2026年4月1日

 

• 近期大氣研究表明，僅靠煙塵排放無法解釋飛機凝結尾跡的形成。隨著極低硫燃料的使用，揮發性有機化合物和潤滑油蒸氣在形成新粒狀物的過程中將變得越來越重要。
• 這項新研究結果改變了人們對凝結尾跡形成過程的先前理解，並發表在《自然》雜誌上。
• 重點領域：航空、氣候友善飛行

 

大氣研究的最新發現表明，煙塵減少並不必然導致飛機凝結尾跡中冰晶數量減少。相反，在低煙塵排放條件下，微小的液態顆粒在凝結尾跡的形成過程中起著至關重要的作用。德國航空航天中心（DLR）與空中巴士和CFM國際公司合作，於2023年春季進行的測量飛行證實了這一點。研究團隊的研究成果已發表在《自然》雜誌上，題為「低煙塵排放水平下飛機凝結尾跡的大量形成」。

「由於產業界和研究機構的緊密合作，我們成功開展了複雜的測量飛行，並獲得了獨特的數據集。這些數據和見解將有助於改進發動機和氣候模型，從而為航空業打造一個具有競爭力且氣候友好的未來，」德國航空航天中心（DLR）航空執行委員會成員馬庫斯·費舍爾博士強調。

「這類測試活動對於增進我們對飛機尾蹟的理解和建模至關重要，它能幫助我們了解各種影響因素，並為未來採取技術和運營措施減少排放奠定基礎。這再次體現了研究中心和工業界之間卓越的合作，而這種合作對於在這個複雜問題上取得快速進展至關重要。」空中巴士研發項目負責人馬克·本塔爾博士表示。

 

了解凝結尾跡的形成

飛機尾跡卷雲對航空活動造成的氣候影響顯著。這些冰晶雲在巡航高度形成，此時高溫廢氣與極冷且潮濕的空氣相遇。引擎廢氣中的顆粒物充當冰晶的凝結核。先前，人們認為煙塵顆粒控制飛機尾跡中冰晶的數量。而這項新發現標誌著人們對飛機尾跡形成機制的理解發生了根本性的轉變。

地面測試表明，現代稀薄燃燒引擎能夠顯著降低煙塵排放。這表明冰晶形成減少，從而降低了其對氣候的影響。然而，此前從未在飛行中測量過稀薄燃燒引擎產生的凝結尾跡。為了填補這一知識空白，德國航空航天中心 (DLR) 和美因茨約翰內斯古騰堡大學 (JGU) 的研究人員與空中巴士、CFM國際公司以及奧爾巴尼大學和法國國家航空航天研究院 (ONERA) 的建模團隊合作。作為NEOFUELS/VOLCAN測量活動的一部分，他們首次進行了稀薄燃燒發動機排放物及其產生的凝結尾跡的測量飛行：在跟踪一架配備CFM LEAP-1A稀薄燃燒發動機的空客A321neo飛機飛行期間，DLR的研究飛機Falcon 20E探測到了尾氣顆粒物。該研究還調查了燃料和潤滑油中的硫和有機化合物在低煙塵排放條件下形成凝結尾跡過程中先前未知的作用。

 

具有挑戰性的追擊機動

這項研究包括15次測量飛行，其中包括在地中海和大西洋上空10公里高度的高速追蹤機動，飛行區域位於限制空域內。獵鷹20E飛機反覆穿越客機的尾流，並在其後方數公里處採集了飛機完全形成的凝結尾跡樣本。由CFM國際公司改良的引擎控制系統可設定稀燃或濃燃的特定運轉工況。這使得研究人員能夠比較不同煙塵排放量下的排放物和凝結尾跡特徵。引擎也使用了含有不同硫和芳烴含量的測試燃料來運作。德國航空航天中心（DLR）飛行實驗設施已運行獵鷹20E飛機30年——其數十年的經驗對於這項艱鉅的研究任務至關重要。

 

飛行測量結果

這類型引擎的實驗結果表明，稀薄燃燒比濃厚燃燒能將煙塵排放量降低三個數量級。然而，令人驚訝的是，凝結尾跡中的冰晶數量仍然很高，遠遠超過廢氣中測得的煙塵顆粒數量。這表明，在低煙塵排放量下，僅靠煙塵無法解釋凝結尾跡的形成。相反，研究人員觀察到，在這些測試過程中，冷卻的廢氣羽流中形成了大量液態顆粒——其濃度與測得的冰晶數量相近。

