Auswirkungen des Flugverkehrs auf den Klimawandel unter Einbeziehung von Contrails und Zirren

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1 Auswirkungen des Flugverkehrs auf den Klimawandel unter Einbeziehung von Contrails und Zirren Ulrich Schumann Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen, Germany Luftverkehr, seine Emissionen und zeitliche Entwicklung Klimawirkung von kurz und langlebigen Störungen (CO 2, NO x (CH 4, O 3,), Ruß, Sulfate, H 2 O+ Ruß > Contrail Cirrus) Kondensstreifen und Zirren (Contrail Cirrus) Überlegungen zur Efficacy: T x (t ) = x RF x, efficacy = x / CO2 Möglichkeiten zur Verminderung der Klimawirkung

2 Passagier Transport, global: %/Jahr seit 1971 Annual Air Traffic, Passenger km Oil Crisis : 5.6% : 5.6% : 8.9% Gulf Crisis Asian Chernobyl Crisis : 4.8% Year WTC Crisis Financial Crisis : 4.5% : 4.4% Sources: ICAO , IATA , Fischer et al. (GAIA, 2009), Schumann, DLR extended from Fischer, Sausen, Brunner, Staehelin, Schumann, GAIA, 2009

3 Kerosin Produktion: 2.5%/Jahr seit : 290 Tg/a Source: International Energy Agency: World Energy Outlook 2016 Zukunft: New policy scenario aviation oil demand increases by factor 2 from year 2000 to 2040 total: increase by factor 1.34 Source: International Energy Agency: World Energy Outlook 2016

4 Strahlungsantrieb aus Luftfahrt bis 2005: W/m 2 Luftfahrt- Anteil: W/m 2 Lee, Fahey, Forster, Newton, Wit, Lim, Owen, Sausen (2009) or 4 9 % of total (1.6 W m -2 )

5 Neue Ergebnisse zum Strahlungsantrieb aus Luftfahrt Rapp, Sausen et al., DLR IPA (2015)

6 Temperaturänderung je kg Treibstoff für ein einziges Jahr: Langlebige und Kurzlebige Emissionen lineares Response Modells AirClim (Grewe et al. 2007) Dahlmann et al. (2016)

7 Klima Response auf Emissionsszenario für CO 2 und (Contrails) T(CO 2 ) normiert! Klimawirkung eines Flugzeugtyps über seine Lebensdauer (2010 bis 2050) Emission (vorgegeben) RF (folgt Konzentration) dt (Ozeanträgheit!) T(contrails) Response auf Contrails: schneller wachsend stärker wachsend schneller abklingend als CO 2. (Grewe and Stenke, 2008)

8 RF aus 1 Tg/a NOx Luftfahrt NOx short lived O 3 Fehler für O 3 and CH 4 korreliert abhängig von Hintergrundkonzentrationen (NOx, CO, H 2 O, O 3, HCs). CH 4 long lived O 3 Netto >0 bei wachsenden Emissionen, nahe 0 bei konstanten Emissionen. (Holmes, Tang, and Prather, 2011)

9 Die Änderung der Ozonschicht: wo ist Beitrag der Luftfahrt? Beitrag Luftverkehr nur aus Modellrechnungen bekannt 9 Steinbrecht and Köhler (Ozonbulletin des DWD Nr. 133, 2. November 2016)

10 Unübersehbar: Der Luftverkehr verändert Bewölkung

11 Wenn es kalt genug ist, bilden sich Contrails, anfangs aus dem emittierten Wasserdampf und Partikeln (Ruß) 11

12 Chart 12 Contrail > Contrail Cirrus > Lecture > Author Document > Date

13 Meteosat Cirrus: Korrelation mit Nord Atlantik Verkehr cirrus cover/% cirrus cover air traffic density/(km -1 h -1 ) Graf et al. (GRL; 2012); Schumann and Graf (JGR, 2013) longwave radiative forcing/(w m -2 ) time/h radiative forcing time/h full lines: west part dashed lines: east part air traffic density/(km -1 h -1 )

