Wpływ lotnictwa na klimat – CO2 i inne substancje emitowane przez samoloty

Transport lotniczy odpowiada za emisję ok. miliarda ton dwutlenku węgla (CO₂) rocznie. To ok. 2,3-2,5%. rocznej globalnej antropogenicznej emisji CO₂ (dane sprzed pandemii). Jednak oddziaływanie lotnictwa na klimat nie ogranicza się do emisji dwutlenku węgla. W wyniku spalania paliwa w silnikach samolotu powstają m. in. para wodna, sadza, dwutlenek siarki i tlenki azotu, które również mają wpływ na system klimatyczny naszej planety. W tym tekście przeczytasz o tym, jak silny jest ten wpływ. A także o tym, jak emisje CO₂ z sektora lotniczego zmieniały się w ostatnich dekadach i jak najprawdopodobniej będą zmieniać się w przyszłości.

Substancje emitowane przez samoloty biorą udział w wielu procesach fizykochemicznych zachodzących w atmosferze. Między innymi powodują powstawanie smug kondensacyjnych, których wpływ na klimat jest jeszcze silniejszy niż wpływ dwutlenku węgla pochodzącego ze spalania paliw lotniczych. O smugach kondensacyjnych i powstających z nich chmurach przeczytasz w drugiej części artykułu.

Współczesne lotnictwo umożliwia nam relatywnie łatwy, tani, szybki i bezpieczny sposób na dotarcie w praktycznie każdy zakątek naszej planety. Pełni więc bardzo ważną rolę gospodarczą i społeczną, ma również istotne znacznie dla rozwoju nauki i kultury. Niestety, transport lotniczy ma też silny wpływ na ocieplanie się naszej planety. Co ciekawe, w grę wchodzi tu nie jeden, a wiele mechanizmów, zjawisk i procesów fizykochemicznych. Spore znaczenie ma też fakt, że samoloty latają, a w związku z tym emitują różne substancje na znacznych wysokościach (kilku – kilkunastu kilometrów, czyli w górnej troposferze a czasem też dolnej stratosferze), gdzie mogą brać udział w innych procesach i wpływać na klimat nieco inaczej, niż gdyby były emitowane przy powierzchni Ziemi. Zacznijmy jednak od najbardziej oczywistego efektu związanego z wykorzystaniem samolotów:

Emisje CO₂

Większość współczesnych samolotów wciąż napędzanych jest paliwami produkowanymi z ropy naftowej. Silniki odrzutowe i turbośmigłowe spalają naftę lotniczą (kerozynę), a stosowane w części samolotów śmigłowych silniki tłokowe – benzynę lotniczą (ang. aviation gasoline, w skrócie avgas). 

Pomijając dodatki (np. środki biobójcze czy substancje zapobiegające korozji, a w przypadku benzyn lotniczych także tetraetyloołów), oba rodzaje paliw są mieszanką ciekłych węglowodorów. W przypadku najczęściej używanych typów nafty lotniczej (Jet A  i Jet A-1) są to głównie węglowodory zawierające od 8 do 16 atomów węgla na cząsteczkę. (Skład chemiczny nafty lotniczej zależy m. in. od składu, a więc od źródła ropy naftowej, z której nafta została wyprodukowana.) 

Stosowanie takich paliw wiąże się więc rzecz jasna z emisją dwutlenku węgla (CO₂) i wody (H₂O), produktów łączenia się węgla i wodoru z tlenem, ale także z emisją innych substancji – o czym więcej za chwilę. 

Globalna roczna emisja CO₂ związana z transportem lotniczym wynosi około miliarda ton. International Air Transport Association (IATA) szacuje ją na 1034 milionów ton (dane za rok 2018, patrz Lee i in., 2021). Mniejszą wartość podaje niezależna organizacja non-profit, International Council on Clean Transportation (ICCT): według niej cywilny transport pasażerski i towarowy był w roku 2018 odpowiedzialny za wyemitowanie ok. 918 mln ton CO₂, z czego większość (ok. 750 mln ton) przypadła na loty pasażerskie. To prawie tyle samo ile w roku 2018 wyniosła całkowita emisja CO₂ czwartej największej gospodarki świata, Republiki Federalnej Niemiec (754 mln ton). 

