顛覆性發(fā)現(xiàn)：低煙塵發(fā)動機仍可能生成高密度航空尾跡云

航空業(yè)對氣候變化的貢獻(xiàn)不僅來自二氧化碳排放，尾跡云（contrail cirrus）的增暖效應(yīng)同樣不容小覷。長期以來，業(yè)界寄希望于新一代低排放的貧燃（lean-burn）發(fā)動機，認(rèn)為其能大幅減少尾跡云中的冰晶數(shù)量，從而削弱非二氧化碳的氣候影響。然而，最新研究卻給出了一個出人意料的答案：盡管貧燃發(fā)動機將碳煙顆粒排放降低了三個數(shù)量級，但尾跡云中的冰晶數(shù)量并未顯著減少，甚至與早期傳統(tǒng)發(fā)動機相當(dāng)。

德國宇航中心Christiane Voigt團(tuán)隊通過對一架裝備了CFM LEAP-1A貧燃發(fā)動機的空客A321neo飛機進(jìn)行實際飛行觀測，首次揭示了在低碳煙排放水平下尾跡云形成的真實機制。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在貧燃燃燒模式下，非揮發(fā)性碳煙顆粒的排放指數(shù)中位數(shù)低至每公斤燃料1.0×1012個，比傳統(tǒng)富油-淬熄-貧油（RQL）發(fā)動機低了整整一千倍。然而，令人驚訝的是，由此產(chǎn)生的尾跡云冰晶數(shù)量卻高達(dá)每公斤燃料1.6×1015個，與碳煙排放水平之間不存在預(yù)期的線性關(guān)系。相關(guān)論文以“Substantial aircraft contrail formation at low soot emission levels”為題，發(fā)表在Nature上。

為了獲取這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，德國航空航天中心（DLR）使用其“獵鷹”20E科研飛機，在2023年3月于大西洋和地中海上空對A321neo進(jìn)行了近距離追蹤。在近場排放測量中，“獵鷹”在40至250米的距離（對應(yīng)羽流年齡0.2至1.4秒）對發(fā)動機尾氣進(jìn)行采樣。結(jié)果顯示，在貧燃模式下，總顆粒物（直徑大于5納米）的排放指數(shù)仍然很高，中位數(shù)達(dá)到2.1×1015每公斤燃料。這意味著，盡管可見的“煙塵”少了，但發(fā)動機排放了大量極細(xì)小的揮發(fā)性顆粒物。

圖1展示了飛行實測數(shù)據(jù)的核心對比：左側(cè)照片顯示了“獵鷹”飛機正在緊追A321neo，對其尾氣進(jìn)行采樣。右側(cè)的柱狀圖則清晰地呈現(xiàn)了兩種燃燒模式的巨大差異。在人為設(shè)定的“強制富油燃燒”模式下，非揮發(fā)性顆粒（即碳煙，直徑>14納米）的排放指數(shù)高達(dá)1.0×1015每公斤燃料。然而，當(dāng)切換到正常的貧燃巡航模式時，這一數(shù)字驟降至1.0×1012每公斤燃料，降幅達(dá)三個數(shù)量級。但是，當(dāng)測量范圍擴大到包括揮發(fā)性顆粒的總顆粒物（直徑>5納米）時，貧燃模式下的排放指數(shù)又回升至2.1×1015每公斤燃料的高位。這一強烈反差直接指向了一個關(guān)鍵問題：這些數(shù)量龐大的揮發(fā)性顆粒物很可能成為了尾跡云冰晶的“種子”。

圖1： 飛行實測顯示，與強制富油燃燒模式相比，貧燃燃燒模式下的非揮發(fā)性碳煙顆粒排放降低了三個數(shù)量級。 a. DLR的“獵鷹”科研飛機的機頭吊艙正在追逐一架配備CFM LEAP-1A貧燃發(fā)動機的空客A321neo，于2023年3月7日的一次排放飛行中，在40-250米的距離探測0.2-1.4秒齡的尾氣。 b. 在貧燃和強制富油燃燒模式下，對于Jet A-1燃料，總顆粒物（直徑>5納米）和非揮發(fā)性顆粒物（直徑>14納米）的排放指數(shù)。圖中顯示中位數(shù)和四分位距。

