Stratosfera - poziom zaawansowany

ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH

POWRÓT do strony głównej działu Stratosfera Zaawansowane

1. Procesy fizyczne zachodzące w stratosferze i rola ruchu lotniczego
Procesy fizyczne zachodzące w stratosferze
Lotnictwo: jego rozwój i wpływ na klimat
Ćwiczenie 1.1
Ćwiczenie 1.2

2. Ozon stratosferyczny, chlorofluorowęglowodory i dziura ozonowa
Ozon stratosferyczny: historia odkrycia, procesy powstawania i pochłanianie promieniowania
Procesy chemiczne z udziałem chloru i powstawanie dziury ozonowej
Chlorofluorowęglowodory (CFC) i wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC)
Dziura ozonowa i globalne ocieplenie
Ochładzanie w stratosferze
Ćwiczenie 2.1
Ćwiczenie 2.2

Ocena wpływu ruchu lotniczego na klimat dziś – a co ważniejsze w przyszłości – to ryzykowne wyzwanie. Chociaż dotychczas wpływ ten był niewielki, to zakłada się, że w przyszłości będzie szybko rosnąć. Transport lotniczy jest bowiem niezwykle szybko rozwijającym się sektorem, także w zakresie zużycia energii.

Lotnictwo dziś – wiele wątpliwości

Dane z ostatniego raportu IPCC na temat lotnictwa z 1999 r. można już uznać za nieaktualne, gdyż odnoszą się one do sytuacji w 1995 r. Jednakże obecnie jest to najlepszy opis sytuacji jakim dysponujemy, a drastyczne zmiany jakie obecnie zachodzą uniemożliwiają wiarygodne prognozowanie przyszłych trendów. W latach 1993-2000 liczba pasażerów w transporcie lotniczym w krajach Unii Europejskiej wzrastała o około 10% każdego roku. W ostatnich latach wydarzenia takie jak atak na wieże World Trade Center w Nowym Jorku z 11 września 2001 r., wystąpienie zachorowań na SARS i wojna w Iraku spowodowały spowolnienie tego dynamicznego rozwoju.

1. Samolot typu Airbus A320
Autor: Ian Britten © FreeFoto.com

W 2002 r. globalny dochód w lotnictwie pasażerskim obniżył się o 4%, a w przelotach towarowych o około 8%. Równocześnie w Europie gwałtownie rozwija się rynek tanich przewoźników lotniczych i w kolejnych latach jest przewidywany dalszy jego wzrost. Prognozy na najbliższe 20 lat mówią o wzroście rzędu 5% rocznie w globalnej liczbie pasażerów.

2. Spalanie paliwa przez lotnictwo cywilne. Dane z maja 1992 r. Wartości są podane dla oczek siatki o rozmiarach 1 x 1 stopień.
Źródło: Raport IPCC na temat lotnictwa z 1999 r.

Prognozy rozwoju lotnictwa

W wielu publikacjach ruch lotniczy jest mierzony przy pomocy wskaźnika RPK (liczba pasażerów pomnożona przez odległości przez nich przebyte w ciągu roku). Wskaźnik ten wzrósł o 360% między rokiem 1970 (551 miliardów) a 1995 (2537 miliardów). Prognozy na przyszłość nie są jednoznaczne.

Dla roku 2015 niektóre prognozy przewidują osiągnięcie wartości 5700 miliardów, dla 2050 r. prawdopodobny jest scenariusz przewidujący wartości od 14000 do 23000 miliardów (prognozy ICAO / EDF dla umiarkowanego wzrostu gospodarczego). Jeśli przyjmiemy, że liczba ludności świata osiągnie 10 miliardów w 2050 r. to oznacza to, że średnio każdy mieszkaniec Ziemi pokona samolotem od 1400 do 2300 km rocznie.

