Chmury tworzone przez samoloty mogą wyrządzać środowisku więcej szkód, niż nam się wydaje — oto narzędzie, które może pomóc nam tego uniknąć.

Wstęp

Badanie oceniające wkład przemysłu lotniczego w zmiany klimatu w latach 2000-2018 wykazało, że smugi kondensacyjne tworzą 57%wpływu sektora na ocieplenie [3]; znacznie więcej niż emisja CO2 ze spalania paliwa. Ślady kondensacji, często nazywane smugami kondensacyjnymi, to długie, cienkie chmury, które rozwijają się za samolotami odrzutowymi podczas lotu. Para wodna skrapla się i zamienia w kryształki lodu, gdy gorące spaliny z silników samolotów wchodzą w kontakt z zimnym, wilgotnym powietrzem w wysokiej atmosferze. Istnieją określone warunki w atmosferze, które muszą być spełnione, aby mogły powstać smugi kondensacyjne. Przeprowadzono wiele badań, aby móc dokładnie przewidzieć powstawanie i utrzymywanie się smug kondensacyjnych. Smugi kondensacyjne były widoczne od początku istnienia samolotów, ale dopiero niedawno ich trwałość i wpływ na środowisko zwróciły uwagę naukowców i wzbudziły zainteresowanie opinii publicznej. Zatrzymując ciepło w atmosferze i wzmacniając efekt cieplarniany, smugi kondensacyjne mogą potencjalnie wpływać na globalny klimat. Oddziaływanie to może być ochładzające lub ocieplające, w zależności od warunków atmosferycznych i pory dnia formowania się smug kondensacyjnych, ale obecny ogólny efekt smug kondensacyjnych polega na ociepleniu planety. Tutaj przedstawiamy narzędzie do ilościowego określania wpływu smugi kondensacyjnej na danym torze lotu, wraz z przedstawieniem użytkownikowi optymalnej ścieżki, jaką może obrać lot, aby spowodować najmniejszy wpływ smugi kondensacyjnej i spalania paliwa.

Tło

Przez lata intensywnie badano smugi kondensacyjne, których kulminacją było stworzenie kryterium Schmidta-Applemana dla tworzenia się smug kondensacyjnych przez Ulricha Schumanna w 1996 r. [1]. Kryterium to określało wymagane warunki atmosferyczne, które umożliwiłyby tworzenie się smug kondensacyjnych. Dalsze badania Schumanna również zagłębiły się w kryterium trwałości dla smug kondensacyjnych, co pozwoliło oszacować ich żywotność i efekty wymuszania radiacyjnego w pracy z 2012 roku [5]. Pozwoliło to na stworzenie niezawodnego systemu, który był w stanie obliczyć i określić ilościowo efekt ocieplenia, jaki smugi kondensacyjne wywierają na środowisko, oraz porównać go z innymi emisjami dwutlenku węgla, za które odpowiada przemysł lotniczy. Biorąc pod uwagę, że IATA zobowiązała się do osiągnięcia zera sieci Fly Net do 2050 r., obliczając smugi kondensacyjne i wynikające z nich wymuszenie radiacyjne,

Cel

Celem było stworzenie narzędzia, które mogłoby obliczyć ilość emisji dwutlenku węgla spowodowaną lotem na podstawie tworzenia się smug kondensacyjnych i zużycia paliwa. Zostałoby to następnie połączone z metodą optymalizacji w celu wygenerowania najbardziej przyjaznego dla środowiska toru lotu przy jednoczesnym przestrzeganiu prędkości wznoszenia i opadania lotu. Narzędzie musiałoby wykorzystać wcześniej omówione badania do obliczenia formowania się smug kondensacyjnych na torze lotu w określonym dniu. Następnie narzędzie powinno obliczyć aspekt wymuszania radiacyjnego smug kondensacyjnych i przekształcić go w pomiar emisji dwutlenku węgla, aby połączyć go z pomiarem spalonego paliwa. Pozwoli nam to uzyskać pełny obraz emisji dwutlenku węgla podczas całego lotu. Aby to narzędzie było dokładne i użyteczne, wymagało dziennych globalnych danych meteorologicznych, a także tras lotów zawierających punkty nawigacyjne,

