Utslipp fra fly i stor høyde er spesielt skadelige

Eksosen fra flymotorer inneholder bl.a. karbondioksid CO₂, vanndamp og nitrogenoksid NO_x. CO₂  er en drivhusgass som blander seg godt i atmosfæren, og CO₂-utslipp i stor høyde påvirker derfor klimaet like mye som tilsvarende utslipp ved bakken. Vanndampen kan i stor høyde kondensere på partikler i avgassene og danne kondensstriper, som igjen kan utvikle seg til fjærskyer. I stor høyde er begge varmende. NO_x kan både føre til dannelse av ozon og til nedbrytning av metan. Ozon i stor høyde er varmende, og nedbrytning av metan er kjølende. Summen av tilleggseffektene forårsaket av vanndamp og NO_x er i stor høyde varmende. De kommer i tillegg til drivhuseffekten av CO₂.

Det er vitenskapelig usikkerhet om størrelsen på tilleggseffektene. Sammenlignet med effekten av CO₂ er tilleggseffektene kortvarige, men de er sterke sålenge de virker. Det er et verdivalg å bestemme hvor stor vekt vi skal legge på kortvarige effekter i forhold til langvarige effekter. Dette innlegget vil diskutere hvor store tilleggseffektene er ved å vise til vitenskapelige artikler og til annen litteratur.

Et kort sammendrag er at tilleggseffektene må tas hensyn til for jetflyene som flyr høyt, men ikke for propellflyene som flyr vesentlig lavere. Tilleggseffektene blir tatt hensyn til ved å multiplisere de direkte CO₂ utslippene fra en flyreise med en faktor som kalles EWF, Emission Weighting Factor. Produktet angir CO₂ mengden som måtte ha blitt sluppet ut på bakkenivå for å gi det samme bidraget til global oppvarming som flyreisen gjorde. EWF lik 3 er et fornuftig valg. Dvs. at brenning av en viss mengde flybensin i stor høyde gir tre ganger så stort bidrag til global oppvarming som om den samme mengden hadde blitt brent på bakkenivå.

EWF versus RFI

EWF beregnes ved å se fremover i tid. Utgangspunktet er utslipp fra en eller flere flyreiser som gjøres nå. En beregner forholdet mellom de totale bidragene og bidraget fra CO₂ alene over en tidshorisont. Bidrag i denne sammenhengen er bidrag til global oppvarming forårsaket av denne eller disse flyreisene. Øyeblikksverdiene til bidragene er gjennomsnittlig effekt (W for watt) per arealenhet (m² for kvadratmeter) over hele Jorden. Når vi ser fremover i tid, summerer vi gjennom hele tidshorisonten øyeblikksverdiene multiplisert med tiden som de virker i. Matematisk er det å integrere øyeblikksverdiene over tidshorisonten. Resultatet er energi (J for Joule) per arealenhet. Det er også mulig å se fremover i tid på andre måter, men det dekkes ikke i dette innlegget.

Når vi vurderer oppvarmingen fremover i tid, må vi bestemme oss for tidshorisonten, dvs. hvor langt frem i tid vi skal se. Det er vanlig å se hundre år frem i tid. Da er ikke de kortvarige tilleggseffektene så dominerende som hvis vi ser kortere frem i tid. Det er grunn til å frykte at global oppvarming i de neste tiårene kan forårsake endringer som er selvforsterkende og derfor vanskelige å reversere. Det er et sterkt argument for å bruke en kortere tidshorisont enn 100 år. Mange beregner derfor EWF for både 20 år og 100 år tidshorisont.

Produktet av EWF og de direkte CO₂ utslippene fra en flyreise angir CO₂ mengden som måtte ha blitt sluppet ut på bakkenivå for å gi det samme bidraget til global oppvarming i løpet av tidshorisonten som flyreisen gjorde. Forholdene rundt flyreisen varierer både geografisk og i tid, så dette produktet er et gjennomsnitt. Noen ganger gir flyreisen større bidrag, andre ganger mindre.

I litteraturen er det enighet om å multiplisere de direkte CO₂ utslippene med en faktor større enn 1 for å angi klimabelastningen av en flyreise. Men det er diskusjoner om dette produktet kan kalles CO₂ ekvivalenter eller ikke. I tekst vil jeg prøve unngå disse diskusjonene ved å forklare hva produktet angir. Hvis jeg av plasshensyn må gi produktet et navn, velger jeg å kalle det CO₂ ekvivalenter med forkortelse CO_2e.

