航空业非二氧化碳排放挑战应对与政策前瞻

引言

飞机翱翔天际，连接着世界各地的人们和文化，促进着全球贸易和经济发展。然而，这种便捷的交通方式也带来了环境挑战，其中航空业的碳排放问题日益受到关注。除了广为人知的二氧化碳（CO2）排放外，航空业还会产生一系列非二氧化碳（non-CO2）排放，这些排放对气候的影响同样不容忽视，甚至可能与二氧化碳排放的影响相当。

2021年，航空业做出了到2050年实现净零碳排放的宏伟承诺。国际航空运输协会（IATA）作为行业代表，积极参与各项旨在监测和制定策略的倡议，以应对航空业非二氧化碳排放对气候的影响，并支持有效的政策制定。尽管航空业仅占人为全球二氧化碳排放量的约2%，但其非二氧化碳排放对气候的总体影响却与二氧化碳排放相当。

本文旨在深入探讨航空业非二氧化碳排放的构成、影响、减排策略以及面临的挑战，并概述IATA将如何与行业合作伙伴及政府有效合作，以应对非二氧化碳排放对气候的影响，为航空业的可持续发展提供参考。

第一章：航空业非二氧化碳排放的构成与影响

航空燃料燃烧产生的排放物种类繁多，包括二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、一氧化碳（CO）、烟尘（PM2.5）、未燃烧的碳氢化合物（UHC）、气溶胶以及微量的羟基化合物（-OH）。这些排放物大部分是在平均海平面以上8-13公里的巡航高度释放到大气中的，对高层大气环境产生复杂的影响。

1.1 主要非二氧化碳排放物及其特性

• 水蒸气（H2O）： 航空发动机在高空排放的水蒸气在某些高湿度条件下（冰过饱和区域）会凝结成废气碳颗粒以及大气气溶胶。如果空气足够潮湿，水蒸气会进一步凝结成晶体，从而形成云。这种由飞机尾气水蒸气凝结形成的云被称为凝结尾迹或尾迹。
• 氮氧化物（NOx）： 氮氧化物是多种氮氧化合物的总称，主要包括一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）。氮氧化物在大气中参与复杂的化学反应，影响臭氧层和温室效应。
• 硫氧化物（SOx）： 硫氧化物主要指二氧化硫（SO2），是航空燃料中硫燃烧的产物。二氧化硫在大气中会转化为硫酸盐气溶胶，影响云的形成和反射阳光。
• 烟尘（PM2.5）： 烟尘是指空气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，主要由未完全燃烧的碳组成。烟尘颗粒会影响人体健康，并作为凝结尾迹形成的凝结核。
• 气溶胶： 气溶胶是指悬浮在空气中的固体或液体颗粒，包括硫酸盐、硝酸盐、有机物等。气溶胶会影响云的形成和反射阳光，从而影响气候。

1.2 非二氧化碳排放对气候变化的影响

航空业非二氧化碳排放对气候变化的主要影响来自持续性凝结尾迹的形成，特别是由此产生的航空诱导云，以及由氮氧化物排放驱动的化学大气反应。

• 凝结尾迹和航空诱导云： 凝结尾迹是飞机在高空飞行时，发动机排放的水蒸气在低温和高湿度的条件下凝结形成的线状云。如果大气条件适宜，凝结尾迹会持续存在并扩大，形成航空诱导云。凝结尾迹和航空诱导云对气候的影响复杂，既可以反射阳光，起到降温作用，也可以吸收地表辐射，起到增温作用。总体而言，目前的研究表明，凝结尾迹和航空诱导云对气候的增温效应大于降温效应。
• 氮氧化物（NOx）： 氮氧化物在大气中参与复杂的化学反应，影响臭氧层和温室效应。在高空，氮氧化物会破坏臭氧，从而减少对紫外线的吸收，起到降温作用。在低空，氮氧化物会促进臭氧的生成，从而增加对地表辐射的吸收，起到增温作用。此外，氮氧化物还会影响甲烷的寿命，从而间接影响温室效应。

1.3 影响评估的挑战

尽管这些排放的影响已在总体层面上得到评估，但准确测量航空公司或单个航班层面的气候影响的能力仍然非常有限。此外，关于这些排放的总体气候影响仍然存在相当大的不确定性。氮氧化物的排放量主要取决于发动机设计、技术和运行条件（怠速、起飞、下降等），以及发动机运行的大气条件（温度、压力和湿度）。这种可变性也适用于凝结尾迹的形成，这取决于大气条件、发动机和飞机设计以及燃料成分。

