Reduzierung von Kondensstreifen und Abschwächung der globalen Erwärmung durch Optimierung der Flugbahn

May 09 2023

Von Flugzeugen gebildete Wolken könnten der Umwelt mehr Schaden zufügen, als wir denken – hier ist ein Tool, das uns helfen könnte, das zu vermeiden. Einleitung Eine Studie, die den Beitrag der Luftfahrtindustrie zum Klimawandel zwischen 2000 und 2018 untersuchte, kam zu dem Schluss, dass Kondensstreifen 57 % der erwärmenden Auswirkungen des Sektors verursachen [3]; deutlich mehr als der CO2-Ausstoß bei der Verbrennung von Treibstoff.

Abbildung 1 Kondensstreifen am Himmel [17]

Von Flugzeugen gebildete Wolken könnten der Umwelt mehr Schaden zufügen, als wir denken – hier ist ein Tool, das uns helfen könnte, das zu vermeiden.

Einführung

Eine Studie, die den Beitrag der Luftfahrtindustrie zum Klimawandel zwischen 2000 und 2018 untersuchte, kam zu dem Schluss, dass Kondensstreifen 57 % des Klimawandels verursachen.der Auswirkungen des Sektors auf die Erwärmung [3]; deutlich mehr als der CO2-Ausstoß bei der Verbrennung von Treibstoff. Kondensstreifen, auch Kondensstreifen genannt, sind lange, dünne Wolken, die sich während des Fluges hinter Düsenflugzeugen bilden. Wenn heiße Abgase von Flugzeugtriebwerken mit kalter, feuchter Luft in der hohen Atmosphäre in Kontakt kommen, kondensiert Wasserdampf und verwandelt sich in Eiskristalle. Es gibt bestimmte Bedingungen in der Atmosphäre, die erfüllt sein müssen, damit sich Kondensstreifen bilden, und es wurden viele Studien durchgeführt, um die Bildung und das Fortbestehen von Kondensstreifen genau vorhersagen zu können. Kondensstreifen sind schon seit den Anfängen der Luftfahrt zu beobachten, doch erst in jüngster Zeit haben ihre Beständigkeit und ihre Auswirkungen auf die Umwelt wissenschaftliche Aufmerksamkeit und öffentliche Besorgnis erregt. Indem es Wärme in der Atmosphäre einfängt und den Treibhauseffekt verstärkt, Kondensstreifen haben das Potenzial, das globale Klima zu beeinflussen. Abhängig von den atmosphärischen Bedingungen und der Tageszeit, zu der sich die Kondensstreifen bilden, kann diese Auswirkung abkühlend oder erwärmend sein, aber die derzeitige Gesamtwirkung der Kondensstreifen ist eine Erwärmung des Planeten. Hier stellen wir ein Tool zur Quantifizierung der Auswirkungen von Kondensstreifen auf einer bestimmten Flugbahn vor und zeigen dem Benutzer gleichzeitig die optimale Flugbahn auf, die den geringsten Einfluss von Kondensstreifen und Kraftstoffverbrauch verursacht.

Hintergrund

Kondensstreifen wurden im Laufe der Jahre intensiv untersucht, was 1996 in der Entwicklung des Schmidt-Appleman-Kriteriums für die Kondensstreifenbildung durch Ulrich Schumann gipfelte [1]. Dieses Kriterium spezifizierte die erforderlichen atmosphärischen Bedingungen, die die Bildung von Kondensstreifen ermöglichen würden. Weitere Studien von Schumann befassten sich in einer Arbeit aus dem Jahr 2012 auch mit dem Persistenzkriterium für Kondensstreifen, das die Abschätzung ihrer Lebensdauer und der Strahlungsantriebseffekte ermöglichte [5]. Dies ermöglichte die Schaffung eines zuverlässigen Systems, mit dem die wärmende Wirkung von Kondensstreifen auf die Umwelt berechnet und quantifiziert und mit den anderen Kohlenstoffemissionen verglichen werden konnte, für die die Luftfahrtindustrie verantwortlich ist. Da die IATA eine Fly Net Zero-Verpflichtung hat, die bis 2050 erreicht werden soll, werden Kondensstreifen und der von ihnen ausgehende Strahlungsantrieb berechnet.

