Redução do contrail e mitigação do aquecimento global por meio da otimização da trajetória de voo

May 09 2023

Nuvens formadas por aeronaves podem estar causando mais danos ao meio ambiente do que pensamos - aqui está uma ferramenta que pode nos ajudar a evitar isso. Introdução Um estudo que revisou a contribuição da indústria da aviação para as mudanças climáticas entre 2000 e 2018 concluiu que os rastros criam 57% do impacto de aquecimento do setor [3]; significativamente mais do que as emissões de CO2 da queima de combustível.

Figura 1 Contrails no céu [17]

Nuvens formadas por aeronaves podem estar causando mais danos ao meio ambiente do que pensamos - aqui está uma ferramenta que pode nos ajudar a evitar isso.

Introdução

Um estudo que analisa a contribuição da indústria da aviação para as mudanças climáticas entre 2000 e 2018 concluiu que os rastros criam 57%do impacto do aquecimento do setor [3]; significativamente mais do que as emissões de CO2 da queima de combustível. Trilhas de condensação, muitas vezes conhecidas como rastros, são nuvens longas e finas que se desenvolvem atrás de aeronaves a jato durante o vôo. O vapor d'água condensa e se transforma em cristais de gelo quando os gases quentes dos motores dos aviões entram em contato com o ar frio e úmido da alta atmosfera. Existem condições específicas na atmosfera que devem ser atendidas para a formação de rastros, e muitos estudos foram feitos para prever com precisão a formação e persistência de rastros. Os rastros são vistos desde o início das aeronaves, mas apenas recentemente sua permanência e efeitos no meio ambiente atraíram a atenção científica e a preocupação do público. Ao prender o calor na atmosfera e aumentar o efeito estufa, rastos têm o potencial de afetar o clima global. Esse impacto pode esfriar ou aquecer, dependendo das condições atmosféricas e da hora do dia em que os rastros se formam, mas o efeito geral atual dos rastros está aquecendo o planeta. Aqui apresentamos uma ferramenta para quantificar o impacto do rastro de uma determinada trajetória de voo, além de apresentar ao usuário o caminho ideal que o voo pode seguir para causar o menor impacto de rastro e queima de combustível.

Fundo

Os rastros foram estudados intensamente ao longo dos anos, o que culminou na criação do critério de Schmidt-Appleman para a formação do rastro por Ulrich Schumann em 1996 [1]. Este critério especificava as condições atmosféricas necessárias para permitir a formação de rastros. Estudos posteriores de Schumann também se aprofundaram no critério de persistência para rastros, o que permitiu estimar suas vidas e os efeitos do forçamento radiativo em um artigo de 2012 [5]. Isso permitiu a criação de um sistema confiável capaz de calcular e quantificar o efeito de aquecimento que os rastos têm sobre o meio ambiente e compará-lo com as outras emissões de carbono pelas quais a indústria da aviação é responsável. Com a IATA tendo um compromisso Fly Net Zero a ser alcançado até 2050, calculando rastos e a força radiativa deles,

Objetivo

O objetivo era criar uma ferramenta que pudesse calcular a quantidade de emissões de carbono causadas por um voo a partir da formação do rastro e do consumo de combustível. Isso seria então combinado com um método de otimização para gerar o caminho de voo mais ecológico, respeitando as taxas de subida e descida de voo. A ferramenta precisaria usar os estudos discutidos anteriormente para calcular a formação dos rastros em uma trajetória de voo em um dia específico. Em seguida, a ferramenta deve calcular o aspecto de forçamento radiativo dos rastros e convertê-lo em uma medição de emissões de carbono para combiná-lo com a medição de combustível queimado. Isso nos permitirá obter uma imagem completa das emissões de carbono de todo o voo. Para que esta ferramenta seja precisa e utilizável, são necessários dados meteorológicos globais diários, bem como rotas de voo que contenham waypoint,

Células meteorológicas e aquisição de dados

A implementação de uma ferramenta capaz de determinar a formação de trilha e o tempo de vida exigiu que uma matriz de fontes de dados fosse utilizada. Primeiramente, uma variedade de trajetórias de voo de aeronaves de curto alcance foram selecionadas, com arquivos CSV contendo timestamps, altitudes e velocidades de aeronaves recuperadas do flightradar24 [16].
Uma vez que os dados da trajetória de voo foram recuperados, os dados da estação meteorológica do arquivo de dados do balão meteorológico Radiosonde da Universidade de Wyoming foram usados para criar uma malha triangular, para a qual qualquer ponto vinculado pela malha continha dados meteorológicos interpolados. Um subconjunto desta malha para a área ao redor do Reino Unido pode ser visto abaixo.

