Authors:	Kleine, Jonas
Title:	Flugzeuggetragene Messungen von Eis- und Rußpartikeln in Kondensstreifen bei Verwendung konventioneller und synthetischer Treibstoffe
Online publication date:	6-Dec-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Kondensstreifen-Zirren steuern derzeit mehr als 2% zum gesamten anthropogenen Strahlungsantrieb bei und liefern damit den größten Beitrag zur Klimawirkung des globalen Luftverkehrs. Gemäß aktuellen Simulationen korreliert der Strahlungsantrieb von Kondensstreifen-Zirren stark mit der Höhe ihrer Eispartikelkonzentrationen. Durch deren systematische Reduktion ließe sich folglich die Klimawirkung des Luftverkehrs zu einem gewissen Grad von dessen Wachstum entkoppeln und dies - im Gegensatz zur Wirkungsweise von CO2 - bereits auf Zeitskalen von Stunden. In dieser Hinsicht scheint die Nutzung alternativer, synthetischer Treibstoffe mit reduziertem Aromatengehalt aussichtsreich, konnten doch für diese deutlich reduzierte Rußemissionen experimentell nachgewiesen werden. Allerdings wird bislang eine von Ruß kontrollierte Eisbildung in Kondensstreifen lediglich angenommen, konnte aber noch nicht experimentell belegt werden. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals experimentell untersucht, ob die Nutzung synthetischer Treibstoffe zu einer systematischen Reduktion der Eisanzahlkonzentrationen in Kondensstreifen führt. Im Rahmen des DLR-Projekts ECLIF (Emissions and Climate Impact of Alternative Fuels) wurden hierzu Kondensstreifen eines entsprechend betankten Airbus A320 mit dem DLR-Forschungsflugzeug Falcon in-situ vermessen. Auf Grundlage einer eingehenden Charakterisierung des CAS-Instruments (Cloud and Aerosol Spectrometer) und des Einflusses von Eisresiduen auf die Messung interstitieller Rußpartikel wurde ein qualitätsgesicherter Datensatz kondensstreifeninterner sowie atmosphärischer Parameter gewonnen. Dieser wird genutzt, um zunächst mikrophysikalische und dynamische Prozesse in Kondensstreifen gezielt zu analysieren. So kann durch eine Gegenüberstellung der in Kondensstreifen gemessenen Vertikalprofile von Ruß- und Eispartikelzahlen die rußkontrollierte Eisbildung für Rußemissionen im Bereich von 2-5 × 10^15 Partikeln je kg verbranntem Treibstoff erstmals im Flugversuch nachgewiesen werden. Bei Temperaturen von ca. 215 K werden dabei Aktivierungsraten von etwa 90% gefunden. Weiter gelingt es, Sublimationsverluste von Eispartikeln im Flugzeugnachlauf direkt nachzuweisen, zu quantifizieren und auf die adiabatische Erwärmung des absinkenden Wirbelsystems zurückzuführen. Auf Basis dieser Analysen wird erstmals experimentell gezeigt, dass die Verwendung semisynthetischer, aromatenarmer Treibstoffe zu einer systematischen Reduktion von Eispartikelzahlen in Kondensstreifen führt. Unter für die nördlichen Extratropen typischen Reiseflugbedingungen und einen gängigen Flugzeugtyp (A320, IAE V2527-A5 Triebwerke) werden gegenüber konventionellem Jet A-1 für einen semisynthetischen Treibstoff deutliche Reduktionen der Anzahl emittierter Rußpartikel um 52(± 3)%, initial gebildeter Eispartikel um 50(± 4)%, sowie der gegen Ende der Wirbelphase im Mittel vorliegenden Eispartikel um 36(± 5)% ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, das Potential synthetischer Treibstoffe zur Reduktion der Klimawirkung des globalen Luftverkehrs besser bewerten zu können. With a share of more than 2% contrail cirrus currently yields the largest single-component contribution from aviation to total anthropogenic climate forcing. According to global simulations the radiative forcing due to contrail cirrus correlates considerably with the number of associated ice particles. Hence, reducing ice particle numbers in contrails represents a fast acting measure to decouple - at least to some extent - the climate forcing of global aviation from its growth. In this regard, the use of alternative synthetic fuels with substantially lower aromatic content seems promising,since, compared to conventional Jet A-1, these fuels cause much lower numbers of emitted soot particles, which are often assumed - but not yet experimentally verified - to control ice particle nucleation in contrails. The present work analyzes if switching from conventional to synthetic fuels leads to systematically reduced ice particle numbers present in contrails. To this end, in situ measurements were performed employing instruments installed on the DLR research aircraft Falcon to sample contrails originating from an Airbus A320 burning both conventional and semi-synthetic fuels. Conducted within the DLR project Emissions and Climate Impact of Alternative Fuels (ECLIF), measurements in contrails from semi-synthetic fuels are the first of their kind. In order to obtain a high quality data set of contrail and environmental parameters, both the Cloud and Aerosol Spectrometer (CAS) and the impact of ice residues on measurements of interstitial soot particles were characterized in-depth. Before focussing on fuel effects, microphysical and dynamical processes governing contrail formation and evolution are studied in detail. By juxtaposing vertical profiles of measured ice and soot particle numbers during the vortex descent, strong evidence is provided that soot particles indeed control ice particle formation for soot emissions in the range of 2-5 × 10^15 particles per kg of fuel burned. At temperatures close to 215 K around 90% of the emitted soot particles are found to contribute to ice particle formation. Furthermore the results provide direct observational evidence of sublimation substantially reducing ice particle abundances in descending aircraft wakes due to adiabatic heating. Based on these analyses it is shown that, compared to conventional Jet A-1, ice particle numbers in contrails originating from semi-synthetic fuels are systematically reduced. Concerning a widespread type of aircraft (A320, IAE V2527-A5 engines) and conditions typical for cruise flights in the northern extratropics, marked reductions of the number of emitted soot particles of 52(± 3)%, initially formed ice particles of 50(± 4)% and of wake-averaged ice numbers towards the end of the vortex phase of 36(± 5)% are found when comparing semi-synthetic to conventional fuel. The results of this study will help to assess the overall potential of synthetic fuels as a measure to mitigate the climate impact of aviation.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3574
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000032013
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	v, 166 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen