欧洲新规要求航空公司监测非二氧化碳排放，NASA等机构研究减少飞机尾迹影响

从元旦开始，欧洲航空公司将面临一项新的要求：作为欧洲排放交易体系立法的一部分，航空公司必须对航空非二氧化碳影响进行监测、报告和验证。

欧洲监管政策只是表明凝结尾迹的影响和航空业的其他非二氧化碳影响日益受到关注的一个迹象。随着人们对凝结尾迹对气候影响的认识不断提高，预计新的一年将加倍研究潜在的缓解方法和该现象的基本大气物理学。

随着航空业认识到提高可持续性不仅取决于通过扩大低碳燃料的使用和提高飞机效率来减少二氧化碳排放，还取决于解决影响气候的非二氧化碳排放，因此对尾迹的研究步伐正在加快。

但环保人士认为，尽管取得了进展，但进展速度还不够快。11 月，在巴库举行的 COP29 气候大会期间，一群航空和气候科学家写了一封公开信，敦促加快对凝结尾迹采取行动，称这是一个以相对较低的成本为行业带来巨大改变的机会。

发布这封信的非政府环境组织运输与环境组织（T&E）表示，人们几十年前就知道飞机尾迹的有害影响，但这个问题却一直被掩盖着。

“至关重要的是，如果采取果断行动，这些影响可能会以比其他气候问题更快、更经济的方式得到部分缓解，这要归功于对少数目标航班进行轻微的航线调整，”信中写道。“这将对航空业和乘客产生最小的影响，对气候造成的危害大于好处的风险可以忽略不计。”

T&E 航空技术经理卡洛斯·洛佩兹·德拉奥萨 (Carlos Lopez de la Osa) 表示，凝结尾迹是“十年来航空业应对气候挑战的机遇”。“很少有气候解决方案能够如此迅速地以如此低的成本实施。”

最近的研究旨在更好地理解飞机尾迹，这支持了 T&E 的观点。飞机尾迹是在发动机的热废气与周围较冷的空气混合形成冰晶时形成的。在大气中冰过饱和的区域，这些晶体会生长，而飞机尾迹可以持续存在并扩展为飞机引起的卷云。

白天，这层薄薄的卷云反射阳光，使地球降温；而到了晚上，这层云会吸收热量，使地球变暖。这种由凝结尾迹引起的不平衡，或“辐射强迫”，被认为对气候有整体变暖效应。

调查人员的主要工作重点是完善测量和评估当前一代飞机和发动机产生的凝结尾迹的技术，从而为衡量改进和实现缓解措施设定基线。

在美国，NASA 和 GE AEROSPACE 于 11 月在 Contrail 光学深度实验 (CODEX) 的飞行测试中开始评估飞机尾流扫描技术。该测试在弗吉尼亚州诺福克进行，涉及 NASA 兰利研究中心的湾流 III 飞机和 GE 的波音747-400 飞行试验台。

湾流飞机在东海岸禁区 30,000 英尺以上的高度飞行，在 747 的后方和上方以不同距离尾随，使用光检测和测距（激光雷达）传感器扫描 GE 试验台的尾迹，以生成凝结尾迹的 3D 图像。对于 CODEX，747 配置了四台标准 GE CF6-80CB1F 发动机，使用常规 Jet A 燃料。

除了提高对飞机尾迹形成和行为随时间变化的认识之外，CODEX 的数据还有望帮助 GE 为未来与 CFM 国际合作伙伴赛峰集团在可持续发动机革命性创新 (RISE) 计划下进行的低排放燃烧室和其他先进推进技术的飞行测试铺平道路。

美国宇航局兰利研究中心物理研究科学家理查德·摩尔说：“我们从最近的模型评估和共识报告中得知，飞机尾迹对气候有重大影响，我们认为，根据目前的模型估计，当今飞机尾迹卷云的影响程度与过去一个世纪航空二氧化碳累积排放的影响程度相似。 ”

“因此，尽管存在很大的不确定性，但我们知道，尾迹如何在大气中相互作用和演变，以及与辐射、下落的阳光和来自地球的辐射相互作用，可能产生重要的影响，”摩尔解释道。“这直接取决于云层的光学特性。有了激光雷达，我们就有了自己的光源。我们不必依赖太阳和特定的太阳角度，而是可以向下发射波长为 532 纳米的绿色激光，并且可以测量尾迹中冰晶向上散射的光量。”