Figura 2 Malha de células meteorológicas para a área do Reino Unido

Para determinar as condições atmosféricas em qualquer ponto dentro desta malha, interpolação linear e ponderações de coordenadas baricêntricas foram usadas. Isso permitiu uma variação razoável nas condições ao longo do voo e evitou bordas geográficas arbitrárias ao determinar a formação do rastro. Dado que o conjunto de dados da Universidade de Wyoming continha medições discretas de altitude, foi necessário implementar uma função de interpolação linear básica. O código é projetado para identificar as três estações que incluem um waypoint de voo e recuperar a temperatura ambiente, a temperatura do ponto de orvalho nas leituras de altitude imediatamente acima e abaixo da altitude do waypoint. Depois que esses pontos de dados são encontrados, as condições atmosféricas na altitude do ponto de referência são encontradas em todas as três estações usando interpolação linear, antes que ponderações de coordenadas baricêntricas sejam aplicadas. Uma representação visual desse processo pode ser vista nas figuras abaixo:

Figura 3 Interpolação linear para sondagens meteorológicas

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

Usando as ponderações baricêntricas, as condições aproximadas no waypoint são encontradas e podem ser aplicadas ao Critério de Schmidt-Appleman.

Contrail Formação e persistência

Formação de contrail

Um conjunto parametrizado de condições para as quais a formação do rastro ocorrerá foi extensivamente estudado, e o teorema atual amplamente aceito é o Critério de Schmidt-Appleman para Células de Combustível [1]. O objetivo dessa teoria no projeto era fornecer uma série de condições quantificáveis básicas para a formação de esteiras que poderiam ser determinadas com dados para uma trajetória de voo arbitrária. O critério de Schmidt-Appleman usa um sistema de condições de desigualdade baseado em temperaturas ambientais críticas a serem determinadas pela umidade relativa atmosférica da água e parâmetros do motor da aeronave, como eficiência propulsiva [1]; sendo a umidade relativa determinada pelo ponto de orvalho e temperatura ambiente. Se essas condições de desigualdade forem satisfeitas, a formação do contrail pode ser determinada:

Figura 5 Diagrama da linha de mistura de Schmidt-Appleman a área entre a linha de mistura e a linha de saturação é onde ocorrem os rastros [14]

Persistência Contrail

Uma vez que os rastros são formados, o principal fator para decidir se eles persistem ou não é a umidade relativa do gelo. Quando a umidade relativa do gelo for superior a 100%, os rastros persistirão [4]. Qualquer rastro que não atendesse aos critérios de persistência foi ignorado, pois não tem efeito significativo. O tempo de persistência do rastro para esta ferramenta foi assumido como sendo o tempo desde a persistência inicial até que o rastro pare de persistir.

Impacto

As condições de formação e persistência podem ser combinadas para calcular o impacto de um rastro usando o forçamento radiativo induzido (o forçamento radiativo é a diferença entre a radiação solar que entra e sai da atmosfera). O modelo de parametrização usado nesta ferramenta foi derivado por Ulrich Schumann [5].

O modelo divide o forçamento radiativo em dois componentes principais: forçamento radiativo de ondas longas e forçamento radiativo de ondas curtas. As constantes nas equações são definidas com base na suposição da forma da partícula de gelo: para esta ferramenta, a suposição era de que a partícula de gelo tinha formato esférico. Usando essa suposição, o raio efetivo também foi calculado usando o estudo de Greg McFarquhar de 2001 [7] que incorporou valores de conteúdo de água gelada e coeficientes dependentes da temperatura. Para este OLR (radiação de onda longa de saída) os dados foram obtidos da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica [6], e o ângulo do zênite solar, a radiação solar direta e a irradiância solar refletida foram obtidos do CAMS Radiation Service da Copernicus para cada data e hora que o ferramenta foi executada [8].

O forçamento radiativo é então calculado somando os componentes de ondas longas e ondas curtas. Um forçamento radiativo negativo mostra um efeito de resfriamento no clima da Terra, indicando que a formação do rastro refletirá a radiação solar, enquanto um valor positivo representa um efeito líquido de aquecimento.