Alternativet til å se fremover i tid er å se bakover i tid fra et rederanseår. Da beregnes bidragene både fra CO₂ og fra tilleggseffektene i referanseåret. Utgangspunktet for beregningene er utslippene fra all flytrafikk t.o.m. referanseåret. Bidragene har benevning effekt per arealenhet (W per m²). Ved å dividere luftfartens totale bidrag med bidraget fra CO₂ alene får vi en faktor som kalles RFI, Radiation Forcing Index. RFI er ikke ment brukt for å vurdere fremtidige konsekvenser av flyreiser som gjøres nå.

Selv om RFI og EWF beregnes på prinsipielt forskjellige måter, viser det seg at de ofte blir omtrent like store. Begge brukes som en faktor som de direkte CO₂ utslippene multipliseres med. Begrepet RFI er kanskje bedre innarbeidet en EWF, og jeg ser at flere bruker betegnelsen RFI selv om de beregner fremtidig effekt av en flyreise som gjøres nå.

Noen anslag av RFI

I sin spesialrapport om luftfart fra 1999 vurderte IPCC bidragene fra tilleggseffektene og fra CO₂ ved å se bakover i tid. De brukte 1992 som referanseår. De estimerte bidraget i 1992 av luftfartens utslipp frem til da. De beregnet et beste etimat av RFI til å være 2,7. Det vil si at luftfartens bidrag i 1992 var 2,7 ganger større enn luftfartens CO₂ utslipp frem til da alene skulle tilsi. I beregningen av RFI tok ikke IPCC med bidrag forårsaket av at vedvarende kondensstriper kan utvikle seg til fjærskyer. De skrev imidlertid at slike fjærskyer kan gi betydelig oppvarming.

I sin fjerde hovedrapport fra 2007 beregnet IPCC bidragene fra CO₂ og fra tilleggseffektene med 2005 som referanseår. Men de beregnet ikke noe beste estimat av RFI. I artikkelen Aviation and global climate change in the 21st century går David S Lee og medforfatterne gjennom beregningene som IPCC gjorde. De påpeker at IPCC brukte foreløbige tall for luftfartens drivstofforbruk som senere viste seg å være gale, og de gjentok derfor beregningene med korrekte tall. Artikkelen til Lee gir bedre oversikt over temaet enn IPCC klarte i sin fjerde hovedrapport, og jeg anbefaler spesielt Fig 4 i artikkelen. I 2005 var bidraget fra CO₂ alene 28 mW per m², bidraget fra tilleggseffektene uten fjærskyer 27 mW per m², og bidraget fra tilleggseffektene med fjærskyer 48 mW per m². Det er store usikkerheter rundt disse verdiene, spesielt for fjærskyene, noe som kommer godt frem i artikkelen. Verdiene gir RFI lik 2,0 uten fjærskyer og 2,7 med fjærskyer.

Jeg finner liten støtte for å beregne RFI basert på IPCCs femte hovedrapport fra 2013. Der anslår de at luftfartens bidrag fra kondensstriper og fjærskyer i 2011 var 55 mW per m², men jeg finner ikke tallfestet luftfartens bidrag fra verken CO₂ eller NO_x. Artikkelen til Davis S Lee som jeg refererte til i det forrige avsnittet, anslår at bidraget i 2005 fra kondensstriper og fjærskyer var 33 mW per m². Dvs. at IPCC anslår at dette bidraget økte betydelig fra 2005 til 2011.

IATA undersøkte i en briefing fra november 2013 hva IPCC skrev om luftfartens bidrag i sin femte hovedrapport. Også IATA fant bare tall for kondensstriper og fjærskyer. IATA regnet ut at bidraget i 2011 fra kondensstriper og fjærskyer utgjorde 2,18 prosent av de totale menneskeskapte bidragene. Bidragene fra luftfartens utslipp av CO₂ og NO_x kommer i tillegg, så IATA vedkjenner at luftfartens bidrag til global oppvarming er betydelige.

Noen anslag av EWF

På nettet er det mange karbonkalkulatorer og retningslinjer for å beregne klimabelastningen av en flyreise. Niels Jungbluth har gjort en litteraturstudie der han sammenligner kalkulatorene og retningslinjene, noe han har dokumentert i artikkelen Aviation and Climate Change: Best practice for calculation of the global warming potential. Han viser at det er et veldig stort spenn i EWF-verdier som brukes av karbonkalkulatorer og som anbefales i diverse  retningslinjer. Hos de som bruker samme EWF for flyreisen uavhengig av høyde, varierer EWF mellom 1 og 2,7. Artikkelen anbefaler å bruke 2. Hos de som bare bruker EWF i stor høyde, varierer EWF mellom 1 og 8,5. Artikkelen anbefaler å bruke 5,2. Jeg synes ikke at det kommer klart frem hvilken tidshorisont Jungbluth bruker når han anbefaler 5,2.

