaper i forhold til Ref2 Jet A1-drivstoffet.

Resultater og diskusjon

Under testflygingene passerte A320 og prøvetakingsfly opprinnelig til reservert luftrom over Tyskland, der de gikk inn i en to-flyformasjon med A320 flygende ovale løpespormønstre med konstant lufthastighet (0,58 – 0,76 Mach) og nivå flyhøyde (8 – 12 km) mens prøvetakingsflyet utførte flere eksosrør og contrail kryssinger på <50 km etterfølgende avstander. Under ECLIF1 målte DLR Falcon prøvetakingsfly konsentrasjonen av ispartikkelnummer ved bruk av en Cloud og Aerosol Spectrometer Probe (CAS)²⁹), og dataene ble analysert ved bruk av metodikken definert i tidligere arbeid⁵. For ECLIF2 / ND-MAX brukte DC-8 prøvetakingsflyet en Fast Forward Scattering Spectrometer Probe (FFSSP^30,31) for contrail-målingene. I begge kampanjene ble antall konsentrasjoner av ikke-flyktige partikler målt med kondensasjonspartikkel tellere modifisert for luftbåren påføring³². Detaljert informasjon om instrumentering og dataevaluering er gitt i metodedelen.

For å studere effekten av drivstoff på smitteegenskaper, fokuserer vi på tidsperioder i løpet av de to oppdragene der forholdene var gunstige for vedvarende smussdannelse. 22. september og 7. oktober 2015 under ECLIF1 var temperaturene i cruisehøyder 5 – 9 °C under Schmidt-Appleman-temperaturen (SAT³³), som er terskeltemperaturen under hvilke kontraster kan termodynamisk oppstå. Lignende forhold skjedde under ECLIF2 / ND-MAX 23. og 24. januar 2018, hvor vedvarende kontraster ble produsert av A320 i cruise nivåer mellom 9,7 og 10,7 km høyde og ved temperaturer på −53 til −58 °C. DC-8 som jager A320-kontrailen er vist på fig. 1. De minutter gamle kontrastene ble målt i 7 – 41 km bakavstand bak A320. Omgivelsesforhold og deres lokale variasjoner for de analyserte kontrasekvensene er gitt i tabellen 2.Tabell 2 Omgivelsesforhold og motorinnstillinger under målesekvenser.

Full størrelse bord

Figur 2 viser et eksempel på tidsseriedataene som er samlet inn av DLR Falcon da de gjentatte ganger krysset A320-kontrailen. Kryssingene er tydelige av de store forbedringene i iskrystall og ikke-flyktig partikkelnummerkonsentrasjon samt CO₂ blandingsforhold i forhold til veldig stabile bakgrunnsnivåer. Den synkende størrelsen på toppene over tid skyldes den økende separasjonsavstanden mellom de to flyene (10, 15,7 og 20,3 km), tilsvarende eldre plommealder og større plommefortynning. For å oppnå uavhengighet fra fortynningsprosesser, utslippsindeksen, EI_x, av arter x er avledet fra individuelle eksos- eller smitteoverganger og kvantifiserer mengden av den arten (dvs. antall is- eller sotpartikler) som slippes ut per kilo drivstoff brent under forutsetning av at karboninnholdet i drivstoffet blir fullstendig omdannet til CO₂ (se Metoder). Den tilsynelatende contrail isutslippsindeksen AEI_is beregnes også på lignende måte; Selv om vi bruker uttrykket ‘tilsynelatende ‘ for å erkjenne at ispartiklene i seg selv ikke sendes direkte ut av motorene, men er koblet til motorbrenselforbrenningen gjennom de utsendte eksospartiklene.

For Ref2-drivstoffet er den målte ikke-flyktige partikkelutslippsindeksen på (4,9 ± 0,6) × 10¹⁵ sotpartikler produsert per kilo Jet A1-brent drivstoff er mot den øvre enden av sotutslippsnivåene til den nåværende flyflåten (10¹⁴–10¹⁶ sotpartikler per kilo brent drivstoff^5,19,34). Den tilsynelatende isutslippsindeksen AEI_is av (4,2 ± 0,6) × 10¹⁵ ispartikler per kilo brent drivstoff indikerer at omtrent 80 – 100% av de utsendte sotpartiklene blir aktivert i contrail iskrystaller (tabell 3). Ubiquitous bittesmå flyktige partikler^35,36 ha en mindre innvirkning på iskjernen i det sotrike regimet og for svovelinnhold med lavt brensel (se tabell 1). Dette funnet er i samsvar med teoretiske forventninger om at sotpartikler regulerer antall contrail-iskrystaller, og at bakgrunn eller små flyktige partikler ikke vesentlig bidrar til iskrystalldannelse for de observerte forholdene med høye sotutslipp (> 10¹⁵ sotpartikler per kg-drivstoff) i det sotrike regimet og omgivelsestemperaturer godt under SAT^19,37. Sotnummerutslippene var gjennomgående store (> 3 × 10¹⁵ per kg-drivstoff) for den sonderte referansen Jet A1-drivstoff.

Derimot ble det målt betydelig lavere sot og tilsynelatende ispartikkelutslipp under flukt da A320 brente de alternative drivstoffblandingene. Sotutslippsindekser for HEFA-baserte bærekraftige flydrivstoffblandinger er ~45 – 53% lavere enn Ref2 Jet A1 drivstoff i samsvar med²⁰. Vi demonstrerer her for første gang at utslippsindeksen for cruisesot for det FT-baserte semisyntetiske jetbrenselet også viser reduksjoner på ~50%. Disse betydelige reduksjonene av sotpartikler fører til 45 – 74% lavere is-krystall tilsynelatende utslippsindekser (EI) for alternative jetbrenselblandinger sammenlignet med Ref2 Jet A1-drivstoffet (fig. 3). Av de blandede drivstoffene observeres de viktigste sotutslippene og iskrystallreduksjonene for SAF2-drivstoffet, som spesielt ble designet for å ha et lignende aromatisk innhold som de andre alternative drivstoffblandingene, men en annen sotende hydrokarbonfamiliesammensetning, dvs. en høyere hydrogeninnhold i Ref4 brukt til blanding og en størrelsesorden lavere naftaleninnhold i blandingen. Dette resulterer i at SAF2-drivstoffet har både det høyeste drivstoffhydrogeninnholdet og det laveste naftaleninnholdet som fører til laveste sot- og isutslipp av alle testede drivstoff (fig. 3). Resultatene innebærer at bi-sykliske naftalener er mer effektive sotforløpere enn monosykliske aromatiske eller alifatiske hydrokarbonstrukturer.