G-III 配备了兰利高空激光雷达观测站 (HALO)，这是一种用于表征大气中温室气体、云层和小颗粒分布的仪器。HALO 提供水蒸气、甲烷柱的天底观测剖面图以及气溶胶和云光学特性的剖面图。在 2023 年底 NASA 与波音公司在 ecoDemonstrator 计划下进行测试之前，HALO 从未用于尾迹分析。

“我们得到了散射回飞机的光线剖面图，然后我们就能将其与不仅散射回来而且被吸收和熄灭的光线量联系起来，”摩尔说。“如果我们得到穿过尾迹的光线消光剖面图，我们可以将其加起来，这就是我们所说的云或尾迹的光学厚度。这是了解辐射影响的重要参数。”

除了高光谱分辨率激光雷达通道提供的信息外，传感器套件还包括一个针对水蒸气特定吸收带进行调谐的激光器。“因此，除了将激光束拖过飞机的轨迹以提供尾迹轮廓外，我们还沿着轨迹不断测量飞机下方水蒸气场的幕帘，”摩尔说。为了完成数据集，NASA 飞机还投放了无线电探空仪来测量温度。

来自凝结尾迹调查的大气数据将有助于验证预测凝结尾迹形成条件的模型，并预测用于辐射强迫计算的光学厚度特性。这项工作不仅旨在理解凝结尾迹的形成，而且从长远来看，还为行业提供确凿的数据，因为如果事实证明变暖卷云无论如何都会自然形成，那么该行业就不会鼓励制定凝结尾迹缓解政策。

“尾迹的有效辐射强迫可能存在 70% 的不确定性，但这不应阻止我们开始减少它们，”德国航空航天中心 DLR 云物理部门负责人克里斯蒂安·沃格特 (Christiane Voigt) 于 9 月在蒙特利尔举行的国际民航组织非二氧化碳航空排放研讨会上表示。 “在误差线的最低点，它们仍然很重要。”

虽然许多业内人士认为必须立即采取行动解决飞机尾迹问题，但一些人认为，首先应该更深入地了解这一现象。

伦敦帝国理工学院的科学家最近进行的一项研究强调了理解如何减少飞机尾迹与限制航空对气候影响的更广泛努力相适应的复杂性。

这项研究基于对北大西洋上空凝结尾迹卫星数据的机器学习分析，结果表明，现代商用飞机在高空产生的凝结尾迹比老式飞机更长。研究​​人员在 8 月表示，尽管现代飞机的碳排放量低于老式飞机，但它们通过凝结尾迹对气候变化的贡献可能更大。

“这项研究给航空业带来了麻烦，”该研究的主要作者、伦敦帝国理工学院格兰瑟姆气候变化与环境研究所皇家学会研究员爱德华·格里斯皮德特 (Edward Gryspeerdt) 当时表示。“新型飞机在大气层中飞行得越来越高，以提高燃油效率并减少碳排放。这种做法的意外后果是，这些飞越北大西洋的飞机现在会产生更多寿命更长的尾迹，将额外的热量滞留在大气中，并增加航空对气候的影响。

“这并不意味着更高效的飞机是一件坏事，”他补充道。“事实并非如此，因为它们每乘客英里的碳排放量更低。然而，我们的发现反映了航空业在减少其对气候的影响时面临的挑战。”

研究发现，一个简单的步骤——减少飞机发动机排放的烟尘量——就可以缩短飞机尾迹的寿命。

“我们的研究首次证明，排放较少的烟尘颗粒会导致飞机尾迹更快地从空中掉落，相比之下，老式、肮脏的发动机产生的烟尘颗粒数量较多则会导致飞机尾迹形成，”这项研究的共同作者、伦敦帝国理工学院土木与环境工程系交通与环境教授马克·斯特特勒 (Marc Stettler) 说。

缓解凝结尾迹形成的策略主要集中在避免大气中出现冰过饱和状态，以及减少发动机尾气中可能形成冰晶的颗粒。沃格特表示，避开容易形成凝结尾迹的区域只需要改变一小部分航班的航线。

飞机可以通过飞得更高或更低来避开凝结尾迹形成区域，但这需要改进建模和预测，以使航空公司运营中心能够预测可能形成凝结尾迹的大气热点，并改变航班路线，将对燃料消耗和排放的影响降至最低。