Różnice w podawanych wartościach emisji CO₂ mogą wynikać z różnic w metodyce obliczeń. Przykładowo, Lee i współautorzy dla okresu 1971–2016 lat szacowali emisje korzystając z danych Międzynarodowej Agencji Energii (MAE) dotyczących całkowitego zużycia paliw lotniczych (Lee i in., 2021). Są one zwykle o ok. 10% wyższe niż szacunki lotnictwa cywilnego, które bazują na liczbie, dystansach i pułapach rejestrowanych przelotów. Taka inwentaryzacja jest na ogół niekompletna, a realne spalanie paliwa większe niż zakładane. Dodatkowo, MAE bierze również pod uwagę emisje z lotnictwa wojskowego. A armie są sporymi emitentami CO₂. Na przykład szacuje się że w roku 2017 najpotężniejsza armia świata – armia USA – wyemitowała 59 milionów ton dwutlenku węgla (to więcej niż wynosi roczna emisja CO₂ m. in. Węgier, Portugalii, Finlandii czy Szwecji), z czego prawie połowa (28,5 mln ton) przypadła na spalanie nafty lotniczej (Crawford 2019). I chodzi tu nie tylko o loty samolotów bojowych, ale i o wojskowy transport lotniczy.

Niezależnie od metodologii, szacunki dla lotniczych emisji CO₂ są jednak dość zbliżone. Podobną wartość – ok. miliarda ton CO₂ z lotnictwa cywilnego – podaje się też dla roku 2019 (Klöwer i in. 2021).  Dla porównania, w każdym z lat 2017 – 2019 całkowita globalna emisja CO₂ ze spalania paliw kopalnych była rzędu 36-37 miliardów ton (GtCO₂), patrz 2019: Globalna emisja dwutlenku węgla wciąż rośnie. 

Udział lotnictwa w emisji CO₂ wynosi więc z grubsza między 2 a 3 procent całkowitej rocznej antropogenicznej emisji tego gazu cieplarnianego. Dokładna wartość zależy od roku, sposobu szacowania emisji z lotnictwa oraz tego, czy patrzymy na całą antropogeniczną emisję CO₂, (obejmującą emisję związaną ze spalaniem paliw kopalnych, biomasy, produkcją cementu, wypalaniem roślinności i związanymi z tym pożarami, czy innymi zmianami użytkowania terenu) czy też tylko na jej część związaną ze spalaniem paliw kopalnych.

Dwa-trzy procent globalnej emisji to wbrew pozorom całkiem sporo. Mówimy przecież nie o całym transporcie, a tylko o jednym jego sektorze. Tym bardziej, że jak podróże lotnicze są dostępne jedynie dla małej części ludzkości, o czym przeczytacie niedługo w naszym portalu, w kolejnym wywiadzie z dr. Michałem Czepkiewiczem.

Opowieść o spektakularnym wzroście, czyli krótka historia lotnictwa pasażerskiego 

W naszym tekście przytaczamy dane sprzed pandemii SARS-CoV-2. Robimy tak oczywiście dlatego, że liczby dla lat 2020-2021 odnoszą się do sytuacji bezprecedensowej, nie są więc w żaden sposób typowe ani reprezentatywne.  W wyniku wprowadzonych trakcie w pandemii obostrzeń i lockdownów, globalna emisja dwutlenku węgla zauważalnie spadła. A ze wszystkich sektorów największy (procentowo) spadek emisji dotyczył właśnie lotnictwa, w związku z odwołaniem znacznej części lotów (Le Quéré i in., 2020).

Ale pandemia to najprawdopodobniej jedynie chwilowe zaburzenie utrzymującego się przez dekady prawie nieprzerwanego trendu wzrostowego: wzrostu intensywności ruchu lotniczego, liczby wykonanych lotów, przewiezionych pasażerów. I niestety także ilości wyemitowanego dwutlenku węgla. W ciągu ostatnich ośmiu dekad – aż do pandemii – mieliśmy do czynienia z praktycznie stałym wzrostem emisji lotniczych. Wyjątkiem było małe tąpnięcie po kryzysie finansowym z lat 2008–2009, po którym nastąpiło jednak silne pokryzysowe „odbicie”. 

