Flugzeuggetragene Messungen von Eis- und Rußpartikeln in Kondensstreifen bei Verwendung konventioneller und synthetischer Treibstoffe
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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.