Vi begrenset contrail-dataevalueringen til gjennomsnittlige RHI-er mellom 108 og 125% RHI, (tabell 2). SAF2-kontrailen ble påvist på undersiden av dette fuktighetsområdet ved 110 (± 5)% RHI av kontraster. Den lave og variable RHI for denne kontrasilhendelsen kan forklare den reduserte isaktive fraksjonen av SAF2 og et sterkere iskrystalltap i strid^5,38. Feilstengene gitt i fig. 3 er standardavvik for de enkelte kontradatasettene, som følge av lavt antall smitteoverganger for SAF2-drivstoffet. Videre har det bærekraftige flydrivstoffet SAF2 med det laveste naftaleninnholdet også et uoppdagelig lavt svovelinnhold. Et sammendrag av drivstoffsammensetning og relaterte utslippsindekser for referanse Jet A1-drivstoff, for lavaromatisk semisyntetisk (SSF1) eller bærekraftige flydrivstoffblandinger (SAF1 og SAF2) er gitt i tabell 3.Tabell 3 Sammendrag av drivstoffsammensetning og målte utslippsindekser for referanse Jet A1-drivstoff (Ref2) og for lavaromatisk semisyntetisk (SSF1) eller bærekraftig (SAF1 og SAF2) flydrivstoffblandinger avledet under contrail-målingssekvensene ved middels cruiseskipforhold.

Full størrelse bord

Omfattende kampanjer har undersøkt drivstoffsulfurs rolle på eksospartikler³⁶. Sterke endringer i svovelinnholdet førte til endringer i flyktig partikkelstørrelse i stedet for partikkelnummer^37,39. Flyktige partikkelantall ble ytterligere redusert i smussforhold på grunn av rensing på de større iskrystallene. Det kan ikke utledes innvirkning på istall i kontrailer^36,40.

Å skille bidragene til kontraformasjon av de større ikke-flyktige sotpartiklene og de mindre, flyktige, ikke-sotholdige partiklene krever plumskala modellering begrenset av observasjoner. Modelleringsarbeid har vist at Kelvin-effekten fortrinnsvis aktiverer de større (30 – 40 nm) sotpartiklene^20,41 kontra de mindre flyktige partiklene⁴². I det såkalte ‘sotrike regimet ‘ over 10¹⁵ kg⁻¹ (se fig. 4), sotpartiklene renser aktivt svoveloksidasjonsproduktene i eksosen på bekostning av flyktige partikler¹⁹. Følgelig viser utslipp av flyktige partikler under ECLIF2 / ND-MAX verken avhengighet av drivstoffhydrogen eller av drivstoffsulfurinnholdet for det sonderte svovelbrenselet.

Det er viktig å merke seg at de små flyktige partiklene eller de atmosfæriske bakgrunnspartiklene begynner å bidra meningsfullt til å motvirke dannelse under ‘sotfattige ‘ regimer (< 10¹³ sotpartikler per kg brent drivstoff) som kan være et resultat av neste generasjons hydrogenbrensel eller mager forbrenningsteknologi. Dette skjer fordi de lave sotpartikkelkonsentrasjonene i eksosen ikke effektivt renser svoveloksidasjonsproduktene og fordi den flyktige aerosolen vokser til større størrelser ved lave omgivelsestemperaturer¹⁹. Heldigvis, for ECLIF / ND-MAX sot-EI-er i ‘sotrikt regime ‘, kan vi med rimelighet forsømme bidraget fra de ikke-sotholdige partiklene til iskrystallnumre, noe som gjør at vi direkte kan koble observerte endringer i EI_sot til AEI_is for første gang.

I tillegg til utslippsreduksjonene, løst størrelse AEI_is fordelinger av kontrailene som er dannet på standard og lavaromatisk innhold jetbrensel, bidrar til å tolke de observerte reduksjonene i smeltetallet (fig. 5). Contrail-isstørrelsesfordelingen dannet på Jet A1exhaust-partikler har en effektiv diameter på 1,9 um⁴³. Den effektive diameteren på iskrystallene er 40% større for den ett minutt gamle kontrasilen med lavere isnumre dannet fra å brenne det alternative drivstoffet, igjen i forhold til det samme punktet i Ref2-kontrailen (fig. 5). Mens det økte hydrogeninnholdet i den semisyntetiske drivstoffblandingen resulterer i en økning på 4% til motorens H₂O-utslipp (1,28 kg H₂O per kg drivstoff), det har bare en mindre effekt på iskrystallstørrelsen.

Økningen i krystallstørrelse skjer hovedsakelig som H₂O i contrail kondenserer til færre iskrystaller, noe som hadde resultert av at færre sotpartikler ble avgitt fra å brenne de alternative drivstoffblandingene. Bare omtrent en fjerdedel av det isvanninnholdet i 4,98 kg H₂O per kg drivstoff målt i den 1 min gamle kontringen ble avgitt av motorene, resten hadde kondensert fra den overmettede omgivelsesatmosfæren. Teoretiske studier¹⁸ vis at de større iskrystallene sediment og sublimerer raskere og derfor er i strid med reduserte isnumre har en kortere atmosfærisk levetid.

Innledende isnummerkonsentrasjoner i smuss er en nøkkelparameter for å bestemme lysutryddelse ved smuss⁴⁴, og deres klimapåvirkning¹⁸. Dermed er mengden lysutryddelse av en contrail direkte relatert til dens evne til å avsette strålende energi i atmosfæren og derved varme den omgivende atmosfæren¹⁶. I vårt tilfelle er utryddelsen av den 1 min gamle SSF1-smittelen ~30% redusert med hensyn til Jet A1-smittelsen. Simuleringer viser at endringer i innledende istall sterkt påvirker den totale utryddelsen av smuss over timer⁴⁴. Globale modellsimuleringer¹⁸initialisert med 50 – 90% reduserte isnummerkonsentrasjoner i 7 minutter gamle kontraster viser en ikke-lineær reduksjon i strålingsstyrken fra contrail cirrus med 20 – 70%, hovedsakelig forårsaket av redusert initialt istall, og i tillegg , ved redusert kontrastlevetid på grunn av raskere sedimentasjon av de større iskrystallene.

Derfor reduserer lavere istall målt i kontrastene fra bærekraftig flydrivstoff direkte til redusert utryddelse av smuss, redusert energiavsetning i atmosfæren og redusert oppvarming. Dette arbeidet lukker det eksperimentelle gapet mellom endringer i flyets drivstoffsammensetning, mono- og polysyklisk aromatisk innhold av drivstoffet, flymotorens sotutslipp og de resulterende contrail istall og mikrofysiske egenskaper, som globale modeller antyder som de viktigste driverne for luftfartens klima fotavtrykk^1,16,18.

Dette betyr at de nylige fremskrittene innen mager forbrenningsteknologi og utvikling av bærekraftige, biobaserte drivstoff for å redusere sotutslipp, skal bidra til å redusere den regionale og globale klimaeffekten av luftfarten. Målrettet bruk av bærekraftige lave aromatiske jetbrensel i kontrastutbruddssituasjoner, som bidrar vesentlig til oppvarmingen av contrail cirrus^16,18 kan øke klimafordelen fra SAF ytterligere.

