Kondenzační stopy a podmínky ovlivňující jejich vznik a perzistenci

Abstract

Letectví se podílí na 2 až 3 % na celosvětových emisích oxidu uhličitého způsobených lidskou činností, ale dopad letectví na klima se týká i vlivu non-CO2 emisí zahrnující mimo jiné kondenzační stopy. Kondenzační stopy jsou umělé cirrovité oblaky tvořící se za letadly v horní troposféře a spodní stratosféře. Jejich vznik je způsoben nárůstem relativní vlhkosti v proudu za motorem díky emisím vodní páry a nízkým okolním teplotám. Zvýšení pokrytí oblačnosti má negativní dopad na klima, protože mění radiační bilanci systému Země-atmosféra. Kondenzační stopy způsobují převážně pozitivní radiační působení, které vede k oteplování atmosféry. Úroveň vědeckého poznání vlivu non-CO2 emisí na klima se sice zvýšila, ale stále existují značné nejistoty v predikci vzniku kondenzačních stop a jejich dopadu na klima. Zatím neexistují žádné metody monitorování kondenzačních stop vytvářených za jednotlivými letadly nebo nástroje k jejich mittigaci ve větším měřítku. Z toho důvodu se tato práce zaměřuje na posouzení tvorby kondenzačních stop z pohledu podmínek ovlivňujících jejich vznik a perzistenci. V první řadě je představeno probíhající pozemní pozorování a měření kondenzačních stop, a statistika výskytu kondenzačních stop v závislosti na letové hladině. S využitím teoretických znalostí a několika dílčích modelů byl vytvořen kondenzačních stop. Ten na základě vybraných vstupních proměnných určuje, zda se za daných podmínek vytvoří kondenzační stopa. Funkčnost modelu byla ověřena na změřených kondenzačních stopách. V dalším kroku byla provedena citlivostní analýza modeliu. Výsledky této analýzy ukazují, jak jednotlivé vstupní proměnné ovlivňují výstup modelu a jakým směřem by bylo vhodné orientovat další snahy o omezení tvorby kondenzačních stop. Poslední část práce se zaměřuje na vertikální profil atmosféry a podmínky vhodné pro tvorbu kondenzačních stop v různých letových hladinách během roku. Cílem bylo identifikovat četnost výskytu podmínek, za kterých by bylo vhodné zamezit vzniku kondenzačních stop, a nastínit možná provozní opatření.

Aviation accounts for 2 to 3% of human-made global carbon dioxide emissions but its impact on climate extends to non-CO2 effects including but not limited to contrails. Contrails are artificial cirrus clouds which form behind aircraft at upper troposphere and lower stratosphere. The formation is caused by increase in the relative humidity in the engine pume due to to water vapor emissions and by low ambient temperatures. The increase iin cloudiness coverage has a negative impact on the climate because it changes the radiation balance on the Earth-atmosphere system. Contrails cause mostly positive radiative forcing which tends to warm the atmosphere. The scientific understanding of the non-CO2 climate effects of aviation has grown but significant uncertainties exist in predicting contrail formation and climate impact. No method exist yet to monitor contrails on a per flight basis or tools to mitigate them at scale. Therefore, the thesis focuses on contrail formaion assessment from the point of view of the conditions affecting their formation and persistence. First of all, the ongoing ground-based observation and measurement of contrails, and the statistics about the frequency of contrail occurence based on flight level are presented. Using theoretical knowledge and several submodels, a contral model was created. The model, based on selected input variables, determines whether a contrail will form under the given conditions. The functionality of the model was verified on the measured contrails. In the next step, a sensitivity analysis of the model was performed. The results of this analysis show how individual input variables affect the output of the model and in which direction it would be appropriate to orient further efforts to limit the formation of contrails. The last part of the work focuses on the vertical profile of the atmospehre and the conditions suitable for contrail formation at different flight levels during the year. The aim was to identify the frequency of occurence of conditions under which it would be appropriate to prevent the formation of contrails, and to outline possible operational measures.