Komórki pogodowe i akwizycja danych

Wdrożenie narzędzia zdolnego do określania formowania się i czasu życia smug kondensacyjnych wymagało wykorzystania szeregu źródeł danych. Najpierw wybrano różne tory lotu samolotów krótkiego zasięgu, z plikami CSV zawierającymi znaczniki czasu, wysokości i prędkości statków powietrznych pobranych z Flightradar24 [16].
Po pobraniu danych o torze lotu dane stacji pogodowej z archiwum danych balonów pogodowych Radiosonde Uniwersytetu Wyoming zostały wykorzystane do utworzenia trójkątnej siatki, dla której każdy punkt ograniczony siatką zawierał interpolowane dane pogodowe. Podzbiór tej siatki dla obszaru wokół Wielkiej Brytanii można zobaczyć poniżej.

Aby określić warunki atmosferyczne w dowolnym punkcie tej siatki, zastosowano interpolację liniową i ważenia współrzędnych barycentrycznych. Pozwoliło to na rozsądne zmiany warunków w trakcie lotu i zapobiegło arbitralnym geograficznym krawędziom klifów podczas określania formowania się smug kondensacyjnych. Biorąc pod uwagę, że zestaw danych Uniwersytetu Wyoming zawierał dyskretne pomiary wysokości, konieczne było zaimplementowanie podstawowej funkcji interpolacji liniowej. Kod ma na celu identyfikację trzech stacji, które otaczają punkt nawigacyjny lotu, i uzyskanie temperatury otoczenia, temperatury punktu rosy na odczytach wysokości bezpośrednio powyżej i poniżej wysokości punktu nawigacyjnego. Po znalezieniu tych punktów danych warunki atmosferyczne na wysokości punktu nawigacyjnego są ustalane na wszystkich trzech stacjach przy użyciu interpolacji liniowej, przed zastosowaniem ważeń współrzędnych barycentrycznych. Wizualną reprezentację tego procesu można zobaczyć na poniższych rysunkach:

Korzystając z ważeń barycentrycznych, można znaleźć przybliżone warunki w punkcie nawigacyjnym, które można zastosować do kryterium Schmidta-Applemana.

Powstawanie i utrzymywanie się smug kondensacyjnych

Formacja smugowa

Sparametryzowany zestaw warunków, w których wystąpi tworzenie się smug kondensacyjnych, został szeroko zbadany, a obecnie szeroko akceptowanym twierdzeniem jest Kryterium Schmidta-Applemana dla ogniw paliwowych [1]. Celem tej teorii w projekcie było dostarczenie szeregu podstawowych, wymiernych warunków powstawania smug kondensacyjnych, które można określić za pomocą danych dla dowolnego toru lotu. Kryterium Schmidta-Applemana wykorzystuje system warunków nierówności opartych na krytycznych temperaturach otoczenia określanych przez wilgotność względną wody w powietrzu oraz parametry silnika samolotu, takie jak sprawność napędowa [1]; wilgotność względna jest określona przez punkt rosy i temperaturę otoczenia. Jeśli te warunki nierówności są spełnione, można określić powstawanie smug kondensacyjnych:

Trwałość smugi kondensacyjnej

Po uformowaniu się smug kondensacyjnych głównym czynnikiem decydującym o ich przetrwaniu jest wilgotność względna lodu. Gdy wilgotność względna lodu jest większa niż 100%, smugi kondensacyjne będą się utrzymywać [4]. Wszelkie smugi kondensacyjne, które nie spełniały kryteriów trwałości, zostały zignorowane, ponieważ nie mają znaczącego wpływu. Za czas utrzymywania się smugi dla tego narzędzia przyjęto czas od początkowego utrzymywania się do momentu ustania utrzymywania się smugi.

