旅行的足跡:飛機雲和氣候變遷

撰文|蘇建翰

「你累計了許多飛行,你用心挑選紀念品,你蒐集了地圖上每一次的風和日麗。」────《旅行的意義》MV開頭裡悠悠劃過天空的飛機,在很多人心中成了旅行的代名詞。台灣空域繁忙,抬頭看天空時經常能看見行進中的飛機拖曳著的、或者航路上殘留的飛機雲。你有想過飛機雲是如何形成的?這些在天空看似佔據不大篇幅的飛機雲對全球的氣候又有什麼影響嗎?

●飛機雲的種類

發呆看著天空的時候,常常能看到各式各樣的雲,雲層的存在將部分太陽輻射反射回太空,減少進入到大氣層的短波輻射,同時含有大量水分的雲層也會吸收地表向上的長波輻射,阻止它們輻射回太空,一來一往影響著大氣層的能量平衡,說起來這些輕飄飄的雲對於水循環和氣候的影響可是舉足輕重。在這篇文章裡要討論的飛機雲,或者說伴隨著飛機尾流產生的凝結尾,也是雲的一種,性質上是線性的冰晶雲。

圖一 飛機雲的種類,由左至右分別為存續時間不長的凝結尾、持久尾跡、凝結尾卷雲(來源:[3])

依據世界氣象組織的定義,如果飛機雲能夠存續十分鐘以上,就會被歸類為卷雲(Cirrus)的一種,稱為人造卷雲(Cirrus homogenitus),平常看到的那些絲縷狀、分散的雲就是卷雲。如果依照能不能維持線狀的能力來分類的話,則可分類為「持久尾跡(persistent contrails)」以及隨著時間過去逐漸擴散的「凝結尾卷雲(contrail cirrus)」,合稱為AIC (aircraft-induced clouds) [1]。

●形成的過程       

噴射引擎排放的懸浮微粒有益於水氣的凝結,不過能否形成飛機雲還需要大氣環境的條件配合,一般來說當飛機巡航在八公里以上的高度,溫度低於攝氏負40度時,就有機會產生飛機雲[1]。

圖二為大氣中水的三相對溫度與濕度作圖,和一般常見的三相圖不同的是,由於這邊考慮的是高度較高的環境,此區溫度多為攝氏零下的溫度,且冰的蒸氣壓也比液態水的蒸氣壓要低,因此凝結時會先傾向形成冰晶而不是液態的水滴,作圖時固態會介於液態和氣態之間[3]。

圖二 大氣中水的三相對溫度與濕度作圖以及飛機雲的形成,分別為存續時間短(左)與長(右)的飛機雲(來源: 參考[2]作圖)

長程飛機在巡航時,多會在較高的空層裡,那裏空氣不但溫度低濕度也低(如圖二的A點)。噴射引擎在運轉時,則會排放出高溫且濕度較高的氣體(如圖二的B點)。當這兩種氣體混和時,就像一小滴墨水滴進整個水桶的水時會被稀釋到很難用肉眼看出顏色變化,引擎排放出的氣體相對於周遭大氣的量體太小,所以其狀態會從B點往A點前進,混合完最後會很接近A點的狀態。因此大氣的溫度與濕度便會決定飛機雲的存續時間。當飛航空層的大氣環境相對乾的時候(A點落在氣態區),即時有形成飛機雲也會很快就消失;大氣環境相對濕的時候(A點落在非氣態區),形成飛機雲便能存在比較久的時間[2]。      

●航空業對氣候變遷的影響

輻射驅動力(radiative forcing, RF)是研究氣候變遷時一個指標,一般指的是特定因子影響使得對流層頂產生的能量失衡,當這個值為正的時候,代表地球整體的能量增加,連帶影響的便是氣溫的上升,當這個值為負的時候,便代表地球喪失能量,處於冷卻的時期。溫室氣體便具有正值的RF,因為溫室氣體吸收地表輻射出的紅外線,增加了留在地球的能量[4]。

圖三、輻射驅動力的比較 (來源: 參考[1]作圖)

導致氣候變遷最主要的RF來源便是人類活動所排放的溫室氣體和懸浮微粒,其中又以二氧化碳增加的衝擊最為突出。源自航空業的影響約佔總體人為產生的RF中的百分之四,除了傳通交通工具皆難以避免的二氧化碳排放以外,航空業還有一項獨特的RF來源,貢獻度超過五成,那便是飛行過程中產生的AIC[1]。

●降低對氣候衝擊的方向

根據前述RF來源的特性,航空業在減緩氣候變遷的對策上,除了減少二氧化碳的排放以外,

還可以從減少飛機雲生成,降低引擎排放的煙塵顆粒這一方面來著手。被認為短期內可見效的方法

包含改變燃料的成分,在現有的媒油混入部分的合成燃料或者生質燃料、將燃料去硫化,以及嘗試不同的動力方式,例如貧燃料燃燒(Lean Combustion)。長期而言,可以改變動力的來源,例如改採液態氫或者液化天然氣作為燃料,如果電池的技術有所革新,或許也能加入電力驅動的方式,另外也可以調整航空管理系統,利用風速來調整最佳的燃料用量,或者重新安排航線,降低對極區等環境敏感地帶的衝擊[1]。

由於航空業的特性,這些不同的對策在實施上能否滿足經濟性、技術可行性以及安全性的需求,都必須要經過深入的評估與研究。而當人類成功控制飛機雲生成那一天的到來,我們抬頭看天空時能看到飛機雲的機率也會跟著下降許多,這或許就是科技發展過程中一個不得不的取捨吧。

 

參考資料:

[1] B. Kärcher,“Formation and radiative forcing of contrail cirrus,” Nat. Commun. , vol. 9, no. 1, pp. 1–17, 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-04068-0
[2] Importance of Student Data in the Study of Contrails
[3] Atmospheric moisture, evapo(transpi)ration, condensation, and precipitation
[4] Anthropogenic and Natural Radiative Forcing

 

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