Uçakların oluşturduğu bulutlar çevreye düşündüğümüzden daha fazla zarar veriyor olabilir - işte bundan kaçınmamıza yardımcı olabilecek bir araç.

giriiş

2000 ile 2018 yılları arasında havacılık endüstrisinin iklim değişikliğine katkısını inceleyen bir çalışma, kontra yolların %57'yi oluşturduğu sonucuna varmıştır.sektörün ısınma etkisinin [3]; yanan yakıttan kaynaklanan CO2 emisyonlarından önemli ölçüde daha fazladır. Genellikle kontrail olarak bilinen yoğuşma izleri, uçuş sırasında jet uçaklarının arkasında gelişen uzun, ince bulutlardır. Uçak motorlarından çıkan sıcak egzoz gazları yüksek atmosferdeki soğuk, nemli hava ile temas ettiğinde su buharı yoğunlaşır ve buz kristallerine dönüşür. Atmosferde kontra çizgilerin oluşması için karşılanması gereken belirli koşullar vardır ve kontra çizgilerin oluşumunu ve kalıcılığını doğru bir şekilde tahmin edebilmek için birçok çalışma yapılmıştır. Kontrendikasyonlar, uçağın başlangıcından beri görülmüştür, ancak bunların kalıcılığı ve çevre üzerindeki etkileri ancak son zamanlarda bilimsel ilgi ve kamuoyunun ilgisini çekmiştir. Atmosferdeki ısıyı hapsederek ve sera etkisini artırarak, kontralar küresel iklimi etkileme potansiyeline sahiptir. Bu etki, atmosfer koşullarına ve kontra çizgilerin oluştuğu günün saatine bağlı olarak soğuma veya ısınma olabilir, ancak kontra çizgilerin mevcut genel etkisi gezegeni ısıtıyor. Burada, belirli bir uçuş yolunun iz etkisini ölçmek için bir araç sunuyoruz ve kullanıcıya en az iz ve yakıt yakma etkisine neden olmak için uçuşun izleyebileceği en uygun yolu sunuyoruz.

Arka plan

Kontrails, 1996'da Ulrich Schumann tarafından Schmidt-Appleman kontrail oluşumu için kriterin oluşturulmasıyla sonuçlanan yıllar boyunca yoğun bir şekilde çalışılmıştır [1]. Bu kriter, kontra çizgilerin oluşmasına izin verecek gerekli atmosferik koşulları belirledi. Schumann tarafından yapılan daha ileri çalışmalar, 2012 tarihli bir makalede [5] yaşamlarının ve ışınımsal zorlama etkilerinin tahmin edilmesine izin veren kontralar için kalıcılık kriterini de araştırmıştır. Bu, kontraillerin çevre üzerindeki ısınma etkisini hesaplayıp ölçebilmek ve bunu havacılık endüstrisinin sorumlu olduğu diğer karbon emisyonlarıyla karşılaştırabilmek için güvenilir bir sistemin oluşturulmasına olanak sağladı. IATA'nın 2050 yılına kadar elde edilecek bir Fly Net Zero taahhüdüne sahip olması, kontra çizgileri ve bunlardan kaynaklanan ışınımsal zorlamayı hesaplamasıyla,

Amaç

Amaç, iz oluşumundan kaynaklanan bir uçuşun neden olduğu karbon emisyonu miktarını ve yakıt tüketimini hesaplayabilen bir araç yaratmaktı. Bu daha sonra, uçuş tırmanma ve alçalma oranlarına saygı gösterirken en çevre dostu uçuş yolunu oluşturmak için bir optimizasyon yöntemiyle birleştirilecektir. Aracın, belirli bir günde bir uçuş yolu boyunca kontra çizgilerin oluşumunu hesaplamak için daha önce tartışılan çalışmaları kullanması gerekir. Ardından araç, kontra yolların ışınımsal zorlama yönünü hesaplamalı ve bunu yakılan yakıt ölçüsüyle birleştirmek için bir karbon emisyonu ölçümüne dönüştürmelidir. Bu, tüm uçuşun karbon emisyonlarının tam bir resmini elde etmemizi sağlayacaktır. Bu aracın doğru ve kullanılabilir olması için günlük küresel meteorolojik verilerin yanı sıra ara nokta,

