Lotnictwo wpływa na klimat nie tylko poprzez emisje dwutlenku węgla i innych substancji, które oddziałują z promieniowaniem słonecznym lub ziemskim (o czym przeczytasz w pierwszej części artykułu). Istotny jest także wpływ samolotów na zachmurzenie, czyli przede wszystkim – smugi kondensacyjne i powstające z nich chmury typu cirrus.
Lotnictwo odpowiada za 2-3% emisji dwutlenku węgla związanych z działalnością człowieka. Samoloty emitują też m. in. tlenki azotu, sadzę oraz dwutlenek siarki. Sadza i powstające z dwutlenku siarki aerozole siarczanowe bezpośrednio oddziałują z promieniowaniem, co zaburza bilans radiacyjny Ziemi. Wpływ na ziemski system klimatyczny mają też procesy związane z obecnością w atmosferze tlenków azotu (patrz Wpływ lotnictwa na klimat – CO2 i inne substancje emitowane przez samoloty).
Jednak wpływ transportu lotniczego na klimat nie kończy się na tym. Jeśli popatrzymy na wartość wymuszania radiacyjnego (pojęcie to wyjaśniliśmy w poprzednim tekście), to okaże się, że największe znaczenie ma jeszcze inne zjawisko. Zjawisko, które większość z nas dobrze zna, ale niekoniecznie kojarzy z globalnym ociepleniem. Chodzi o smugi kondensacyjne (ang. condensation trails, w skrócie contrails). To te dobrze widoczne gołym okiem białe ślady zostawiane na niebie przez samoloty. Z fizycznego punktu widzenia są to chmury lodowe powstające w wyższych warstwach troposfery, na wysokości 8–13 km, gdzie temperatura jest niższa niż -35°C. Czyli właśnie tam, gdzie najczęściej latają rejsowe samoloty pasażerskie.
Jak powstają smugi kondensacyjne?
Jak wiemy, spaliny silników lotniczych składają się przede wszystkim z dwutlenku węgla i wody (pary wodnej). Kiedy gorące spaliny spotykają się z zimnym powietrzem, zawarta w nich para wodna kondensuje i powstają małe kropelki ciekłej wody. Kropelki z kolei szybko zamarzają, tworząc kryształki lodu – szczegóły znajdziesz w opisie rysunku poniżej.
Powstawaniu kropelek ciekłej wody z pary wodnej sprzyja obecność w powietrzu jąder kondensacji, czyli małych drobinek, na których skrapla się para. Mogą one już znajdować się w powietrzu na trasie przelotu, ale ich istotnym źródłem są też silniki samolotu. Jądrami kondensacji mogą być choćby znajdujące się w spalinach cząstki sadzy.
Smugi kondensacyjne mogą powstawać również na niższych wysokościach, o ile tylko powietrze jest odpowiednio zimne i wilgotne. Za ich powstawanie odpowiadają nie tylko silniki odrzutowe. Istnieją zdjęcia z czasów II Wojny Światowej, przedstawiające samoloty śmigłowe (napędzane silnikami tłokowymi), tworzące wyraźne smugi kondensacyjne.
Smugi kondensacyjne mogą tworzą się też na końcach skrzydeł samolotu. Jednak w takim wypadku ich powstawanie nie ma nic wspólnego z substancjami emitowanym z silników. Sam przelot samolotu powoduje zaburzenie ciśnienia: powietrze jest lokalnie rozprężane, a więc i ochładzane, a to może powodować kondensację pary wodnej.
Chmury tworzone przez samoloty
Czas życia smug kondensacyjnych zależy od lokalnych warunków w atmosferze: od temperatury i wilgotności powietrza na trasie przelotu. Nas interesują tu smugi kondensacyjne, które istnieją dłużej niż 10 minut, a które Światowa Organizacja Meteorologiczna określa jako Cirrus homogenitus (smugi, które znikają w krótszym czasie, mają znikomy wpływ na klimat).