No entanto, o número de forçamento radiativo por si só não fornece informações sobre o efeito total de um voo: uma conversão de emissões de carbono precisa ser usada para converter o forçamento radiativo em um valor de “quilogramas de carbono” que pode ser comparado ao efeito de combustível queimado. Isso nos permite combinar os dois efeitos e gerar um estudo mais aprofundado sobre o efeito de todo o voo. Isso será necessário ao decidir sobre o caminho ideal para a aeronave seguir. Para fazer isso, um fator de conversão baseado na estimativa do IPCC de duplicação atmosférica de CO2 foi usado [9]. Isso permitiu a criação de uma conversão direta do forçamento radiativo obtido no modelo para uma medida aplicável de CO2 em quilogramas.

A segunda parte principal do impacto das aeronaves em voo é o consumo de combustível. Para cálculos de combustível, valores como peso da aeronave são essenciais, portanto, um tipo de aeronave deve ser escolhido. A principal suposição nesta seção é que a aeronave em uso é um Airbus A320. Isso ocorre porque o Airbus A320 é uma aeronave comum de voo de curta distância e é usado pela British Airways para seus voos, tornando-o um bom exemplo para os casos de uso atuais das ferramentas. As principais informações sobre a aeronave foram obtidas a partir de um relatório sobre o tráfego aéreo [10]. Uma função foi criada usando cálculos de combustível de aeronave padrão para um motor turbofan, fazendo uso do consumo de combustível específico do empuxo e do empuxo mínimo necessário [11]. A função interpreta um quadro de dados de trajetória de voo com variáveis de altitude, longitude, latitude, timestamp e velocidade, e calcula o fluxo de combustível em vários pontos do voo, tendo determinado a densidade do ar em altitude. A função finalmente produz uma saída da quantidade de combustível queimado durante todo o voo. Um fator de conversão é então usado para converter essa quantidade de combustível em um quilograma relevante de CO2 [12]. O efeito do combustível e os efeitos do forçamento radiativo são então somados para gerar o efeito total do voo da aeronave em termos de CO2.

Figura 6 Gráfico mostrando um exemplo de gráfico produzido a partir da função combustível

Mapas de calor

Usando a compreensão da formação do rastro e seu impacto, a capacidade de criar mapas de calor ao longo da trajetória de voo agora é possível. Esses mapas de calor calculariam a probabilidade de formação e persistência para áreas ao redor da trajetória de voo que serão necessárias ao calcular as emissões para as rotas alternativas propostas. O mapa de calor é gerado testando o critério de formação e persistência de rastros ao longo da trajetória de voo em altitudes de intervalo consistentes dentro dos níveis de cruzeiro. Para as áreas entre os intervalos, a formação e persistência foram decididas pelos dois intervalos ao redor da área. O resultado da geração do mapa de calor é mostrado abaixo:

Figura 7 mapa de calor em uma trajetória de voo as áreas amarelas significam uma região de formação de esteira

Onde a grade azul representa onde o mapa de calor foi aplicado. O amarelo significa onde os rastros se formam, e uma área vermelha significaria a persistência dos rastros. Este mapa de calor é então um dos principais componentes da parte de otimização do código, onde os resultados deste mapa de calor são usados para calcular o impacto do forçamento radiativo de todos os caminhos alternativos.

Otimização da trajetória de voo

Para finalizar este projeto, todos os modelos anteriores foram combinados para calcular uma trajetória de voo otimizada com o menor impacto climático. Isso seria feito tomando um caminho de voo, calculando caminhos de voo alternativos realistas e seu impacto líquido de CO2 e selecionando o caminho com o menor impacto.

A otimização foi alcançada usando uma classe de algoritmos chamados algoritmos de Backtracking. Estes são adequados para encontrar todos os caminhos viáveis através de um grafo conectado. Viável é definido pela criação de uma restrição adequada que o algoritmo deve obedecer durante a busca pelos caminhos. Backtracking funciona encontrando uma única solução viável e retrocedendo até que outra seja encontrada, e assim por diante até que todas as soluções sejam encontradas. Para fazer isso, um grafo conectado foi criado usando as altitudes pré-definidas do mapa de calor para fornecer a cada waypoint na trajetória de voo várias altitudes alternativas, representando nós no grafo.

