Le nuvole formate dagli aerei potrebbero causare più danni all'ambiente di quanto pensiamo: ecco uno strumento che potrebbe aiutarci a evitarlo.

introduzione

Uno studio che esamina il contributo dell'industria aeronautica al cambiamento climatico tra il 2000 e il 2018 ha concluso che le scie di condensazione creano il 57%dell'impatto del riscaldamento del settore [3]; significativamente di più delle emissioni di CO2 dovute alla combustione di carburante. Le scie di condensazione, spesso note come scie di condensazione, sono nuvole lunghe e sottili che si sviluppano dietro gli aerei a reazione durante il volo. Il vapore acqueo si condensa e si trasforma in cristalli di ghiaccio quando i gas di scarico caldi dei motori degli aeroplani entrano in contatto con l'aria fredda e umida dell'alta atmosfera. Esistono condizioni specifiche nell'atmosfera che devono essere soddisfatte affinché si formino scie di condensazione e sono stati condotti molti studi per poter prevedere con precisione la formazione e la persistenza delle scie di condensazione. Le scie di condensazione sono state osservate sin dall'inizio degli aerei, ma solo di recente la loro permanenza e gli effetti sull'ambiente hanno attirato l'attenzione scientifica e la preoccupazione del pubblico. Intrappolando il calore nell'atmosfera e potenziando l'effetto serra, le scie di condensazione hanno il potenziale per influenzare il clima globale. Questo impatto può essere di raffreddamento o riscaldamento a seconda delle condizioni atmosferiche e dell'ora del giorno in cui si formano le scie di condensazione, ma l'attuale effetto complessivo delle scie di condensazione sta riscaldando il pianeta. Qui presentiamo uno strumento per quantificare l'impatto della scia di una data traiettoria di volo, oltre a presentare all'utente la traiettoria ottimale che il volo può seguire per causare il minimo impatto di scia di condensazione e consumo di carburante.

Sfondo

Le scie di condensazione sono state ampiamente studiate nel corso degli anni che sono culminate nella creazione del criterio di Schmidt-Appleman per la formazione della scia di condensazione da parte di Ulrich Schumann nel 1996 [1]. Questo criterio specificava le condizioni atmosferiche necessarie per consentire la formazione di scie di condensazione. Ulteriori studi di Schumann hanno anche approfondito il criterio di persistenza delle scie di condensazione, che ha permesso la stima delle loro vite e degli effetti del forcing radiativo in un articolo del 2012 [5]. Ciò ha permesso la creazione di un sistema affidabile per poter calcolare e quantificare l'effetto di riscaldamento che le scie di condensazione hanno sull'ambiente e confrontarlo con le altre emissioni di carbonio di cui è responsabile l'industria aeronautica. Con IATA che ha un impegno Fly Net Zero da raggiungere entro il 2050, calcolando le scie di condensazione e la loro forzatura radiativa,

Obbiettivo

L'obiettivo era creare uno strumento in grado di calcolare la quantità di emissioni di carbonio causate da un volo dalla formazione della scia di condensazione e dal consumo di carburante. Ciò verrebbe quindi combinato con un metodo di ottimizzazione per generare la traiettoria di volo più rispettosa dell'ambiente rispettando i tassi di salita e discesa del volo. Lo strumento dovrebbe utilizzare gli studi discussi in precedenza per calcolare la formazione delle scie lungo una traiettoria di volo in un giorno specifico. Quindi lo strumento dovrebbe calcolare l'aspetto della forzatura radiativa delle scie di condensazione e convertirlo in una misura delle emissioni di carbonio per combinarlo con la misura del combustibile bruciato. Questo ci consentirà di ottenere un quadro completo delle emissioni di carbonio dell'intero volo. Affinché questo strumento fosse accurato e utilizzabile, richiedeva dati meteorologici globali giornalieri, nonché percorsi di volo che contenevano waypoint,

Celle meteorologiche e acquisizione dati

L'implementazione di uno strumento in grado di determinare la formazione e la durata della scia di condensazione ha richiesto l'utilizzo di una serie di fonti di dati. In primo luogo, è stata selezionata una varietà di percorsi di volo di aeromobili a corto raggio, con file CSV contenenti timestamp, altitudini e velocità degli aeromobili recuperati da flightradar24 [16].
Una volta recuperati i dati del percorso di volo, i dati della stazione meteorologica dall'archivio dei dati del pallone meteorologico Radiosonde dell'Università del Wyoming sono stati utilizzati per creare una maglia triangolare, per la quale qualsiasi punto delimitato dalla maglia conteneva dati meteorologici interpolati. Di seguito è riportato un sottoinsieme di questa mesh per l'area intorno al Regno Unito.