Den positive klimaeffekten fra bærekraftige luftfartsdrivstoff forbedres av deres høyere drivstoffenergiinnhold (se tabell 1), noe som øker drivstoffeffektiviteten og reduserer drivstofforbruket. Det svært lave svovelnivået av bærekraftig luftfartsdrivstoff begrenser iskjernen fra flyktige eksospartikler selv i det sotfattige regimet, når entrainment av bakgrunns aerosol får betydning.

Resultatene våre fremhever også løftet om avansert design av jetbrensel som en metode for ytterligere å redusere disse innvirkningene og antyder at en målrettet reduksjon av sotende hydrokarbonfamilier som polysykliske aromater eller sykloalkaner i luftfartsdrivstoff for å øke drivstoffhydrogeninnholdet kan oppnå enda sterkere reduksjoner av flyets sotutslipp. Denne tilnærmingen åpner nye alternativer for å designe neste generasjons jetbrensel for å oppfylle de internasjonale standardene for standard eller alternativt jetbrensel, samtidig som de reduserer strålingen og klimakonsekvensen av tilhørende contrail cirrusskyer.

metoder

Kildefly og motorer

DLR ATRA er en Airbus A320-232 (serienummer 3C0C4B) utstyrt med to internasjonale Aero-motorer IAE-V2527-A5-motorer. IAE-V2527-A5 blandet turbofanmotor har en maksimal nominell skyvekraft på 111,2 kN, et maksimalt trykkforhold på 27,2 og et bypass-forhold på 4,82 representativt for V2500-familien²⁴. Sammenlignet med kommersielle fly flyr det et lavt antall årlige flytimer (< 1000)²⁴. Røyknummeret er 5,2 for start, 7,2 for stigning ut, 4,2 for tilnærming og 2,6 for tomgang, se unikt identifikasjonsnummer 1IA003 som referert til i ICAOs utslippsdatabank v24.

Drivstoffsertifisering og blanding

Internasjonale sertifiseringsstandarder av ASTM International ble brukt til å analysere drivstoffene for denne studien som gitt i referansene²⁴. Disse inkluderer ASTM D1319, standard testmetode for hydrokarbontyper i flytende petroleumsprodukter etter fluorescerende indikatoradsorpsjon, DOI: 10.1520 / D1319-02A, ASTM D2622, standard testmetode for svovel i petroleumsprodukter etter bølgelengde dispersive røntgenfluorescens spektrometri, DOI: 1D1840-07R17 og ASTM D7171, standard testmetode for hydrogeninnhold i mellomdestillat-petroleumsprodukter ved lavoppløselig pulserende kjernemagnetisk resonansspektroskopi, DOI: 10.1520 / D7171-16²⁴.

Et petroleumsbasert standard Jet A1-drivstoff (Ref1) fra NatRef-raffineriet med 18,8 volumprosent aromatisk innhold ble blandet av SASOL (South African Synthetic Oil Limited) med 41 volumprosent av et FT-basert syntetisk jetbrensel for å produsere semisyntetisk jetbrensel blanding SSF1 med 11,4 volumprosent aromatisk drivstoffinnhold. De HEFA-baserte bærekraftige alternative jetbrenselblandingene ble produsert av forskjellige raffinerier og blandet med DLR med variable porsjoner (51 og 70 volumprosent) av standard Jet A1-brensel med 18,6 volumprosent (Ref3) og 16,5 volumprosent (Ref4) aromatisk innhold som resulterer i to HEFA-baserte bærekraftige alternative jetbrenselblandinger med 8,5% etter volum (SAF2) aromatisk innhold. For å få innsikt i effektene av bi-sykliske aromatiske molekyler ble naftaleninnholdet i Ref3 (1,17 volumprosent) senket til 0,61 volumprosent for SAF1 og 0.045 volumprosent for SAF2. I tillegg ble hydrogeninnholdet og hydrogen til karbonmolforhold for drivstoffblandingene bestemt. Drivstoffsammensetningen er gitt i tabell 1.

Konvensjonelle petroleumsbaserte jetbrensel (hovedsakelig parafin) er sterkt raffinert og består av en kompleks blanding av hydrokarbonarter med 9 til mer enn 16 karbonatomer²⁸. Standard spesifikasjonen for jetbrensel som inneholder syntetiske hydrokarboner krever at den endelige blandingen (konvensjonell fossilbasert Jet A1 og opptil 50 vol% syntetisk blanding) har en tetthet på >760 kg m⁻³ og inneholder mellom 8 og 25 vektprosent aromatiske hydrokarboner²⁰. Jet A1-drivstoff kan inneholde opptil 0,3 vekt% svovel. Derimot inneholder rene alternative drivstoff aromater nær null og bare spor av svovel, vanligvis introdusert under håndtering og frakt gjennom Jet A1 forurensede drivstoffsystemer⁴⁵. Alternative drivstoff produseres fra et stort utvalg av råstoff, for eksempel kull, naturgass, biomasse, avfall og fornybar elektrisitet og inneholder vanligvis et mye smalere spekter av hydrokarbonarter²⁸. FT-prosessen konverterer karbonmonoksid og hydrogengassblandinger til en alternativ flydrivstoffblanding. Bærekraften avhenger sterkt av CO₂ fotavtrykk av denne produksjonsveien. Hydro-prosesserte estere og fettsyre (HEFA) er en ASTM-godkjent biobasert jetbrenselblanding, som for eksempel er produsert av brukt matolje, Camelina eller Jatropha planteolje⁴⁶.

Måling av partikler og sporingsgass

Partikler og sporingsgasser ble målt med et sett med godt karakteriserte instrumenter som har blitt distribuert ombord i fly i tidligere kampanjer^3,30. CAS²⁹ montert under vingen av Falcon ble brukt under ECLIF1 for å måle konsentrasjoner av ispartikkelnummer og størrelsesfordelingen i kontrastene som tilpasset metodikken fra tidligere arbeid⁵. Partikler i størrelsesområdet 0,5 – 50 um krysser fokuset for en laserstråle og signalet spredt i 4 – 12 ° fremoverretning oppdages av en fotodetektor. CAS var størrelseskalibrert^47,48 som fører til usikkerheter på ±16% for ispartikkeldiametere (D_p) rapportert her. Iskrystaller med større størrelser bidrar med <1% til de totale isantallkonsentrasjonene i kontrast³ og blir ikke diskutert videre. Ispartikkel knusing⁴⁹ ble ikke observert under contrail-gjennomtrengelsene, som forventet for lave konsentrasjoner av store iskrystaller. Et CAS-prøvetakingsområde på 0,21 mm² ble bestemt ved laboratoriekalibreringer. En empirisk tilfeldighetskorreksjonsfunksjon ble avledet⁵ og ble brukt til å korrigere CAS-dataene for tilfeldighetseffekter. En korreksjon på 10% ble lagt til contrail-ispartikkelnumrene for å korrigere for ispartikler <0,5 um, som ikke måles av CAS.