Stockholm Environment Institute SEI vurderer tidshorisonter i notatet Carbon Offsetting & Air Travel Part 2: Non-CO₂ Emissions Calculations. De argumenterer for å bruke kort tidshorisont. De beregner EWF til å være ca 4 med tidshorisont 20 år og litt under 2 med tidshorisont 100 år. De anbefaler å benytte en EWF på minst 2, men ikke fullt ut for propellfly fordi de flyr lavere enn jetflyene.

Tabell 3.4 i boken Climate Change and Aviation av Stefan Gössling og Paul Upham gir en fin oversikt over bidragene når EWF beregnes over flere tidshorisonter. Med tidshorisont 20 år gir kondensstriper og fjærskyer vesentlig større bidrag enn CO₂, og deres anslag for EWF med denne korte tidshorisonten er 3,8. Med tidshorisont 100 år gir CO₂ det største bidraget, og deres anslag for EWF med denne lange tidshorisonten er 1,8. Disse anslagene stemmer bra med beregningene til Stockholm Environment Institute. Boken gir ingen anbefaling mht. valg av tidshorisont.

Karbonkalkulatoren Atmosfair skiller mellom utslipp lavt og høyt i atmosfæren. I sitt metodenotat definerer de stor høyde til å være over 9000 m. Utslipp under 9000 m blir ikke multiplisert med noen faktor, mens utslipp over 9000 m blir multiplisert med faktoren 3. De støtter seg til beregningene av RFI i  IPCCs fjerde hovedrapport fra 2007, som angir et spenn i RFI mellom 1,9 og 4,7. Atmosfair bruker faktoren for å beregne fremtidige konsekvenser av en flyreise som gjøres nå, så de kunne ha kalt faktoren EWF i stedet for RFI. Men de synes antagelig at det er sikrest å basere seg på beregninger og begreper som IPCC står bak. Beregningene av EWF gjengitt i de foregående avsnittene, tilsier at Atmosfairs bruk av RFI lik 3 tilsvarer å bruke EWF beregnet over en tidshorisont litt lenger enn 20 år, men betydelig kortere enn 100 år. Både det, og å skille mellom utslipp i lav og stor høyde, virker for meg riktig.

Hvor går grensen mellom lav og stor høyde ?

I artikkelen Radiative forcing by persistent contrails and its dependence on cruise altitudes beregner Gaby Rädel og Keith Shine effekten av mulige kondensstriper per flykilometer som funksjon av flyhøyde. I lav høyde er effekten null fordi fly i lav høyde ikke danner vedvarende kondensstriper. Effekten er størst mellom 10 og 11 km høyde. Figur 1 viser oppvarmingen som en funksjon av flyhøyde.

Figur 1: Oppvarming per flykilometer forårsaket av vedvarende kondensstriper. Oppvarmingen langs vertikal akse er skalert ved at den maksimale verdien er satt lik 100 prosent. Utslippskalkulatoren Atmosfair gir flyreiser tilleggseffekter, bl.a. pga. vedvarende kondensstriper, bare når flyet er høyere enn 9 km (29500 fot). Tekst inne i figuren viser Atmosfairs grense og typisk flyhøyde for propellfly og jetfly. 

Høyden som flyene cruiser i, avhenger av flere faktorer. Optimal høyde er høyden der flyene er mest effektive. Propellfly cruiser gjerne mellom 20 og 25 tusen fot og jetfly mellom 30 og 40 tusen fot. Langdistanse jetfly cruiser gjerne litt høyere mot slutten av reisen enn de gjorde i begynnelsen fordi de blir lettere etter hvert som drivstoffet brennes. Typisk flyhøyde er markert som tekst inne i Figur 1. Vi ser at propellfly cruiser godt under grensen på 9 km (29500 fot) som Atmosfair har satt for å gi tilleggseffekter, og jetfly cruiser godt over grensen. Figur 1 viser at oppvarmingen pga. kondensstriper er veldig mye mindre der propellflyene cruiser enn der jetflyene cruiser. Den viser også at grensen til Atmosfair virker fornuftig satt.

Konklusjon

Min konklusjon, basert på de vitenskapelige artiklene og annen litteratur som jeg har lest, er at det virker fornuftig å multiplisere de direkte CO₂ utslippene fra flyvning i stor høyde med 3 for å beregne CO₂ mengden som måtte ha blitt sluppet ut på bakkenivå for å gi det samme bidraget til global oppvarming som flyvningen i stor høyde gjorde. Denne oppjusteringen er ikke nødvendig for CO₂ utslipp i lav høyde. Atmosfair setter 9000 m som skille mellom lav og stor høyde, og det virker som et fornuftig valg.