Les nuages ​​​​formés par les avions pourraient faire plus de mal à l'environnement que nous ne le pensons - voici un outil qui pourrait nous aider à éviter cela.

Introduction

Une étude examinant la contribution de l'industrie aéronautique au changement climatique entre 2000 et 2018 a conclu que les traînées créent 57%de l'impact du secteur sur le réchauffement [3] ; beaucoup plus que les émissions de CO2 provenant de la combustion de carburant. Les traînées de condensation, souvent appelées traînées de condensation, sont de longs nuages ​​fins qui se développent derrière les avions à réaction pendant le vol. La vapeur d'eau se condense et se transforme en cristaux de glace lorsque les gaz d'échappement chauds des moteurs d'avion entrent en contact avec l'air froid et humide de la haute atmosphère. Il existe des conditions spécifiques dans l'atmosphère qui doivent être remplies pour que les traînées de condensation se forment, et de nombreuses études ont été réalisées pour pouvoir prédire avec précision la formation et la persistance des traînées de condensation. Les traînées ont été observées depuis le début des avions, mais ce n'est que récemment que leur permanence et leurs effets sur l'environnement ont attiré l'attention des scientifiques et l'inquiétude du public. En emprisonnant la chaleur dans l'atmosphère et en renforçant l'effet de serre, les traînées de condensation ont le potentiel d'affecter le climat mondial. Cet impact peut être un refroidissement ou un réchauffement en fonction des conditions atmosphériques et de l'heure de la formation des traînées de condensation, mais l'effet global actuel des traînées de condensation se réchauffe sur la planète. Nous présentons ici un outil pour quantifier l'impact de la traînée d'une trajectoire de vol donnée, tout en présentant à l'utilisateur la trajectoire optimale que le vol peut emprunter pour provoquer le moins d'impact de traînée et de consommation de carburant.

Arrière-plan

Les traînées ont été largement étudiées au fil des ans, ce qui a abouti à la création du critère de Schmidt-Appleman pour la formation de traînées par Ulrich Schumann en 1996 [1]. Ce critère précisait les conditions atmosphériques requises pour permettre la formation de traînées de condensation. D'autres études de Schumann se sont également penchées sur le critère de persistance des traînées de condensation, ce qui a permis d'estimer leur durée de vie et les effets du forçage radiatif dans un article de 2012 [5]. Cela a permis la création d'un système fiable pour pouvoir calculer et quantifier l'effet de réchauffement que les traînées ont sur l'environnement, et le comparer avec les autres émissions de carbone dont l'industrie aéronautique est responsable. L'IATA ayant un engagement Fly Net Zero à atteindre d'ici 2050, en calculant les traînées de condensation et le forçage radiatif de celles-ci,

Objectif

L'objectif était de créer un outil capable de calculer la quantité d'émissions de carbone causées par un vol à partir de la formation de traînée et de la consommation de carburant. Ceci serait ensuite combiné avec une méthode d'optimisation pour générer la trajectoire de vol la plus respectueuse de l'environnement tout en respectant les taux de montée et de descente en vol. L'outil aurait besoin d'utiliser les études discutées précédemment pour calculer la formation des traînées de condensation sur une trajectoire de vol un jour spécifique. Ensuite, l'outil doit calculer l'aspect de forçage radiatif des traînées de condensation et le convertir en une mesure des émissions de carbone pour le combiner avec la mesure du carburant brûlé. Cela nous permettra d'obtenir une image complète des émissions de carbone de l'ensemble du vol. Pour que cet outil soit précis et utilisable, il nécessitait des données météorologiques mondiales quotidiennes, ainsi que des trajectoires de vol contenant des waypoints,

Cellules météorologiques et acquisition de données

La mise en œuvre d'un outil capable de déterminer la formation et la durée de vie des traînées nécessitait l'utilisation d'un éventail de sources de données. Tout d'abord, une variété de trajectoires de vol d'aéronefs à courte portée ont été sélectionnées, avec des fichiers CSV contenant des horodatages, des altitudes et des vitesses d'aéronefs extraits de flightradar24 [16].
Une fois les données de trajectoire de vol récupérées, les données de la station météorologique des archives de données des ballons météorologiques Radiosonde de l'Université du Wyoming ont été utilisées pour créer un maillage triangulaire, pour lequel tout point lié par le maillage contenait des données météorologiques interpolées. Un sous-ensemble de ce maillage pour la zone autour du Royaume-Uni peut être vu ci-dessous.

