Nya grepp krävs för att leva med flyget
Varje år ökar flygtrafiken med fem procent. Även om inte flyget i sig är särskilt miljöovänligt är flygets omfattning snart så stor att forskarna fruktar att klimatet ska påverkas. Redan nu anses flygets kondensstrimmor ha ökat förekomsten av cirrusmoln. De vanligaste miljögreppen räcker inte för att minska flygets utsläpp. FOI deltar i det internationella arbetet för ett miljövänligare flyg.
Av Anette Pålsson
Forskningen om flygets miljöpåverkan handlade fram till mitten av 90-talet främst om buller och avgaser nära flygplatserna. Effekterna av avgasutsläppen har dock under de senaste åren blivit allt mer uppmärksammade till följd av oron för klimatpåverkande utsläpp. Främst anses koldioxid (CO2) och kväveoxider (NOX) spela stor roll för växthuseffekten. Institutionen för Flygteknisk miljöforskning på FOIs avdelning för Flygteknik - FFA bidrar med sin forskning till att klarlägga luftfartens miljöpåverkan i bla olika EU-projekt och uppdrag från luftfartsverket.
Moderna flygplan förbrukar förhållandevis lite energi per passagerare. Två personer som åker bil från Stockholm till Malmö förbrukar ungefär samma energimängd som om de tagit flyget.
Utsläppens storlek, och därmed effekterna på atmosfären, varierar under en flygning. Graden av inverkan av olika ämnen beror på utsläppsplatsen, tex får utsläpp i troposfären (under cirka 10 km) en annan effekt än utsläpp i stratosfären (över cirka 10 km ).
Mest koldioxid och vattenånga
Vid förbränning av flygfotogen som nästan uteslutande består av olika kolväteföreningar (HC), bildas främst de naturliga förbränningsprodukterna koldioxid och vattenånga (H2O). Övriga utsläpp är hundradelar till tusendelar av dessa.
Koldioxid, som är en förutsättning för livet, är även en växthusgas med långtidsverkan beroende på gasens långa livscykel i atmosfären. Vattenånga är också en växthusgas som har relativt obetydlig påverkan i troposfären, medan den i stratosfären har en lång livslängd och därmed en stark klimatpåverkan.
I övre stratosfären skyddar ozon (O3) mot UV-strålning, men är också en verksam växthusgas. Kolmonoxid (CO), kolväten och kväveoxider ingår i reaktioner som leder till ozonbildning. Av dessa tre har kväveoxidemissionerna den största påverkan på ozonhalten. På höjder upp till cirka 18-20 km beräknas ozonhalten öka till följd av kväveoxidutsläpp, vid utsläpp på högre höjd bidrar det till en minskning.
Flygbränsle innehåller mycket små mängder svavel (S), cirka 0,05 procent, som vid förbränning oxideras till svaveloxider (SOX), främst svaveldioxid (SO2). Svaveloxiderna bildar tillsammans med regnvatten svavelsyra (H2SO4), surt regn, som starkt försurar mark och sjöar.
Nästan allt kol i bränslet oxideras och blir koldioxid, men en liten del av förbränningen är ofullständig vilket ger kolmonoxid och oförbrända kolväten. Metan (CH4) är ett kolväte som i atmosfären fungerar som en växthusgas. I närvaro av kväveoxider och solljus kan metan förbrukas i en reaktion som leder till ozonbildning. Även sot och partiklar kan bildas i motorns brännkammare vid ofullständig förbränning.
Till följd av den höga temperaturen i brännkammaren förenas luftens bränsle och kväve till NO och NO2 (med samlingsnamnet NOX). NOX-bildningen tilltar med ökad brännkammartemperatur.
Alla utsläpp påverkar klimatet
Alla dessa utsläpp från flygtrafiken påverkar strålningsbalansen och klimatet.
Genom emission av primära komponenter, tex koldioxid och vattenånga, påverkas strålningsbalansen direkt.
Vissa emissionerna medverkar till nya reaktioner i atmosfären som gör att ytterligare ämnen bildas eller som bryter ned komponenter som påverkar strålningsbalansen. Ett exempel på detta är kväveoxider som förändrar ozonkoncentrationen.
Vissa emissioner initierar partikelbildning och/eller leder till förändringar av naturliga moln, genom tex bildning av kondensstrimmor, sk k-strimmor.
För 1992 beräknas flygtrafiken ha ökat strålningsintensiteten med cirka 0,05 W/m2, vilket motsvarar cirka 3,5 procent av hela världens totala bidrag. Fram till 1992 beräknas flygutsläppen av koldioxid ha orsakat en procent av den totala ökningen från emissioner orsakade av människan. Den låga siffran kan förklaras med att jetflyget endast existerat de senaste 50 åren.