第二章：政策导向与技术创新

为了应对航空业非二氧化碳排放带来的挑战，需要政策引导和技术创新双管齐下，推动航空业的可持续发展。

2.1 提高燃油效率的技术和运营措施

提高燃油效率的技术和运营措施可以同时减少二氧化碳和非二氧化碳的排放。例如，采用更轻的材料、改进空气动力学设计、优化飞行路线和速度等措施都可以降低燃油消耗，从而减少各种排放物的产生。

2.2 减少非二氧化碳排放的措施

旨在减少非二氧化碳排放的措施有时可能导致二氧化碳排放的增加。例如，降低推力可以显著减少起飞和爬升过程中的氮氧化物排放，但降低的爬升梯度会延长爬升时间，导致燃油消耗和噪音增加。因此，任何避免非二氧化碳排放的措施都需要确保不会以增加二氧化碳排放为代价。

• 发动机技术改进： 技术选择包括使用稀薄燃烧和先进的RQL（富燃快速淬熄贫燃）燃烧器，以及未来可能采用的喷射雾化水滴来冷却起飞期间的发动机气流。这两种选择都显示出显著降低氮氧化物排放的潜力，分别高达40%和50%。
• 凝结尾迹避免策略： 在避免凝结尾迹方面，可以将航班转移到天气条件可能导致凝结尾迹和凝结尾迹诱导云形成的区域之外，但这也会增加二氧化碳排放的风险，如果转移的飞行路线更长或并非最优。这种方法的成功取决于提高对冰过饱和区域预测的准确性。令人鼓舞的是，据估计，只需要转移极少数的航班：一项在日本空域进行的研究报告称，仅转移1.7%的航班就可以使凝结尾迹的总有效辐射强迫（ERF）减少一半以上，而燃料消耗的增加微乎其微，二氧化碳排放的增加也很小。

2.3 导航方面的改进

虽然导航方面的改进可以产生显著的气候效益，但这依赖于目前未实时收集的参数的数据收集，例如巡航高度的空气相对湿度。对预测的凝结尾迹进行适当的表征将确保航班改道不会导致负面的权衡，包括额外的二氧化碳排放。

2.4 可持续航空燃料（SAF）的应用

虽然目前不允许使用纯净的（未混合的）低芳烃可持续航空燃料（SAF），但研究表明，SAF可以减少排放的烟尘颗粒的质量和数量，这反过来可能会缩短凝结尾迹卷云的寿命。硫氧化物（SOx）的排放也会增强凝结尾迹的形成，因为它们对由传统航空燃料中的硫含量形成的烟尘颗粒具有涂层作用。由于纯净的SAF不含硫，因此其使用消除了硫氧化物对凝结尾迹形成的影响。制造商已承诺到2030年交付100%兼容SAF的飞机。SAF作为一种替代燃料，具有显著的减排潜力，可以有效减少航空业对环境的影响。

2.5 新型推进技术的探索

• 电力推进： 虽然电力推进将消除所有二氧化碳和非二氧化碳的排放，但电池仍然是可扩展性最低的解决方案，因为它们只能用于次区域飞机。此类飞机在不会形成凝结尾迹的高度飞行。
• 氢燃料飞机： 氢燃料飞机将消除所有碳排放，包括凝结尾迹成核形成的烟尘颗粒。然而，与传统航空燃料或SAF相比，它们将排放更多的水蒸气。有证据表明，氢燃料飞机仍然会产生凝结尾迹，尽管这些凝结尾迹与当今飞机产生的凝结尾迹不同。由于没有固体碳排放，但水蒸气增加，氢凝结尾迹可能由更少但更大的冰晶组成。这些凝结尾迹的光密度、持续时间和辐射强迫仍在进一步研究中。当氢燃料用于燃料电池为电动飞机提供动力时，氢燃料的使用将完全消除氮氧化物的排放，或者如果氢燃料用于喷气发动机，则可以大大减少氮氧化物的排放。

第三章：挑战与未来方向

尽管在减少航空业非二氧化碳排放方面取得了一些进展，但仍面临诸多挑战，需要持续的研究和创新。

3.1 凝结尾迹影响评估的复杂性

虽然凝结尾迹并非总是形成，但它们的影响取决于它们是否持久、形成的位置和时间、天气条件、多个凝结尾迹的综合影响，以及重要的是，它们是否具有冷却或变暖效应。这使得计算它们对每次航班的净气候影响极其复杂。准确预测单次航班的净气候影响将需要通过目前行业无法获得的方法收集技术和气候数据。需要一个过渡期来将数据收集解决方案扩展到整个运营机队。