Figura 8 de um exemplo de gráfico conectado no qual o Backtracking foi aplicado para gerar todos os caminhos possíveis [15]

A restrição imposta foi um limite superior na taxa de subida ou descida da aeronave de 50 pés por segundo. Este foi considerado um limite razoável para uma aeronave que capturaria todos os caminhos alternativos realistas. Cada trajetória de voo alternativa calculada foi então passada por duas funções: impacto de CO2 de combustível e impacto de CO2 de forçamento radiativo. Um impacto líquido de CO2 foi então calculado e o caminho com o menor impacto líquido foi selecionado. Esse caminho foi comparado ao impacto de CO2 do caminho original para decidir qual dos dois produzia menos CO2.

Produziu-se uma lista de todos os caminhos alternativos viáveis, que passou pelas duas funções, e calculou-se a emissão de CO2 em kg para cada caminho. O caminho com as emissões mínimas de CO2 foi então selecionado e comparado ao caminho original para decidir sobre o caminho de voo ideal.

Interface de usuário

Lado do cliente

A interface do usuário para este aplicativo da web emprega HTML e CSS para estilo e aparência geral. O usuário recebe um formulário para selecionar um voo: o dia, o mês e a hora também devem ser fornecidos. Essas condições serão aplicadas à trajetória de voo, células meteorológicas, formação, persistência, impacto e cálculos de otimização. Uma saída de mapa de calor é produzida para indicar os pontos no tempo onde o rastro persiste para a trajetória de voo original, juntamente com as emissões de CO2 e o consumo de combustível.

Um botão de otimização quando clicado criará um segundo gráfico para a rota otimizada e será colocado ao lado do original para comparação.

Figura 9 Versão final do aplicativo da Web

Lado do servidor

Para o back-end do aplicativo, o Python foi implantado. O Flask, uma estrutura de aplicativo da Web em Python, é usado para vincular com eficiência o lado do servidor à interface do usuário. Uma API é usada para recuperar o voo e o clima necessário. (Seção 2). Bibliotecas Python como SciPy foram usadas para diminuir o tempo de cálculo. A triangulação de Delaunay foi usada principalmente para determinar rapidamente as estações meteorológicas a serem extraídas da API. Antes de determinar o efeito, a geração de rastros é determinada primeiro, seguida pelo tamanho do rastro. O Forçamento Radiativo (RF) é então avaliado. A conversão do forçamento radiativo em poluição de CO2 é a etapa final antes da otimização.

Conclusão

Os rastros, embora pareçam triviais, podem ter um impacto ambiental substancial e contribuir para as mudanças climáticas. Essas nuvens longas e finas que se formam atrás de aviões a jato podem durar horas e se espalhar para formar nuvens semelhantes a cirros, retendo o calor e contribuindo para o efeito estufa. Os rastros são uma fonte significativa de forçamento climático induzido pelo homem, e espera-se que seu impacto ambiental aumente à medida que as viagens aéreas continuam a crescer.

Este artigo tenta chamar a atenção para o impacto praticamente despercebido que os aviões têm no clima mundial. Assim, é fundamental que reconheçamos os impactos negativos dos rastos e procuremos encontrar formas de diminuir os seus efeitos negativos no ecossistema. Uma estratégia para reduzir os efeitos dos rastros é otimizar os padrões de voo, que foi o que tentamos fazer acima. Também investimos em pesquisas para entender melhor os efeitos dos rastros no ecossistema. Ao tomar medidas para resolver esse problema, podemos ajudar a preservar a saúde do nosso planeta e garantir um futuro sustentável para as próximas gerações.

Equipe

Este trabalho foi realizado pelo ALTEN UK Innovation Lab, que aplica tecnologias de Data Science a desafios de Engenharia.

A equipe do projeto incluiu: Mohamad FARHAT , Jaswaanthii PADMANABHAN , Tejaswini CHENNIGARAYA ARUNKUMAR , Alexander MCRAE e Daniel ENNIS

Entre em contato se este trabalho o empolgou, se despertou outras ideias ou com qualquer feedback!

Referências:

[1] U. Schumann, "Na condição de formação de rastro de exaustão de aeronaves", fevereiro de 1996. [Online]. Disponível:https://elib.dlr.de/32128/1/mz-96.pdf