Hava Hücreleri ve Veri Toplama

İz oluşumunu ve ömrünü belirleme yeteneğine sahip bir aracın uygulanması, bir dizi veri kaynağının kullanılmasını gerektirdi. İlk olarak, Flightradar24'ten [16] alınan zaman damgalarını, irtifaları ve uçak hızlarını içeren CSV dosyaları ile çeşitli kısa menzilli uçak uçuş yolları seçildi.
Uçuş yolu verileri alındıktan sonra, Wyoming Üniversitesi'nin Radiosonde hava balonu veri arşivinden hava durumu istasyonu verileri, ağ tarafından sınırlanan herhangi bir noktanın enterpolasyonlu hava durumu verileri içerdiği üçgen bir ağ oluşturmak için kullanıldı. Birleşik Krallık çevresindeki alan için bu ağın bir alt kümesi aşağıda görülebilir.

Bu ağ içindeki herhangi bir noktadaki atmosferik koşulları belirlemek için doğrusal enterpolasyon ve barisentrik koordinat ağırlıklandırmaları kullanıldı. Bu, uçuş boyunca koşullarda makul bir değişikliğe izin verdi ve iz oluşumunu belirlerken keyfi coğrafi uçurum kenarlarını önledi. Wyoming Üniversitesi veri kümesinin ayrı yükseklik ölçümleri içerdiği göz önüne alındığında, temel bir doğrusal enterpolasyon işlevinin uygulanması gerekliydi. Kod, bir uçuş yol noktasını çevreleyen üç istasyonu tanımlamak ve yol noktası irtifasının hemen üstündeki ve altındaki irtifa okumalarında ortam sıcaklığını, çiy noktası sıcaklığını almak için tasarlanmıştır. Bu veri noktaları bulunduğunda, yol noktası yüksekliğindeki atmosferik koşullar, doğrusal enterpolasyon kullanılarak üç istasyonun hepsinde bulunur, barisentrik koordinat ağırlıklandırmaları uygulanmadan önce. Bu sürecin görsel bir temsili aşağıdaki şekillerde görülebilir:

Barisentrik ağırlıklandırmalar kullanılarak yol noktasındaki yaklaşık koşullar bulunur ve Schmidt-Appleman Kriterine uygulanabilir.

Contrail Oluşumu ve kalıcılık

İz Oluşumu

İz oluşumunun meydana geleceği parametreleştirilmiş bir dizi koşul kapsamlı bir şekilde incelenmiştir ve yaygın olarak kabul edilen mevcut teorem, Yakıt Pilleri için Schmidt-Appleman Kriteridir [1]. Bu teorinin projedeki amacı, keyfi bir uçuş yolu için verilerle belirlenebilen iz oluşumu için bir dizi temel ölçülebilir koşul sağlamaktı. Schmidt-Appleman kriteri, suyun atmosferik bağıl nemi ve itici verimlilik gibi uçak motoru parametreleri tarafından belirlenecek kritik ortam sıcaklıklarına dayanan bir eşitsizlik koşulları sistemi kullanır [1]; bağıl nem, çiğlenme noktası ve ortam sıcaklığı tarafından belirlenir. Bu eşitsizlik koşulları karşılanırsa, iz oluşumu belirlenebilir:

İz Kalıcılığı

Kontrails oluştuktan sonra, kalıcı olup olmadıklarına karar vermede ana faktör buzun bağıl nemidir. Buzun bağıl nemi %100'den fazla olduğunda kontrails devam edecektir [4]. Kalıcılık kriterlerini karşılamayan herhangi bir iz, anlamlı bir etkiye sahip olmadığı için göz ardı edildi. Bu araç için iz izi kalıcılık süresinin, ilk kalıcılık ile iz izi devam etmeyi durdurana kadar geçen süre olduğu varsayılmıştır.

Darbe

Oluşum ve kalıcılık koşulları, indüklenen ışınımsal zorlama kullanılarak bir iz izinin etkisini hesaplamak için birleştirilebilir (ışımsal zorlama, atmosfere giren ve çıkan güneş ışınımı arasındaki farktır). Bu araçta kullanılan parametreleştirme modeli Ulrich Schumann [5] tarafından türetilmiştir.

Model, ışınımsal zorlamayı iki ana bileşene ayırır: uzun dalga ışınımsal zorlama ve kısa dalga ışınımsal zorlama. Denklemlerdeki sabitler, buz parçacığının şekli varsayımına dayalı olarak tanımlanır: bu araç için varsayım, buz parçacığının küresel şekilli olduğuydu. Bu varsayımı kullanarak, etkili yarıçap ayrıca Greg McFarquhar'ın Buzlu su içeriği değerlerini ve sıcaklığa bağlı katsayıları içeren 2001 çalışması [7] kullanılarak hesaplanmıştır. Bu OLR (giden uzun dalga radyasyonu) verileri için Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi'nden [6] ve güneşin zenit açısı, doğrudan güneş radyasyonu ve yansıyan güneş ışınımı, Copernicus'tan CAMS Radyasyon Servisi'nden her tarih ve saat için elde edildi. aracı çalıştırıldı [8].

Işınım zorlaması daha sonra uzun dalga ve kısa dalga bileşenleri toplanarak hesaplanır. Negatif bir ışıma zorlaması, dünyanın iklimi üzerinde bir soğuma etkisi gösterir, bu da iz oluşumunun güneş radyasyonunu yansıtacağını gösterirken, pozitif bir değer net bir ısınma etkisini temsil eder.

Bununla birlikte, ışınımsal zorlama sayısı tek başına bir uçuşun tam etkisi hakkında bilgi sağlamaz: ışınımsal zorlamayı bir "kilogram karbon" değerine dönüştürmek için bir karbon emisyonu dönüşümünün kullanılması gerekir. yakıt yandı. Bu, her iki etkiyi birleştirmemizi ve tüm uçuşun etkisi hakkında daha kapsamlı bir çalışma oluşturmamızı sağlar. Bu, uçağın izleyeceği en uygun yola karar verirken gerekli olacaktır. Bunu yapmak için, IPCC'nin CO2'nin atmosferik iki katına çıkmasına ilişkin tahminine dayanan bir dönüştürme faktörü kullanıldı [9]. Bu, modelde elde edilen ışınımsal zorlamadan kilogram cinsinden uygulanabilir bir CO2 ölçüsüne doğrudan bir dönüşümün yaratılmasına izin verdi.

Uçağın uçuştaki etkisinin ikinci ana kısmı yakıt tüketimidir. Yakıt hesaplamaları için uçak ağırlığı gibi değerler önemlidir, bu nedenle bir uçak tipi seçilmelidir. Bu bölümdeki ana varsayım, kullanılan uçağın bir Airbus A320 olduğudur. Bunun nedeni, Airbus A320'nin yaygın bir kısa mesafeli uçuş uçağı olması ve British Airways tarafından uçuşları için kullanılmasıdır, bu nedenle onu araçların mevcut kullanım durumları için iyi bir örnek haline getirir. Uçakla ilgili önemli bilgiler, hava trafiğiyle ilgili bir rapordan elde edildi [10]. Bir turbofan motoru için standart uçak yakıtı hesaplamaları kullanılarak, itişe özgü yakıt tüketiminden ve gerekli minimum itme gücünden yararlanılarak bir fonksiyon oluşturuldu [11]. İşlev, bir uçuş yolu veri çerçevesini yükseklik, boylam, enlem, zaman damgası ve hız değişkenleriyle yorumlar, ve irtifadaki hava yoğunluğunu belirleyerek uçuşun çeşitli noktalarında yakıt akışını hesaplar. Fonksiyon son olarak tüm uçuş boyunca yakılan yakıt miktarının bir çıktısını üretir. Daha sonra bu yakıt miktarını ilgili bir kg CO2'ye dönüştürmek için bir dönüştürme faktörü kullanılır [12]. Daha sonra CO2 cinsinden uçak uçuşunun tam etkisini oluşturmak için yakıt etkisi ve ışınımsal zorlama etkileri toplanır.

