Luftfart og den globale atmosfæren

3.2.3. Sot- og metallpartikler

3.2.3.1. Soot

Flyjetmotorer avgir direkte faste sotpartikler. Sot omfatter alle primære, karbonholdige produkter fra ufullstendige forbrenningsprosesser i motoren. Foruten den rene (optisk svarte) karbonfraksjonen, disse produktene kan også inneholde ikke-flyktige (grå) organiske forbindelser (f.eks. Burtscher, 1992; Bockhorn, 1994). Sotparametere av betydning for å forstå plommeprosesser er konsentrasjon og størrelsesfordeling ved motorens utgang, kjernevirksomhet og kjemisk egenskaper og fryseevne.

Sotutslipp for nåværende flymotorer er spesifisert under International Civil Aviation Organization (ICAO) ved bruk av røyknummermålinger (Kapittel 7). Røyknummeret domineres av de største sotpartiklene som er samlet inn på et filter. Prøvetaking av sotpartikler mindre enn ca. 300 nm på slike filtre blir ineffektiv. Korrelasjoner mellom røyknummer og sotmassekonsentrasjoner (f.eks. Champagne, 1988) brukes til å estimere sotmassen EI fra ICAO-sertifisering data. En middelverdi er estimert til å være omtrent 0,04 g / kg drivstoff for den nåværende flåten (D � Pelheuer, 1997). Fordi sotutslipp avhenger sterkt om motortyper, effektinnstillinger og flynivåer, er tilleggsinformasjon generelt nødvendig for å relatere røyknummer til utslipp under flyforhold. Detaljer om størrelsesfordeling og fysisk-kjemiske egenskaper sot under flyforhold er generelt ikke kjent og kan ikke utledes fra røyknummerdata.Soot partikkelmålinger for en rekke moderne motorer viser verdier som sprer rundt 1015 / kg drivstoff (Figur 3-3b). Dermed er sot omtrent 100 ganger mindre rikelig i plommen enn flyktig aerosolpartikler; ingen vesentlig, om noen, avhengighet eksisterer mellom sot og svovelinnhold (Petzold et al., 1997, 1999; Anderson et al., 1998a; Paladino et al., 1998). Verdiene fra 1014 til 1015 / kg drivstoff er i samsvar med et masseområde på 0,01 til 0,2 g / kg drivstoff for individuelle motorer ved bruk av estimerte størrelsesfordelinger. De eldre Concorde- og T-38-motorene viser eksepsjonelt høyt antall EI-er, mens en moderne subsonisk motor avgir mye færre sotpartikler (ca. 1013 / kg drivstoff) (Howard et al., 1996). Sotpartikler er sammensatt av individuelle, nesten sfæriske partikler (sfærer), som har en gjennomsnittlig radius mellom 10 og 30 nm og overskrider størrelsen på flyktige aerosolpartikler i en ung plomme (Hagen et al., 1992; Rickey, 1995) (Figur 3-2). Flere sfæriske sotpartikler kan samle seg og danne en kompleks kjedestruktur som kan endre seg med tiden (Goldberg, 1985). De minste sotpartiklene vil være raskest nedsenket i aerosoldråper i bakgrunnen ved koagulering, i samsvar med faktum at bare større individuelle sotpartikler eller agglomerater med radier større enn omtrent 50 til 100 nm er observerbare på cruise nivåer (Sheridan et al., 1994). Rapporterte estimater av sotoverflaten ved motorutgangen er i rekkevidde fra 5000 til 105 �m² cm^-3 (Rickey, 1995; Petzold et al., 1999). Disse verdiene reduseres kontinuerlig når plommen fortynner.

Mye mindre informasjon er tilgjengelig om eksosens hydreringsegenskaper sot. I de innledende dannelsesstadiene er grafittlignende sotpartikler hydrofobe. Laboratorieobservasjoner har imidlertid vist at n-heksan sotpartikler og andre svarte karbonatomer er delvis hydrert (f.eks. Chughtai et al., 1996). Soot partikler ferske fra jetmotorer blir sannsynligvis hydrofile ved oksidasjon prosesser eller avsetning av vannoppløselige arter som er til stede i eksosen. Uregelmessig overflatefunksjoner og kjemisk aktive steder kan også øke kjemisk reaktivitet og forsterke heterogene kjerneprosesser.