Zielsetzung

Ziel war es, ein Tool zu entwickeln, das die Menge der durch einen Flug verursachten Kohlenstoffemissionen aus Kondensstreifenbildung und Treibstoffverbrauch berechnen kann. Dies würde dann mit einer Optimierungsmethode kombiniert, um die umweltfreundlichste Flugroute unter Berücksichtigung der Steig- und Sinkgeschwindigkeiten des Fluges zu generieren. Das Tool müsste die zuvor besprochenen Studien nutzen, um die Bildung der Kondensstreifen entlang einer Flugbahn an einem bestimmten Tag zu berechnen. Dann sollte das Tool den Strahlungsantriebsaspekt der Kondensstreifen berechnen und ihn in eine Messung der Kohlenstoffemissionen umwandeln, um sie mit der Messung des Kraftstoffverbrauchs zu kombinieren. Dadurch können wir uns ein vollständiges Bild über die CO2-Emissionen des gesamten Fluges machen. Damit dieses Tool genau und nutzbar ist, waren tägliche globale meteorologische Daten sowie Flugrouten erforderlich, die Wegpunkte,

Wetterzellen und Datenerfassung

Die Implementierung eines Tools zur Bestimmung der Kondensstreifenbildung und der Lebensdauer erforderte die Nutzung einer Reihe von Datenquellen. Zunächst wurden verschiedene Flugrouten von Kurzstreckenflugzeugen ausgewählt, wobei CSV-Dateien Zeitstempel, Höhen und Geschwindigkeiten von Flugzeugen enthielten, die von Flightradar24 abgerufen wurden [16].
Nachdem die Flugwegdaten abgerufen worden waren, wurden Wetterstationsdaten aus dem Radiosonde-Wetterballondatenarchiv der University of Wyoming verwendet, um ein dreieckiges Netz zu erstellen, für das jeder durch das Netz begrenzte Punkt interpolierte Wetterdaten enthielt. Eine Teilmenge dieses Netzes für die Region um Großbritannien ist unten zu sehen.

Abbildung 2 Wetterzellennetz für das Vereinigte Königreich

Um die atmosphärischen Bedingungen an einem beliebigen Punkt innerhalb dieses Netzes zu bestimmen, wurden lineare Interpolation und Schwerpunktkoordinatengewichtungen verwendet. Dies ermöglichte angemessene Schwankungen der Bedingungen im Verlauf des Fluges und verhinderte willkürliche geografische Klippenkanten bei der Bestimmung der Kondensstreifenbildung. Da der Datensatz der University of Wyoming diskrete Höhenmessungen enthielt, war es notwendig, eine grundlegende lineare Interpolationsfunktion zu implementieren. Der Code soll die drei Stationen identifizieren, die einen Flugwegpunkt umschließen, und die Umgebungstemperatur und die Taupunkttemperatur in Höhenwerten direkt über und unter der Wegpunkthöhe abrufen. Sobald diese Datenpunkte gefunden sind, werden die atmosphärischen Bedingungen auf der Wegpunkthöhe an allen drei Stationen mithilfe linearer Interpolation ermittelt. bevor Schwerpunktkoordinatengewichtungen angewendet werden. Eine visuelle Darstellung dieses Prozesses ist in den folgenden Abbildungen zu sehen:

Abbildung 3 Lineare Interpolation für Wettersondierungen

Abbildung 4 https://codeplea.com/triangular-interpolation

Mithilfe der Schwerpunktgewichtungen werden ungefähre Bedingungen am Wegpunkt ermittelt und können auf das Schmidt-Appleman-Kriterium angewendet werden.