Jak pandemia COVID-19 wpłynęła na transport lotniczy? 
Obostrzenia związane z pandemią miały bardzo silny wpływ na intensywność ruchu lotniczego. W marcu i kwietniu 2020 przez wiele dni liczba lotów w Europie spadła poniżej 5 tysięcy dziennie, co oznaczało spadek o 80% w porównaniu z sytuacją sprzed pandemii. W lecie 2020 nastąpiło częściowe „odbicie” – liczba dziennych lotów przekroczyła 15 tysięcy. Jednak liczba podróży lotniczych znowu spadała z nadejściem jesieni (Klöwer i in. 2021).
Spowodowało to oczywiście spadek emisji CO₂ z sektora lotniczego. W czasie gdy ograniczenia były największe (kwiecień 2020) emisje „lotniczego” dwutlenku węgla były niższe nawet o 60% w stosunku średniej dla roku 2019. W liczbach bezwzględnych oznaczało to spadek nawet o 1,5 do 2 milionów ton dziennie, a dokładniej: -1,7 [-1,3, -2,2] MtCO₂ (Le Quéré i in., 2020). Średni spadek liczby lotów i emisji dla całego roku 2020 był oczywiście mniejszy. Globalnie, w porównaniu z rokiem 2019 liczba lotów zmniejszyła się w ciągu całego roku 2020 o 45%, podobnie zmniejszyła się też emisja dwutlenku węgla z sektora lotniczego (Klöwer i in. 2021). 
O ile chwilowe uziemienie lotów w 2020 roku miało relatywnie mały wpływ na emisje, znacznie większy może być wpływ długofalowy. Wciąż nie możemy dziś być jednak pewni, jak bardzo lotnictwo odczuje długotrwały wpływ pandemii. Ani też tego, w jakim stopniu wpłynie ona na aktualność tych prognoz rozwoju sektora lotniczego, które pochodzą sprzed kilku lat. Obecnie szacuje się, że podnoszenie się branży z kryzysu spowodowanego pandemią COVID-19 może zmniejszyć ocieplający wpływ lotnictwa w roku 2050 o ok. 10% (Klöwer i in. 2021)
To co wiemy na pewno już dziś, to to że w porównaniu z sytuacją sprzed pandemii mocno wzrosły ceny paliwa lotniczego. Oraz że – przynajmniej w Europie, gdzie łatwo znaleźć dane na ten temat – intensywność ruchu lotniczego (dzienna liczba lotów) jest dziś na poziomie prawie 90% wartości przed-pandemicznych. 

Coraz większe emisje CO₂ z lotnictwa

Popatrzmy na liczby. W latach 1970-2018 liczba podróży lotniczych wzrosła z 310 milionów do 4,3 miliarda rocznie (Klöwer i in. 2021). Z kolei liczba pasażerokilometrów w transporcie lotniczym wzrosła ze 109 miliardów w roku 1960 do 8269 miliardów w roku 2018. W tym samym okresie (1960 – 2018) roczne emisje CO₂ związane z ruchem lotniczym wzrosły prawie siedmiokrotnie (jeśli dla 2018 roku przyjmiemy wartość 1034 mln tCO₂/rok, patrz Lee i in., 2021). Jeszcze w drugiej połowie lat 60-tych emisje CO₂ generowane przez branżę lotniczą były cztery razy niższe niż w roku 2018, a w drugiej połowie lat 80-tych – dwa raz niższe. Szczególnie duży wzrost emisji nastąpił w latach 2013–2018: 4-5% rok, a w liczbach bezwzględnych 44 mln ton CO₂/rok (patrz Lee i in., 2021). Według niektórych źródeł w ciągu tych 5 lat emisje wzrosły nawet o 32% (ICTT, 2019), choć jak widzimy dane przytaczane przez  Lee i współautorów sugerują raczej „jedynie” wzrost o nieco ponad 20 procent.