En klar sammenheng mellom svovelinnhold i drivstoff og oppløselige massefraksjoner funnet på fersk eksos sot antyder at sot hydrerer mer effektivt med øke EI (S) og at H₂SÅ₄ er den primære oppløselige bestanddelen (Whitefield et al., 1993). Hydrering av karbonpartikler ble observert under vann-undermettet forhold etter behandling med gassformig H₂SÅ₄ (Wyslouzil et al., 1994). Dette økning i H₂O-adsorpsjon er i kvalitativ avtale med en analyse av fukting av grafittisk karbon under plommeforhold (K � rcher et al., 1996b). Heterogen nukleasjon av H₂SÅ₄hydrater på sot ble funnet å være usannsynlig under plommeforhold. Sothydratiseringsegenskaper kan også endre seg etter behandlingen med OH og ozon (K � rcher et al., 1996b; Kotzick et al., 1997).

Produksjon av vannløselig materiale ved interaksjon av sot med SO₂ er usannsynlig fordi klistringssannsynlighetene for gassformig SO₂ på amorf karbon er for små (Andronache og Chameides, 1997; Rogaski et al., 1997). Imidlertid SÅ₃ og H₂SÅ₄ kan lett adsorbere på sot før flyktig partikkeldannelse og kan forklare målte oppløselige massefraksjoner på sot (K � rcher, 1998b). svovel kan også bli integrert i sot allerede i motorene, muligens via S-holdige hydrokarboner involvert i sotdannelse (Petzold og Schr � der, 1998). Scavenging av små flyktige dråper utgjør en annen sotaktivering pathway (Zhao og Turco, 1995; Brown et al., 1996b; Schumann et al., 1996). Den resulterende væsken H₂SÅ₄/ H₂O-belegg øker med plysjalder og kan forbedre sotens isdannende evne, som bare er dårlig kjent (Seksjon 3.2.4), eller det kan undertrykke reaksjoner identifisert i laboratoriet ved bruk av tørre sotoverflater (Gao et al., 1998).

3.2.3.2 Metallpartikler

Flyjetmotorer avgir også direkte metallpartikler. Kildene deres inkluderer motor erosjon og forbrenning av drivstoff som inneholder spormetallforurensninger eller metallpartikler som kommer inn i eksosen med drivstoffet (Kapittel 7). Metallpartikler-omfattende elementer som Al, Ti, Cr, Fe, Ni og Ba-er estimert å være til stede på delene per milliard volumnivå (ppbv) ved dyseutgangsfly (CIAP, 1975; Fordyce og Sheibley, 1975). Tilsvarende konsentrasjoner på 10⁷ til 10⁸partikler / kg drivstoff (forutsatt 1 mm radius; se nedenfor) er mye mindre enn for sot. Selv om metaller er funnet som rester i cirrus og contrail ispartikler (Chen et al., 1998; Petzold et al., 1998; Twohy og Gandrud, 1998), deres antall og tilhørende masse vurderes også liten for å påvirke dannelsen eller egenskapene til mer rikelig flyktig og sot plume aerosolpartikler.