Uderzenie

Warunki powstawania i trwałości można połączyć, aby obliczyć wpływ smugi kondensacyjnej przy użyciu indukowanego wymuszenia radiacyjnego (wymuszanie radiacyjne to różnica między promieniowaniem słonecznym wchodzącym i wychodzącym z atmosfery). Model parametryzacji wykorzystany w tym narzędziu został opracowany przez Ulricha Schumanna [5].

Model dzieli wymuszanie radiacyjne na dwie główne składowe: długofalowe wymuszanie radiacyjne i krótkofalowe wymuszanie radiacyjne. Stałe w równaniach są określone w oparciu o założenie kształtu cząstki lodu: w przypadku tego narzędzia przyjęto założenie, że cząstka lodu ma kształt kulisty. Korzystając z tego założenia, efektywny promień został również obliczony przy użyciu badania Grega McFarquhara z 2001 r. [7], które obejmowało wartości zawartości wody lodowej i współczynniki zależne od temperatury. Dla tego OLR (wychodzące promieniowanie długofalowe) dane uzyskano z National Oceanic and Atmospheric Administration [6], a kąt zenitu Słońca, bezpośrednie promieniowanie słoneczne i odbite natężenie promieniowania słonecznego uzyskano z CAMS Radiation Service z Kopernika dla każdej daty i godziny, w której narzędzie zostało uruchomione [8].

Wymuszenie radiacyjne jest następnie obliczane przez zsumowanie składowych długofalowych i krótkofalowych. Ujemne wymuszenie radiacyjne wskazuje na ochłodzenie klimatu Ziemi, wskazując, że tworzenie się smug kondensacyjnych będzie odbijać promieniowanie słoneczne, podczas gdy wartość dodatnia reprezentuje efekt ocieplenia netto.

Jednak liczba wymuszania radiacyjnego sama w sobie nie zapewnia wglądu w pełny efekt lotu: należy zastosować konwersję emisji dwutlenku węgla, aby przeliczyć wymuszenie radiacyjne na wartość „kilogramów węgla”, którą można porównać z efektem z spalone paliwo. To pozwala nam połączyć oba efekty i wygenerować dokładniejsze badanie wpływu całego lotu. Będzie to wymagane przy podejmowaniu decyzji o optymalnej ścieżce lotu samolotu. W tym celu wykorzystano współczynnik przeliczeniowy oparty na szacunkach IPCC dotyczących podwojenia atmosferycznego CO2 [9]. Pozwoliło to na stworzenie bezpośredniego przeliczenia uzyskanego w modelu wymuszenia radiacyjnego na odpowiednią miarę CO2 w kilogramach.

Drugim głównym elementem oddziaływania statku powietrznego w locie jest zużycie paliwa. Do obliczeń paliwa niezbędne są wartości takie jak masa samolotu, dlatego należy wybrać typ samolotu. Głównym założeniem w tej sekcji jest to, że używanym statkiem powietrznym jest Airbus A320. Dzieje się tak dlatego, że Airbus A320 jest popularnym samolotem do lotów na krótkich dystansach i jest używany przez British Airways do ich lotów, co czyni go dobrym przykładem dla bieżących przypadków użycia narzędzi. Kluczowe informacje o samolocie uzyskano z raportu dotyczącego ruchu lotniczego [10]. Funkcja została utworzona przy użyciu standardowych obliczeń paliwa lotniczego dla silnika turbowentylatorowego, wykorzystując zużycie paliwa zależne od ciągu i minimalny wymagany ciąg [11]. Funkcja interpretuje ramkę danych ścieżki lotu ze zmiennymi wysokości, długości, szerokości geograficznej, znacznika czasu i prędkości, i oblicza przepływ paliwa w różnych punktach lotu, po określeniu gęstości powietrza na wysokości. Funkcja ostatecznie generuje ilość paliwa spalonego podczas całego lotu. Następnie stosuje się współczynnik konwersji, aby przeliczyć tę ilość paliwa na odpowiedni kg CO2 [12]. Efekt paliwowy i efekty wymuszenia radiacyjnego są następnie sumowane, aby wygenerować pełny efekt lotu samolotu pod względem emisji CO2.