Kondensstreifenbildung und -persistenz

Kondensstreifenbildung

Eine parametrisierte Reihe von Bedingungen, unter denen es zur Kondensstreifenbildung kommt, wurde eingehend untersucht, und das derzeit weithin akzeptierte Theorem ist das Schmidt-Appleman-Kriterium für Brennstoffzellen [1]. Der Zweck dieser Theorie im Projekt bestand darin, eine Reihe grundlegender quantifizierbarer Bedingungen für die Bildung von Kondensstreifen bereitzustellen, die anhand von Daten für eine beliebige Flugbahn bestimmt werden konnten. Das Schmidt-Appleman-Kriterium verwendet ein System von Ungleichheitsbedingungen, die auf kritischen Umgebungstemperaturen basieren, die durch die relative Luftfeuchtigkeit der Luft und Flugzeugtriebwerksparameter wie die Antriebseffizienz bestimmt werden [1]; die relative Luftfeuchtigkeit wird durch Taupunkt und Umgebungstemperatur bestimmt. Wenn diese Ungleichheitsbedingungen erfüllt sind, kann die Bildung von Kondensstreifen festgestellt werden:

Abbildung 5 Schmidt-Appleman-Mischliniendiagramm: Der Bereich zwischen der Mischlinie und der Sättigungslinie ist der Ort, an dem Kondensstreifen auftreten [14]

Kondensstreifen-Persistenz

Sobald sich Kondensstreifen gebildet haben, ist die relative Luftfeuchtigkeit des Eises der Hauptfaktor bei der Entscheidung, ob sie bestehen bleiben oder nicht. Wenn die relative Feuchtigkeit des Eises mehr als 100 % beträgt, bleiben die Kondensstreifen bestehen [4]. Jeder Kondensstreifen, der die Persistenzkriterien nicht erfüllte, wurde ignoriert, da er keine signifikante Auswirkung hat. Als Dauer des Kondensstreifens für dieses Werkzeug wurde angenommen, dass es sich um die Zeit von der anfänglichen Persistenz bis zum Ende des Kondensstreifens handelt.

Auswirkung

Die Bedingungen für Bildung und Fortbestehen können kombiniert werden, um die Auswirkungen eines Kondensstreifens anhand des induzierten Strahlungsantriebs zu berechnen (der Strahlungsantrieb ist die Differenz zwischen in die Atmosphäre eintretender und austretender Sonnenstrahlung). Das in diesem Tool verwendete Parametrisierungsmodell wurde von Ulrich Schumann [5] abgeleitet.

Das Modell unterteilt den Strahlungsantrieb in zwei Hauptkomponenten: den langwelligen Strahlungsantrieb und den kurzwelligen Strahlungsantrieb. Die Konstanten in den Gleichungen werden auf der Grundlage der Annahme der Form des Eispartikels definiert: Bei diesem Werkzeug wurde davon ausgegangen, dass das Eispartikel kugelförmig ist. Unter dieser Annahme wurde der effektive Radius auch anhand der Studie von Greg McFarquhar aus dem Jahr 2001 [7] berechnet, die Werte für den Eiswassergehalt und temperaturabhängige Koeffizienten berücksichtigte. Für diese OLR-Daten (Outgoing Longwave Radiation) wurden Daten von der National Oceanic and Atmospheric Administration [6] eingeholt, und Sonnenzenitwinkel, Sonnendirektstrahlung und reflektierte Sonneneinstrahlung wurden vom CAMS Radiation Service von Copernicus für jedes Datum und jede Uhrzeit bezogen Tool wurde ausgeführt [8].

Der Strahlungsantrieb wird dann durch Summieren der langwelligen und kurzwelligen Komponenten berechnet. Ein negativer Strahlungsantrieb zeigt einen kühlenden Effekt auf das Erdklima an, was darauf hindeutet, dass die Kondensstreifenbildung die Sonnenstrahlung reflektiert, während ein positiver Wert einen Nettoerwärmungseffekt darstellt.