3.2.4. Forming av kontrail og is

3.2.4.1. Formasjonsbetingelser og observasjoner

Kontrailer består av ispartikler som hovedsakelig kjerner på eksos sot og flyktige aerosolpartikler i plomme. Kontraildannelse er forårsaket av økningen i relativ fuktighet (RH) som oppstår i motorens plomme som et resultat av blanding av varme og fuktige avgasser med kaldere og mindre fuktig omgivelsesluft (Schmidt, 1941; Appleman, 1953). RH med hensyn til flytende vann må nå 100% inn den unge plommen bak flyet for at kontraformasjon skal skje (H � hndorf, 1941; Appleman, 1953; Busen og Schumann, 1995; Jensen et al., 1998a). Termodynamisk forhold for dannelse avhenger av trykk, temperatur og RH ved en gitt flyging nivå; forbrenningsegenskaper for drivstoff når det gjelder utslippsindeksen til H₂O og forbrenningsvarme; og generell effektivitet h (Cumpsty, 1997). h, definert som brøkdelen av forbrenningsvarmen som brukes til å drive flyet, kan beregnes fra motor- og flyegenskaper (Schumann, 1996a; se også Seksjon 3.7). Bare fraksjonen (1-h) av forbrenningsvarmen forlater motoren med avgassene. Når verdien av h øker, synker eksosrørstemperaturene for en gitt konsentrasjon av utsendt vanndamp, og dermed dannes smuss ved høyere omgivelsestemperaturer og over et større utvalg av høyder i atmosfæren (Schmidt, 1941). Flere nyere studier rapporterte om dannelse og synlighet av kontraster ved temperaturer og fuktigheter som forutsagt av termodynamisk teori for en rekke fly- og omgivelsesforhold (Busen og Schumann, 1995; Schumann, 1996b; Schumann et al., 1996; Jensen et al., 1998a; Petzold et al., 1998). Disse dataene er samlet i Figur 3-4. Den blandeprosessen i den ekspanderende eksosplumen er nær isobarisk, så den spesifikke overflødig entalpi og vanninnhold i plommen reduseres med et fast forhold som plommearter fortynner fra motorutgang til omgivelsesverdier. Derfor plommeforhold følg rette «blandingslinjer» i en tomt av H₂O deltrykk kontra temperatur (Schmidt, 1941) (Figur 3-4). De termodynamiske egenskapene til H₂O er slik at metningstrykket over flytende vann og vannis (fast stoff og stiplede linjer) øker eksponentielt med temperaturen. Derfor innen det første sekundet i plommen øker eksos-RH til et maksimum, og avtar deretter til omgivelsesverdier. Omgivelsestemperaturen når terskelverdier for smuss formasjon når mikselinjene berører væskemetningskurven i Figur 3-4b. Kontrailer vedvarer når blandingslinjeendepunktene faller mellom væsken og ismetningstrykk – det vil si når den omgivende atmosfæren er is-overmettet. Uten omgivelsesis-overmettelse, fordamper kontrasil-iskrystaller i tide skalaer fra sekunder til minutter. Kortvarige kontrailer kan også dannes uten omgivelsesomgivelse vanndamp hvis omgivelsestemperaturene er tilstrekkelig lave.

Kontrailer blir synlige i omtrent en vingespennavstand bak flyet, som antyder at ispartiklene dannes og vokser store nok til å bli synlige innen de første tidelene av et sekund av plysjalder. Fordelinger i isstørrelse topp vanligvis ved 0,5 til 1 �m antall gjennomsnittlig radius (Figur 3-2). En nedre grensekonsentrasjon på ca. 104 cm^-3 av isdannende partikler i plomme (ved plomme mellom 0,1 og 0,3 s) er nødvendig for at en contrail skal ha en optisk dybde over siktgrensen (K � rcher et al., 1996b). Disse verdier og de tilsvarende gjennomsnittlige radiene på 1 �m av ispartikler er i avtale med in situ målinger i unge plommer (Petzold et al., 1997). Innledende tetthet av ispartikkel øker fra 104 til 105 cm^-3og mener radier reduseres fra 1 til 0,3 �m når omgivelsestemperaturen senkes med 10 K fra en typisk terskelverdi på 222 K (K � rcher et al., 1998a). Selv om aerosol og ispartikkeldannelse i en contrail påvirkes av drivstoffet svovelinnhold (Andronache og Chameides, 1997, 1998), det har bare et lite (< 0,4 K) innvirkning på terskeltemperaturen for dannelse av smuss (Busen og Schumann, 1995; Schumann et al., 1996).