Mapy cieplne

Korzystając ze zrozumienia powstawania smug kondensacyjnych i ich wpływu, możliwe jest teraz tworzenie map cieplnych wzdłuż toru lotu. Te mapy cieplne obliczyłyby prawdopodobieństwo formowania się i trwałości dla obszarów otaczających tor lotu, co będzie konieczne przy obliczaniu emisji dla alternatywnych proponowanych tras. Mapa cieplna jest generowana poprzez testowanie kryteriów powstawania i utrzymywania się smug kondensacyjnych na trasie lotu na stałych wysokościach interwałowych w obrębie poziomów przelotowych. W przypadku obszarów między interwałami o powstaniu i trwałości decydowały dwa interwały otaczające ten obszar. Wynik generowania mapy cieplnej jest pokazany poniżej:

Gdzie niebieska siatka przedstawia miejsce zastosowania mapy termicznej. Kolor żółty oznacza miejsce, w którym tworzą się smugi kondensacyjne, a obszar czerwony oznacza trwałość smug kondensacyjnych. Ta mapa cieplna jest wtedy jednym z głównych składników optymalizacyjnej części kodu, gdzie wyniki z tej mapy termicznej są wykorzystywane do obliczenia wpływu wymuszania radiacyjnego ze wszystkich alternatywnych ścieżek.

Optymalizacja toru lotu

Aby sfinalizować ten projekt, wszystkie poprzednie modele zostały połączone w celu obliczenia zoptymalizowanego toru lotu o najmniejszym wpływie na klimat. Można by tego dokonać poprzez wyznaczenie toru lotu, obliczenie realistycznych alternatywnych torów lotu i ich wpływu netto na emisję CO2 oraz wybranie toru o najmniejszym wpływie.

Optymalizacja została osiągnięta przy użyciu klasy algorytmów zwanych algorytmami Backtracking. Są one dobrze przystosowane do znajdowania wszystkich możliwych ścieżek przez połączony graf. Wykonalność jest definiowana przez stworzenie odpowiedniego ograniczenia, którego algorytm musi przestrzegać podczas przeszukiwania ścieżek. Cofanie polega na znalezieniu jednego wykonalnego rozwiązania i cofaniu się, aż zostanie znalezione inne i tak dalej, aż zostaną znalezione wszystkie rozwiązania. W tym celu utworzono połączony wykres przy użyciu wstępnie zdefiniowanych wysokości mapy cieplnej, aby zapewnić każdemu punktowi na trasie lotu kilka alternatywnych wysokości reprezentujących węzły na wykresie.

Nałożonym ograniczeniem była górna granica prędkości wznoszenia samolotu lub przyzwoita wynosząca 50 stóp na sekundę. Uznano to za rozsądne ograniczenie dla samolotu, który uchwyciłby wszystkie realistyczne alternatywne ścieżki. Każda obliczona alternatywna ścieżka lotu została następnie przepuszczona przez dwie funkcje: wpływ paliwa CO2 i wpływ wymuszenia radiacyjnego CO2. Następnie obliczono wpływ netto CO2 i wybrano ścieżkę o najniższym wpływie netto. Ścieżkę tę porównano następnie z wpływem pierwotnej ścieżki na CO2, aby zdecydować, która z nich wytworzyła mniej CO2.

Sporządzono listę wszystkich możliwych alternatywnych ścieżek, którą następnie przepuszczono przez dwie funkcje i obliczono emisję CO2 w kg dla każdej ścieżki. Następnie wybrano tor z minimalną emisją CO2 i porównano z torem pierwotnym, aby wybrać optymalny tor lotu.

Interfejs użytkownika

Strona klienta

Interfejs użytkownika dla tej aplikacji internetowej wykorzystuje HTML i CSS dla stylu i ogólnego wyglądu. Użytkownik otrzymuje do dyspozycji formularz wyboru lotu, w którym należy podać również dzień, miesiąc oraz porę dnia. Warunki te zostaną zastosowane do toru lotu, komórek pogodowych, formacji, trwałości, uderzenia i obliczeń optymalizacyjnych. Wyjściowa mapa termiczna jest generowana w celu wskazania punktów w czasie, w których smuga kondensacyjna utrzymuje się na oryginalnym torze lotu, wraz z emisjami CO2 i zużyciem paliwa.