Die Zahl des Strahlungsantriebs allein gibt jedoch keinen Aufschluss über die vollständige Wirkung eines Fluges: Um den Strahlungsantrieb in einen „Kilogramm Kohlenstoff“-Wert umzuwandeln, der mit der Wirkung verglichen werden kann, muss eine Umrechnung der Kohlenstoffemissionen durchgeführt werden Kraftstoff verbrannt. Dies ermöglicht es uns, beide Effekte zu kombinieren und eine gründlichere Studie über die Auswirkungen des gesamten Fluges zu erstellen. Dies ist bei der Entscheidung über den optimalen Weg des Flugzeugs erforderlich. Hierzu wurde ein Umrechnungsfaktor verwendet, der auf der Schätzung des IPCC zur atmosphärischen Verdoppelung des CO2 basiert [9]. Dies ermöglichte die Erstellung einer direkten Umrechnung des im Modell erhaltenen Strahlungsantriebs in ein anwendbares Maß für CO2 in Kilogramm.

Der zweite Hauptfaktor für die Auswirkungen von Flugzeugen im Flug ist der Treibstoffverbrauch. Für Treibstoffberechnungen sind Werte wie das Flugzeuggewicht von wesentlicher Bedeutung, daher muss ein Flugzeugtyp ausgewählt werden. Die Hauptannahme in diesem Abschnitt ist, dass es sich bei dem verwendeten Flugzeug um einen Airbus A320 handelt. Dies liegt daran, dass der Airbus A320 ein gängiges Kurzstreckenflugzeug ist und von British Airways für ihre Flüge eingesetzt wird, was ihn zu einem guten Beispiel für die aktuellen Anwendungsfälle der Tools macht. Die wesentlichen Informationen über das Flugzeug wurden einem Bericht über den Flugverkehr entnommen [10]. Es wurde eine Funktion erstellt, die Standard-Flugzeugtreibstoffberechnungen für ein Turbofan-Triebwerk nutzt und dabei den schubspezifischen Treibstoffverbrauch und den minimal erforderlichen Schub nutzt [11]. Die Funktion interpretiert einen Flugwegdatenrahmen mit Höhen-, Längen-, Breitengrad-, Zeitstempel- und Geschwindigkeitsvariablen. und berechnet den Treibstofffluss an verschiedenen Punkten des Fluges, nachdem er die Luftdichte in der Höhe bestimmt hat. Die Funktion liefert schließlich eine Ausgabe der während des gesamten Fluges verbrannten Treibstoffmenge. Mithilfe eines Umrechnungsfaktors wird diese Kraftstoffmenge dann in ein relevantes kg CO2 umgerechnet [12]. Der Treibstoffeffekt und die Strahlungsantriebseffekte werden dann summiert, um den vollen Effekt des Flugzeugflugs in Bezug auf CO2 zu erzielen.

Abbildung 6 Diagramm zeigt ein Beispiel eines Diagramms, das aus der Kraftstofffunktion erstellt wurde

Heatmaps

Mithilfe des Verständnisses der Kondensstreifenbildung und ihrer Auswirkungen ist es nun möglich, Wärmekarten entlang der Flugbahn zu erstellen. Diese Wärmekarten würden die Entstehungs- und Persistenzwahrscheinlichkeit für Gebiete rund um die Flugroute berechnen, die für die Berechnung der Emissionen für die alternativen vorgeschlagenen Routen erforderlich sind. Die Heatmap wird erstellt, indem das Kriterium der Bildung und des Fortbestehens von Kondensstreifen entlang der Flugbahn in konsistenten Intervallhöhen innerhalb der Reiseflughöhe getestet wird. Für die Gebiete zwischen den Intervallen wurden die Entstehung und der Fortbestand durch die beiden das Gebiet umgebenden Intervalle bestimmt. Das Ergebnis der Heatmap-Generierung ist wie folgt:

Abbildung 7: Wärmekarte auf einer Flugbahn. Die gelben Bereiche kennzeichnen einen Bereich, in dem sich ein Kondensstreifen bildet

Das blaue Gitter stellt dar, wo die Heatmap angewendet wurde. Das Gelb zeigt an, wo sich Kondensstreifen bilden, und ein roter Bereich bedeutet, dass Kondensstreifen bestehen bleiben. Diese Heatmap ist dann eine der Hauptkomponenten des Optimierungsteils des Codes, wobei die Ergebnisse dieser Heatmap verwendet werden, um die Auswirkungen des Strahlungsantriebs aller alternativen Pfade zu berechnen.

Flugwegoptimierung

Um dieses Projekt abzuschließen, wurden alle bisherigen Modelle kombiniert, um eine optimierte Flugroute mit den geringsten Klimaauswirkungen zu berechnen. Dies würde durch die Festlegung einer Flugroute, die Berechnung realistischer alternativer Flugrouten und deren Netto-CO2-Auswirkungen und die Auswahl der Route mit den geringsten Auswirkungen erfolgen.

Die Optimierung wurde mithilfe einer Klasse von Algorithmen erreicht, die als Backtracking-Algorithmen bezeichnet werden. Diese eignen sich gut, um alle möglichen Pfade durch einen zusammenhängenden Graphen zu finden. Machbar wird durch die Erstellung einer geeigneten Einschränkung definiert, die der Algorithmus beim Durchsuchen der Pfade befolgen muss. Beim Backtracking wird eine einzige mögliche Lösung gefunden und so lange zurückverfolgt, bis eine andere gefunden wird, und so weiter, bis alle Lösungen gefunden sind. Zu diesem Zweck wurde unter Verwendung der vordefinierten Heatmap-Höhen ein verbundener Graph erstellt, um jedem Wegpunkt im Flugweg mehrere alternative Höhen zur Verfügung zu stellen, die Knoten im Graphen darstellen.

Abbildung 8 eines beispielhaften verbundenen Diagramms, auf das Backtracking angewendet wurde, um alle möglichen Pfade auszugeben [15]

Die auferlegte Beschränkung war eine Obergrenze für die Steig- oder Sinkgeschwindigkeit des Flugzeugs von 50 Fuß pro Sekunde. Dies wurde als angemessene Grenze für ein Flugzeug angesehen, das alle realistischen Alternativpfade erfassen würde. Jede berechnete alternative Flugroute durchlief dann zwei Funktionen: Treibstoff-CO2-Auswirkung und Strahlungsantriebs-CO2-Auswirkung. Anschließend wurde eine Netto-CO2-Auswirkung berechnet und der Pfad mit der geringsten Nettoauswirkung ausgewählt. Dieser Pfad wurde dann mit der CO2-Auswirkung des ursprünglichen Pfades verglichen, um zu entscheiden, welcher der beiden Pfade weniger CO2 produzierte.

Es wurde eine Liste aller möglichen alternativen Pfade erstellt, diese dann durch die beiden Funktionen geleitet und für jeden Pfad der CO2-Ausstoß in kg berechnet. Anschließend wurde der Weg mit den geringsten CO2-Emissionen ausgewählt und mit dem ursprünglichen Weg verglichen, um über den optimalen Flugweg zu entscheiden.

Benutzeroberfläche

Kundenseite

Die Benutzeroberfläche dieser Webanwendung verwendet HTML und CSS für den Stil und das Gesamterscheinungsbild. Dem Benutzer wird ein Formular zur Auswahl eines Fluges zur Verfügung gestellt. Außerdem müssen Tag, Monat und Uhrzeit angegeben werden. Diese Bedingungen werden auf Flugbahn, Wetterzellen, Formation, Persistenz, Aufprall und Optimierungsberechnungen angewendet. Es wird eine Heatmap-Ausgabe erstellt, die die Zeitpunkte angibt, zu denen der Kondensstreifen auf der ursprünglichen Flugbahn bestehen bleibt, zusammen mit den CO2-Emissionen und dem Treibstoffverbrauch.