Under ECLIF2 / ND-MAX ble FFSSP-300 (Fast Forward Scattering Spectrometer Probe) montert på 62 ° på den øvre flykroppen til DC-8 for å måle ispartikkelkonsentrasjoner i nærheten av CO₂ innløp, som ble brukt til å beregne EI. Den lave dragkonfigurasjonen av FFSSPs hus sammenlignet med CAS tillot installasjonen i nærheten av CO₂ innløp på DC8 ‘ s flykropp. I tillegg letter beliggenheten i nærheten av aerosolinnløpet sammenligningen av is- og aerosolmålinger. Sonden måler partikler i et størrelsesområde mellom 0,8 og 25 um. Partikler som krysser fokuset for en åpen bane He-Ne laserstråle med en bølgelengde på 632,8 nm spredningslys og lyset spredt i vinkelområdet 3 – 15 ° blir oppdaget av en fotodetektor³⁰. Prøvetakingsområdet på 0,19 mm² ble kartlagt ved hjelp av en mono-spredt strøm av vanndråper. Sonden mottok en elektronisk oppdatering i 2017 og registrerer nå data fra enkeltpartikler. FFSSP var også størrelseskalibrert^47,48 på grunnlag av en T-Matrix-beregning for et ispartikkelaspektforhold på 0,5. Isnummerkonsentrasjonene rapportert her omfatter bare partikler med størrelser større enn 1 um på grunn av instrumentell støy i den laveste kanalen. Basert på partikkelstørrelsesfordelingsdata i kontraster målt ved CAS, ble en effektiv diameteravhengig korreksjonsfaktor mellom 1,1 og 1,4 brukt på FFSSP-dataene for å gjøre rede for mindre iskrystaller.

Antall konsentrasjoner av ikke-flyktige partikler ble målt med kondensasjonspartikkel tellere (CPC) basert på TSI, Model 3010 tellere (TSI, Inc, USA), modifisert og optimalisert for luftbåren påføring. I løpet av ECLIF1 ble de koblet til et fremovervendt nesten isokinetisk aerosolinntak. Antallkonsentrasjon av ikke-flyktige partikler ble bestemt ved prøvetaking fra en prøvelinje oppvarmet til 250 °C for å fordampe flyktige komponenter av den totale aerosolen. De resterende ikke-flyktige aerosolkomponentene antas å være hovedsakelig sammensatt av sot. Under målinger nær felt (ECLIF1) ble prøvestrømmen fortynnet med en faktor på 30 ved bruk av et inline fortynningssystem for å unngå metning av partikkeltellene. CPC-data er korrigert for redusert deteksjonseffektivitet i miljøer med lavt trykk⁵⁰ og partikkeltap i Thermodenuder. Vi bestemmer en generell usikkerhet i ikke-flyktige partikkelnummerkonsentrasjoner på ±15%. Evalueringen av ikke-flyktige partikkeldata for ECLIF1 er beskrevet i detalj⁵. Under ECLIF2 / ND-MAX ble aerosolpartikler prøvetatt ved bruk av en sentral, “øse ” -stil aerosolinntak som ble prøvetatt ikke-isokinetisk ved høye strømmer. Mens dette innløpet er designet for å avlede større skydråper og ispartikler bort fra aerosolprøvetakingslinjen, kan små contrail-ispartikler komme inn i innløpet og sublimere slik at flertallet av sotrester kan påvises i partikkeltellene.

Karbondioksid (CO₂) ble målt ved hjelp av et hulrom ring ned spektroskopi (CRDS) instrument produsert av Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA (modell: G2301-m flyanalysator). For CO₂ deteksjon, en laser avgir pulser i et tre-speil hulrom med bølgelengden til en CO₂ absorpsjonslinje. Tiden som kreves for å dempe pulsen i hulrommet er proporsjonal med molfraksjonen av CO₂ i prøveluften. Hulrommet drives med et konstant trykk på 140 Torr. Trykkstabiliteten oppnås ved å bruke en pumpe i prøveluftinnløpslinjen og ved å regulere innløpsventilen til hulrommet. Effekten av H₂O på CO₂ lesing korrigeres under etterbehandling av dataene⁵¹. Presisjonen (2 s) for CO₂ målingene er 0,1 ppmv. Nøyaktigheten er 0,3 ppmv og kan spores tilbake til NOAA / ESRL (Earth System Research Laboratory / Global Greenhouse Gas Reference Network) CO₂ kalibreringsstandard. CO₂ signalstigningstid (10 – 90%) og falltid (90 – 10%) er 1,5 s. Måleintervallet er 2,0 s. Prøveluft ble ført til CRDS-instrumentet via et bakovervendt innløp montert på den øvre delen av flykroppen til Falcon og DC8.

Under ECLIF1, H₂O-blandingsforhold ble målt med en usikkerhet på ±7% med et CR-2 frostpunkthygrometer fra Buck Research Instruments, LLC^3,52 koblet til et bakovervendt innløp for å utelukke prøvetaking av kondensert vann. Det meteorologiske målesystemet ombord på Falcon oppdaget temperatur og trykk med nøyaktigheter på henholdsvis ±0,5 K og ±0,5 hPa. Fra H₂O- og temperaturdata ble den relative luftfuktigheten i forhold til is (RHI) beregnet. I luften rundt kontrastene varierte RHI mellom 107 og 125% på dager da det ble dannet kontraster med en estimert usikkerhet på ±7 – 10%.

Under ECLIF2 / ND-MAX ga NASA Langley Diode Laser Hygrometer (DLH) H₂O-målinger ombord DC-8 med høy tidsmessig oppløsning⁵³. DLH er et åpen bane luftbårent avstembart diode laserbasert instrument, som opererer i det nesten infrarøde spektrale området med en bølgelengde på ~1,39 um. DLH måler H₂O blandingsforhold i atmosfæren ved bølgelengde modulert differensialabsorpsjonsspektroskopi. Laseren er modulert i ~2000 Hz og fungerer i en ‘linjelåst ‘ modus; signalet demoduleres med det dobbelte av modulasjonsfrekvensen (2F-deteksjon) for å gi god følsomhet og rask tidsrespons. Omgivelsestrykk og temperatur, målt separat på flyet, brukes til å konvertere normalisert 2F-signal til H₂O blandingsforhold. På grunn av det store utvalget av H₂O-konsentrasjon i atmosfæren fra prosentnivåkonsentrasjoner ved eller nær havnivå til noen få deler per million i den nedre stratosfæren, DLH opererer på en av tre spektrale absorpsjonslinjer, og bytter automatisk mellom dem avhengig av målte signalnivåer. Den åpne stien på NASA DC-8 er dannet mellom en lasermottaker, plassert i hytta, og et stykke kommersielt tilgjengelig retrorefleksark av vegskilt type festet til nacellen til påhengsmotoren påhengsmotoren. Den totale optiske banen rundt turen er ~28,5 m.

Atmosfæriske cruiseforhold

Semisyntetisk jetbrensel SSF1 (Ref2) ble brent i begge motorene til ATRA på flyvningene 22. september (7. oktober) 2015. Den termodynamiske terskeltemperaturen for smussdannelse³³ av 224 – 225 (± 0,7) K for flyvningene ble beregnet ut fra meteorologiske data under forutsetning av en samlet fremdriftseffektivitet på 0,3. Kontrailene ble undersøkt ved 9,0 K (Ref2) og 4,9 K (SSF1) under denne temperaturgrensen.