Kliknięcie przycisku optymalizacji spowoduje utworzenie drugiego wykresu zoptymalizowanej trasy i zostanie umieszczone obok oryginału w celu porównania.

Po stronie serwera

Dla zaplecza aplikacji wdrożono język Python. Flask, framework aplikacji internetowych w Pythonie, służy do wydajnego łączenia strony serwera z interfejsem użytkownika. Interfejs API służy do pobierania lotu i wymaganej pogody. (Sekcja 2). Biblioteki Pythona, takie jak SciPy, zostały użyte do skrócenia czasu obliczeń. Triangulacja Delaunaya została wykorzystana szczególnie do szybkiego określania stacji pogodowych do wyodrębnienia z API. Przed określeniem efektu najpierw określa się powstawanie smug kondensacyjnych, a następnie ich wielkość. Następnie oceniane jest wymuszanie radiacyjne (RF). Konwersja wymuszenia radiacyjnego na zanieczyszczenie CO2 jest ostatnim krokiem przed optymalizacją.

Wniosek

Smugi kondensacyjne, choć wydają się błahe, mogą mieć znaczny wpływ na środowisko i przyczyniać się do zmian klimatu. Te długie, cienkie chmury, które tworzą się za samolotami odrzutowymi, mogą trwać godzinami i rozprzestrzeniać się, tworząc chmury przypominające cirrusy, zatrzymując ciepło i przyczyniając się do efektu cieplarnianego. Smugi kondensacyjne są istotnym źródłem wymuszania klimatu przez człowieka, a ich wpływ na środowisko prawdopodobnie wzrośnie wraz ze wzrostem liczby podróży lotniczych.

Artykuł stara się zwrócić uwagę na praktycznie niezauważalny wpływ samolotów na klimat na świecie. Dlatego niezwykle ważne jest, abyśmy uznali negatywny wpływ smug kondensacyjnych i szukali sposobów na zmniejszenie ich negatywnego wpływu na ekosystem. Jedną ze strategii ograniczania wpływu smug kondensacyjnych jest optymalizacja wzorców lotu, co próbowaliśmy zrobić powyżej. Zainwestowaliśmy również w badania, aby lepiej zrozumieć wpływ smug kondensacyjnych na ekosystem. Podejmując działania w celu rozwiązania tego problemu, możemy pomóc zachować zdrowie naszej planety i zapewnić zrównoważoną przyszłość przyszłym pokoleniom.

Zespół

Ta praca została wykonana przez ALTEN UK Innovation Lab, które stosuje technologie Data Science do wyzwań inżynierskich.

W skład zespołu projektowego weszli: Mohamad FARHAT , Jaswaanthii PADMANABHAN , Tejaswini CHENNIGARAYA ARUNKUMAR , Alexander MCRAE i Daniel ENNIS

Skontaktuj się z nami, jeśli ta praca Cię ekscytuje, jeśli wywołała inne pomysły lub masz jakieś uwagi!

Bibliografia:

[1] U. Schumann, „O warunkach tworzenia się smug kondensacyjnych z wydechów samolotów”, luty 1996. [Online]. Dostępny:https://elib.dlr.de/32128/1/mz-96.pdf

[2] M. Cavcar, „The International Standard Atmosphere (ISA)”, Eskisehir, Turcja. Dostępny: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) Wykorzystanie danych meteorologicznych do poprawy wykrywania smug kondensacyjnych w obrazach termowizyjnych nad Irlandią (researchgate.net)

[15] Wydrukuj wszystkie ścieżki z danego źródła do miejsca docelowego — GeeksforGeeks

[16] Flightradar24: śledzenie lotów na żywo — mapa śledzenia lotów w czasie rzeczywistym

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