文献阅读 | 气候中性航空的定义和意义

题目

Definitions and implications of climate-neutral aviation

作者

Nicoletta Brazzola , Anthony Patt and Jan Wohland

期刊

Nature Climate Change

时间

2022年7月

一作

单位

Department of Environmental Systems Science, ETH Zurich (Swiss Federal Institute of Technology), Zurich, Switzerland

链接

https://doi.org/10.1038/s41558-022-01404-7

研究背景

由于航空业的非二氧化碳排放对气候影响的复杂性和不确定性，以及监管国际航空排放的困难，目前航空的非二氧化碳影响被排除在国际气候协定(巴黎协定)和其他航空缓解政策以及碳市场之外。然而，如果航空业的非二氧化碳排放得不到缓解，航空业的扩张可能会与巴黎协定中的气候目标发生冲突。航空燃油在高空燃烧排放的二氧化碳、水、二氧化硫、煤烟等物质会直接影响气候，此外，燃烧排放的氮氧化物，短期形成的尾迹卷云以及O₃、CH₄等气体也会对气候产生间接影响，这些不同的效应共同贡献了前工业化时代约4%的人为环境影响。

气候中立目标旨在确保航空等人类活动不再进一步加剧气候变化。对于像二氧化碳这样的寿命较长的温室气体，要稳定大气浓度以避免进一步变暖，就需要将净排放量减少到零。而对于航空造成的短期影响来说，情况并非如此。停止排放将消除全球气候升温的短期条件，导致相对于停止排放之前的气温下降。因此，气候中性的定义需要设定一个相对于净排放中性的基线状况。

本研究探讨了不同共享社会经济路径(SSP1-2.6和SSP5-8.5)下航空对气候的影响，包括未来需求、二氧化碳强度和能源效率的一系列可能变化。除了化石航空燃料继续发挥主导作用的情景(Fossil jet fuels)外，本文还评估了两种技术情景，设想完全过渡到零碳燃料(Zero-CO₂ fuels)或假设的零排放飞机(No-emissions aircraft)。文章发现，气候中和(而不是碳中和)是使航空部门与巴黎协定气候变化目标相兼容的必要条件。文章定义了三种考虑非二氧化碳影响的气候中和航空的定义；计算了抵消超过不同气候中和目标的剩余排放所需的二氧化碳去除水平；并评估了这些气候中和框架(包括必要的二氧化碳去除)在不同需求和技术情景下对全球温度的影响。

研究方法

本文建模方法如图1所示。文章首先探索了航空业在未来的不同场景，考虑未来技术和需求随不同社会经济路径的变化，这些情景导致未来航空排放的不同途径和间接影响；随后利用灵敏度参数σ_i计算了不同航空物种的有效辐射强迫(effective radiative forcing，ERF)及其不确定度；应用气候中和的不同定义计算所需的碳去除率，使用全球升温潜能值（Global Warming Potential，GWP*）指标建立航空非二氧化碳强迫与二氧化碳去除之间的关系。最后，在一个降低复杂性模型(the Finite Amplitude Impulse Response model,FaIR)中输入CO₂排放量和去除率以及非CO₂有效辐射强迫，以计算气候中和不同情景下的温度结果。

图1. 建模方法

化石航空燃料、零二氧化碳燃料、零排放飞机三种技术情景的具体定义分别如下：

化石喷气燃料情景遵循SSP情景中包含的排放路径，并假设继续部署化石喷气燃料。这一情景也在一定程度上实现了排放缓解，主要以操作和燃料效率提高的形式实现。

零二氧化碳燃料情景假设从2020年开始，可持续燃料将得到广泛应用，到2050年实现100%无碳航空。由于与化石燃料相比，零碳燃料的成本更高，因此只有在具体政策努力指导下才可能实现这样的目标。如果零碳燃料是以负碳的方式生产的(例如，使用直接空气捕获的二氧化碳)，那么零碳燃料可以确保航空二氧化碳的净零排放，因为它们在燃烧过程中的排放和燃料生产过程中的去除之间达到了平衡。

零排放飞机情景则探讨了实现零排放航空的假想技术突破的影响，如绿色氢燃料电池或电动航空技术等技术等。尽管由于当今电池和燃料电池堆的功率密度，百分百零排放的航空目前在中长途飞行中是不可行的，短期内也是不可预见的；但但在遥远的未来(2050年后)，这一问题可以通过技术创新或操作上的改变来克服。本情景假设零排放飞机在2030年进入市场，到2050年取代约25%的航班，直到2080年接管整个机队。

研究结论

1.非CO₂排放在未来航空情景中的影响

图2根据两种社会经济路径和三种技术路径，展示了航空辐射有效辐射强迫的不同项的演变过程。

图2. 航空业ERF组成

化石航空燃料情景下，二氧化碳排放只得到了部分缓解(例如，通过提高能源效率和降低二氧化碳强度)，因此它们的ERF继续增加。对于尾迹卷云和其他短期强迫，排放的增长轨迹决定了短期强迫是在本世纪下半叶减少(如SSP1-2.6)还是继续增加(如SSP5-8.5)。在SSP5-8.5航空业不受干扰的增长的假设下，二氧化碳导致的ERF份额从2018年观测到的38%下降到2100年的26%，而尾迹卷云贡献从58%上升到71%。在SSP1-2.6中，非CO₂ ERF项在2060年之前达到峰值，为79%，到2100年，由于排放量的减少，该值下降到61%。

零二氧化碳燃料情景中，如果在2050年实现100%过渡到零碳燃料，即可消除二氧化碳排放并稳定二氧化碳的ERF。因此，尽管零碳燃料部分缓解了其中一些影响，但非二氧化碳影响对总ERF的相对贡献增加了。到2100年，在SSP5-8.5期间，CO₂对总航空ERF的贡献仅为13%，而尾迹卷云的贡献为78%。虽然在这种情况下，O₃的短期增加(NO_x排放的间接影响)似乎发挥了突出作用，但它几乎完全被NO_x的冷却效应所补偿。

探索性的无排放飞机情景中，到2050年，大约四分之一的航班是零排放的，到2080年，所有航班都是零排放的，从而消除所有短期ERF贡献，并在本世纪末降低ERF总额，因此，只有迅速转向无排放航空才能证明当前将非二氧化碳影响排除在缓解努力之外的标准是合理的。然而，这种转变是建立在对未来技术发展非常乐观的假设之上，这些假设很可能无法实现。因此，航空的非二氧化碳强迫应该通过气候中立目标来解决。

2.气候中和的定义

文章定义了三个具有说服力的基线，并相应给出了气候中性航空的三种定义，如图三所示。文章将对未来形势预测最乐观的基线命名为金，认为与没有航空排放的世界相比，航空是气候中性的，在气候中性年(2050年)之后，所有航空气候影响必须降至净零。这一情景将从大气层中完全消除短期的航空影响，如短期温室气体和气溶胶等，实现短期间接影响的中和，从而减少强迫并进一步降低相对于2050年水平的温度；次佳的基线命名为银，认为相对于1.5°C情景下的世界，气候是中性的，这是通过将航空强迫限制在SSP1-1.9情景中实现的。这将导致到2100年气温上升约0.04°C；第三种基线(铜)则认为，航空气候强迫在2050年后达到一个稳定水平，与在气候中和开始日期(2050年)的贡献相比，航空是气候中性的。要做到这一点，所有长期排放都需要为净零排放，而短期强迫必须稳定在2050年的水平。

图3. 气候中性航空的三种定义

3.不同气候中性定义的影响

为了评估气候中性的金、银和铜三种定义，文章使用了经验敏感性参数、GWP*度量和降低复杂性的气候模型FaIR对它们的二氧化碳去除要求和绝对温度变化进行了建模。如果不采取进一步的措施来减少排放，2100年SSP1-2.6和SSP5-8.5下航空业的预估增长将导致全球变暖0.10±0.05°C和0.44±0.22°C。鉴于全球平均温度自2014年以来一直比工业化前的平均温度高出1摄氏度以上，单是这些额外的温度上升就会将全球变暖锁定在1.5摄氏度左右。

图4 仅在两种不同的社会经济路径下，到2100年

由航空排放引起的气温变化

文章推算得到，通过去除二氧化碳来抵消在需求减少和技术改进后仍然存在的航空二氧化碳排放，只能缓解20%由航空部门引起的变暖。如果需求继续增长，在化石喷气燃料的情景下，非二氧化碳气候影响也会增长，并危及碳中和目标。相比之下，采用新的航空技术可以在不去除任何二氧化碳的情况下减少二氧化碳和非二氧化碳的影响，从而大大降低航空对全球变暖的贡献。零二氧化碳燃料燃烧更清洁，因此排放的非二氧化碳物种更少，导致1.5°C兼容温度的超调幅度较小，到2100年的升温幅度为0.05±0.02至0.15±0.09°C。无排放飞机消除了航空的所有直接影响，在所有需求场景下均能将温度降低到几乎与《巴黎协定》相符的水平。

文章还进一步展示了不同气候中性框架下温度的时间演变，如图5所示。除了假设在早期即采取行动的“银”框架外，其他两种情景的排放均大幅超过了1.5°C轨迹，这是因为这两种情形从2050年开始才开始实施二氧化碳去除措施。虽然“铜”情景下的温度几乎稳定在2050年的水平，“金”情景的温度在本世纪下半叶迅速下降，最终在2100年达到与“银”类似的温度。

图5  不同的社会经济途径和技术下21世纪全球温度变化

金、银和铜的定义在不同程度上使用了CO₂去除(图6)。在没有技术变化的情况下(化石喷气燃料场景)，CO₂去除的平均速率非常大，与巴黎协定目标兼容场景中所有部门的总CO₂去除速率相当，这使其可行性值得怀疑。在金情景的气候中和条件下，碳排放速率最高，在SSP5-8.5情景下，2020年至2100年平均达到12±8 Gt CO₂ /年，银情景下也广泛使用碳去除，但平均速率保持在每年10亿吨二氧化碳以下。铜情景的二氧化碳去除率最低。在低需求的SSP1-2.6或无排放飞机方案中，这些甚至会变成负值——相当于额外的二氧化碳允许量，但也不能确保与巴黎气候目标的兼容性。

图6 SSP1-2.6和SSP5-8.5不同气候中和定义和不同技术场景

所包含的CO₂去除率和体量

编辑&排版：蒲金路

相关阅读

    1. 文献阅读 | 全球粮食和能源的用水竞争    2. 文献阅读 | 碳税退税计划对公众支持碳定价的影响有限    3. 招聘 | 新加坡国立大学何小刚教授课题组招聘水文气象方向博士后    4. 文献阅读 | 2013-2020年中国清洁空气行动带来的二氧化碳减排的共同效益    5. 文献阅读 | 中国乘用车行业的碳中和需要协调的短期行为变化和长期的技术解决方案

点击“阅读原文”浏览小组主页