Bardziej precyzyjnie, istniejące dłużej niż 10 minut chmury określane są jako (długożyciowe) smugi kondensacyjne (cirrus homogenitus, ang. persistent contrails) jeśli zachowują swój liniowy kształt. W przeciwnym razie mówimy o chmurach pierzastych pochodzenia lotniczego (cirrus homomutatus, ang. contrail cirrus). Cirrus homomutatus jest to więc smuga kondensacyjna, która już się „rozwiała” i trudno ją odróżnić od naturalnej chmury typu cirrus, szczególnie jeśli nie znamy całej historii powstania takiej chmury. Tym bardziej, że dane obserwacyjne wciąż są tu skąpe (Kärcher, 2018).
Zbiorczo te dwa typy chmur (cirrus homogenitus oraz cirrus homomutatus) można nazywać chmurami pochodzenia lotniczego (ang. aircraft-induced clouds). To jedyne chmury lodowe powstające w wyniku działalności człowieka.
Jak smugi kondensacyjne wpływają na klimat?
Tak jak naturalne chmury pierzaste, również smugi kondensacyjne i powstające z nich chmury pierzaste cirrus homomutatus oddziałują z promieniowaniem elektromagnetycznym. Po pierwsze, odbijają w przestrzeń kosmiczną krótkofalowe promieniowanie słoneczne, co ma efekt chłodzący. Zatrzymują też jednak emitowane przez powierzchnię Ziemi długofalowe promieniowanie podczerwone, a to z kolei prowadzi do ocieplania klimatu. Drugi z wymienionych efektów jest silniejszy, więc wypadkowy wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmur na klimat jest ogrzewający.
Efektywne wymuszanie radiacyjne związane ze smugami kondensacyjnymi (ERF) jeszcze w roku 2005 szacowano na 34,8 [10, 59] mW/m2, w 2011 na 44,1 [13, 75] mW/m2 a w 2018 już na 57,4 [17, 98] mW/m2 (Lee i in., 2021). Wartości te obliczono jako średnią arytmetyczną z kilku różniących się między sobą oszacowań, jakie można znaleźć w publikacjach poświęconych tej tematyce. Widzimy, że podobnie jak choćby w przypadku bezpośredniego wpływu aerozoli siarczanowych czy sadzy, dla każdej z trzech podanych wyżej liczb odpowiadający przedział ufności jest szeroki. A to oznacza, że wartości efektywnego wymuszania radiacyjnego znana są ze stosunkowo niewielką dokładnością.
Jeśli porównamy wartości efektywnego wymuszania radiacyjnego dla wszystkich wymienionych do tej pory procesów związanych z transportem lotniczym (emisja dwutlenku węgla, tlenków azotu, bezpośrednie oddziaływanie sadzy i aerozoli siarczanowych z promieniowaniem, lekkie zwiększenie zawartości pary wodnej w stratosferze) to okaże się że chmury pochodzenia lotniczego: smugi kondensacyjne i powstające z nich chmury typu cirrus łącznie odpowiadają za więcej niż połowę całego efektywnego wymuszania radiacyjnego związanego z lotnictwem. Wkład cirrus homomutatus jest przy tym ok. cztery razy większy niż długożyciowych smug, patrz (Kärcher, 2018).
Z przytoczonych wyżej danych wynika, że podobnie jak w przypadku CO2, wpływ chmur pochodzenia lotniczego na klimat rósł szybko w ostatnich dwóch dekadach. W pracy opublikowanej niedługo przed pandemią (Bock i Burkhardt 2019) przewidywano, że jeśli rozwój lotnictwa będzie postępował w takim tempie jak do tej pory, to do roku 2050 ocieplający wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmur pierzastych wzrośnie ok. trzykrotnie: wartość związanego z nimi wymuszania radiacyjnego dojdzie do 160-180 mW/m2.
Pośrednie oddziaływanie aerozoli: wpływ lotnictwa na chmury naturalne
Aerozole pochodzenia lotniczego mogą też wpływać na proces powstawania i na własności chmur naturalnych (to jest innych, niż powstające ze smug kondensacyjnych chmury pierzaste). Modyfikacja własności chmur przekłada się z kolei na zmianę ich wpływu na bilans radiacyjny Ziemi, a więc i na klimat naszej planety. Chodzi tu przede wszystkim o emitowane przez silniki samolotów cząstki sadzy (aerozol pierwotny), a także o powstające ze znajdującego się w spalinach dwutlenku siarki (SO2) aerozole siarczanowe (aerozol wtórny). Nazywamy to pośrednim efektem aerozolowym (w przeciwieństwie do bezpośredniego, o którym pisaliśmy w poprzednim artykule).