為了研究尾跡云的形成，研究團(tuán)隊在6至29公里的遠(yuǎn)場對持續(xù)存在的尾跡云進(jìn)行了采樣。他們分析了不同燃料成分對冰晶數(shù)量的影響。圖2展示了在相似的218K環(huán)境溫度下，使用不同燃料時觀測到的冰晶數(shù)量。對于硫含量為192ppm的傳統(tǒng)Jet A-1燃油，尾跡云冰晶排放指數(shù)為1.6×1015 每公斤燃料。而當(dāng)使用硫含量降至75ppm的HEFA混合燃料時，冰晶數(shù)量也相應(yīng)減少至0.5×1015每公斤燃料，減少了約三分之二。這一現(xiàn)象表明，燃油中的硫含量在低碳煙環(huán)境下對尾跡云的形成起著至關(guān)重要的調(diào)制作用。研究團(tuán)隊利用更新的氣溶膠與尾跡云微物理模型（ACM）進(jìn)行模擬，結(jié)果與觀測高度吻合，證實了硫化物、有機物和潤滑油蒸氣在缺乏碳煙作為凝結(jié)尾面時會通過均質(zhì)核化形成新的揮發(fā)性顆粒，進(jìn)而成為冰晶核。

圖2： 受排放和尾跡云觀測約束的理論可以解釋貧燃燃燒室條件下?lián)]發(fā)性顆粒上的尾跡云形成。圖中顯示了在218K環(huán)境溫度下，貧燃和強制富油燃燒模式下，Jet A-1和一種HEFA混合燃料的非揮發(fā)性顆粒（d>14nm）和尾跡云冰晶（d>0.6μm）排放指數(shù)的均值和算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。線條展示了在相當(dāng)條件下（218K，低于TSA 10K）使用更新的ACM模型對貧燃和富油燃燒模式以及三種燃油成分情況（硫含量192ppm的Jet A-1；硫含量75ppm的HEFA混合燃料；硫含量3ppm的HEFA-SPK）的模擬結(jié)果?；疑摼€表示1:1的關(guān)系。與Jet A-1相比，低硫、低芳香烴的HEFA混合燃料的冰晶排放指數(shù)測量值和模擬值均有所降低。

環(huán)境溫度同樣是影響尾跡云冰晶數(shù)量的關(guān)鍵因素。圖3將不同燃料、不同燃燒模式下的冰晶排放指數(shù)按溫度區(qū)間進(jìn)行了分組。數(shù)據(jù)顯示，無論是使用Jet A-1還是低芳香烴的HEFA混合燃料，冰晶數(shù)量都隨著環(huán)境溫度的降低而顯著增加。這是因為在更冷的環(huán)境中，尾跡中的水汽過飽和度更高，能夠激活更多細(xì)小的揮發(fā)性顆粒。圖中還引用了早期RQL發(fā)動機的觀測數(shù)據(jù)作為對比，表明在碳煙排放較高的傳統(tǒng)發(fā)動機中，尾跡云冰晶數(shù)量同樣受到燃料硫含量的影響。模型模擬顯示，在碳煙排放指數(shù)介于1013至3×1014之間時，存在一個冰晶數(shù)量的“最小值區(qū)間”，這可能代表了未來發(fā)動機與燃料組合的一個氣候影響“最優(yōu)解”。

圖3： 對于低芳香烴、低硫燃料，在所有燃燒模式下以及在較高環(huán)境溫度下形成的尾跡云，均測量并模擬出了降低的尾跡云冰晶數(shù)量。圖中顯示了Jet A-1以及低芳香烴和高芳香烴HEFA-SPK混合燃料在貧燃及一個介于貧燃和強制富油之間的“分檔點”燃燒器工況下的非揮發(fā)性和冰晶顆粒排放指數(shù)，按1K ΔTSA 溫度區(qū)間分組。來自先前RQL發(fā)動機（ECLIF1&2和ECLIF3）的數(shù)據(jù)作為富碳煙燃燒器配置的參考。線條展示了更新的ACM尾跡云模型在不同環(huán)境溫度（216K、218K和220K）下對Jet A-1和低芳香烴、低硫SPK-L燃料的模擬結(jié)果，顯示了燃料成分和溫度對尾跡云冰晶數(shù)量的綜合影響。