Pomimo tak dużego wzrostu całkowitej emisji CO₂z lotnictwa na przestrzeni lat, udział procentowy tego sektora w całkowitej globalnej emisji dwutlenku węgla utrzymuje się na podobnym poziomie – między 2 a 3 procent. Po prostu w ciągu ostatnich kilku dekad emisja CO₂z innych sektorów również bardzo wzrosła. Ten procentowy udział może jednak wzrosnąć, jeśli lotnictwo będzie dekarbonizować się wolniej niż inne sektory. A jest to prawdopodobne, bo zmniejszenie emisji z transportu lotniczego jest szczególnie trudne technicznie. Choćby ze względu na jego silną zależność od paliw płynnych oraz długi czas użytkowania samolotów i infrastruktury (buduje się je z założeniem, że będą w użyciu przez kilkadziesiąt lat) (Gota i in., 2019). Przełom przyniosłyby  duże samoloty wodorowe lub z innego typu napędami bez- lub niskoemisyjnymi, jednak na nie przyjdzie nam poczekać jeszcze przynajmniej kilkanaście lat, a w najlepszym razie prawie dekadę.

Coraz większa wydajność lotnictwa

Z porównania wzrostu liczby pasażero-kilometrów i wzrostu emisji na przestrzeni lat (patrz np. OurWorldInData) widzimy, że w ostatnich dekadach nastąpił imponujący wzrost efektywności samolotów (zmniejszenie zużycia paliwa koniecznego do przewiezienia jednego pasażera na daną odległość). Ale po pierwsze, największy wzrost efektywności miał miejsce przed rokiem 1980. Po drugie, wzrost efektywności nie rekompensuje jeszcze większego wzrostu intensywności ruchu lotniczego, w wyniku czego obserwujemy tak znaczny wzrost emisji z tego sektora. 

Spojrzenie w przyszłość 

Według obliczeń ICAO (ICAO, 2016) podsumowanych przez Carbon Brief (Pidcock i Yeo, 2016), lotnicze emisje CO₂ w latach 2015-2050 mogą wyczerpać aż 27% pozostałego budżetu węglowego – ilości CO₂, jaką możemy jeszcze wyemitować i jednocześnie uniknąć ocieplenia klimatu o więcej niż 1,5 stopnia względem epoki przedprzemysłowej. Udoskonalenia samolotów i infrastruktury oraz całkowite przejście na biopaliwa mogłyby obniżyć ten udział do 12%. 

Chwilowe spadki emisji związane z pandemicznymi obostrzeniami najprawdopodobniej wiele tu niestety nie zmienią – ocenia się że pandemia oznacza opóźnienie ocieplającego wpływu transportu lotniczego na klimat o 5 lat. W artykule opublikowanym w zeszłym roku przewidywano że jeśli po pandemii wszystko „wróci do normy”, to emisja dwutlenku węgla z transportu lotniczego będzie rosnąć w tempie 3% na rok. W rezultacie do roku 2050 wzrośnie ponad dwukrotnie w stosunku do obecnego poziomu, przekraczając 2 mld ton CO₂ rocznie (Klöwer i in. 2021).

Jednym z powodów dla których prognozuje się tak duży wzrost emisji jest to, że (jak już wspominaliśmy) lotnictwo jest też sektorem szczególnie trudnym do zdekarbonizowania. Wzrost natężenia ruchu lotniczego z konieczności pociągnie więc też za sobą wzrost emisji. 

W jakim stopniu lotnicze emisje CO₂ dołożyły się do globalnego ocieplenia klimatu?

Wkład lotnictwa we wzrost stężenia CO₂

Czas przebywania CO₂ w atmosferze jest bardzo długi (znacznie dłuższy niż w przypadku aerozoli czy większości innych gazów cieplarnianych), dlatego określając wpływ lotnictwa na klimat, powinniśmy spojrzeć przede wszystkim na tzw. emisje skumulowane. Czyli na to, ile CO₂ wyemitowanego przez samoloty już trafiło do tej pory do atmosfery. 
Okazuje się, że okresie 1940–2019 transport lotniczy wyemitował 32,6 GtCO₂, z czego około połowę w ciągu ostatnich 20 lat (Lee i in., 2021). Odpowiada ok. 2% skumulowanej, historycznej emisji CO₂  dla całego świata. Albo jak kto woli, to prawie tyle, ile globalnie emitujemy przez rok spalając paliwa kopalne.