它还需要与空中交通管制部门合作，这些变化必须得到空中交通管制部门的批准。目前正在进行操作试验，以确定高度调整的实用性和有效性。“从操作上讲，这非常具有挑战性，必须改进和测试天气和尾迹模型，”沃格特说。

去年 11 月发布的 T&E 研究发现，只需稍微改变几架飞机的航线，到 2040 年，每架飞机的成本不到 4 欧元（4.20 美元），就能将尾迹变暖减少一半。报告称，80% 的尾迹变暖仅由 3% 的航班产生；地理位置、飞行纬度、时间和季节性都会影响其气候变暖效应。研究指出，一年内，为避免尾迹而额外消耗的燃料在整个机队中将不到 0.5%。

总体而言，T&E 研究表明，避免尾迹对气候的益处将比二氧化碳排放的负面影响高出 15-40 倍。仅改变最严重肇事者的飞行路线将产生不成比例的巨大影响。

尾迹形成的第二个关键因素是尾气羽流中的烟尘，这一问题已通过改进发动机技术和改变燃料得到解决。研究表明，燃烧更清洁的发动机和可持续航空燃料 (SAF) 产生的烟尘和尾迹更少。但结果也有些出人意料。

最新一代商用涡轮风扇发动机采用稀薄燃烧技术，例如 GE 的 GEnx 1 和 CFM 的 Leap 1，产生的烟灰（也称为非挥发性颗粒物 (nvPM)）明显减少。减少烟灰应该可以减少冰晶，从而减少尾迹的形成，但最近的飞行测试表明，这样做是有限度的。

随着非挥发性微粒物质排放量下降，一些模型预测冰晶形成将减少，直至达到大气中自然产生的气溶胶所设定的下限。其他模型预测冰晶形成将首先减少，但随后随着羽流中的挥发性颗粒取代烟尘成为成核点而增加。

后者的效果已在法国 Volcan 项目下搭载 Leap 1A 发动机的空客 A320neo 和美国 NASA-波音ecoDemonstrator 项目下搭载 Leap 1B 发动机的 737-10 的飞行测试中得到证实。Volcan 飞行表明，随着烟尘减少，挥发性颗粒成为成核点。ecoDemonstrator 飞行表明，100% SAF 减少了冰晶的形成，但由于挥发性颗粒的存在，凝结尾迹仍然会形成。

与非挥发性颗粒物排放不同，挥发性颗粒物 (vPM) 由排气羽流中的可凝性气体组成，这些气体可以形成新的颗粒或覆盖现有的烟尘颗粒，使其更容易形成冰晶。Aerodyne Research 首席科学家兼副总裁 Richard Miake-Lye 在国际民航组织研讨会上表示，它们取决于燃烧过程和燃料成分。

vPM 的例子包括未燃烧和部分燃烧的燃料、燃料中的硫酸以及从发动机排出的润滑油。目前，油不被视为排放物，并且不同发动机制造商的排放方式也不同。非挥发性微粒物质排放有认证标准，这些排放物是在地面排气口测量的，但没有针对 vPM 的认证标准，因为 vPM 是在排放后产生的。

燃料成分也是一个重要因素。SAF 的硫含量低于化石喷气燃料，氢含量高于化石喷气燃料，从而减少了烟尘和冰的形成。斯特特勒在研讨会上表示，当羽流中的冰晶较少时，这些晶体会变得更大，沉积速度也会更快，从而缩短尾迹的寿命和辐射强迫。

所有这些测试，包括为欧盟的替代燃料排放和气候影响 (ECLIF) 实验进行的测试，都表明未来需要开展活动来绘制各种燃料成分、发动机类型和燃烧室技术。特别是，令人惊讶地发现即使是使用 SAF 的稀燃发动机也会形成凝结尾迹，这引发了对其他 vPM 种类（包括发动机油）进行研究的呼声。CODEX 等程序已添加到用于评估旧发动机凝结尾迹的数据库中，并随着时间的推移扩大了对其特性的了解。

为改进气候和尾迹模型，计划收集更多数据，包括发射卫星大气红外探测器和在役飞机上部署水蒸气传感器。“我们在巡航过程中收集到的不同飞机、发动机和燃料的数据有限，”摩尔说。“会有一些意外发现，就像稀燃发动机的油会浮出水面一样。”