3.2 技术和运营解决方案的权衡

需要不断进行和进一步研究技术和运营解决方案，以最大限度地减少二氧化碳和非二氧化碳的排放，以便进一步了解如何避免无意的环境权衡和外部性。此类问题存在于二氧化碳和非二氧化碳排放之间，也存在于不同类型的非二氧化碳排放之间。例如，一些燃烧器技术可能会减少氮氧化物，但会增加碳颗粒；更高效的发动机将减少二氧化碳排放，但可能更容易产生凝结尾迹等。这些非常复杂的相互依赖性需要使用一致的指标和时间框架来更好地理解和分析。

3.3 政策制定的挑战

在现阶段将非二氧化碳条款纳入欧盟排放交易体系（或同等市场机制）为时过早。在缺乏准确的测量和商业上可行的解决方案的情况下，此类政策措施极有可能造成重大的市场扭曲，增加运营复杂性，降低连通性，并产生与气候相关的负面权衡和外部性。此外，征收的费用将转移本可用于投资以减轻航空对气候的总体影响的行业资源。

3.4 IATA的应对策略

为了解决阻碍近期减少非二氧化碳排放的障碍，IATA正在与气候科学家、飞机和发动机制造商、技术开发商、航空公司、政府以及航空运输部门内外的其他利益相关者合作，其具体目的是制定一个关于如何监测和报告非二氧化碳排放的计划。最初，我们的工作将侧重于：

• 确定减少二氧化碳和非二氧化碳排放的技术和运营解决方案，
• 确定有助于提高对非二氧化碳气候影响的科学理解的工具和方法，
• 评估部署仪器和系统以及时测量和传递飞行中参数的可行性，
• 通过与气候科学家合作，为比较非二氧化碳排放与二氧化碳排放的方法和指标做出贡献。

第四章：深入探讨凝结尾迹的形成、影响与减缓策略

凝结尾迹是航空业非二氧化碳排放中一个重要的组成部分，其形成、影响以及减缓策略值得深入探讨。

4.1 凝结尾迹的形成机制

凝结尾迹的形成需要满足以下三个基本条件：

• 低温： 通常情况下，凝结尾迹的形成需要环境温度低于-40℃。
• 高湿度： 空气中的相对湿度需要达到冰过饱和状态，即空气中水蒸气的含量超过了在冰晶表面能够稳定存在的最大值。
• 凝结核： 空气中需要存在大量的凝结核，例如烟尘颗粒、硫酸盐气溶胶等，作为水蒸气凝结的中心。

飞机发动机排放的废气中含有大量的水蒸气和凝结核，在高空低温高湿的环境下，水蒸气会迅速凝结在凝结核上，形成细小的冰晶。这些冰晶聚集在一起，就形成了我们看到的凝结尾迹。

4.2 凝结尾迹对气候的影响

凝结尾迹对气候的影响复杂，既可以反射阳光，起到降温作用，也可以吸收地表辐射，起到增温作用。

• 反射阳光： 凝结尾迹中的冰晶可以反射一部分太阳辐射，减少到达地面的太阳能量，从而起到降温作用。
• 吸收地表辐射： 凝结尾迹中的冰晶也可以吸收地表发出的长波辐射，将热量截留在大气中，从而起到增温作用。

总体而言，目前的研究表明，凝结尾迹对气候的增温效应大于降温效应。这是因为凝结尾迹主要吸收地表辐射，而反射太阳辐射的效率相对较低。

4.3 凝结尾迹的持续性与航空诱导云

凝结尾迹的持续时间取决于大气条件。如果大气湿度较高，凝结尾迹会持续存在并扩大，形成航空诱导云。航空诱导云对气候的影响与自然形成的卷云类似，主要起到增温作用。

4.4 凝结尾迹减缓策略

为了减缓凝结尾迹对气候的影响，可以采取以下策略：

• 飞行路线优化： 通过优化飞行路线，避开冰过饱和区域，可以减少凝结尾迹的形成。
• 发动机技术改进： 通过改进发动机技术，减少烟尘颗粒的排放，可以减少凝结尾迹的形成。
• 可持续航空燃料（SAF）的应用： SAF可以减少烟尘颗粒的排放，从而减少凝结尾迹的形成。