Można też na wpływ lotnictwa popatrzyć od jeszcze innej strony. Okazuje się że ta branża odpowiada za wzrost stężenia CO₂ w atmosferze o 2,4 – 2,9 ppm, z czego znowu połowa tego przyrostu to kwestia ostatnich dwu dekad (Lee i in., 2021). 

CO₂ z samolotów a wzrost temperatury

Wielkość emisji i stężenia CO₂ są bardzo ważne, ale jeszcze ważniejsze są konsekwencje nadmiaru dwutlenku węgla w atmosferze. Dotychczasowe emisje CO₂ za które odpowiada lotnictwo, już spowodowały ocieplenie naszej planety o 0,015°C. W zależności od tego, jak będzie przebiegał rozwój tej branży, wzrost średniej temperatury Ziemi związany z  wyemitowanym przez nią dwutlenkiem węgla do 2050 roku osiągnie 0,025°C–0,04°C (Klöwer i in. 2021).

CO₂ z samolotów a zmiana bilansu energetycznego Ziemi

Gazy cieplarniane wpływają na temperaturę Ziemi, zmieniając jej bilans energetyczny. Możemy więc zapytać, w jakim stopniu na bilans energetyczny naszej planety wpływa wyemitowany przez samoloty dwutlenek węgla. Do określenia tego wpływu używa się wielkości nazywanej wymuszaniem radiacyjnym. 

Wymuszanie radiacyjne (RF) i efektywne wymuszanie radiacyjne (ERF) 
Wymuszanie radiacyjne mówi nam jak bardzo obecność w atmosferze danego czynnika (na przykład gazu cieplarnianego) zmienia wypadkowy strumień energii niesionej przez promieniowanie na szczycie atmosfery (tak określamy jej górną granicę), czyli różnicę między strumieniem energii promieniowania skierowanego w dół i w górę. Dodatnie wymuszanie oznacza wzrost strumienia skierowanego w dół, a więc ocieplenie klimatu. Ujemne oznacza ochłodzenie. 
Strumień energii to ilość energii przechodząca przez jednostkę powierzchni (np. metr kwadratowy) w jednostce czasu (np. w ciągu sekundy). Dlatego jednostką w jakiej podaje się wartość wymuszania radiacyjnego są waty (albo miliwaty) na metr kwadrat (W/m², mW/m²). Wat jest jednostką mocy, definiowaną jako dżul (jednostka energii) na sekundę.  
W praktyce zmiana w składzie atmosfery (np. wzrost koncentracji danego gazu cieplarnianego) może jednak skutkować niemal natychmiastowym dostosowaniem temperatury poszczególnych warstw atmosfery, zawartości pary wodnej oraz zachmurzenia do nowej sytuacji. Te dodatkowe zmiany również zmieniają bilans energetyczny atmosfery (jedne go zwiększają, inne zmniejszają, w różnym stopniu). Dlatego uzasadnione jest też wielkości zwanej efektywnym wymuszaniem radiacyjnym (ERF), mówiącej o łącznym wpływie interesującego nas czynnika (np. zmiany koncentracji CO₂) i wspomnianych wyżej, szybko następujących efektów.
Obliczenie ERF jest trudniejsze (np. wymaga dłuższych symulacji) niż w przypadku RF. Za to ERF jest lepszym wskaźnikiem w tym sensie, że lepiej opisuje odpowiedź systemu klimatycznego, odpowiedź manifestującą się ostatecznie wzrostem średniej temperatury Ziemi. W pracach poświęconych oddziaływaniu transportu lotniczego jako miary wpływu różnych czynników i procesów na klimat używa się zarówno RF (patrz np. Lee i in., 2021, Klöwer i in. 2021, Kärcher, 2018, Bock i Burkhardt 2019) jak i ERF (Lee i in., 2021). 