Bærekraftig alternativt jetbrensel SAF1 og SAF2 ble brent i begge motorene til ATRA under flyvningene henholdsvis 23. og 24. januar 2018. Kontrailene ble undersøkt ved 5,9 K (SAF1) og 8 K (SAF2) under kontrasttemperaturgrensen. Mer informasjon om omgivelsesforhold og motorinnstillinger er gitt i tabellen 2. Målinger i fjernfeltet i avstander større enn 7 km er nødvendige for å overvinne prøvetakingsutfordringene til partikkelprober forårsaket av metningseffekter på grunn av tilfeldig overføring av to eller flere partikler gjennom prøvetakingsvolumet⁵⁴. På disse avstandene kan de motroterende våkne virvler indusert av vingespissene blandes, og utslipp fra de to motorene kan ikke skilles ved målinger på stedet. Alder på contrail ved hver penetrasjonssekvens ble avledet ved å analysere GPS-flyspordata for kildefly (ATRA) og måleplattformer (Falcon, DC-8) under hensyntagen til vinddriften.

$${ \ rm { AE { I }}} _ { \ rm { \ venstre (\ frac }}= \ Delta <TA> <GTA>rm { air }}}{{ \ rm { M }} _ { C { O { _ }} 2 { \ cdot \ Delta }} \ rho { _ }(1)

Beregning av utslippsindekser

For å redegjøre for fortynning eller blanding med omgivelsesluft samt inhomogeniteter i eksosen, blir dataene analysert i form av EI, relatert til partikkel- eller gasskonsentrasjoner til massen av brent drivstoff. Denne verdien vurderes indirekte via CO₂ måling ved skalering av partikkel- og sporgassmålinger til CO₂ med en kjent og konstant CO₂ utslippsindeks. Her en unik verdi for CO₂ av EI_CO2 ≈ 3.160 g kg⁻¹ brukes, det litt forbedrede hydrogeninnholdet i de alternative drivstoffblandingene. Dette introduserer en feil <1% (+ 0,13% for Ref2 og −0,6% for SSF1) i beregningen av utslippsindeksen, som er inkludert i de eksperimentelle usikkerhetene. For ikke-flyktige flygenererte partikler gir EI antall partikler som slippes ut per enhetsmasse forbrukt drivstoff. Ettersom ispartikler ikke slippes direkte ut av motorene, er begrepet tilsynelatende ispartikkelutslippsindeks AEI_is brukes. Med dette konseptet kan sot- og ispartikkelnummer direkte sammenlignes. Partikkelnummer EI beregnes⁴⁵ som forholdstall mellom forbedringer i partikkelnummerkonsentrasjoner over deres respektive bakgrunn (ΔN) til den samtidig målte CO₂ forbedring (ΔCO₂) av med molmassene av luft (M_luft), CO₂ (M_CO2), og tettheten av luft ρ_luft. ΔN_is er den integrerte is-tettheten og ΔCO₂ den integrerte CO₂ blandingsforhold over individuelle kontrasekvenser.

Tilsynelatende isutslippsindeks ved motorutgangen

Ved å sammenstille vertikale profiler av sot og ispartikkel EI, tidligere arbeid⁵ finner en antikorrelasjon forårsaket av sublimering av ispartikler i de synkende og adiabatisk oppvarmede primære virvler, som forventet fra teorien⁴⁴. Her bruker vi den samme strategien for referanse Jet A1 og SSF data målt under ECLIF1. Målt AEI_is og EI_sot oppsummeres for å beregne den vertikale profilen til partikkelutslippsindeksen (sot og is) fra disse observasjonene. AEI_is og EI_sot respektive til motorutgangsforhold blir deretter avledet fra contrail-profilen ved å bruke den aktiverte fraksjonen av de totale partiklene⁵. AEI_is og EI_sot ble evaluert med enmotors drivstoffstrømningshastighet på 1180 ± 100 kg time⁻¹ for å begrense EIs avhengighet av drivstoffstrøm. EI fra SSF1 ble målt med enmotors drivstoffstrømningshastighet på 820 ± 44 kg time⁻¹. Grunndata viser en økning på 15% i EI_sot for de høyere drivstoffstrømningshastighetene²⁴derfor ble EI for SSF skalert med 15% for å gjøre rede for forskjeller i drivstoffstrømningshastigheter.

Et annet aerosolinntak ble brukt under ND-MAX, noe som forhindrer implementering av denne tilnærmingen for ECLIF2 / ND-MAX-data. Derfor henter vi AEI_is nær motorutgangen for SAF-drivstoffblandinger direkte fra ispartikkelobservasjoner ±50 m over og under kildeflyets flyhøyde. I nærheten av kildeflyet kan uanmeldte ispartikkel-tap på grunn av sublimering føre til en usikkerhet på 10%.

Tilsynelatende isemisjonsindeks størrelsesfordeling

De fortynningsnormaliserte isstørrelsesfordelingene AEI_is (Fig. 5) er blitt påvist i den 58 s gamle SSF1-kontrailen og i 66 s gamle Jet A1-kontrail på tilsvarende våkne dybder Δz på 99 m (SSF1) og 100 m (Ref2). EI fra SSF1 ble igjen skalert med 15% for å gjøre rede for forskjeller i drivstoffstrømningshastigheter med hensyn til Jet A1. Totalt AEI_is er 10,5 (± 2,2) * 10¹⁴ for contrail nukleated på referansen Jet A1 drivstoff og 6,7 (± 1,5) * 10¹⁴ kg⁻¹ for SSF1-kontrail øker den effektive diameteren på 1,9 um for referansen Jet A1-kontrail til 2,7 um for contrail som er nukleert på utslipp fra lavaromatisk semisyntetisk jetbrensel.

Ispartikkelutslippsindeksfordelinger over partikkelstørrelsesområdet fra 0,5 til 25 um målt ved CAS ble montert ved bruk av en log-normal funksjon av formen

d(AEIice)d[log⁡(Dp)]=nDp2πσDpexp⁡{−[log⁡(DpDc)]22σ2}(2)

hvor D_p er ispartikkelens diameter, er det totale ispartikkelnummeret per kg-drivstoff i diameterintervallet D_p, D_c er den geometriske middeldiameteren til fordelingen og σ er relatert til distribusjonsbredden. Fit koeffisienter er D_c = 2,46 (± 0,11) um; σ = 0,42 ± 0,02 og for SSF1 med passformkvaliteten gitt av bestemmelseskoeffisienten R² (COD) på 0,97; og D_c = 1,61 (± 0,10) um; σ = 0,52 ± 0,04 og nDpnDp=3.08(±0.21)×1015nDp=3.51(±0.22)×1015 for Ref ² Jet A1 drivstoff med R² (COD) på 0,974.