14 Contrail Cirrus Prediction Model (CoCiP) Input: Aircraft (BADA) Traffic (e.g., ACCRI Meteorology (e.g.: CAM, ECMWF) Contrail formation (SAC) and contrail properties for given T, RHi, wind, mixing, m F, PEI soot Lagrangian contrail segments (mixing, advection, sedimentation) Here persistent contrail positions Output: Contrail life cycle, cover,, RF, EF,... Cirrus Comparisons (insitu, lidar, satellites, models) Sensitivity studies Prediction & Mitigation Global or Regional (Schumann, 2012) No 14

15 Contrail predictions tested during ML CIRRUS 1 26 March 20

16 Contrail Vorhersagen für ersten ML CIRRUS Meßflug 26 March 2014: North Atlantic within Shannon Radar Control Zone EUMETSAT Meteosat SEVIRI IR Brightness temperature at 10.8 μm Blue: HALO flight path CoCiP with ECMWF and ACCRI data: optical depth of contrails+cirrus Blue: HALO flight path Voigt et al. (BAMS 2016)

17 Vorhersage Autokorrelation 27 Tage, gerade und ungerade Tage 70 % nach 72 h (3 Tagen) Langzeit Autokorrelation Schumann, Graf et al. (TAC 4, 2015)

18 Vergleich Messung Rechnung bei ML CIRRUS. Eispartikelkonzentration preliminary data, Schumann, Voigt, Jurkat, Krämer et al.: ML CIRRUS

19 Vergleich der simulierten Lebensdauern mit Beobachtungen Simulations with CoCiP CAM for ACCRI traffic (Schumann, Penner et al., 2015) Observations from Meteosat satellite observations (ACTA) (Vázquez Navarro et al., 2015).

20 Vergleich CoCiP 230 Messungen aus 34 Projekten für einzelne Contrails mit bekanntem Alter n ice /cm -3 r vol, r eff / m 1e+5 1e+4 1e+3 1e+2 1e+1 1e+0 1e-1 1e a) c) IWC/(mg m -3 ) b) d) CoCiP ACTA in-situ remote e) 1000 f) W/m D/m age/s age/s (Schumann et al., 2016, ACPD)

21 Aviation Cirrus cover + RF aus 8 Jahren Meteosat + CoCiP Graf et al. (2012); Schumann and Graf, (2013).

22 CoCiP interaktiv gekoppelt mit CAM Klimamodell: Cirrus und Contrail cirrus Bedeckungsgrad Schumann, Penner, Chen, Zhou, Graf (ACP, 2015) 22

23 shortwave (SW) Contrail Cirrus RF aus CoCiP+CAM longwave (LW) Schumann, Penner, Chen, Zhou, Graf (ACP, 2015) 23

24 Contrail cirrus RF from various studies: net = LW + SW net > 0 offen: Contrailpreaktivierte Partikel. Sulfate Effekte

25 Welches Gleichgewichts T folgt für gegebenes RF? Die Wirksamkeit ( Effiacy ) von Luftverkehrs Klimaeffekten T x (t ) = x RF x, efficacy = x / CO2 nach Ponater et al. (2012); IPA Statusreport 2015

26 Verschiedene Störungen > sehr verschiedene Profile der Erwärmungsraten HR,insbesondere am Boden p/hpa cirrus 10 km SW LW cirrus 12 km cirrus 8 km SS+10 W m-2 HR= Erwärmungsrate aus Differenz der vertikalen netto Flußdivergenz mit und ohne Störungen HR/(K d -1 ) CO g/g O g/g at 10 km HR/(K d -1 ) O3 at 12 km HR/(K d -1 ) O3 at 8 km HR/(K d -1 ) Strahlungstransfermodell von Fu & Liou (1995) Für Sommer Standard atmosphäre p/hpa Boden: Albedo 0.2. Adiabat Bodenerwärmung verteilt über untere 500 m HR/(K d -1 ) HR/(K d -1 ) HR/(K d -1 ) HR/(K d -1 )