3. Prognoza wielkości światowego pasażerskiego ruchu lotniczego w 2015 i 2050 roku (w RPK).
Na podstawie 'The plane truth' (J. Whitelegg / N. Williams), opartego na danych IPCC z 1999 r

Dziś lotnictwo jest odpowiedzialne za około 2% wszystkich emisji dwutlenku węgla ze źródeł antropogenicznych. Udział w tzw. wymuszaniu promieniowania (ang. radiative forcing) oszacowano na 3,5% w 1992 r. To niewiele. Jeśli jednak obecny poziom RPK wzrośnie wielokrotnie w najbliższych dekadach to ruch lotniczy stanie się ważnym czynnikiem, odpowiedzialnym za 10% (lub nawet więcej) globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka w 2050 r.

4. a) Zmiany wielkości rocznego światowego ruchu lotniczego (pasażerskiego i całkowitego) w latach 1992-2001 (dane dla roku 2001 na podstawie prognoz).
Źródło: International Civil Aviation Organisation (ICAO, Międzynarodowa Organizacja Lotnictwa Cywilnego, dane z grudnia 2001 r.)

4. b) Tono-kilometr to łączna miara liczby pasażerów, ładunku i poczty przetransportowanych lotniczo, uwzględniająca także łączną długość przebytych dystansów.
Źródło: ICAO

Wpływ na klimat

Samoloty emitują gazy i cząstki stałe bezpośrednio do górnych warstw troposfery i niższych warstw stratosfery. Zmieniają zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze: dwutlenku węgla (CO₂), ozonu (O₃) i metanu (CH₄). Ponadto powodują powstawanie smug kondensacyjnych co może zwiększyć zachmurzenie chmurami typu Cirrus. Wszystkie te czynniki mają wpływ na zmiany klimatu.

Procesy z udziałem gazów

Silniki samolotów zużywają paliwa kopalne i dlatego powodują wydzielanie CO₂ (około 2% całego antropogenicznego CO₂). Ponadto powodują powstawanie tlenków azotu, które wywierają w górnej troposferze działanie dwojakiego rodzaju: przyczyniają się do powstania ozonu i pośrednio niszczą metan, ponieważ doprowadzają do tworzenia się rodników OH, które utleniają metan.

Powstawanie ozonu jest procesem lokalnym i przejściowym, gdyż cykl ozonu jest krótki. Na obszarach tzw. korytarzy powietrznych (czyli na trasach przelotów samolotów) stwierdzono w 1992 r. wzrost o około 6% w porównaniu z obszarami gdzie samoloty nie latają. W roku 2050 wartość ta może wzrosnąć do 12%. Zmniejszanie się zawartości metanu (około -2% w 1992 r., -5% w 2050 r.) zachodzi bardziej równomiernie na całej Ziemi. Zarówno ozon, jak metan są gazami cieplarnianymi. W skali globalnej oba efekty nawzajem się znoszą. W skali lokalnej, ocieplenie wskutek tworzenia się ozonu w korytarzach powietrznych, głównie na półkuli pn., przewyższa globalne ochłodzenie spowodowane zmniejszaniem się koncentracji metanu.

5. Lotnictwo powoduje wzrost zawartości ozonu (O3), a spadek zawartości metanu (CH4) w troposferze.
Autor: Elmar Uherek

Para wodna, smugi kondensacyjne i chmury Cirrus

Samoloty emitują spaliny w najzimniejszej warstwie atmosfery między troposferą i stratosferą, w pobliżu tropopauzy. Zimne powietrze nie jest w stanie przyjąć zbyt dużo pary wodnej, więc para wodna ze spalin łatwo kondensuje. Tworzą się tzw. smugi kondensacyjne. Można je uznać za rodzaj chmur lodowych i mogą się one rozwinąć w chmury typu Cirrus. Takie chmury mogą pokryć 5% nieba na obszarach korytarzy powietrznych nad Europą, USA i pn. Atlantykiem. W skali globalnej smugom przypisuje się planowany w roku 2050 udział w zachmurzeniu w wysokości 0,1%, a we wzroście zachmurzenia 0,5%. Smugi przekształcone w chmury Cirrus przyczyniają się do wzmocnienia efektu cieplarnianego, ponieważ umożliwiają promieniowaniu słonecznemu dotarcie do podłoża, ale pochłaniają promieniowanie podczerwone Ziemi. Emisje sadzy i związków siarki mogą prowadzić do powstawania dodatkowych chmur Cirrus  co jeszcze wzmacnia ten efekt.