Pour déterminer les conditions atmosphériques à un point donné de ce maillage, une interpolation linéaire et des pondérations de coordonnées barycentriques ont été utilisées. Cela a permis une variation raisonnable des conditions au cours du vol et a empêché les bords de falaise géographiques arbitraires lors de la détermination de la formation de traînée. Étant donné que l'ensemble de données de l'Université du Wyoming contenait des mesures d'altitude discrètes, il était nécessaire de mettre en œuvre une fonction d'interpolation linéaire de base. Le code est conçu pour identifier les trois stations qui entourent un waypoint de vol et récupérer la température ambiante, la température du point de rosée aux lectures d'altitude immédiatement au-dessus et en dessous de l'altitude du waypoint. Une fois ces points de données trouvés, les conditions atmosphériques à l'altitude du point de cheminement sont trouvées aux trois stations en utilisant une interpolation linéaire, avant l'application des pondérations de coordonnées barycentriques. Une représentation visuelle de ce processus peut être vue dans les figures ci-dessous :

En utilisant les pondérations barycentriques, des conditions approximatives au point de cheminement sont trouvées et peuvent être appliquées au critère de Schmidt-Appleman.

Formation et persistance de traînée

Formation de traînée

Un ensemble paramétré de conditions pour lesquelles la formation de traînée se produira a été largement étudié, et le théorème actuellement largement accepté est le critère de Schmidt-Appleman pour les piles à combustible [1]. L'objectif de cette théorie dans le projet était de fournir une série de conditions de base quantifiables pour la formation de traînée qui pourraient être déterminées avec des données pour une trajectoire de vol arbitraire. Le critère de Schmidt-Appleman utilise un système de conditions d'inégalité basé sur les températures ambiantes critiques à déterminer par l'humidité relative atmosphérique de l'eau et les paramètres des moteurs d'avion tels que l'efficacité propulsive [1] ; l'humidité relative étant déterminée par le point de rosée et la température ambiante. Si ces conditions d'inégalité sont satisfaites, la formation de traînée peut être déterminée :

Persistance des traînées

Une fois les traînées de condensation formées, le facteur principal pour décider si elles persistent ou non est l'humidité relative de la glace. Lorsque l'humidité relative de la glace est supérieure à 100 %, les traînées persistent [4]. Toute traînée de condensation qui ne répondait pas aux critères de persistance a été ignorée car elle n'a pas d'effet significatif. Le temps de persistance de la traînée pour cet outil a été supposé être le temps depuis la persistance initiale jusqu'à ce que la traînée cesse de persister.

Impact

Les conditions de formation et de persistance peuvent être combinées pour calculer l'impact d'une traînée de condensation en utilisant le forçage radiatif induit (le forçage radiatif est la différence entre le rayonnement solaire entrant et sortant de l'atmosphère). Le modèle de paramétrisation utilisé dans cet outil a été dérivé par Ulrich Schumann [5].

Le modèle divise le forçage radiatif en deux composantes principales : le forçage radiatif à ondes longues et le forçage radiatif à ondes courtes. Les constantes dans les équations sont définies sur la base de l'hypothèse de la forme de la particule de glace : pour cet outil, l'hypothèse était que la particule de glace avait une forme sphérique. En utilisant cette hypothèse, le rayon effectif a également été calculé à l'aide de l'étude de Greg McFarquhar de 2001 [7] qui incorporait des valeurs de teneur en eau glacée et des coefficients dépendant de la température. Pour ces données OLR (rayonnement à ondes longues sortantes) ont été obtenues auprès de la National Oceanic and Atmospheric Administration [6], et l'angle zénithal solaire, le rayonnement solaire direct et l'irradiance solaire réfléchie ont été obtenus auprès du CAMS Radiation Service de Copernicus pour chaque date et heure auxquelles le outil a été exécuté [8].

Le forçage radiatif est alors calculé en sommant les composantes ondes longues et ondes courtes. Un forçage radiatif négatif montre un effet de refroidissement sur le climat de la Terre, indiquant que la formation de traînée reflétera le rayonnement solaire tandis qu'une valeur positive représente un effet de réchauffement net.

Cependant, le nombre de forçage radiatif à lui seul ne donne pas un aperçu de l'effet total d'un vol : une conversion des émissions de carbone doit être utilisée pour convertir le forçage radiatif en une valeur de « kilogrammes de carbone » qui peut être comparée à l'effet d'un vol. carburant brûlé. Cela nous permet de combiner les deux effets et de générer une étude plus approfondie sur l'effet de l'ensemble du vol. Cela sera nécessaire pour décider de la trajectoire optimale à suivre par l'avion. Pour ce faire, un facteur de conversion basé sur l'estimation du GIEC du doublement atmosphérique du CO2 a été utilisé [9]. Cela a permis la création d'une conversion directe du forçage radiatif obtenu dans le modèle en une mesure applicable de CO2 en kilogrammes.