最直觀的證據(jù)來自圖4。這張圖將所有的觀測數(shù)據(jù)匯總，展示了總顆粒物（包括揮發(fā)性和非揮發(fā)性）排放指數(shù)與尾跡云冰晶排放指數(shù)之間的強相關(guān)性。無論發(fā)動機處于貧燃還是富油燃燒模式，無論使用何種燃料，兩者的關(guān)系都緊密地落在1:1到1:10的區(qū)間內(nèi)。圖4a和4b展示了尾跡云形成的實況照片，值得注意的是，圖4b中同一架飛機左右發(fā)動機尾跡云光學(xué)厚度的差異，暗示了即使在同一機型上，不同發(fā)動機的顆粒物排放也可能存在差異。這一發(fā)現(xiàn)強有力地證明，在真實的巡航條件下，無論是來自傳統(tǒng)發(fā)動機的碳煙，還是來自新型貧燃發(fā)動機的揮發(fā)性顆粒物，尾跡云冰晶的形成幾乎完全由發(fā)動機排放的總顆粒物（>5納米）決定。

圖4： 尾跡云冰晶顆粒數(shù)量隨總顆粒物（揮發(fā)性和非揮發(fā)性）排放的減少而減少，與燃燒模式無關(guān)。 a. 從科研飛機“獵鷹”上拍攝的一架A321neo正在形成尾跡云的照片。 b. 在接近尾跡云形成閾值溫度下，一架A321neo雙發(fā)均使用相同燃料、處于貧燃燃燒模式時的尾跡云照片。左側(cè)發(fā)動機相比右側(cè)發(fā)動機尾跡云光學(xué)厚度更大，可能指向揮發(fā)性顆粒物排放的差異。 c. 對于所有燃料和發(fā)動機運行模式，測量的總顆粒物（揮發(fā)性和非揮發(fā)性；d>5nm）排放指數(shù)與冰晶（d>0.6μm）排放指數(shù)之間的相關(guān)性，數(shù)據(jù)按1K ΔTSA溫度區(qū)間分組。虛線表示1:1和1:10關(guān)系。

最后，圖5以示意圖的形式總結(jié)了兩種發(fā)動機技術(shù)路徑下尾跡云冰晶的形成機制。在傳統(tǒng)的RQL發(fā)動機中（圖5上部），大量約30納米的碳煙顆粒為水汽提供了凝結(jié)核，發(fā)動機同時排放的硫化物、有機物和潤滑油蒸氣會凝結(jié)在這些現(xiàn)有的碳煙顆粒上。而在新型的貧燃發(fā)動機中（圖5下部），由于碳煙顆粒極少，硫化物、未燃碳?xì)浠衔锖蜐櫥驼魵鉀]有了附著表面，它們自身會通過均質(zhì)核化過程生成大量納米級的揮發(fā)性顆粒。這些顆粒在發(fā)動機尾流中迅速冷卻并經(jīng)歷冰晶均質(zhì)凍結(jié)過程，最終成長為與RQL發(fā)動機規(guī)模相當(dāng)?shù)奈槽E云冰晶。

圖5： 當(dāng)前RQL（頂部）和貧燃（底部）燃燒室配置的尾跡云形成過程示意圖。RQL發(fā)動機排放大量約30納米大小的碳煙顆粒，它們在冷卻過程中優(yōu)先活化為水滴，隨后均質(zhì)凍結(jié)并生長為冰晶。排放的碳煙為共排放的硫化物、有機物和潤滑油蒸氣提供了凝結(jié)匯。貧燃發(fā)動機排放的碳煙顆粒顯著減少；在此，來自燃料組分的硫化物和有機物蒸氣，以及排放到熱核心流中的潤滑油蒸氣，可以形成新的揮發(fā)性顆粒，或凝結(jié)到現(xiàn)有顆粒上。隨著進(jìn)一步冷卻，這些揮發(fā)性顆粒中的水分均質(zhì)凍結(jié)，隨后主要通過吸收環(huán)境水汽生長為冰晶。環(huán)境氣溶膠在現(xiàn)有RQL和貧燃燃燒室配置的尾跡云形成中可能扮演次要角色。

結(jié)論與展望

這項研究打破了“減少碳煙即可減少尾跡云”的傳統(tǒng)認(rèn)知，指出僅靠當(dāng)前的貧燃發(fā)動機技術(shù)路線，無法有效解決航空尾跡云的增暖問題。研究建議，未來的減排策略必須同時關(guān)注揮發(fā)性顆粒物，這可能需要通過修改燃油成分（如進(jìn)一步降低硫含量）、改進(jìn)潤滑油通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計等方式來實現(xiàn)。同時，全球氣候模型需要更新對貧燃發(fā)動機尾跡云冰晶數(shù)量的初始假設(shè)，以避免嚴(yán)重低估其氣候影響。該研究為下一代航空發(fā)動機和可持續(xù)航空燃料（SAF）的研發(fā)指明了新的方向——不僅要清潔燃燒，更要控制全揮發(fā)性物種的排放。