Datatilgjengelighet

Datasettene for denne studien er tilgjengelige i DLR-dataregisteret kl https://halo-db.pa.op.dlr.de/ for ECLIF1-dataene og fra NASA-arkivet som ligger kl https://science-data.larc.nasa.gov/aero-fp/projects/ for ECLIF2 / ND-MAX og fra tilsvarende forfatter på forespørsel.

referanser

1. D.S. Lee et al. Den globale luftfartens bidrag til menneskeskapt klimatvingning for 2000 til 2018. Atmos. Environ. 244, https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2020.117834 (2021)
2. Heymsfield, A. et al. Kontrail mikrofysikk. Okse. Er. Meteorol. Soc. 91465 – 472 (2010).Artikkel Google Scholar 
3. Voigt, C. et al. Observasjoner på stedet av unge kontraster — overvurderer og utvalgte resultater fra CONCERT-kampanjen. Atmos. Chem. Phys. 109039 – 9056, https://doi.org/10.5194/acp-10-9039-2010 (2010).Artikkel CAS Google Scholar 
4. Schumann, U. et al. Egenskaper ved individuelle kontraster: en samling av observasjoner og noen sammenligninger. Atmos. Chem. Phys. 17403 – 438, https://doi.org/10.5194/acp-17-403-2017 (2017).Artikkel CAS Google Scholar 
5. Kleine, J. et al. Observasjoner på stedet av tap av ispartikler i en ung vedvarende smuss. Geophys. Res. Lett. 45, 553 – 13,561 (2018).Artikkel Google Scholar 
6. Minnis, P. et al. Lineære contrail og contrail cirrus egenskaper bestemt ut fra satellittdata. Geophys. Res. Lett. 403220 – 3226 (2013).Artikkel Google Scholar 
7. Vázquez-Navarro, M., Mannstein, H. & Kox, S. Kontrail livssyklus og egenskaper fra 1 år med MSG / SEVIRI hurtigskanningsbilder. Atmos. Chem. Phys. 15, 8739 – 8749, https://doi.org/10.5194/acp-15-8739-2015 (2015).Artikkel CAS Google Scholar 
8. Iwabuchi, H., Yang, P., Liou, K. N. & Minnis, P. Fysiske og optiske egenskaper ved vedvarende kontraster: klimatologi og tolkning. J. Geophys. Res .: Atmos. 117, D06215 (2012).Google Scholar 
9. Tesche, M., Achtert, P., Glantz, P. & Ingen, K. J. Luftfartseffekter på allerede eksisterende cirrusskyer. Nat. Kommun. 712016 (2016).Artikkel CAS Google Scholar 
10. Burkhardt, U. & Kärcher, B. Global strålende kraft fra contrail cirrus. Nat. Clim. Endre 1, 54 – 58 (2011).Artikkel Google Scholar 
11. Stocker, T. et al. IPCC klimaendringer 2013: Fysisk vitenskapelig grunnlag. Bidrag fra WG I til den femte vurderingsrapporten fra det mellomstatlige panelet for klimaendringer (IPCC) (red. Stocker, T. F. et al.) (Cambridge University Press, 2013).
12. Bock, L. & Burkhardt, U. Å revurdere egenskaper og strålekraft av contrail cirrus ved bruk av en klimamodell. J. Geophys. Res .: Atmos. 1219717 – 9736 (2016).Artikkel Google Scholar 
13. Schumann, U. En contrail cirrus prediksjonsmodell. Geosci. Model Dev. 5, 543 – 580, https://doi.org/10.5194/gmd-5-543-2012 (2012).Artikkel Google Scholar 
14. Bock, L. & Burkhardt, U. Contrail cirrus strålingskraft for fremtidig flytrafikk. Atmos. Chem. Phys. 19, 8163 – 8174, https://doi.org/10.5194/acp-19-8163-2019 (2019).Artikkel CAS Google Scholar 
15. Chen, C.-C. & Gettelman, A. Simulert luftfart fra 2050 fra kontraster og aerosoler. Atmos. Chem. Phys. 167317 – 7333 (2016).Artikkel CAS Google Scholar 
16. Teoh, R., Schumann, U., Majumdar, A. & Stettler, M. E. J. Begrensning av klimatvingningen av flykontrailer ved småskala avledninger og teknologiadopsjon. Environ. Sci. Technol. 54, 2941 – 2950, https://doi.org/10.1021/acs.est.9b05608 (2020).Artikkel CAS Google Scholar 
17. Grewe, V. et al. Begrensning av klimaeffekten fra luftfart: prestasjoner og resultater av DLR WeCare-prosjektet. romfart, 4, https://doi.org/10.3390/aerospace4030034 (2017).
18. Burkhardt, U., Bock, L. & Bier, A. Begrensning av contrail cirrus-klimaeffekten ved å redusere utslippene av sotnummer. npj Clim. Atmos Sci. 1, 37, https://doi.org/10.1038/s41612-018-0046-4 (2018).Artikkel CAS Google Scholar 
19. Kärcher, B. Dannelse og strålende kraft av contrail cirrus. Nat. Kommun. 9, 1824, https://doi.org/10.1038/s41467-018-04068-0 (2018).Artikkel CAS Google Scholar 
20. Moore, R. H. et al. Blanding av biodrivstoff reduserer partikkelutslipp fra flymotorer under cruiseforhold. Natur 543, 411 – 415 10oi.1038 / nature21420. (2017).Artikkel CAS Google Scholar 
21. Savage, N. Drivstoffalternativer: Det ideelle biodrivstoffet. Natur 4749 – 10 (2011).Artikkel Google Scholar 
22. ICAO International Civil Aviation Organization drivstoffguide, https://www.icao.int/environmental-protection/knowledge-sharing/Docs/Sustainable%20Aviation%20Fuels%20Guide_vf.pdf. sist åpnet 18 nov 2019 (2017).
23. Arrowsmith, S. Rapport fra kommisjonen til Europaparlamentet og rådet: Oppdatert analyse av ikke-CO₂ klimakonsekvenser av luftfart og potensielle politiske tiltak i henhold til EUs system for utslippshandel. Direktivartikkel 30, MOVE / E1 / SER / 2019-475 / SI2.817062, https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/201119_report_com_ep_council_updated_analysis_non_co2_climate_impacts_aviation.pdf (2020).
24. Schripp, T. et al. Effekten av alternative jetbrensel på motorens eksosammensetning under ECLIF bakkebaserte målekampanje i 2015. Environ. Sci. Technol. 524969 – 4978 (2018).Artikkel CAS Google Scholar 
25. Lobo, P., Hagen, D. E. & Whitefield, P. D. Sammenligning av PM-utslipp fra en kommersiell jetmotor som brenner konvensjonelle, biomasse og Fischer-Tropsch drivstoff. Environ. Sci. Technol. 45, 10744 – 10749 https://doi.org/10.1021/es201902e. (2011).Artikkel CAS Google Scholar 
26. Brem, B. T. et al. Effekter av drivstoffaromatisk innhold på ikke-flyktige partikkelutslipp av en gass-turbin i produksjonen. Environ. Sci. Technol. 4913149 – 13157 (2015).Artikkel CAS Google Scholar 
27. Cain, J. et al. Karakterisering av gassformige og partikkelformige utslipp fra en turbosjaktmotor som brenner konvensjonelle, alternative og surrogatbrensel. Energidrivstoff 272290 – 2302 (2013).Artikkel CAS Google Scholar 
28. Pregger, T. et al. Fremtidige drivstoff — Analyser av fremtidsutsiktene til fornybar syntetisk brensel. energier 13138 (2020).Artikkel CAS Google Scholar 
29. Baumgardner, D., Jonsson, H., Dawson, W., O’Connor, D. & Newton, R. Sky-, aerosol- og nedbørspektrometeret: et nytt instrument for skyundersøkelser. Atmos. Res. 59251 – 264 (2001).Artikkel Google Scholar 