Isı haritaları

İz oluşumu ve etkisinin anlaşılmasını kullanarak, uçuş yolu boyunca ısı haritaları oluşturma yeteneği artık mümkün. Bu ısı haritaları, önerilen alternatif yollar için emisyonları hesaplarken gerekli olacak uçuş yolunu çevreleyen alanlar için oluşum ve kalıcılık olasılığını hesaplayacaktır. Isı haritası, seyir seviyelerinde tutarlı aralıklı irtifalarda uçuş yolu boyunca kontraillerin oluşumu ve kalıcılık kriterinin test edilmesiyle oluşturulur. Aralıklar arasındaki alanlar için, oluşumu ve kalıcılığı, alanı çevreleyen iki aralıkla kararlaştırıldı. Isı haritası üretiminin sonucu aşağıda gösterildiği gibidir:

Mavi ızgara, ısı haritasının uygulandığı yeri temsil ediyor. Sarı, kontraların oluştuğu yeri, kırmızı alan ise kontralarda devamlılığı gösterir. Bu ısı haritası daha sonra, kodun optimizasyon bölümünün ana bileşenlerinden biridir; burada bu ısı haritasından elde edilen sonuçlar, tüm alternatif yollardan ışınımsal zorlamanın etkisini hesaplamak için kullanılır.

Uçuş yolu optimizasyonu

Bu projeyi sonuçlandırmak için önceki tüm modeller, en düşük iklim etkisine sahip optimize edilmiş bir uçuş yolunu hesaplamak için birleştirildi. Bu, bir uçuş rotası alarak, gerçekçi alternatif uçuş rotalarını ve bunların net CO2 etkisini hesaplayarak ve en düşük etkiye sahip yolu seçerek yapılabilir.

Optimizasyon, Geri İzleme algoritmaları adı verilen bir algoritma sınıfı kullanılarak gerçekleştirildi. Bunlar, bağlı bir grafik aracılığıyla tüm uygun yolları bulmak için çok uygundur. Fizibilite, yollar boyunca arama yaparken algoritmanın uyması gereken uygun bir kısıtlama oluşturarak tanımlanır. Geri izleme, uygulanabilir tek bir çözüm bularak ve bir başkası bulunana kadar geri izlemeyle çalışır ve tüm çözümler bulunana kadar böyle devam eder. Bunu yapmak için, grafikteki düğümleri temsil eden birkaç alternatif irtifa ile uçuş yolundaki her yol noktasına sağlamak için önceden tanımlanmış ısı haritası irtifaları kullanılarak bağlantılı bir grafik oluşturuldu.

Uygulanan kısıtlama, uçak tırmanış hızı veya saniyede 50 fitlik terbiye oranı üzerinde bir üst sınırdı. Bu, tüm gerçekçi alternatif yolları yakalayacak bir uçak için makul bir sınır olarak kabul edildi. Hesaplanan her bir alternatif uçuş yolu daha sonra iki fonksiyondan geçirildi: Yakıt CO2 etkisi ve Radyasyon Zorlaması CO2 etkisi. Daha sonra net bir CO2 etkisi hesaplandı ve en düşük net etkiye sahip yol seçildi. Daha sonra bu yol, hangisinin daha az CO2 ürettiğine karar vermek için orijinal yolun CO2 etkisiyle karşılaştırıldı.

Tüm olası alternatif yolların bir listesi oluşturuldu, bu daha sonra iki fonksiyondan geçti ve her yol için kg cinsinden CO2 emisyonu hesaplandı. Minimum CO2 emisyonuna sahip yol seçildi ve en uygun uçuş yoluna karar vermek için orijinal yolla karşılaştırıldı.

Kullanıcı arayüzü

İstemci tarafı

Bu web uygulaması için Kullanıcı arabirimi, stil ve genel görünüm için HTML ve CSS kullanır. Kullanıcıya bir uçuş seçmesi için bir form sunulur: gün, ay ve günün saati de sağlanmalıdır. Bu koşullar, uçuş yolu, hava durumu hücreleri, oluşum, kalıcılık, etki ve optimizasyon hesaplamalarına uygulanacaktır. CO2 emisyonları ve yakıt tüketimi ile birlikte orijinal uçuş yolu için arka izin devam ettiği zaman noktalarını belirtmek için bir ısı haritası çıktısı üretilir.