Per determinare le condizioni atmosferiche in un dato punto all'interno di questa mesh, sono state utilizzate l'interpolazione lineare e le ponderazioni delle coordinate baricentriche. Ciò ha consentito una ragionevole variazione delle condizioni nel corso del volo e ha impedito bordi di scogliere geografici arbitrari durante la determinazione della formazione della scia di condensazione. Dato che il set di dati dell'Università del Wyoming conteneva misurazioni discrete dell'altitudine, era necessario implementare una funzione di interpolazione lineare di base. Il codice è progettato per identificare le tre stazioni che racchiudono un waypoint di volo e recuperare la temperatura ambiente, la temperatura del punto di rugiada alle letture di altitudine immediatamente sopra e sotto l'altitudine del waypoint. Una volta trovati questi datapoint, le condizioni atmosferiche all'altitudine del waypoint vengono trovate in tutte e tre le stazioni utilizzando l'interpolazione lineare, prima che vengano applicate le ponderazioni delle coordinate baricentriche. Una rappresentazione visiva di questo processo può essere vista nelle figure seguenti:

Utilizzando le ponderazioni baricentriche, vengono trovate condizioni approssimative al waypoint e possono essere applicate al criterio di Schmidt-Appleman.

Formazione e persistenza della scia di condensazione

Formazione della scia di condensazione

Un insieme parametrizzato di condizioni per le quali si verificherà la formazione di scie di condensazione è stato ampiamente studiato e l'attuale teorema ampiamente accettato è il criterio di Schmidt-Appleman per le celle a combustibile [1]. Lo scopo di questa teoria nel progetto era fornire una serie di condizioni quantificabili di base per la formazione della scia di condensazione che potessero essere determinate con i dati per una traiettoria di volo arbitraria. Il criterio di Schmidt-Appleman utilizza un sistema di condizioni di disuguaglianza basato su temperature ambientali critiche da determinare dall'umidità relativa atmosferica dell'acqua e parametri del motore dell'aeromobile come l'efficienza propulsiva [1]; l'umidità relativa è determinata dal punto di rugiada e dalla temperatura ambiente. Se queste condizioni di disuguaglianza sono soddisfatte, è possibile determinare la formazione della scia di condensazione:

Persistenza della scia di condensazione

Una volta che le scie si sono formate, il fattore principale nel decidere se persistono o meno è l'umidità relativa del ghiaccio. Quando l'umidità relativa del ghiaccio è maggiore del 100%, le scie di condensazione persisteranno [4]. Qualsiasi scia di condensazione che non soddisfacesse i criteri di persistenza è stata ignorata poiché non ha un effetto significativo. Il tempo di persistenza della scia di condensazione per questo strumento è stato assunto come il tempo dalla persistenza iniziale fino a quando la scia di condensazione smette di persistere.

Impatto

Le condizioni di formazione e persistenza possono essere combinate per calcolare l'impatto di una scia di condensazione utilizzando il forzante radiativo indotto (il forzante radiativo è la differenza tra la radiazione solare che entra e quella che esce dall'atmosfera). Il modello di parametrizzazione utilizzato in questo strumento è stato derivato da Ulrich Schumann [5].

Il modello divide il forzante radiativo in due componenti principali: il forzante radiativo a onde lunghe e il forzante radiativo a onde corte. Le costanti nelle equazioni sono definite in base all'ipotesi della forma della particella di ghiaccio: per questo strumento l'ipotesi era che la particella di ghiaccio fosse di forma sferica. Usando tale presupposto, il raggio effettivo è stato calcolato anche utilizzando lo studio del 2001 di Greg McFarquhar [7] che ha incorporato i valori del contenuto di acqua ghiacciata ei coefficienti dipendenti dalla temperatura. Per questo i dati OLR (radiazione a onde lunghe in uscita) sono stati ottenuti dalla National Oceanic and Atmospheric Administration [6], e l'angolo zenitale solare, la radiazione solare diretta e l'irraggiamento solare riflesso sono stati ottenuti dal CAMS Radiation Service di Copernicus per ogni data e ora in cui il strumento è stato eseguito [8].

Il forzante radiativo viene quindi calcolato sommando le componenti delle onde lunghe e delle onde corte. Un forzante radiativo negativo mostra un effetto di raffreddamento sul clima terrestre, indicando che la formazione della scia di condensazione rifletterà la radiazione solare mentre un valore positivo rappresenta un effetto di riscaldamento netto.