Simuleringer av contrail-dannelse antyder videre at smuss også ville form uten sot- og svovelutslipp ved aktivering og frysing av bakgrunn partikler (Jensen et al., 1998b; K � rcher et al., 1998a). Imidlertid resultatet kontraster vil ha færre og større partikler.

Ice partikkel størrelse spektre i og i kanten av unge kontraster systematisk skiller seg fra hverandre (Petzold et al., 1997). Omgivelses aerosol kan spille en større rolle i contrail regioner som nukleaterer ved plommekantene, der forholdet mellom omgivelsen til sotpartikler er størst og når omgivelsestemperaturene er lave (212 K) (Jensen et al., 1998b). Ispartikler kan også nukleere på omgivelsesdråper i de oppboende lemmer av virvler og kan bidra til å stride mot ismasse (Gierens og Str � m, 1998). Partikler av metall (og sot) er funnet som inneslutninger i contrail ispartikler større enn 2 til 3 �m i radius (Twohy og Gandrud, 1998), men disse partiklene er numerisk uviktige sammenlignet med andre plommer partikler.

Kontrail iskrystaller fordamper raskt når omgivelsesluften er undermettet med hensyn til is, med mindre partiklene er belagt med andre arter slik som HNO₃ (Diehl og Mitra, 1998). Simuleringer antyder at noen få monolagere av HNO₃ kan kondensere på ispartikkeloverflater og danne NAT-partikler i stratosfærisk kontra (K � rcher, 1996). Disse partiklene ville være termodynamisk stabile og levde lenger og ville forårsake en annen kjemisk forstyrrelse enn det som ville gjort kortvarige stratosfæriske kontringer sammensatt av vannis. Imidlertid relevansen av denne effekten på større skalaer er ennå ikke studert fordi ingen parameterisering av NAT-partikkelkjerne i flyplommer eksisterer for bruk i atmosfærisk modeller (Kapittel 4).

3.2.4.2. Frysing av kontrailpartikler

I en ung kontrast vokser aktiverte partikler først til størrelser > 0,1 �m med vann opptak før mange av dem fryser homogent for å danne is-partikler (K � rcher et al., 1995; Brown et al., 1997). Brøkdelen av H₂SÅ₄/ H₂O dråper at fryser avhenger av den faktiske dråpesammensetningen, som påvirker den homogene frysehastighet, tidsutviklingen til H₂O overmettelse og temperatur i plommen, og mulig konkurranse med heterogene fryseprosesser som involverer sot (se Figur 3-1).

Rene vanndråper fryser homogent (uten tilstedeværelse av en fremmed underlag) med en hastighet som vokser i forhold til dråpevolum og blir veldig stor når dråpen er avkjølt til den homogene frysegrensen nær omtrent -45 � C (Pruppacher, 1995). Sureoppløsninger fryser ved lavere temperaturer enn rent vann. Frysing induseres ofte heterogent av fast materiale nedsenket i en dråpe (nedsenking fryser) eller i kontakt med overflaten (kontaktfrysing). Forutsigelse av heterogene frysehastigheter krever detaljert kunnskap om de isdannende egenskapene til dråpeinneslutninger (Pruppacher og Klett, 1997). Hvis homogene og heterogene fryseprosesser er mulig, den mest effektive frysemodus tar opp tilgjengelig H₂O og kan forhindre vekst av andre partikkelmodus.

Når omgivelsestemperaturen er nær terskelverdien for smussdannelse, modeller antyder at flyktige aerosolpartikler bare tar opp litt vann og hold deg under den kritiske størrelsen (radii > 2 til 5 nm) som kreves for vekst og påfølgende frysing (K � rcher et al., 1995). Denne kritiske størrelsen-derav frysingssannsynligheten avhenger på maksimal superkjøling nådd i den ekspanderende plommen. Partikkelvekstnivåer-derav frysehastigheter – er større i kjøligere og fuktigere omgivelsesluft, så flyktig partikler kan bidra betydelig til iskrystallkjerner ved temperaturer under kontrastgrenseverdien. Dette resultatet støttes av observasjoner av kontrailer og deres mikrofysiske egenskaper for forskjellige svovelnivåer (Petzold et al., 1997) og miljøtemperaturer (Freudenthaler et al., 1996).Flyktige partikler dyrket på ladede dråper aktiveres lettere enn nøytrale modusdråper (sammenlign i Figur 3-2), derfor kan spille en forbedret rolle i contrail formation (Yu og Turco, 1998b). Omgivelsespartikler bidrar også til iskrystallkjerner i contrail (Twohy og Gandrud, 1998).