30. Voigt, C. et al. Utryddelse og optisk dybde av smuss. Geophys. Res. Lett. 38 https://doi.org/10.1029/2011GL047189 (2011).
31. Voigt, C. et al. ML-CIRRUS: Det luftbårne eksperimentet på naturlig cirrus og contrail cirrus med High-Altitude Long-Range forskningsfly HALO. Okse. Er. Meteorol. Soc. 98271 – 288, https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00213.1 (2017).Artikkel Google Scholar 
32. Feldpausch, P., Fiebig, M., Fritzsche, L. & Petzold, A. Måling av ultrafine aerosolstørrelsesfordelinger ved en kombinasjon av diffusjonsskjermseparatorer og kondensasjonspartikkel tellere. Aerosol Sci. 37577 – 597 (2006).Artikkel CAS Google Scholar 
33. Schumann, U. På betingelser for smussdannelse fra flyavgasser. Meteorologische Zeitschrift 54 – 23 (1996).Artikkel Google Scholar 
34. Kärcher, B., Kleine, J., Sauer, D. & Voigt, C. Kontraildannelse: analyse av sublimeringsmekanismer. Geophys. Res. Lett. 45, 547 – 13,552 (2018).Google Scholar 
35. Brock, C. A. et al. Ultrafine partikkelstørrelsesfordelinger målt i flyets eksosrør. J. Geophys. Res. 10526555 – 26567, https://doi.org/10.1029/2000JD900360 (2000).Artikkel CAS Google Scholar 
36. Schumann, U. et al. Påvirkning av drivstoffsulfur på sammensetningen av flyets eksosplommer: eksperimentene SULFUR 1 – 7. J. Geophys. Res. 1071689 (2002).Google Scholar 
37. Wong, H.-W. & Miake-Lye, R. C. Parametriske studier av dannelse av kontraispartikler i jetregime ved bruk av mikrofysisk pakkemodellering. Atmos. Chem. Phys. 103261 – 3272, https://doi.org/10.5194/acp-10-3261-2010 (2010).Artikkel CAS Google Scholar 
38. Unterstrasser, S. Stor-eddy simuleringsstudie av contrail mikrofysikk og geometri i virvelfasen og konsekvenser for overgang til cirrus. J. Geophys. Res. Atmos. 119, 7537 – 7555, https://doi.org/10.1002/2013JD021418 (2014).Artikkel Google Scholar 
39. Schröder, F. et al. På overgangen av smuss til cirrus. J. Atmos. Sci. 57464 – 480 (2000).Artikkel Google Scholar 
40. Schröder, F. et al. In situ-studier på flyktige utslipp av jet-eksospartikler: Effekter av svovelinnhold og miljøforhold på aerosoler i kjernemodus. J. Geophys. Res. 105, 941 – 19 954 (2000).Google Scholar 
41. Petzold, A., Döpelheuer, A., Brock, C. EN. & Schröder, F. P. Observasjoner in situ og modellberegninger av svart karbonutslipp fra fly i cruisehøyde. J. Geophys. Res. 104, 171 – 22,181 (1999).Google Scholar 
42. Kärcher, B., og Yu, F. Rollen til fly sotutslipp i kontrastdannelse, Geophys. Res. Lett. 36, https://doi.org/10.1029/2008GL036649 (2009).
43. Fot, J. S. Noen observasjoner av skyenes optiske egenskaper. II: Cirrus. Kvart. J. Royal Meteorol. Soc. 114145 – 164 (1988).Artikkel Google Scholar 
44. Unterstrasser, S. & Gierens, K. Numeriske simuleringer av overgang til cirrus — Del 2: påvirkning av innledende iskrystallnummer, stråling, lagdeling, sekundær kjerne og lagdybde. Atmos. Chem. Phys. 10, 2037 – 2051, https://doi.org/10.5194/acp-10-2037-2010 (2010).Artikkel CAS Google Scholar 
45. Beyersdorf, A. et al. Reduksjoner i utslipp av flypartikler på grunn av bruk av Fischer – Tropsch-drivstoff. Atmos. Chem. Phys. 1411 – 23 (2014).Artikkel Google Scholar 
46. Rye, L., Blakey, S. & Wilson, C. W. Bærekraft for forsyning for planeten: en gjennomgang av potensielle drop-in alternative luftfartsdrivstoff. Energy Environ. Sci. 317 – 27 (2010).Artikkel CAS Google Scholar 
47. Rosenberg, P. D. et al. Partikkelstørrelseskalibrering med brytningsindeks korreksjon for lysspredende optiske partikkel tellere og påvirker PCASP- og CDP-data samlet inn under Fennec-kampanjen. Atmos. Målingsteknikk. 51147 – 1163 (2012).Artikkel Google Scholar 
48. Borrmann, S., Luo, B. & Mishchenko, M. Påføring av T-matriksmetoden på måling av asfæriske (ellipsoidale) partikler med fremadspredende optiske partikkel tellere. J. Aerosol Sci. 31789 – 799 (2000).Artikkel CAS Google Scholar 
49. Felt, P. R. et al. Ispartikkel mellomliggende tider målt med en rask FSSP. J. Atmos. Oceanic Technol. 20249 – 261 (2003).Artikkel Google Scholar 
50. Ingen, K. J. & Hansson, H. C. Kalibrering av TSI 3760 kondensasjonskjerneteller for ikke-standard driftsforhold. Aerosol Sci. Technol. 13478 – 485, https://doi.org/10.1080/02786829008959462 (1990).Artikkel Google Scholar 
51. Rella, C. W. et al. Målinger med høy nøyaktighet av tørr føflekkfraksjoner av karbondioksid og metan i fuktig luft. Atmos. Meas. Tech. 6837 – 860 (2013).Artikkel CAS Google Scholar 
52. Busen, R. & Buck, A. L. Et hygrometer med høy ytelse for flybruk: Beskrivelse, installasjon og flydata. J. Atmos. Oceanic Technol. 1273 – 84 (1995).Artikkel Google Scholar 
53. Diskin, G. S., Podolske, J. R., Sachse, G. W. & Slate, T. A. Open-Path Airborne Tunable Diode Laser Hygrometer. Diode lasere og applikasjoner i atmosfærisk sensing. SPIE Proc. 4817196 – 204 (2002).Artikkel Google Scholar 
54. Lance, S. Tilfeldighetsfeil i en Cloud Droplet Probe (CDP) og et Cloud and Aerosol Spectrometer (CAS), og den forbedrede ytelsen til en modifisert CDP. J. Atmos. Oceanic Technol. 291532 – 1541 (2012). Sci., 2010, 3, 17-27.Artikkel Google Scholar 
55. ASTM International. ASTM D7171, standard testmetode for hydrogeninnhold i mellomdestillat-petroleumsprodukter ved lavoppløselig pulserende kjernemagnetisk resonansspektroskopi, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org 10.1520 / D7171-16.
56. ASTM International. ASTM D7566 – 19 Standard spesifikasjon for luftfartsturbinbrensel som inneholder syntetiserte hydrokarboner, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019 www.astm.org, 10.1520 / D7566-19
57. ASTM International. ASTM D2622, standard testmetode for svovel i petroleumsprodukter etter bølgelengde dispersiv røntgenfluorescensspektrometri, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org, 10.1520 / D2622-16
58. ASTM International. ASTM D1840, standard testmetode for naftalenhydrokarboner i luftfart turbinbrensel av Ultraviolet spektrofotometri, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017, www.astm.org, 10.1520 / D1840-07R17.