Niestety, obecny stan wiedzy wciąż jest niewystarczający by podać wiarygodne, ilościowe oszacowanie wymuszania radiacyjnego związanego z takimi procesami. Brakuje danych pomiarowych, zaś wyniki modelowania bardzo silnie zależą od przyjętych założeń. Dlatego nawet w najnowszych publikacjach poświęconych wpływowi lotnictwa na klimat (Kärcher, 2018, Lee i in., 2021) wciąż nie znajdziemy jednej, konkretnej wartości wymuszania radiacyjnego dla pośrednich efektów aerozolowych, choćby nawet wyznaczonej z bardzo szerokim przedziałem ufności.
Jeśli chodzi o aerozole siarczanowe powstające z emitowanego przez samoloty SO2, to najprawdopodobniej ich oddziaływanie na naturalne chmury ma wypadkowy efekt chłodzący, tak samo zresztą jak w przypadku aerozoli siarczanowych pochodzących z innych źródeł. I tak samo jak w przypadku bezpośredniego wpływu aerozoli siarczanowych na klimat (patrz Wpływ lotnictwa na klimat – CO2 i inne substancje emitowane przez samoloty).
Jeszcze mniej wiemy o efektach związanych z sadzą. Nie wiadomo na przykład, jak skutecznie cząstki sadzy działają jako jądra kondensacji dla kryształków lodu w chmurach. Dlatego jeśli chodzi o wpływ obecnej w atmosferze sadzy na naturalne chmury nie tylko nie potrafimy wyznaczyć wartości wymuszania radiacyjnego. Na razie brak nawet konsensusu naukowego co do jego znaku! Krótko mówiąc, nie wiadomo nawet na pewno czy wpływ ten jest ogrzewający, czy chłodzący.
Może być tak, jak sugerują wyniki niektórych symulacji: modyfikacja chmur przez sadzę pochodzącą z silników samolotów (a szerzej: przez wszystkie aerozole, za których obecność w atmosferze odpowiada lotnictwo) z nawiązką kompensuje ocieplający wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmur. Była by to bardzo dobra wiadomość, ale tego na nie możemy być pewni i nie powinniśmy zakładać.
Dodatkowym źródłem niepewności jest to, że nie mamy wystarczającej wiedzy na temat liczby i rozmiarów cząstek sadzy emitowanych przez silniki lotnicze. Liczba emitowanych cząstek sadzy (podawana np. na kilogram spalonego paliwa) może w zależności od konkretnego silnika i paliwa różnić się nawet o dwa rzędy wielkości (czynnik 100). Współczynniki konwersji masa – liczba cząstek sadzy zostały opracowane dla niektórych faz lotu (konkretnie dla cyklu start – lądowanie, ang. LTO – Landing and Take-off cycle), ale już nie dla lotu na wysokości przelotowej, gdzie zazwyczaj samolot spędza najwięcej czasu i spala najwięcej paliwa.
Na ile jesteśmy pewni tego, co wiemy o wpływie lotnictwa na klimat?
Niektóre z opisanych wyżej mechanizmów oddziaływania transportu lotniczego na klimat znamy i rozumiemy lepiej, inne gorzej. Widać to dobrze już choćby tylko z porównania przedziałów ufności, z jakimi wyznaczona jest wartość efektywnego wymuszenia radiacyjnego dla różnych procesów. Najlepiej poznany (jak napisałoby IPCC – z wysokim poziomem pewności) jest wpływ emitowanego przez samolotu CO2, dla którego jak widzieliśmy potrafimy dość precyzyjnie podać wartość wymuszenia radiacyjnego.
O średnim stopniu pewności możemy mówić w przypadku dwóch z czterech procesów związanych z emisjami tlenków azotu: zmniejszaniu stężenia metanu (CH4) oraz krótkoterminowym zwiększaniu stężenia ozonu (O3). Dla dwóch pozostałych procesów związanych z obecnością NOx w atmosferze (zmniejszanie stężenia O3 w dłuższej skali czasu i zmniejszanie ilość pary wodnej w stratosferze) stopień pewności naszej wiedzy oceniany jest jako niski.
