研究飛機“尾氣”，發了一篇Nature！

顛覆性發現：低煙塵發動機仍可能生成高密度航空尾跡云

航空業對氣候變化的貢獻不僅來自二氧化碳排放，尾跡云（contrail cirrus）的增暖效應同樣不容小覷。長期以來，業界寄希望于新一代低排放的貧燃（lean-burn）發動機，認為其能大幅減少尾跡云中的冰晶數量，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：盡管貧燃發動機將碳煙顆粒排放降低了三個數量級，但尾跡云中的冰晶數量并未顯著減少，甚至與早期傳統發動機相當。

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

為了獲取這些關鍵數據，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（對應羽流年齡0.2至1.4秒）對發動機尾氣進行采樣。結果顯示，在貧燃模式下，總顆粒物（直徑大于5納米）的排放指數仍然很高，中位數達到2.1×1015每公斤燃料。這意味著，盡管可見的“煙塵”少了，但發動機排放了大量極細小的揮發性顆粒物。

圖1展示了飛行實測數據的核心對比：左側照片顯示了“獵鷹”飛機正在緊追A321neo，對其尾氣進行采樣。右側的柱狀圖則清晰地呈現了兩種燃燒模式的巨大差異。在人為設定的“強制富油燃燒”模式下，非揮發性顆粒（即碳煙，直徑>14納米）的排放指數高達1.0×1015每公斤燃料。然而，當切換到正常的貧燃巡航模式時，這一數字驟降至1.0×1012每公斤燃料，降幅達三個數量級。但是，當測量范圍擴大到包括揮發性顆粒的總顆粒物（直徑>5納米）時，貧燃模式下的排放指數又回升至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鍵問題：這些數量龐大的揮發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性碳煙顆粒排放降低了三個數量級。 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）和非揮發性顆粒物（直徑>14納米）的排放指數。圖中顯示中位數和四分位距。

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

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揮發性顆粒上的尾跡云形成。圖中顯示了在218K環境溫度下，貧燃和強制富油燃燒模式下，Jet A-1和一種HEFA混合燃料的非揮發性顆粒（d>14nm）和尾跡云冰晶（d>0.6μm）排放指數的均值和算術標準差。線條展示了在相當條件下（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）的模擬結果。灰色虛線表示1:1的關系。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測量值和模擬值均有所降低。

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

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性和冰晶顆粒排放指數，按1K ΔTSA 溫度區間分組。來自先前RQL發動機（ECLIF1&2和ECLIF3）的數據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燃料的模擬結果，顯示了燃料成分和溫度對尾跡云冰晶數量的綜合影響。

最直觀的證據來自圖4。這張圖將所有的觀測數據匯總，展示了總顆粒物（包括揮發性和非揮發性）排放指數與尾跡云冰晶排放指數之間的強相關性。無論發動機處于貧燃還是富油燃燒模式，無論使用何種燃料，兩者的關系都緊密地落在1:1到1:10的區間內。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動機尾跡云光學厚度的差異，暗示了即使在同一機型上，不同發動機的顆粒物排放也可能存在差異。這一發現強有力地證明，在真實的巡航條件下，無論是來自傳統發動機的碳煙，還是來自新型貧燃發動機的揮發性顆粒物，尾跡云冰晶的形成幾乎完全由發動機排放的總顆粒物（>5納米）決定。

圖4： 尾跡云冰晶顆粒數量隨總顆粒物（揮發性和非揮發性）排放的減少而減少，與燃燒模式無關。 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雙發均使用相同燃料、處于貧燃燃燒模式時的尾跡云照片。左側發動機相比右側發動機尾跡云光學厚度更大，可能指向揮發性顆粒物排放的差異。 c. 對于所有燃料和發動機運行模式，測量的總顆粒物（揮發性和非揮發性；d>5nm）排放指數與冰晶（d>0.6μm）排放指數之間的相關性，數據按1K ΔTSA溫度區間分組。虛線表示1:1和1:10關系。

最后，圖5以示意圖的形式總結了兩種發動機技術路徑下尾跡云冰晶的形成機制。在傳統的RQL發動機中（圖5上部），大量約30納米的碳煙顆粒為水汽提供了凝結核，發動機同時排放的硫化物、有機物和潤滑油蒸氣會凝結在這些現有的碳煙顆粒上。而在新型的貧燃發動機中（圖5下部），由于碳煙顆粒極少，硫化物、未燃碳氫化合物和潤滑油蒸氣沒有了附著表面，它們自身會通過均質核化過程生成大量納米級的揮發性顆粒。這些顆粒在發動機尾流中迅速冷卻并經歷冰晶均質凍結過程，最終成長為與RQL發動機規模相當的尾跡云冰晶。

圖5： 當前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先活化為水滴，隨后均質凍結并生長為冰晶。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匯。貧燃發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，可以形成新的揮發性顆粒，或凝結到現有顆粒上。隨著進一步冷卻，這些揮發性顆粒中的水分均質凍結，隨后主要通過吸收環境水汽生長為冰晶。環境氣溶膠在現有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”的傳統認知，指出僅靠當前的貧燃發動機技術路線，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注揮發性顆粒物，這可能需要通過修改燃油成分（如進一步降低硫含量）、改進潤滑油通風系統設計等方式來實現。同時，全球氣候模型需要更新對貧燃發動機尾跡云冰晶數量的初始假設，以避免嚴重低估其氣候影響。該研究為下一代航空發動機和可持續航空燃料（SAF）的研發指明了新的方向——不僅要清潔燃燒，更要控制全揮發性物種的排放。