6. Smugi kondensacyjne i chmury Cirrus. Smugi kondensacyjne tworzą się wskutek kondensacji pary wodnej wydzielanej przez silniki samolotów. Wyniki niektórych badań dowodzą, że obecność smug kondensacyjnych sprzyja tworzeniu się chmur Cirrus.
Zdjęcie: © Bernhard Mühr, Karlsruher Wolkenatlas

Co wiemy?

Rycina 7 pokazuje w jaki sposób lotnictwo może przyczyniać się do tzw. wymuszania promieniowania (jako miary globalnego ocieplenia; ang. radiative forcing). Wiedza naukowa na ten temat jest oceniana jako słaba lub średnia, zależnie od rodzaju wpływu. Analizując rycinę dochodzimy do wniosku, że wszelkie oceny są w tym przypadku obarczone dużymi wątpliwościami, a przewidywania dotyczące przyszłych oddziaływań mogą tylko wskazywać orientacyjny zakres możliwych wartości.

7. a) Szacunki średniego globalnego i rocznego tzw. wymuszania promieniowania (ang. radiative forcing, Wm-2) z emisji lotniczych w 1992 r. Dodatnie wymuszanie promieniowania jest miarą udziału w globalnym ociepleniu, ujemne – w ochładzaniu.
Objaśnienia: good – dobry, fair – średni, poor – słaby, very poor – bardzo słaby, contrails – smugi kondensacyjne, cirrus clouds – chmury Cirrus, direct sulfate – bezpośrednie działanie siarczanów, direct soot - bezpośrednie działanie sadzy, total (without cirrus clouds) – suma (bez chmur Cirrus)
Źródło: Raport IPCC na temat lotnictwa z 1999 r.

7. b) Szacunki średniego globalnego i rocznego tzw. wymuszania promieniowania (ang. radiative forcing, Wm-2) z emisji lotniczych dla roku 2050. Szacunki są oparte na umiarkowanym scenariuszu rozwoju gospodarczego IPCC Fa1, zakładającym wzrost ruchu lotniczego o 3,1% rocznie i wzrost spalania paliwa o 1,7% rocznie.
Źródło: Raport IPCC na temat lotnictwa z 1999 r.

Samoloty ponaddźwiękowe

Emisje tlenków azotu w stratosferze prowadzą to niszczenia stratosferycznej warstwy ozonowej. Był to ważny powód zaprzestania rozwoju floty ponaddźwiękowych samolotów pasażerskich. Wymiana gazów w stratosferze przebiega bardzo powoli. Znaczne ilości spalin, emitowane na tak dużych wysokościach, docierają do wielu miejsc na całym świecie i mogą mieć duży, a trudny do przewidzenia wpływ na system atmosferyczny i warstwę ozonową.
Concorde, który po raz pierwszy wzniósł się w powietrze w 1969 r. i latał na wysokości 18 km w stratosferze, pozostał jedynym regularnie i komercyjnie używanym pasażerskim samolotem ponaddźwiękowym. Jego ostatni lot miał miejsce w 2003 r.

8. Concorde – jedyny kiedykolwiek komercyjnie używany ponaddźwiękowy samolot pasażerski
©BBC news

O tej stronie:
Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr Didier Hauglustaine, LSCE Gif-sur-Yvette - 2004-02-18
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-08-07
Ostatnia aktualizacja: 2004-04-20
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Redakcja techniczna: Kamil Bodziony, Wojciech Pudło, Uniwersytet Jagielloński, Kraków