Podobnie jest jeśli chodzi o bezpośrednie oddziaływanie aerozoli (sadzy i siarczanów) z promieniowaniem oraz wpływ na klimat smug kondensacyjnych (cirrus homogenitus) i powstających z nich chmur pierzastych (cirrus homomutatus). W tym ostatnim przypadku luki w naszej wiedzy dotyczą choćby procesu transformacji smug w chmury. Najniższy stopień pewności mamy jeśli chodzi o pośredni wpływ aerozoli, czyli ich wpływ na naturalne chmury. Niepewność dotycząca wpływu lotnictwa na klimat zdominowana jest więc przez czynniki inne niż emisja CO2.
Wpływ lotnictwa na klimat: podsumowanie
Lotnictwo cywilne – przede wszystkim loty pasażerskich samolotów odrzutowych – wpływają na klimat Ziemi na wiele sposobów. Jeśli popatrzymy na wartość wymuszania radiacyjnego, to okazuje się że najważniejszy jest wpływ smug kondensacyjnych i powstających z nich chmury pierzastych. Jest on większy nawet od wpływu wyemitowanego do tej pory przez samoloty dwutlenku węgla.
Między tymi dwoma procesami jest jednak istotna różnica. Czas życia smug jest krótki, natomiast CO2 pozostaje w atmosferze bardzo długo. Szerzej, względne znaczenie różnych procesów zawiązanych z lotnictwem zależy od skali czasu, w jakiej patrzymy na ich wpływ na ziemski klimat. W przypadku większości z nich (poza emisją CO2) wpływ ten jest krótszy niż rok (w przypadku smug kondensacyjnych jedynie rzędu dni). Tylko w przypadku wpływu zmniejszania stężenia metanu przez tlenki azotu skala czasu jest dłuższa (dekady).
Dlatego gdyby z nieba zniknęły nagle wszystkie samoloty, to silny, ogrzewający wpływ smug szybko spadł by do zera, natomiast wyemitowany przez samoloty dwutlenek węgla będzie ogrzewał naszą planetę jeszcze przez tysiące lat. Jednak jak długo samoloty będą latać i tworzyć smugi kondensacyjne, z których dodatkowo będą powstawać chmury pierzaste, tak długo będziemy mieć do czynienia z silnym, ocieplającym wpływem obu rodzajów chmur na klimat.
Jeśli weźmiemy pod uwagę zarówno emisje CO2, jak i inne procesy związane z przelotami samolotów pasażerskich (w tym powstawanie smug kondensacyjnych i tworzących się z nich chmur pierzastych), okaże się, że wkład lotnictwa do efektywnego wymuszania radiacyjnego związanego z działalnością człowieka wyniósł w 2011 r. ok. 3,5 proc. (Lee i in., 2021), a w kolejnych latach lekko wzrósł (do ok. 3,7 proc. – obliczone na podstawie ERF lotnictwa wyznaczonego przez Lee i in., 2021 dla 2018 i całkowitego wymuszania antropogenicznego podanego dla 2019 w raporcie IPCC, 2021). Do roku 2019 lotnictwo podgrzało Ziemię już o ok. 0,04 ± 0,02°C, z czego aż o 0,03°C od 1990 roku (Klöwer i in. 2021). Dla porównania, wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi od lat 1850-1900 do 2011-2020 wyniósł 1,09°C (IPCC, 2021).
Przewiduje się, że do połowy tego stulecia lotnictwo będzie odpowiadało za wzrost temperatury Ziemi o ok. 0,1°C (dokładniej: 0.09 ± 0.04°C), z czego ponad połowa przypadnie na trzy najbliższe dekady (Klöwer i in. 2021). Przypomnijmy zaś, że celem, na który zgodziły się wszystkie kraje świata, jest w miarę możliwości zatrzymanie ocieplania się klimatu na poziomie 1,5°C względem epoki przedprzemysłowej, a dziś jesteśmy już na poziomie ocieplenia o 1,1°C. Jeśli nie podejmiemy odpowiednich działań ograniczających oddziaływanie tego sektora na klimat, jego wpływ na ocieplenie będzie oczywiście trwał także po roku 2050.
Jakub Jędrak, konsultacja merytoryczna: dr Aleksandra Kardaś i prof. Szymon Malinowski
Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.
Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości
