研究: 空にもっと目を向けることは、飛行機が気候温暖化をもたらす飛行機雲を減らすのに役立ちます |マサチューセッツ工科大学ニュース

航空が気候に与える影響の一部は、飛行機雲、つまり飛行機が大気の氷と湿った層を通過するときに空に縞模様を描く結露によるものです。飛行機雲は地表から放射する熱を捕らえ、この影響の大きさは不明ですが、いくつかの研究は、航空が気候に与える影響の約半分は飛行機雲が原因である可能性があることを示唆しています。

パイロットは、乱気流を避けるために高度を調整するのと同じように、飛行機雲が発生しやすい地域を避けることで、飛行機の気候への影響を軽減できると考えられます。しかし、そのためには、空のどこに飛行機雲が発生する可能性があるかを知る必要があります。

こうした予測を行うために、科学者たちは過去に形成された飛行機雲の画像を研究しています。静止衛星によって撮影された画像は、科学者が飛行機雲の識別および回避システムを開発するために使用する主要なツールの 1 つです。

しかし、新しい研究は、静止衛星が見ることができるものには限界があることを示しています。 MITのエンジニアは、静止衛星で撮影した飛行機雲の画像を分析し、地球低周回衛星（LEO）で撮影した同じ地域の画像と比較した。 LEO 衛星は低高度で地球を周回しているため、より詳細な情報を捉えることができます。ただし、LEO 衛星は飛行中に画像をスナップするだけであるため、数分ごとに地球の同じ領域を継続的に画像化する静止 (GEO) 衛星よりも、同じ領域の画像をキャプチャする頻度ははるかに低くなります。

研究者らは、静止衛星が LEO 画像に現れる飛行機雲の約 80% を見逃していることを発見しました。静止衛星は主に、成長して大気中に広がる時間を経た大きな飛行機雲を観測します。 LEO衛星が捉えることができるさらに多くの飛行機雲は、多くの場合、より短く、より薄いものです。これらのより細い糸は、飛行機のエンジンからすぐに形成された可能性が高く、まだ小さすぎるか、静止衛星が識別するには十分に明確ではありません。

この研究は、飛行機雲の識別および回避システムの開発における複数の観測アプローチの必要性を強調しています。研究者らは、GEO 衛星画像と LEO 衛星画像にはそれぞれ長所と限界があることを強調しています。両方の情報源からの観測と地上から撮影した画像によって、飛行機雲とその進化のより完全な全体像が得られる可能性があります。

「空にもっと多くの『目』があれば、飛行機雲の一生がどのようなものかを知り始めることができるでしょう」と、マサチューセッツ工科大学航空宇宙学部（エアロアストロ）の研究科学者プラカシュ・プラシャンス氏は言う。 「そうすれば、飛行機雲の生涯にわたる放射特性がどのようなものであるか、そして飛行機雲がいつ、そしてなぜ気候にとって重要なのかが理解できるでしょう。」

新しい研究 今日の日記に掲載される 地球物理学研究レター。 この研究の MIT 共著者には、エアロアストロの大学院生で筆頭著者の Marlene Euchenhofer 氏が含まれています。シドニー・パーク、学部生。イアン・ウェイツ、ジェローム・C・ハンセイカー航空宇宙学教授、MIT研究担当副学長。そしてインペリアル・カレッジ・ロンドンのセバスチャン・イースタム氏。

イメージングバックボーン

飛行機雲は、飛行機からの排気ガスが氷のように湿った空気と出会うときに形成され、排気ガスからの粒子は水蒸気が集まって凍って氷の結晶になる種の役割を果たします。飛行機が前進すると、その後に細い糸として結露の跡が残り、それが成長して長距離に広がり、消散するまで数時間続きます。

それが続くと、飛行機雲は氷雲と同じように機能し、それ自体が 2 つの競合する効果をもたらす可能性があります。1 つは飛行機雲が一種の熱シールドとなり、太陽からの入射放射線を反射する効果です。一方、飛行機雲はブランケットとしても機能し、地表からの熱の一部を吸収して反射します。太陽が輝いている日中、飛行機雲は遮熱効果と閉じ込め効果の両方を発揮します。夜になると、雲のような糸は閉じ込めて暖める効果だけを持ちます。全体として、飛行機雲が全体として地球温暖化に寄与していることが研究によって示されています。

航空による気候温暖化の影響を軽減するために、航空機の飛行機雲回避システムを開発およびテストするための複数の取り組みが進行中です。そして科学者たちは、宇宙からの飛行機雲の画像を使用して、それらのシステムに情報を提供しています。