Tuttavia, il numero del forzante radiativo da solo non fornisce informazioni sull'effetto completo di un volo: è necessario utilizzare una conversione delle emissioni di carbonio per convertire il forzante radiativo in un valore di "chilogrammi di carbonio" che può essere confrontato con l'effetto di carburante bruciato. Questo ci consente di combinare entrambi gli effetti e generare uno studio più approfondito sull'effetto dell'intero volo. Questo sarà necessario quando si deciderà il percorso ottimale per l'aeromobile. Per fare ciò, è stato utilizzato un fattore di conversione basato sulla stima dell'IPCC del raddoppio atmosferico della CO2 [9]. Ciò ha consentito la creazione di una conversione diretta dal forzante radiativo ottenuto nel modello a una misura applicabile di CO2 in chilogrammi.

La seconda parte principale dell'impatto degli aerei in volo è il consumo di carburante. Per i calcoli del carburante, valori come il peso dell'aeromobile sono essenziali, quindi è necessario scegliere un tipo di aeromobile. L'ipotesi principale in questa sezione è che l'aeromobile utilizzato sia un Airbus A320. Questo perché l'Airbus A320 è un comune aereo per voli a corto raggio ed è utilizzato da British Airways per i propri voli, rendendolo quindi un buon esempio per i casi d'uso attuali degli strumenti. Le informazioni chiave sull'aeromobile sono state ottenute da un rapporto sul traffico aereo [10]. È stata creata una funzione utilizzando i calcoli standard del carburante per aeromobili per un motore turbofan, facendo uso del consumo di carburante specifico della spinta e della spinta minima richiesta [11]. La funzione interpreta un frame di dati del percorso di volo con variabili di altitudine, longitudine, latitudine, timestamp e velocità, e calcola il flusso di carburante in vari punti del volo, dopo aver determinato la densità dell'aria in quota. La funzione infine produce un output della quantità di carburante consumato durante l'intero volo. Viene quindi utilizzato un fattore di conversione per convertire quella quantità di carburante in un rilevante kg di CO2 [12]. L'effetto del carburante e gli effetti del forcing radiativo vengono quindi sommati per generare l'effetto completo del volo dell'aeromobile in termini di CO2.

Mappe di calore

Utilizzando la comprensione della formazione della scia di condensazione e del suo impatto, è ora possibile creare mappe di calore lungo la traiettoria di volo. Queste mappe di calore calcolerebbero la probabilità di formazione e persistenza per le aree circostanti il ​​percorso di volo che saranno necessarie per il calcolo delle emissioni per i percorsi alternativi proposti. La mappa termica viene generata testando il criterio di formazione e persistenza delle scie di condensazione lungo la traiettoria di volo a quote costanti all'interno dei livelli di crociera. Per le aree tra gli intervalli, la formazione e la persistenza sono state decise dai due intervalli che circondano l'area. Il risultato della generazione della mappa termica è come mostrato di seguito:

Dove la griglia blu rappresenta dove è stata applicata la heatmap. Il giallo indica dove si formano le scie di condensazione e un'area rossa significherebbe la persistenza nelle scie di condensazione. Questa mappa termica è quindi uno dei componenti principali della parte di ottimizzazione del codice, in cui i risultati di questa mappa termica vengono utilizzati per calcolare l'impatto della forzatura radiativa da tutti i percorsi alternativi.

Ottimizzazione del percorso di volo

Per finalizzare questo progetto, tutti i modelli precedenti sono stati combinati per calcolare una traiettoria di volo ottimizzata con il minor impatto climatico. Ciò avverrebbe prendendo una traiettoria di volo, calcolando traiettorie di volo alternative realistiche e il loro impatto netto di CO2 e selezionando la traiettoria con l'impatto minore.

L'ottimizzazione è stata ottenuta utilizzando una classe di algoritmi chiamati algoritmi di Backtracking. Questi sono adatti per trovare tutti i percorsi possibili attraverso un grafo connesso. Fattibile è definito creando un vincolo adatto a cui l'algoritmo deve obbedire durante la ricerca attraverso i percorsi. Il backtracking funziona trovando un'unica soluzione fattibile e tornando indietro finché non ne viene trovata un'altra, e così via finché non vengono trovate tutte le soluzioni. Per fare ciò, è stato creato un grafico connesso utilizzando le altitudini predefinite della mappa di calore per fornire a ciascun waypoint nella traiettoria di volo diverse altitudini alternative, che rappresentano i nodi nel grafico.

Il vincolo imposto era un limite superiore alla velocità di salita o discesa dell'aereo di 50 piedi al secondo. Questo è stato ritenuto un limite ragionevole per un aereo che avrebbe catturato tutti i percorsi alternativi realistici. Ogni percorso di volo alternativo calcolato è stato quindi passato attraverso due funzioni: impatto CO2 carburante e impatto CO2 forzante radiativo. È stato quindi calcolato un impatto netto di CO2 ed è stato selezionato il percorso con l'impatto netto più basso. Quel percorso è stato quindi confrontato con l'impatto di CO2 del percorso originale per decidere quale dei due ha prodotto meno CO2.