第五章：氮氧化物（NOx）排放的影响与减排技术

氮氧化物是航空业非二氧化碳排放中另一个重要的组成部分，其影响和减排技术同样值得关注。

5.1 氮氧化物（NOx）的形成机制

氮氧化物主要是在航空发动机的高温燃烧过程中形成的。空气中的氮气和氧气在高温下发生反应，生成一氧化氮（NO），一氧化氮进一步氧化生成二氧化氮（NO2）。

5.2 氮氧化物（NOx）对环境的影响

氮氧化物对环境的影响主要体现在以下几个方面：

• 臭氧层破坏： 在高空，氮氧化物会破坏臭氧，从而减少对紫外线的吸收，起到降温作用。
• 温室效应： 在低空，氮氧化物会促进臭氧的生成，从而增加对地表辐射的吸收，起到增温作用。
• 酸雨： 氮氧化物在大气中会转化为硝酸，是酸雨的重要组成部分。
• 空气污染： 氮氧化物是空气污染的重要来源，会危害人体健康。

5.3 氮氧化物（NOx）减排技术

为了减少氮氧化物（NOx）的排放，可以采取以下技术：

• 稀薄燃烧技术： 稀薄燃烧技术是指在燃烧过程中减少燃料的浓度，增加空气的浓度，从而降低燃烧温度，减少氮氧化物的生成。
• RQL（富燃快速淬熄贫燃）燃烧器： RQL燃烧器是一种先进的燃烧器设计，通过将燃烧过程分为三个阶段：富燃、快速淬熄和贫燃，可以有效降低氮氧化物的生成。
• 喷射雾化水滴冷却技术： 喷射雾化水滴冷却技术是指在燃烧过程中喷射雾化水滴，通过水滴的蒸发吸收热量，降低燃烧温度，减少氮氧化物的生成。

第六章：可持续航空燃料（SAF）在减少非二氧化碳排放中的作用

可持续航空燃料（SAF）作为一种替代燃料，在减少航空业非二氧化碳排放方面具有重要作用。

6.1 SAF的种类与生产

SAF是指由可持续来源生产的航空燃料，可以替代传统的化石燃料。SAF的种类繁多，主要包括：

• 生物质燃料： 由生物质（例如藻类、油料作物、废弃物等）生产的燃料。
• 合成燃料： 由二氧化碳和氢气合成的燃料。
• 电燃料： 由可再生能源产生的电力驱动电解水制氢，再与二氧化碳合成的燃料。

6.2 SAF对非二氧化碳排放的影响

SAF可以减少烟尘颗粒和硫氧化物的排放，从而减少凝结尾迹的形成。此外，SAF的燃烧效率通常高于传统燃料，可以减少氮氧化物的排放。

6.3 SAF的挑战与机遇

SAF的推广面临诸多挑战，例如生产成本高、产量有限、基础设施不足等。然而，随着技术的进步和政策的支持，SAF的未来发展前景广阔。

第七章：新型推进技术对非二氧化碳排放的影响

新型推进技术，例如电力推进和氢燃料飞机，对减少航空业非二氧化碳排放具有革命性的意义。

7.1 电力推进

电力推进是指使用电力驱动飞机。电力推进可以消除所有二氧化碳和非二氧化碳的排放，但电池的能量密度较低，限制了电力推进的应用范围。目前，电力推进主要适用于小型飞机和短途飞行。

7.2 氢燃料飞机

氢燃料飞机是指使用氢气作为燃料的飞机。氢燃料飞机可以消除所有碳排放，包括凝结尾迹成核形成的烟尘颗粒。然而，氢燃料飞机仍会排放水蒸气，可能产生凝结尾迹。氢燃料飞机面临的挑战包括氢气的储存和运输、发动机的改造等。

第八章：政策建议与未来展望

为了有效应对航空业非二氧化碳排放带来的挑战，需要制定合理的政策，并持续推动技术创新。

8.1 政策建议

• 加强科研投入： 加大对航空业非二氧化碳排放相关研究的投入，提高对非二氧化碳排放影响的科学认知。
• 制定合理的排放标准： 制定合理的航空业非二氧化碳排放标准，引导企业减少排放。
• 鼓励技术创新： 鼓励企业研发和应用减少非二氧化碳排放的新技术。
• 推广SAF的应用： 制定政策支持SAF的生产和应用，降低SAF的成本。
• 加强国际合作： 加强国际合作，共同应对航空业非二氧化碳排放带来的挑战。

8.2 未来展望

随着技术的进步和政策的支持，航空业在减少非二氧化碳排放方面将取得更大的进展。未来，我们有望看到更清洁、更高效的飞机，以及更加可持续的航空业。