Tıklandığında bir optimizasyon düğmesi, optimize edilmiş rota için ikinci bir grafik oluşturur ve karşılaştırma için orijinalin yanına yerleştirilir.

sunucu tarafı

Uygulamanın arka ucu için Python konuşlandırılmıştır. Python'da bir web uygulama çerçevesi olan Flask, sunucu tarafını kullanıcı arayüzü ile verimli bir şekilde bağlamak için kullanılır. Uçuş ve gerekli hava durumunu almak için bir API kullanılır. (Bölüm 2). Hesaplama süresini azaltmak için SciPy gibi Python kitaplıkları kullanılmıştır. Delaunay üçgenlemesi, özellikle API'den çıkarılacak meteoroloji istasyonlarını hızlı bir şekilde belirlemek için kullanılmıştır. Efekti belirlemeden önce, ilk olarak kontra çizgilerin oluşumu belirlenir, ardından konturun boyutu belirlenir. Radyasyon Zorlaması (RF) daha sonra değerlendirilir. Radyasyon Zorlamasının CO2 kirliliğine dönüştürülmesi, optimizasyondan önceki son adımdır.

Çözüm

Contrails, önemsiz gibi görünse de önemli bir çevresel etkiye sahip olabilir ve iklim değişikliğine katkıda bulunabilir. Jet uçaklarının arkasında oluşan bu uzun, ince bulutlar saatlerce kalabiliyor ve yayılarak sirrus benzeri bulutlar oluşturarak ısıyı hapsediyor ve sera etkisine katkıda bulunuyor. Contrails, insan kaynaklı iklim zorlamasının önemli bir kaynağıdır ve çevresel etkilerinin yalnızca hava yolculuğu büyümeye devam ettikçe artması beklenmektedir.

Bu makale, uçakların dünya iklimi üzerinde neredeyse hiç fark edilmeyen etkilerine dikkat çekmeye çalışmaktadır. Bu nedenle, kontraların olumsuz etkilerini kabul etmemiz ve ekosistem üzerindeki olumsuz etkilerini azaltmanın yollarını aramamız çok önemlidir. Kontraillerin etkilerini azaltmak için bir strateji, yukarıda yapmaya çalıştığımız uçuş modellerini optimize etmektir. Kontraillerin ekosistem üzerindeki etkilerini daha iyi anlamak için araştırmaya da yatırım yaptık. Bu sorunu ele almak için harekete geçerek gezegenimizin sağlığını korumaya ve gelecek nesiller için sürdürülebilir bir gelecek sağlamaya yardımcı olabiliriz.

Takım

Bu çalışma, Veri Bilimi teknolojilerini Mühendislik zorluklarına uygulayan ALTEN UK Innovation Lab tarafından tamamlandı.

Proje ekibi şunları içeriyordu: Mohamad FARHAT , Jaswaanthii PADMANABHAN , Tejaswini CHENNIGARAYA ARUNKUMAR , Alexander MCRAE & Daniel ENNIS

Bu çalışma sizi heyecanlandırdıysa, başka fikirlere yol açtıysa veya herhangi bir geri bildirim sağladıysa lütfen bize ulaşın!

Referanslar:

[1] U. Schumann, "Uçak egzozlarından kontrail oluşumu şartıyla", Şubat 1996. [Çevrimiçi]. Mevcut:https://elib.dlr.de/32128/1/mz-96.pdf

[2] M. Cavcar, “Uluslararası Standart Atmosfer (ISA),” Eskişehir, Türkiye. Mevcut:http://fisicaatmo.at.fcen.uba.ar/practicas/ISAweb.pdf

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

[4] Ulrich Schumann, Contrail Cirrus'ta (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) İrlanda Üzerindeki Termal Görüntülerde Karşı İz Tespitini İyileştirmek için Meteorolojik Verilerin Kullanımı (researchgate.net)

[15] Belirli bir kaynaktan bir hedefe giden tüm yolları yazdırın — GeeksforGeeks

[16] Flightradar24: Canlı Uçuş Takibi — Gerçek Zamanlı Uçuş Takibi Haritası

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