「静止衛星画像は、飛行機雲を検出するための観測の主力です」とオイヘンホーファー氏は言います。 「それらは地表から 36,000 キロメートル上空にあるため、広範囲をカバーでき、昼も夜も同じ地点を見つめているため、同じ場所の新しい画像を 5 分ごとに取得できます。」

しかし、静止衛星は速度と受信範囲をもたらすものの、鮮明さに欠けています。彼らが撮影した画像の解像度は、LEO衛星によって撮影された画像の約5分の1です。これはほとんどの科学者にとって驚くべきことではないでしょう。しかし、オイヘンホーファー氏は、静止した飛行機雲の写真と LEO の飛行機雲の写真がどれほど異なって見えるのか、両方の情報源を組み合わせることができれば写真を改善するどのような可能性があるのかと疑問に思いました。

「私たちは静止衛星が観測ベースの回避のバックボーンであると今でも考えています。その理由は、空間をカバーし、画像を取得する頻度が高いためです」と彼女は言います。 「LEO や地上カメラなどの他のデータソースからの観測を含めれば、データを強化できると考えています。」

跡を追う

新しい研究で研究者らは、2つの衛星画像装置からの飛行機雲画像を分析した。1つは飛行機雲の観察に通常使用される静止衛星に搭載されたAdvanced Baseline Imager（ABI）、もう1つは複数のLEO衛星に搭載された高解像度の可視赤外線放射計スイート（VIIRS）である。

2023年12月から2024年11月までの各月について、チームはVIIRSがフライバイ中に撮影した本土米国の画像を選択した。彼らは、静止ABIによってほぼ同じ時刻に撮影された、同じ場所の対応する画像を発見した。画像は赤外線スペクトルで撮影され、疑似カラーで表現されたため、研究者は昼と夜の両方で形成された飛行機雲をより簡単に識別できるようになりました。次に研究者らは目視で作業し、各画像を拡大して、見える飛行機雲を特定し、輪郭を描き、ラベルを付けました。

画像を比較したところ、GEO画像ではLEO画像で観察された飛行機雲の約80パーセントが欠けていることが判明した。また、各画像内の飛行機雲の長さと幅も評価したところ、GEO 画像では主に大きくて長い飛行機雲が捉えられているのに対し、LEO 画像では短くて小さい飛行機雲も識別できることがわかりました。

「LEO衛星で見ることができ、GEO画像装置では見ることができなかった飛行機雲の80パーセントを発見しました」とMITの航空環境研究所の執行役員であるプラシャンス氏は言う。 「だからといって、気候への影響の 80% が捉えられなかったわけではありません。なぜなら、GEO イメージャーで見る飛行機雲は、より大きな気候への影響をもたらす可能性が高い、より大きなものだからです。」

それでも、この研究はチャンスを浮き彫りにしている。

「私たちはこのメッセージを確実に伝えたいと考えています。静止画像装置は、カバーする空間範囲と取得できる画像の数の点で非常に強力です」とオイヘンホーファー氏は言います。 「しかし、特に政策立案が必要な場合に、1つの機器だけに依存するのはおそらく不完全すぎて、飛行機雲回避に関して科学や航空会社に情報を提供することはできません。私たちはこのギャップを他のセンサーで埋める必要があります。」

研究チームによると、他のセンサーには、理想的な条件下で飛行機が形成する飛行機雲をリアルタイムで発見できる地上カメラのネットワークが含まれる可能性があるという。これらの小さくて「若い」飛行機雲は通常、静止衛星によって見逃されます。科学者がこれらの地上データを取得すると、飛行機雲と飛行機を照合し、飛行機の飛行データを使用して飛行機雲が現れる正確な高度を特定できます。その後、静止画像を使用して、飛行機雲が成長して大気中を拡散する様子を追跡できるようになりました。最終的には、十分なデータがあれば、科学者は正確な予測モデルをリアルタイムで開発し、飛行機雲が形成され、持続する可能性のある地域に飛行機が向かっているかどうか、またその地域を避けるために高度をどのように変更できるかを予測できるようになります。

「人々は飛行機雲の回避を、交通分野で最も削減が難しい分野の一つを攻撃する短期的かつ安価な機会だと考えている」とプラシャンス氏は言う。 「航空業界では、気候への影響を軽減するための簡単な解決策はあまりありません。しかし、飛行機雲が大気中のどこに形成されるかを判断し、その相対的な影響を理解し、回避の結果を検証するためのより良いツールができるまでは、そうするのは時期尚早です。私たちはこれを慎重かつ厳密な方法で行う必要があり、ここでこれらの要素の多くが役に立ちます。」

この研究は、米国連邦航空局環境エネルギー局によって部分的に支援されました。