Wymuszanie radiacyjne dla CO₂ jest dodatnie (nadmiar dwutlenku węgla ogrzewa planetę), a najnowsze jego oszacowanie (średnia z trzech zbliżonych wartości dla trzech różnych modeli klimatycznych) to 34,3 [31, 38] mW/m² (Lee i in., 2021). Widać więc, że wartość ta znana jest ze stosunkowo dużą dokładnością – przedział ufności (podany w nawiasie) jest relatywnie wąski. 

Wartość efektywnego wymuszania radiacyjnego (ERF) jest dla emitowanego przez lotnictwo CO₂ taka sama jak dla wymuszania radiacyjnego (zakłada się, że dla CO₂ stosunek ERF do RF jest równy jedności): 34,3 mW/m² , ale wyznaczona z nieco szerszym przedziałem ufności [28, 40] mW/m² (Lee i in., 2021). Dla porównania, całkowite antropogeniczne wymuszanie radiacyjne wyniosło w 2019r. 2720 mW/m² (IPCC, 2021).

Lotnicze emisje CO₂ mają zauważalny wpływ na klimat.  Ale wpływ lotnictwa nie kończy się na tym. Jakie jeszcze substancje pojawiające się w spalinach lotniczych zmieniają bilans energetyczny Ziemi?

Nie tylko CO₂

Gdyby:

1. paliwo lotnicze nie zawierało żadnych pierwiastków poza węglem i wodorem, 
2. jego spalanie było całkowite, 
3. następowało w czystym tlenie,

to jedynymi substancjami chemicznymi emitowanymi przez silniki samolotów byłyby woda (H₂O) i dwutlenek węgla (CO₂). 

Jednak choć ogromną większość masy spalin faktycznie stanowią CO₂ i H₂O (z każdego kilograma paliwa powstaje ok. 3,16 kg CO₂ i ok. 1,23 kg H₂O), w rzeczywistości żadne z tych trzech wyżej wymienionych założeń (a, b, c) nie jest spełnione. Dlatego samoloty emitują również inne substancje: dwutlenek siarki (SO₂), sadzę i tlenki azotu (NO_x). Substancje te biorą udział w szeregu procesów fizykochemicznych i w rezultacie bezpośrednio lub pośrednio wpływają na klimat (choć ich wypadkowe wpływy znamy z mniejszą dokładnością, niż wpływ CO₂). W tej części artykułu skupimy się na efektach bezpośrednich, z drugiej dowiesz się o wpływie niektórych z tych substancji na powstawanie i czas życia chmur (patrz Wpływ lotnictwa na klimat – smugi kondensacyjne i chmury). 

Sadza

Ponieważ proces spalania w silnikach nie jest pełny (spalanie węglowodorów wchodzących w skład  nafty lotniczej nie jest całkowite), nie cały zawarty w paliwie pierwiastkowy węgiel utlenia się do dwutlenku węgla. Część węgla emitowana jest do atmosfery w postaci sadzy: drobinek (cząstek) o średnicy kilkunastu, kilkudziesięciu nanometrów.

Współczynnik emisji dla sadzy przyjmuje się równy 0,03 g/kg paliwa, co odpowiada emisji ok. 2*10¹⁴ cząstek (a nie cząsteczek!) sadzy na kilogram zużytego paliwa. Wartość ta zależy jednak mocno od warunków spalania i rodzaju paliwa. Roczną globalną emisję sadzy z transportu lotniczego szacuje się na ok. 93 tysiące ton (Lee i in., 2021, dane za rok 2018.)

Wpływ sadzy na klimat może być zarówno bezpośredni (oddziaływanie z promieniowaniem) jak i pośredni (wpływ na powstawanie i własności chmur). Tu mówimy tylko o wpływie bezpośrednim, do innych efektów związanych z obecnością sadzy wrócimy w drugiej części naszego artykułu.

Sadza absorbuje promieniowanie widzialne (dlatego zresztą wydaje nam się czarna), co prowadzi do ocieplenia klimatu. Związane z tym procesem wymuszanie radiacyjne jest zatem dodatnie i według ostatnich obliczeń wynosi 0,9 mW m² [0,1, 4,0] (Lee i in., 2021). Jak widać, wartość ta jest obarczona sporą niepewnością: zawiera się w szerokim przedziale ufności od 0,1 do 4,0 mW/m². 

