Water vapor and relative humidity in contrail regions

Kurzfassung

Kondensstreifen liefern den größten individuellen Beitrag zur Klimawirkung des Luftverkehrs, mehr noch als dessen CO2 Emissionen. Die Vorhersage von Kondensstreifen basierend auf Wettervorhersagemodellen, die Charakterisierung ihrer Eigenschaften und ihre Vermeidung erfordern genaue Messungen der Wasserdampfverteilungen in den sich schnell verändernden Kondensstreifen-Regionen. Diese Arbeit entwickelt (1) eine neue Darstellung von Regionen, in denen sich Kondensstreifen bilden können. (2) Es wurden flugzeuggetragene Wasserdampfmessungen durchgeführt und im Hinblick auf Kondensstreifenprozesse ausgewertet. (1) Die Wahrscheinlichkeit der Kondensstreifenbildung über Europa wurde anhand von ECMWF ERA5-Daten in verschieden Höhen saisonal für die Kampagnenplanung analysiert und dargestellt. Die besten Bedingungen für die Bildung von Kondensstreifen wurden Ende Herbst und im Winter in Höhen zwischen 250 hPa und 300 hPa gefunden. (2) Während der Flugmesskampagne Emission and Climate Impact of Alternative Fuels 3 (ECLIF 3) im April 2021 wurden mittels Massenspektrometer auf dem Forschungsflugzeug Falcon Wasserdampfmessungen in und außerhalb von Kondensstreifen durchgeführt. In jungen Kondensstreifen wurde aufgrund der hohen Eisanzahlkonzentrationen eine Verschiebung der relativen Feuchte in Richtung EisSättigung beobachtet. Außerdem führen die Wasserdampfemissionen des Triebwerks zu einer Erhöhung der Wasserdampfkonzentration in jungen Kondensstreifen von bis zu 10%. Neben den Prozessstudien sollen die Messungen zur Evaluation von Modellen genutzt werden, um zukünftig die Reduzierung von Kondensstreifen zu ermöglichen. Contrails provide the largest individual contribution to the climate impact of aviation, even more than its CO2 emissions. Predicting contrails based on weather prediction models, characterizing their properties, and avoiding them require accurate measurements of water vapor distributions in rapidly changing contrail regions. This work develops (1) a new visualization of regions where contrails may form. (2) Airborne water vapor measurements were performed and evaluated regarding contrail processes. (1) The probability of contrail formation over Europe was analyzed seasonally for campaign planning using ECMWF ERA5 data at different altitudes. The best conditions for contrail formation were found during late autumn and in winter at altitudes between 250 hPa and 300 hPa. (2) During the flight measurement campaign Emission and Climate Impact of Alternative Fuels 3 (ECLIF 3) in April 2021, water vapor measurements were performed in and outside contrails using a mass spectrometer on the research aircraft Falcon. In young contrails, a shift in relative humidity toward ice saturation was observed due to high ice number concentrations. In addition, water vapor emissions from the engine lead to an increase in water vapor concentration in young contrails of up to 10%. In addition to the process studies, the measurements will be used to evaluate models to enable contrail reduction in the future.