Förändringar i fördelningen av ozon, särskilt i området runt tropopausen, som är skiktet mellan troposfären och stratosfären, kan påverka strålningsbalansen och därmed klimatet. En ökning av ozonhalten i övre troposfären påverkar strålningsbalansen mer än en ökning på lägre höjd. Ozonhalten påverkas starkt av meteorologiska faktorer, speciellt i övre troposfären och i lägre stratosfären, där dagens flygplan befinner sig. Över regionen mellan 30-60° N breddgrad vid 9-13 km höjd beräknas ozonhalten ha ökats med 6 procent till följd av utsläpp från dagens flygflotta.
Vattenånga har en mycket kort livslängd i troposfären och utsläppen från flygtrafiken kommer i en mycket liten grad att påverka strålningsintensiteteten. I stratosfären är livslängden för vatten betydligt längre och bakgrunden är också mycket torrare. Utsläppen från dagens flyg är dock så små att effekten blir relativt obetydlig jämfört med bidragen från andra växthusgaser.
Jämfört med utsläpp, till exempel från industrier och biltrafik, är emissionerna av sot och partiklar från flygtrafiken relativt små. Svavel, främst i form av svavelsyra, och vatten gör så att sotpartiklarna kan fungera som kondensationskärnor. Ur dessa kan kondensstrimmor och cirrusmoln utvecklas. I avgasplymen omvandlas vatten, svaveldioxider och organiska ämnen till sulfatpartiklar. Sulfatpartiklarna har en kylande effekt på atmosfären. Indirekt kan dock partiklarna medverka till en ökad uppvärmning genom bildning av kondensstrimmor och cirrusmoln.
Kondensstrimmor är de molnvita streck som följer i flygplanets spår. De uppkommer lättast i övre troposfären, och speciellt över de varmare tropiska breddgraderna. Framtida klimatförändringar förväntas påverka uppkomsten av kondensstrimmor. Strimmorna beräknas täcka 0,1% av jordens yta till följd av flygtrafiken (1992). Observationer över centrala Europa visar dagtid en täckningsgrad på 0,5%. Flygets utsläpp av vatten och partiklar samt dess bildning av kondensstrimmor antas ligga bakom förändringen i den globala förekomsten av cirrusmoln.
Flygindustrin gör stora ansträngningar för att minska bränsleförbrukningen, vilket har haft en gynnsam effekt på de utsläppta mängderna av luftföroreningar. Då flygtrafiken årligen ökar med 5 procent och förväntas fortsätta göra så räcker inte den pågående utvecklingen av bättre motorer, flygplansskrov och flygtrafikledning, utan det krävs en drastisk minskning av avgasutsläppen.
Nya material, aktiv gränsskiktskontroll och minskade stabilitetsmarginaler för flygplanet samt nya typer av brännkammare för motorerna är tekniska åtgärder som kan sänka avgasutsläppen.
Institutionen för Flygteknisk miljöforskning studerar i ett internationellt forskningsprojekt vätgasdrift av flygplan. Tidigare har vätgasdrift avvisats, men idag anses flytande väte (LH2) vara ett fullt tänkbart drivmedel vilket skulle kunna reducera utsläppet av koldioxid helt. Eftersom det inte finns något kol i vätgas (H2) försvinner utsläppen av sot, kolmonoxid och kolväten.
Enda utsläppet är vatten. Vid höga förbränningstemperaturer bildas även NOX, inte som restprodukt vid vätgasförbränningen utan genom reaktioner av luftens syre och kväve. Därför krävs åtgärder i motorns konstruktion. Med väte som drivmedel kommer den utsläppta vattenmängden i förhållande till transportarbetet att fördubblas.Vattenångan som är relativt harmlös i troposfären har dock en stor klimatpåverkan i den torra stratosfären. Därför kan vätgasdrivna flygplan behöva ha sin marschflykt på en lägre höjd än den som är mest energioptimal.
En hel del har åstadkommits inom luftfarten för att minska miljöpåverkan genom utsläpp, särskilt under de senaste decennierna. Men för att en i praktiken ofrånkomlig utveckling, där flygtrafiken expanderar kraftigt, ska vara miljömässigt hållbar krävs att ytterligare resurser satsas på forskning inom detta område.
Anette Pålsson forskar på flygmiljöfrågor vid avdelningen Flygteknik vid FOI.
Från Framsyn nr 3-2001 - www.foi.se/framsyn