Aerozole siarczanowe

Paliwa lotnicze zawierają siarkę, zwykle w postaci różnych organicznych związków tego pierwiastka. W wyniku utleniania zawartej w paliwie siarki powstaje przede wszystkim dwutlenek siarki (SO₂). Przyjmuje się że emisja tej substancji to ok. 1,2 g SO₂/kg paliwa (zakładając zawartość siarki w paliwie na poziomie 600 ppm, patrz Lee i in., 2021). 

W wyniku dalszych reakcji chemicznych i procesów zachodzących w atmosferze z dwutlenku siarki powstają aerozole siarczanowe. Podobnie jak w przypadku sadzy, mają one zarówno bezpośredni  jak i pośredni wpływ na klimat. Wpływ bezpośredni aerozoli siarczanowych polega na rozpraszaniu promieniowania słonecznego. Dzięki temu chłodzą one naszą planetę, a ich wymuszanie radiacyjne jest ujemne: -7.4 [-19,  -3] mW/m²  (z powodu braku jakichkolwiek oszacowań, tak dla sadzy jak i aerozoli siarczanowych stosunek ERF/RF przyjmuje się za równy jedności).

Dlatego wprowadzenie paliw lotniczych o niskiej zawartości siarki (co rozważa się w celu zmniejszania negatywnego oddziaływania spalin na zdrowie ludzkie) zneutralizowałoby część chłodzącego efektu związanego z aerozolami siarczanowymi i nieco zwiększyło ocieplający wpływ lotnictwa na klimat. Wpływ pośredni aerozoli siarczanowych na klimat jest bardziej złożony, i napiszemy o nim w drugiej części artykułu.

Tlenki azotu

Silniki samolotów emitują też tlenki azotu. Przez „tlenki azotu” rozumiemy tu tlenek (NO) i dwutlenek (NO₂), co krótko zapisuje się jako NO_x (x = 1 lub 2). Żadnego z tych dwu związków nie należy mylić z ważnym gazem cieplarnianym: podtlenkiem azotu N₂O. 

Emisja NO_x wynosi ok. 15 g/kg paliwa (Lee i in., 2021), czyli jest o dwa rzędy wielkości mniejsza niż emisja dwóch głównych składników spalin: pary wodnej i dwutlenku węgla. Ta stosunkowo duża wartość wynika z faktu, że spalanie paliwa lotniczego nie odbywa się w czystym tlenie, ale w powietrzu atmosferycznym. W wysokich temperaturach, jakie występują w procesie spalania, zawarty w powietrzu azot łączy się z tlenem tworząc tlenek azotu NO. NO z kolei szybko utlenia się do NO₂. Sytuacja jest tu więc inna niż w przypadku siarki i dwutlenku siarki SO₂ – mamy do czynienia z emisją NO₂  nawet jeśli paliwo lotnicze nie zawiera praktycznie w ogóle związków azotu (albo zwiera jedynie śladowe ich ilości). 

Jeśli chodzi o oddziaływanie na klimat naszej planety, to tlenki azotu mają na niego istotny wpływ pośredni (Lee i in., 2021):

1. zmniejszają stężenie metanu (CH₄), ważnego gazu cieplarnianego, co przekłada się na ujemne efektywne wymuszanie radiacyjne (-21,2 [− 40, − 15] mW/m²), 
2. zmniejszają w stratosferze ilość pary wodnej (również gazu cieplarnianego), co może dawać ujemne efektywne wymuszanie radiacyjne na poziomie  -3,2 [-6,0, -2,2] mW/m²,
3. w długiej skali czasowej mogą zmniejszać także stężenie ozonu (również gazu cieplarnianego), co może przekładać się na ujemne efektywne wymuszanie radiacyjne  -10,6 [− 20, − 7,4] mW/m²…
4. … ale w krótkim okresie zwiększają stężenia tego gazu, co daje z kolei dodatnie efektywne wymuszenie radiacyjne: ERF = 49,3 [32, 76] mW/m².

