Vorhersagbarkeit von Eisübersättigung und persistenten Kondensstreifen

Abstract

Der Luftverkehr trägt aufgrund seiner Emissionen in Reiseflughöhe zum Klimawandel bei. Um den Einfluss der Luftfahrt auf die globale Erwärmung zu minimieren, gibt es verschiedene Ansätze, wie die Vermeidung der Bildung persistenter Kondensstreifen, was eine Meidung von Flügen durch eisübersättigte Regionen (ISSRs) erfordert, oder den Einsatz alternativer Treibstoffe. Für das Umfliegen von ISSRs wird eine präzise Vorhersage dieser Gebiete benötigt, welche derzeit noch mit Unsicherheiten behaftet ist. Die vorliegende Arbeit untersucht, ob die Prognose des Auftretens von ISSRs mit modernen Regressionsmethoden verbessert werden kann. Dazu wurden MOZAIC/IAGOS-Flugzeugmessdaten und ERA5-Reanalysedaten eingesetzt. Es zeigte sich, dass ein sogenanntes generalisiertes additives Modell unter Verwendung der Feuchte und verschiedener dynamischer Größen der ERA5-Daten die Vorhersage von ISSRs verbessert, diese jedoch zum Zweck der Flugroutenoptimierung noch nicht zufriedenstellend ist. Weitere Verbesserungen könnten durch eine genauere Beschreibung physikalischer Prozesse in Wettermodellen und mehr Messungen der Feuchte in Flughöhen, die anschließend in die Datenassimilation eingehen, erzielt werden. ISSRs bewegen sich im Allgemeinen nicht mit dem Wind. Dies hat einen Einfluss auf die Lebensdauer und damit die Klimawirkung von Kondensstreifen. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit die kinematischen Eigenschaften von ISSRs im Vergleich zum lokalen Wind untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Windgeschwindigkeiten (Mittelwert: 21 m/s) durchschnittlich größer sind als ISSR-Geschwindigkeiten (Mittelwert: 15 m/s). ISSRs rotieren langsam und bewegen sich, wie der lokale Wind, meist nach Osten. Außerdem wurde eine synoptische Zeitskala für die Lebensdauer von Kondensstreifen bestimmt und mit der Zeitskala für die Sedimentation der Kondensstreifeneiskristalle verglichen. Beide Zeitskalen liegen in der Größenordnung von ein paar Stunden. Für einen effektiven Einsatz alternativer Treibstoffe zur Verminderung der Kondensstreifenwirkung muss die Sedimentationszeitskala kleiner sein als die synoptische Zeitskala. Alternative Treibstoffe vermindern zwar die Klimawirkung von Kondensstreifen, führen aber zunächst wegen des höheren Wasserstoffgehalts zu mehr Kondensstreifenbildung. Die Größe dieses Zuwachses wurde mit MOZAIC/IAGOS- und ERA5-Daten bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Verwendung alternativer Drop-In (kerosinähnlicher) Kraftstoffe ein paar Prozent (≈ 4,0 %) mehr persistente Kondensstreifen auftreten. Bei der Verwendung von Methan und flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff werden trotz der noch höheren Wasserdampfemissionen weniger als 10 % zusätzlicher persistenter Kondensstreifen erwartet. Diese Kondensstreifen sind weniger klimawirksam als Kondensstreifen kerosinbetriebener Flugzeuge, da sie optisch dünner und ihre Eiskristalle durchschnittlich größer sind, wodurch die Lebensdauer solcher Kondensstreifen im Durchschnitt kürzer ist.