La deuxième grande partie de l'impact des avions en vol est la consommation de carburant. Pour les calculs de carburant, des valeurs telles que le poids de l'avion sont essentielles, il faut donc choisir un type d'avion. L'hypothèse principale dans cette section est que l'avion utilisé est un Airbus A320. En effet, l'Airbus A320 est un avion de vol court-courrier courant et est utilisé par British Airways pour ses vols, ce qui en fait un bon exemple pour les cas d'utilisation actuels des outils. Les principaux éléments d'information sur l'avion ont été obtenus à partir d'un rapport sur le trafic aérien [10]. Une fonction a été créée à l'aide de calculs de carburant d'avion standard pour un moteur à double flux, en utilisant la consommation de carburant spécifique à la poussée et la poussée minimale requise [11]. La fonction interprète une trame de données de trajectoire de vol avec des variables d'altitude, de longitude, de latitude, d'horodatage et de vitesse, et calcule le débit de carburant à divers points du vol, après avoir déterminé la densité de l'air en altitude. La fonction produit enfin une sortie de la quantité de carburant brûlé tout au long du vol. Un facteur de conversion est ensuite utilisé pour convertir cette quantité de carburant en un kg de CO2 pertinent [12]. L'effet carburant et les effets de forçage radiatif sont ensuite additionnés pour générer le plein effet du vol de l'avion en termes de CO2.

Cartes thermiques

En utilisant la compréhension de la formation de traînée de condensation et de son impact, la possibilité de créer des cartes thermiques sur la trajectoire de vol est désormais possible. Ces cartes thermiques calculeraient la probabilité de formation et de persistance pour les zones entourant la trajectoire de vol, ce qui sera nécessaire lors du calcul des émissions pour les trajectoires alternatives proposées. La carte thermique est générée en testant le critère de formation et de persistance des traînées de condensation sur la trajectoire de vol à des altitudes d'intervalle cohérentes dans les niveaux de croisière. Pour les zones entre les intervalles, la formation et la persistance ont été déterminées par les deux intervalles entourant la zone. Le résultat de la génération de la carte thermique est comme indiqué ci-dessous :

Où la grille bleue représente l'endroit où la carte thermique a été appliquée. Le jaune signifie où les traînées se forment, et une zone rouge signifierait la persistance des traînées. Cette carte thermique est alors l'un des principaux composants de la partie optimisation du code, où les résultats de cette carte thermique sont utilisés pour calculer l'impact du forçage radiatif de tous les chemins alternatifs.

Optimisation de la trajectoire de vol

Pour finaliser ce projet, tous les modèles précédents ont été combinés pour calculer une trajectoire de vol optimisée avec le plus faible impact climatique. Cela serait fait en prenant une trajectoire de vol, en calculant des trajectoires de vol alternatives réalistes et leur impact net sur le CO2, et en sélectionnant la trajectoire avec l'impact le plus faible.

L'optimisation a été réalisée à l'aide d'une classe d'algorithmes appelés algorithmes de backtracking. Ceux-ci sont bien adaptés pour trouver tous les chemins possibles à travers un graphe connexe. Faisable est défini en créant une contrainte appropriée à laquelle l'algorithme doit obéir lors de la recherche dans les chemins. Le retour en arrière consiste à trouver une seule solution réalisable et à revenir en arrière jusqu'à ce qu'une autre soit trouvée, et ainsi de suite jusqu'à ce que toutes les solutions soient trouvées. Pour ce faire, un graphique connecté a été créé en utilisant les altitudes prédéfinies de la carte thermique pour fournir à chaque point de cheminement de la trajectoire de vol plusieurs altitudes alternatives, représentant des nœuds dans le graphique.

La contrainte imposée était une limite supérieure du taux de montée ou de descente de l'avion de 50 pieds par seconde. Cela a été considéré comme une limite raisonnable pour un avion qui capturerait toutes les trajectoires alternatives réalistes. Chaque trajectoire de vol alternative calculée a ensuite été soumise à deux fonctions : l'impact du carburant sur le CO2 et l'impact du forçage radiatif sur le CO2. Un impact net sur le CO2 a ensuite été calculé et la voie avec l'impact net le plus faible a été sélectionnée. Ce chemin a ensuite été comparé à l'impact CO2 du chemin d'origine pour décider lequel des deux produisait le moins de CO2.

Une liste de tous les chemins alternatifs possibles a été produite, qui a ensuite été transmise aux deux fonctions, et l'émission de CO2 en kg a été calculée pour chaque chemin. La trajectoire avec les émissions minimales de CO2 a ensuite été sélectionnée et comparée à la trajectoire d'origine pour décider de la trajectoire de vol optimale.