Warto zwrócić uwagę na to, że NO_x emitowane na dużych wysokościach są szczególnie efektywne w tworzeniu ozonu i wygrywają w tej konkurencji z takimi samymi tlenkami azotu emitowanymi przy powierzchni Ziemi (IPCC, 1999).

To cztery główne, ale nie jedyne mechanizmy, w jaki tlenki azotu oddziałują na klimat naszej Planety. Inne to np. tworzenie aerozoli azotanowych, a także wpływ NO_x na powstawanie i wzrost aerozoli siarczanowych (Lee i in., 2021). 

Z porównania podanych wyżej wartości efektywnego wymuszania radiacyjnego (dane dla roku 2018) widzimy, że pierwsze trzy procesy mają ochładzający wypływ na klimat, ale czwarty –  ocieplający, w dodatku dominuje nad pozostałymi. Dlatego wypadkowy wpływ emisji NO_x z sektora lotniczego uznaje się za ocieplający, a wartość wypadkowego efektywnego wymuszenia radiacyjnego dla NO_x szacuje się na 17,5 [0,6, 28,5] mW/m². Nie jest to prosta suma wymienionych wyżej wkładów – ponieważ ich występowanie opisują różne rozkłady prawdopodobieństwa, obliczenie jest bardziej skomplikowane. 

Para wodna w stratosferze

Emisje pary wodnej (H₂O) z silników lotniczych zwiększają ilość tego gazu w stratosferze, co ma ocieplający wpływ na klimat. Najnowsze oszacowania dla efektywnego wymuszania radiacyjnego związanego z obecnością w stratosferze H₂O emitowanego przez samoloty to 2,0 [0,8, 3,2] mW/m² (Lee i in., 2021, dane dla roku 2018). Stosunek ERF/RF dla stratosferycznej pary wodnej przyjmuje się równy jedności.

Warto tu przypomnieć, że H₂O jest bardzo szczególnym gazem cieplarnianym, patrz Para wodna – klimatyczny „dopalacz”. Jej ilość w niższych warstwach atmosfery zależy przede wszystkim od procesów parowania i skraplania. W warunkach ziemskich procesy takie nie zachodzą oczywiście dla innych gazów cieplarnianych – nie obserwujemy na przykład opadów CO₂  – ani ciekłego (deszcz) ani stałego – jako śnieg składający się z „suchego lodu”. Dlatego obecności pary wodnej w troposferze nie traktuje się jako wymuszania (jak ma to miejsce np. dla CO₂), ale jako dodatnie sprzężenie zwrotne w ziemskim systemie klimatycznym. Dodatniego, bo im cieplej, tym więcej pary wodnej w powietrzu.

Jednak dla stratosfery sytuacja wygląda nieco inaczej. O ile para wodna transportowana do stratosfery z troposfery w naturalnych procesach transportu również jest traktowana jako sprzężenie zwrotne, to już ta dostająca się tam w inny sposób, czyli emitowana z samolotów jest wymuszeniem (IPCC, 2013). Jako wymuszenie traktowana jest też para wodna powstająca przez utlenianie wodoru i metanu obecnych w stratosferze.

To jeszcze nie koniec

Wpływ samolotów na klimat nie ogranicza się do bezpośredniego oddziaływania emitowanych przez nie substancji i ich pochodnych z promieniowaniem oraz wpływu tych substancji na ilość ozonu i metanu w atmosferze. Składniki spalin – zwłaszcza para wodna, sadza i związki siarki – przyczyniają się też do powstawania smug kondensacyjnych i innych zmian w zachmurzeniu. Znaczenie tych zjawisk dla klimatu jest nawet większe niż znaczenie CO₂ emitowanego przez samoloty. Przeczytasz o nich w drugiej części naszego artykułu. Polecamy też wywiad z dr. Michałem Czepkiewiczem, z którym rozmawialiśmy m.in. o tym, kto w największym stopniu odpowiada za lotnicze emisje CO2.

Jakub Jędrak, konsultacja merytoryczna: dr Aleksandra Kardaś, prof. Szymon Malinowski