Last ned referanser

erkjennelser

Vi takker flybesetningene til NASA DC-8, DLR Falcon og DLR ATRA for utmerkede flyoperasjoner. Vi takker U. Schumann, R. Meerkötter og ND-MAX bakkestestteam for fruktbare diskusjoner. Dette arbeidet ble støttet av DLR Aeronautics Research Program, NASA Advanced Air Vehicles Program; C.V. ble støttet av Helmholtz excellence-programmet (stipendnummer W2 / W3-060) og av German Science Foundation innen SPP-2194 (kontrakt nr. VO1504 / 7-1).

Finansiering

Open Access-finansiering aktivert og organisert av Projekt DEAL.

Forfatterinformasjon

Forfattere og tilknytning

1. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, TysklandChristiane Voigt, Jonas Kleine, Daniel Sauer, Tiziana Bräuer, Stefan Kaufmann, Monika Scheibe, Tina Jurkat-Witschas, Yvonne Boose, Valerian Hahn, Christopher Heckl, Felix Huber, Markus Rapp & Hans Schlager
2. Johannes Gutenberg-University, Mainz, TysklandChristiane Voigt, Jonas Kleine, Stephan Borrmann og Valerian Hahn
3. NASA Langley Research Center, Hampton, VA, USARichard H. Moore, Ewan Crosbie, Glenn S. Diskin, Joshua DiGangi, John B. Nowak, Claire Robinson, Michael Shook, Edward Winstead, Luke Ziemba & Bruce E. Anderson
4. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Stuttgart, TysklandPatrick Le Clercq, Manfred Aigner, Uwe Bauder, Bastian Rauch & Tobias Schripp
5. Max-Planck-Institute for Chemistry, Mainz, TysklandStephan Borrmann
6. Ludwig-Maximilians-University, München, TysklandMarkus Rapp

bidrag

H.S., P.L., B.A. og C.V. planla flyeksperimentet; C.V., J.K., D.S., T.B., R.H.M., S.K., T.J., L.Z., E.C., E.W., M.S., C.R., G.D., J.N. og B.A. utførte aerosoldataevalueringen og C.V. skrev papiret med bidrag fra R.H.M og B.A. Alle forfattere kommenterte papiret.

Tilsvarende forfatter

Korrespondanse til Christiane Voigt.

Etiske erklæringer

Konkurrerende interesser

Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.

Tilleggsinformasjon

Peer review informasjon Primærhåndteringsredaktør: Heike Langenberg

Utgiverens notat Springer Nature forblir nøytral med hensyn til jurisdiksjonelle påstander i publiserte kart og institusjonelle tilknytninger.

Rettigheter og tillatelser

Åpen tilgang Denne artikkelen er lisensiert under en Creative Commons Attribution 4.0 International License, som tillater bruk, deling, tilpasning, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium eller format, så lenge du gir passende kreditt til den eller de opprinnelige forfatterne og kilden, gir en lenke til Creative Commons-lisensen, og angi om det ble gjort endringer. Bildene eller annet tredjepartsmateriale i denne artikkelen er inkludert i artikkelens Creative Commons-lisens, med mindre annet er angitt i en kredittgrense til materialet. Hvis materiale ikke er inkludert i artikkelen Creative Commons-lisensen og din tiltenkte bruk ikke er tillatt ved lovfestet forskrift eller overskrider den tillatte bruken, må du få tillatelse direkte fra opphavsrettsinnehaveren. For å se en kopi av denne lisensen, besøk http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reprints og tillatelser

Om denne artikkelen

Siter denne artikkelen

Voigt, C., Kleine, J., Sauer, D. et al. Renere brennende luftfartsdrivstoff kan redusere smidig uklarhet. Commun Earth Environ 2, 114 (2021). https://doi.org/10.1038/s43247-021-00174-y

Last ned sitering

• mottatt3. september 2020
• akseptert4. mai 2021
• publisert17. juni 2021
• DOIhttps://doi.org/10.1038/s43247-021-00174-y

Del denne artikkelen

Alle du deler følgende lenke med vil kunne lese dette innholdet:Få delbar lenke

Levert av Springer Nature SharedIt innholdsdelingsinitiativ

fag

• Atmosfærisk kjemi
• Begrensning av klimaendringer

Denne artikkelen er sitert av

• Stier til netto nullutslipp fra luftfart
  • Candelaria Bergero
  • Greer Gosnell
  • Steven J. Davis
  Natur bærekraft (2023)
• Hvordan lage klimanøytral luftfartsfly
  • Romain Sacchi
  • Viola Becattini
  • Marco Mazzotti
  Naturkommunikasjon (2023)
• Sammenlignende miljølivssyklusvurdering og driftskostnadsanalyse av langdistanse hydrogen og biodrivstoffdrevet transportfly
  • Kristina Kossarev
  • Anna Elena Scholz
  • Mirko Hornung
  CEAS Aeronautical Journal (2023)
• Eksperimentell undersøkelse av ytelse og sotutslipp av oksygenerte drivstoffblandinger i en liten flymotor
  • Alexander Rabl
  • Christopher Mull
  • Volker Gümmer
  CEAS Aeronautical Journal (2023)
• Nukleasjon av jetmotoroljedamp er en stor kilde til luftfartsrelaterte ultrafine partikler
  • Florian Ungeheuer
  • Lucía Caudillo
  • Alexander L. Vogel
  Kommunikasjon Jord og miljø (2022)

kommentarer

Ved å sende inn en kommentar godtar du å følge vår Vilkår og Fellesskapets retningslinjer. Hvis du finner noe voldelig eller som ikke er i samsvar med våre vilkår eller retningslinjer, kan du flagge det som upassende.