Wenn Sie auf eine Optimierungsschaltfläche klicken, wird ein zweites Diagramm zur optimierten Route erstellt und zum Vergleich neben dem Original platziert.

Abbildung 9 Endgültige Version der Web-App

Serverseitig

Für das Back-End der Anwendung wurde Python eingesetzt. Flask, ein Webanwendungsframework in Python, dient der effizienten Verknüpfung der Serverseite mit der Benutzeroberfläche. Zum Abrufen des Fluges und des erforderlichen Wetters wird eine API verwendet. (Sektion 2). Python-Bibliotheken wie SciPy wurden verwendet, um die Berechnungszeit zu verkürzen. Die Delaunay-Triangulation wurde insbesondere zur schnellen Bestimmung von Wetterstationen verwendet, die aus der API extrahiert werden sollen. Vor der Bestimmung der Wirkung wird zunächst die Entstehung von Kondensstreifen und anschließend die Größe des Kondensstreifens bestimmt. Anschließend wird der Strahlungsantrieb (RF) bewertet. Die Umwandlung des Strahlungsantriebs in CO2-Belastung ist der letzte Schritt vor der Optimierung.

Abschluss

Obwohl Kondensstreifen trivial erscheinen, können sie erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben und zum Klimawandel beitragen. Diese langen, dünnen Wolken, die sich hinter Düsenflugzeugen bilden, können stundenlang anhalten und sich zu zirrusartigen Wolken ausbreiten, die Wärme einfangen und zum Treibhauseffekt beitragen. Kondensstreifen sind eine bedeutende Quelle des vom Menschen verursachten Klimaantriebs, und es wird erwartet, dass ihre Auswirkungen auf die Umwelt mit der weiteren Zunahme des Flugverkehrs noch zunehmen.

Dieser Artikel versucht, auf den praktisch unbemerkten Einfluss von Flugzeugen auf das Weltklima aufmerksam zu machen. Daher ist es wichtig, dass wir die negativen Auswirkungen von Kondensstreifen anerkennen und nach Möglichkeiten suchen, ihre negativen Auswirkungen auf das Ökosystem zu verringern. Eine Strategie zur Reduzierung der Auswirkungen von Kondensstreifen besteht darin, Flugmuster zu optimieren, was wir oben versucht haben. Wir haben auch in die Forschung investiert, um die Auswirkungen von Kondensstreifen auf das Ökosystem besser zu verstehen. Indem wir Maßnahmen ergreifen, um dieses Problem anzugehen, können wir dazu beitragen, die Gesundheit unseres Planeten zu bewahren und eine nachhaltige Zukunft für kommende Generationen zu gewährleisten.

Team

Diese Arbeit wurde vom ALTEN UK Innovation Lab abgeschlossen, das Data-Science-Technologien auf technische Herausforderungen anwendet.

Zum Projektteam gehörten: Mohamad FARHAT , Jaswaanthii PADMANABHAN , Tejaswini CHENNIGARAYA ARUNKUMAR , Alexander MCRAE und Daniel ENNIS

Bitte kontaktieren Sie uns, wenn Sie von dieser Arbeit begeistert sind, ob sie den Anstoß für andere Ideen gegeben hat oder ob Sie uns Feedback geben möchten!

Verweise:

[1] U. Schumann, „Voraussetzung für Kondensstreifenbildung aus Flugzeugabgasen“, Februar 1996. [Online]. Verfügbar:https://elib.dlr.de/32128/1/mz-96.pdf

[2] M. Cavcar, „The International Standard Atmosphere (ISA)“, Eskisehir, Türkei. Verfügbar:http://fisicaatmo.at.fcen.uba.ar/practicas/ISAweb.pdf