È stato prodotto un elenco di tutti i percorsi alternativi fattibili, che è stato poi passato attraverso le due funzioni, e per ciascun percorso è stata calcolata l'emissione di CO2 in kg. Il percorso con le emissioni minime di CO2 è stato quindi selezionato e confrontato con il percorso originale per decidere il percorso di volo ottimale.

Interfaccia utente

Dalla parte del cliente

L'interfaccia utente per questa applicazione web utilizza HTML e CSS per lo stile e l'aspetto generale. All'utente viene fornito un modulo per selezionare un volo: devono essere forniti anche il giorno, il mese e l'ora del giorno. Queste condizioni verranno applicate alla traiettoria di volo, alle celle meteorologiche, alla formazione, alla persistenza, all'impatto e ai calcoli di ottimizzazione. Viene prodotto un output della mappa termica per indicare i punti nel tempo in cui la scia di condensazione persiste per la traiettoria di volo originale, insieme alle emissioni di CO2 e al consumo di carburante.

Un pulsante di ottimizzazione quando viene cliccato creerà un secondo tracciato per il percorso ottimizzato e viene posizionato accanto all'originale per il confronto.

Lato server

Per il back-end dell'applicazione, è stato distribuito Python. Flask, un framework di applicazioni Web in Python, viene utilizzato per collegare in modo efficiente il lato server con l'interfaccia utente. Un'API viene utilizzata per recuperare il volo e il tempo richiesto. (Sezione 2). Le librerie Python come SciPy sono state utilizzate per ridurre il tempo di calcolo. La triangolazione di Delaunay è stata utilizzata in particolare per determinare rapidamente le stazioni meteorologiche da estrarre dall'API. Prima di determinare l'effetto, viene prima determinata la generazione delle scie di condensazione, seguita dalla dimensione della scia di condensazione. Viene quindi valutata la forzatura radiativa (RF). La conversione del forzante radiativo in inquinamento da CO2 è l'ultimo passo prima dell'ottimizzazione.

Conclusione

Le scie di condensazione, sebbene sembrino banali, possono avere un notevole impatto ambientale e contribuire al cambiamento climatico. Queste nubi lunghe e sottili che si formano dietro gli aerei a reazione possono durare per ore e allargarsi formando nubi simili a cirri, intrappolando il calore e contribuendo all'effetto serra. Le scie di condensazione sono una fonte significativa di forzatura climatica indotta dall'uomo e si prevede che il loro impatto ambientale aumenterà solo con la continua crescita dei viaggi aerei.

Questo articolo cerca di attirare l'attenzione sull'impatto praticamente inosservato che gli aeroplani hanno sul clima mondiale. Pertanto, è fondamentale riconoscere gli impatti negativi delle scie di condensazione e cercare di trovare modi per ridurre i loro effetti negativi sull'ecosistema. Una strategia per ridurre gli effetti delle scie di condensazione è ottimizzare i modelli di volo, che è quello che abbiamo cercato di fare sopra. Abbiamo anche investito nella ricerca per comprendere meglio gli effetti delle scie di condensazione sull'ecosistema. Agendo per affrontare questo problema, possiamo contribuire a preservare la salute del nostro pianeta e garantire un futuro sostenibile per le generazioni a venire.

Squadra

Questo lavoro è stato completato dall'ALTEN UK Innovation Lab, che applica le tecnologie di Data Science alle sfide ingegneristiche.

Il team del progetto comprendeva: Mohamad FARHAT , Jaswaanthii PADMANABHAN , Tejaswini CHENNIGARAYA ARUNKUMAR , Alexander MCRAE e Daniel ENNIS

Per favore contattaci se questo lavoro ti ha entusiasmato, se ha suscitato altre idee o con qualsiasi feedback!

Riferimenti:

[1] U. Schumann, “In condizione di formazione di scie di condensazione dagli scarichi degli aerei”, febbraio 1996. [Online]. Disponibile:https://elib.dlr.de/32128/1/mz-96.pdf

[2] M. Cavcar, "The International Standard Atmosphere (ISA)", Eskisehir, Turchia. Disponibile: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

[10]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'uso di dati meteorologici per migliorare il rilevamento della scia di condensazione nelle immagini termiche sull'Irlanda (researchgate.net)

[15] Stampa tutti i percorsi da una data fonte a una destinazione — GeeksforGeeks

[16] Flightradar24: Live Flight Tracker — Mappa del Flight Tracker in tempo reale

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