The impact of aircraft exhaust emissions on the atmosphere ; scenario studies with a three dimensional global model

RIVM rapport:In dit rapport worden de resultaten beschreven van een studie naar de effecten van vliegtuigemissies op de atmosfeer, met name de veranderingen in de hoge troposfeer. Deze studie is uitgevoerd in het kader van het project "Luchtverontreiniging en Luchtvaart" (LuLu). Het LuLu onderzoeks-programma is opgezet ten behoeve van de wetenschappelijke ondersteuning van de Parlementaire Nota LuLu. Hoofdvragen in deze studie waren: (1) Hoe groot is de toename van de stikstofoxide (NOx) concentraties ten gevolge van vliegtuigemissies op kruishoogte? (2) Wat zijn daarvan de effecten op de concentraties van ozon (O3) en verwante stoffen in de troposfeer? (3) Welke rol spelen processen in vliegcorridors? (4) Wat zijn de effecten van de emissies van toekomstig vliegverkeer? (5) Welke zijn de gevolgen van veranderingen veroorzaakt door vliegverkeer in relatie tot de NMP milieuthema's: het broeikaseffect, aantasting van de ozonlaag, zure depositie en ozontoename op leefniveau? De veranderingen in de concentraties van stikstofoxiden (NOx), salpeterzuur (HNO3), ozon (O3) en het hydroxyl radicaal (OH) veroorzaakt door vliegverkeer zijn berekend met behulp van het mondiale drie-dimensionale chemisch-transport model MOGUNTIA. De berekende relatieve toenames in de achtergrondconcentraties op kruisvluchthoogte (9-12 km) tussen 30-60 graden N, veroorzaakt door huidige vliegtuigemissies, is achtereenvolgens voor NOx: 20-70%, HNO3: 10-20%, O3: 1-4,5% en OH: 5-15%. Deze resultaten zijn consistent met andere studies. In de huidige modelstudies naar effecten van vliegtuigemissies wordt instantane grootschalige menging van de emissies verondersteld waarbij de kleinschalige processen in de uitlaatpluim en de vliegcorridors verwaarloosd worden. Deze processen zijn verdisconteerd in de emissievelden in de voorliggende studie met behulp van een eenvoudige parameterisatie van de zogenaamde sub-grid chemie, ontwikkeld met een vliegtuig-uitlaat-pluimmodel. Hierbij is uitgegaan van een gaussische pluimgro
This report describes the results of a study on the impact of aircraft exhaust emissions on the atmosphere. This study has been carried out within the framework of the Dutch national research programme 'Luchtverontreiniging en Luchtvaart' (Air Pollution and Aviation). This programme has been set up as a scientific contribution to the preparation of the bill on air pollution and aircraft, the 'Nota Luchtverontreiniging en Luchtvaart' (LuLu).The objectives of this study were to study the effects of emissions of nitrogen oxides (NOx) and other exhaust species from aircraft using the three dimensional (3D) model MOGUNTIA, in particular with respect to changes in the upper troposphere. The main questions were: (1) What are the increases of NOx concentrations due to aircraft emissions? (2) What are the effects of the emissions with respect to changes in the concentrations of ozone (O3) and related species? (3) How large are plume and corridor effects? (4) What are the effects of emissions of future air traffic? (5) What are the consequences of aircraft emissions with respect to the in the Netherlands so-called environmental themes: the enhanced greenhouse effect, the depletion of the stratospheric ozone layer, acid deposition and surface pollution by ozone? The changes due to aircraft emissions in the concentrations of NOx, nitric acid (HNO3), O3 and the hydroxyl radical (OH) have been calculated with the global 3D chemical-transport model MOGUNTIA. The calculated relative increases in the background concentrations of NOx, HNO3, O3 and OH at cruising heights (9-12 km) between 30-60 degrees N in 1990 due to aircraft emissions are for NOx: 20-70%, HNO3: 10-20%, O3: 1-4.5% and OH: 5-15%, respectively. These figures are consistent with other studies. However, it must be kept in mind that many uncertainties are left in tropospheric modelling. The chemical processes in an aircraft plume in the upper troposphere occurring before large-scale mixing were studied with an Aircraft E