Interface utilisateur

Côté client

L'interface utilisateur de cette application Web utilise HTML et CSS pour le style et l'apparence générale. L'utilisateur dispose d'un formulaire pour sélectionner un vol : le jour, le mois et l'heure de la journée doivent également être fournis. Ces conditions seront appliquées aux calculs de trajectoire de vol, de cellules météorologiques, de formation, de persistance, d'impact et d'optimisation. Une sortie de carte thermique est produite pour indiquer les moments dans le temps où la traînée persiste pour la trajectoire de vol d'origine, ainsi que les émissions de CO2 et la consommation de carburant.

Un bouton d'optimisation, lorsqu'il est cliqué, crée un deuxième tracé vers l'itinéraire optimisé et est placé à côté de l'original pour comparaison.

Du côté serveur

Pour le back-end de l'application, Python a été déployé. Flask, un framework d'application Web en Python, est utilisé pour lier efficacement le côté serveur à l'interface utilisateur. Une API est utilisée pour récupérer le vol et la météo requise. (Section 2). Des bibliothèques Python comme SciPy ont été utilisées pour réduire le temps de calcul. La triangulation de Delaunay a notamment été utilisée pour déterminer rapidement les stations météo à extraire de l'API. Avant de déterminer l'effet, la génération de traînées est d'abord déterminée, suivie de la taille de la traînée. Le forçage radiatif (RF) est ensuite évalué. La conversion du forçage radiatif en pollution CO2 est la dernière étape avant l'optimisation.

Conclusion

Les traînées de condensation, bien qu'apparaissant insignifiantes, peuvent avoir un impact environnemental substantiel et contribuer au changement climatique. Ces nuages ​​longs et fins qui se forment derrière les avions à réaction peuvent durer des heures et se propager pour former des nuages ​​ressemblant à des cirrus, emprisonnant la chaleur et contribuant à l'effet de serre. Les traînées de condensation sont une source importante de forçage climatique induit par l'homme, et leur impact sur l'environnement ne devrait qu'augmenter à mesure que le transport aérien continue de croître.

Cet article tente d'attirer l'attention sur l'impact pratiquement inaperçu que les avions ont sur le climat mondial. Ainsi, il est essentiel que nous reconnaissions les impacts négatifs des traînées de condensation et que nous cherchions à trouver des moyens de réduire leurs effets négatifs sur l'écosystème. Une stratégie pour réduire les effets des traînées consiste à optimiser les schémas de vol, ce que nous avons essayé de faire ci-dessus. Nous avons également investi dans la recherche pour mieux comprendre les effets des traînées de condensation sur l'écosystème. En prenant des mesures pour résoudre ce problème, nous pouvons contribuer à préserver la santé de notre planète et assurer un avenir durable pour les générations à venir.

Équipe

Ce travail a été réalisé par ALTEN UK Innovation Lab, qui applique les technologies Data Science aux défis de l'ingénierie.

L'équipe du projet comprenait : Mohamad FARHAT , Jaswaanthii PADMANABHAN , Tejaswini CHENNIGARAYA ARUNKUMAR , Alexander MCRAE & Daniel ENNIS

N'hésitez pas à nous contacter si ce travail vous a enthousiasmé, s'il a suscité d'autres idées ou si vous avez des commentaires !

Les références:

[1] U. Schumann, "Sous condition de formation de traînées de fumées d'avions", février 1996. [En ligne]. Disponible:https://elib.dlr.de/32128/1/mz-96.pdf

[2] M. Cavcar, "The International Standard Atmosphere (ISA)", Eskisehir, Turquie. Disponible:http://fisicaatmo.at.fcen.uba.ar/practicas/ISAweb.pdf

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231020305689

[4] Ulrich Schumann, On Contrail Cirrus (core.ac.uk)

[5]https://journals.ametsoc.org/view/journals/apme/51/7/jamc-d-11-0242.1.xml

[6]https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.olrcdr.interp.html

[7]https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qj.49712757115

[8]https://atmosphere.copernicus.eu/sites/default/files/2022-01/CAMS2_73_2021SC1_D3.2.1_2021_UserGuide_v1.pdf

[9]https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/TAR-06.pdf

[dix]https://www.carbonindependent.org/files/B851vs2.4.pdf

[11]https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/sfc.html

[12]https://www.iata.org/contentassets/922ebc4cbcd24c4d9fd55933e7070947/icop_faq_general-for-airline-participants.pdf

[13]https://journals.ametsoc.org/view/journals/apme/51/7/jamc-d-11-0242.1.xml

[14] (PDF) L'utilisation des données météorologiques pour améliorer la détection des traînées de condensation dans l'imagerie thermique au-dessus de l'Irlande (researchgate.net)

[15] Imprimer tous les chemins d'une source donnée vers une destination — GeeksforGeeks

[16] Flightradar24: Live Flight Tracker - Carte de suivi des vols en temps réel

[17]https://www.bbc.co.uk/news/business-58769351