27 T CO2 (t ) = CO2 RF CO2, CO2 1±0.5 K/(W m 2 ) CO ppm SW LW t= 0 to 100, by 20 d adjusted T in dr Stratosphäre p/hpa CO 2 erwärmt die Troposphäre Zeit HR/(K d -1 ) T/K RF instantan = 11 mw m 2, RF adjusted = 210 mw m 2, lambda = 0.28 K/(W m 2 ) wolkenfreie Sommeratmosphäre, Strahlungstransport nach Fu and Liou (1995), adiabte Erdoberfläche; konstante Atmosphäre (keine feedbacks), vertikale Vermischung in ca. 10 d

28 T cirrus (t ) = cirrus RF cirrus? efficacy = cirrus / CO2 1 p/hpa cirrus at 10km SW LW t= 0 to 100, by 20 d Efficacy abhängig von Zeitkonstante der vertikalen 0.2 Vermischung im HR/(K d -1 ) T/K Vergleich zur Zeitkonstanten des Sommeratmosphäre mit 1% Cirrusbeckung, optische Dicke = 1, Oberflächen Albedo 0.2, SZA = 75, RF instantan = 93 mw m 2, RF adjusted = 109 mw m 2 Strahlungstransportes, = 0.18 K/(W m 2 ). Negativ! Zeit positives RF kann negatives T am Boden bewirken

29 Wie kann der Klimaeffekt vermindert werden? Weniger Emissionen (technisch) regenerierbare Treibstoffe (weniger fossiles CO 2 ) und weniger Ruß > weniger Contrail Cirrus Tiefer (oder höher?) fliegen mit vorhandenem oder mit dafür optimiertem Fluggerät Minimierung des Treibstoffverbrauchs durch wetteroptimierte Routen Wetterabhängige Routen Klimaoptimierung: weniger Flüge in Regionen mit positivem Klimaeffekt und mehr Flügen in Regionen mit negativem Klimaeffekt

30 Redesigned aircraft with Ma = 0.72 instead of 0.8 and altitude 8000 m instead of m could provide 32 % temperature response reduction for 0 % operating cost increase

31 Contrail RF variiert stark mit Wetter, Route und Tageszeit > großes MitigationPotential

32 Route climate optimisation: avoid contrails Mannstein (unpubl., 2007); Schumann, Mannstein and Graf, (AIAA paper, 2011); Matthes et al., (book, 2012)

33 Better: avoid warming contrails but enforce cooling contrails

34 Metrik für Routen Optimierung: Energy forcing (EF) EF=RF*width*lifetime = energy input per flight distance Es gibt Fälle mit EF>0 und EF<0 Ereignisse mit großem EF sind selten > EF/( GJ km 1 ) Data from Schumann, Penner et al., (ACP, 2015) Großes Potential für Klimaoptimierte Routen Voraussetzung: Zuverlässige Vorhersage der Klimawirkung über die Lebensdauer der Antriebe

35 Auswirkungen des Flugverkehrs auf den Klimawandel unter Einbeziehung von Contrails und Zirren Zusammenfassung Luftverkehr nimmt zu und trägt über CO 2 langfristig zum Klimawandel bei. Inklusive der kurzeitigen Beiträge (insbesondere Contrails) erreicht der Luftfahrt RF Anteil 4 8 % des anthropogenen Effekts und nimmt noch zu. Contrails wirken nachts wärmend, tags oft kühlend; sehr variabel. Je nach Efficacy (abhängig u.a. vom Ort des RF und Vermischungsrate), kann der kühlenden Effekt von Contrails den wärmenden überwiegen. Klimaschutz mit optimiertem Luftfahrtsystem/Verkehrsführung wird zunehmend dringlich, insbesondere bei wachsendem Verkehr und wenn die Klimaantrieb rasch reduziert werden müssen (z.b. wegen 2 K Ziel) Voraussetzung: verifizierbar gute Wettervorhersagen für Feuchte, Zirren und Vermischung, der Klimaeffekte und der Kosten Offen: Erprobung von Routenoptimierung mit Quantifizierung des Gewinns und Risikos bei unvollständigem Wissen