I strid med partikkeldannelse, heterogene fryseprosesser som involverer sot (se figurer 3-1 og 3-5) konkurrere med homogen frysing av flyktige plommepartikler. Flyktige dråper vil forhindres i å fryse hvis hurtig frysing av sotholdige partikler forekommer. Selv om denne analysen støttes av modellsimuleringer og noen observasjoner (Gierens og Schumann, 1996; K � rcher et al., 1996b, 1998a; Schumann et al., 1996; Brown et al., 1997; Konopka og Vogelsberger, 1997; Schr � der et al., 1998a; Twohy og Gandrud, 1998), er den frysende sannsynligheten for sot dårlig kjent fordi unikt bevis på at sot er direkte involvert i isdannelse er vanskelig å oppnå fra in situ målinger. På den annen side ferske sotpartikler ikke fungere som effektive is (avsetning) kjerner i eksosen (Rogers et al., 1998), i samsvar med fraværet av smuss ved temperaturer over væsken vannmetningsgrense.

Kontrailer observert nær terskelformasjonsforhold antas å resultere fra frysing av vann på sotpartikler (K � rcher et al., 1996b; Schumann et al., 1996; Brown et al., 1997) (Figur 3-5). Dette resultatet støttes av laboratorieforsøk (DeMott, 1990; Diehl og Mitra, 1998) som gir bevis for at sot kan indusere isdannelse ved heterogen nedsenking iskaldt ved temperaturer kaldere enn ca. 250 K. Vannaktivering av sot kan resultat av dannelse av minst et delvis overflatebelegg av H₂SÅ₄/ H₂O dråper, som sannsynligvis utvikler seg for gjennomsnittlig til høyt drivstoffsulfurnivå (Figur 3-5). Derfor fører mer drivstoffsulfur til et større antall ispartikler. Observasjoner viser imidlertid at antall ispartikler (diameter > 300 nm) hos unge kontraster øker med bare rundt 30% når drivstoffinnholdet øker fra 6 til 2700 ppm (Petzold et al., 1997), som modellsimuleringer av contrail formation viser også (K � rcher et al., 1998a).

Kontrailer ved terskelforhold ser ut til å være dannet for veldig lave (2 ppm) svovelinnhold på samme måte som for gjennomsnittlig svovelinnhold i drivstoff (260 ppm) (Busen og Schumann, 1995), men egenskapene deres er forskjellige målbart for større svovelinnhold (Schumann et al., 1996). Dette resultatet antyder det sot kan ta opp vann selv ved null svovelinnhold, selv om dette opptaket kan forbedres i nærvær av svovelutslipp (K � rcher et al., 1998a; se Figur 3-5).

Tilstedeværelsen av flytende belegg kan endre den kjemiske reaktiviteten til tørr eksos sot, som er dårlig kjent (Kapittel 2). Sotpartikler fungerer som frysekjerner har potensial til å endre cirrus skyegenskaper (se Avsnitt 3.4). Nåværende observasjoner utelukker ikke muligheten for at fly sotpartikler kan fungere som frysekjerner i cirrus formasjon, kanskje til og med uten H₂SÅ₄/ H₂O belegg. Informasjon mangler på hvordan den kjemiske reaktiviteten og fryseegenskapene til sot kan endre seg i aldrende plommer fra interaksjoner med bakgrunnsgasser og partikler eller som et resultat av aerosolbehandling i smuss.