「決定性的時刻出現在第一批數據顯示沒有煙塵，卻出現了凝結尾跡的時候，」德國航空航天中心 (DLR) 和斯洛伐克大學 (JGU) 的科學項目經理克里斯蒂安·沃伊特教授說。 “我們立刻意識到，我們需要進一步加深對凝結尾跡形成的理解，以便塑造航空技術的未來。”

 

氣候模式的新見解

低硫燃料導致飛機尾跡中冰晶數量減少。奧爾巴尼大學和法國國家航空航天研究院（ONERA）的微物理模擬成功地重現了觀測到的趨勢。結果還表明，在使用極低硫燃料時，揮發性有機化合物和潤滑油蒸氣對新顆粒的形成變得越來越重要。

這些發現拓展了經典的凝結尾跡形成理論，納入了燃料和潤滑油顆粒中含硫化合物和有機化合物形成的液態顆粒等其他途徑。目前大多數凝結尾跡氣候模型尚未考慮這些新的冰晶形成途徑，因此可能低估了凝結尾跡的形成及其相關的全球暖化效應。將這些過程納入模型對於改善當前航空活動對氣候影響的預測至關重要。

「這項測量活動的結果有力地證明了美因茨大學、德國航空航天中心以及空中巴士和CFM國際兩家公司之間卓有成效的合作，」美因茨大學負責研究和學術職業發展的副校長斯特凡·穆勒-斯塔赫教授表示，「這些成果也為我們的研究人員繼續參與可持續航空的發展奠定了堅實的基礎，從而為氣候保護做出貢獻。」為氣候保護做出貢獻。」

 

氣候友善航空技術

未來的氣候保護策略可以考慮燃料成分、內燃機設計以及潤滑油排放系統的設計。尤其值得一提的是，優化潤滑油排放系統能為引擎製造商帶來額外的技術優勢。目前的排放標準僅規範氣體和煙塵顆粒的排放。新的研究表明，最大限度地減少微小液體顆粒也是降低飛機尾跡對氣候影響的重要途徑。儘管燃料中的硫含量被限制在最高0.3%，但為了顯著減少飛機尾跡中冰晶的形成，仍可能需要進一步降低硫含量。

 

[照片]

(A) 獵鷹20E從奧伯普法芬霍芬起飛進行科學研究飛行。

德國航空航天中心（DLR）的獵鷹20E研究飛機駐紮在奧伯普法芬霍芬基地。 DLR飛行實驗中心已運作該飛機約50年，主要用於大氣研究。國際研究團隊直接在機上測量微量氣體和氣溶膠，並採集空氣樣本，隨後在實驗室進行分析。這架雙引擎噴射機基於法國達梭公司的一款公務機打造，飛行高度可達12800公尺。

(B) 從德國航空航天中心（DLR）的獵鷹20E飛機上看到的空中巴士A321neo飛機

圖片展示了德國航空航天中心（DLR）的獵鷹20E研究飛機和空中巴士A321neo飛機在聯合飛行測試中，為研究稀薄燃燒引擎的排放情況而進行的飛行。這些測量飛行於2023年春季進行，是NEOFUELS/VOLCAN計畫的一部分。

(C) 德國航空航天中心（DLR）獵鷹20E型飛機座艙內配備測量儀器

經驗豐富的實驗人員在飛行過程中操作機載複雜測量儀器。

(D) 獵鷹20E飛機機翼下的冰晶粒子感測器

安裝在機翼下的冰晶粒子感測器可以測量冰晶的數量和大小。圖為：一名研究人員正在清潔測量儀器的鏡面。

(E) 獵鷹20E試飛：空中巴士A321neo的尾跡

從駕駛艙視角可以看到，德國航空航天中心（DLR）的研究飛機Falcon 20E正在測量前方空中巴士A321neo飛機的尾跡。 Falcon 20E用於風速測量的機頭桅杆位於左側。

(F) 天空中的凝結尾跡

當飛機廢氣在高空遇到極冷潮濕的空氣時，就會形成凝結尾跡。天空中的白色線條隨後會變成冰雲，這些冰雲會吸收大氣中的熱量，加劇全球暖化。