在低烟炭排放下显著的飞机凝结尾迹形成

为什么飞机尾迹很重要

当你抬头看到喷气机在天空中划出一道明亮的白色条纹时，你看到的不仅是飞机的视觉痕迹，也是航空对气候变暖造成的重要非二氧化碳贡献之一。这些条纹称为凝结尾迹，能够扩散成薄层云，困住大气中的热量。航空公司和发动机制造商一直寄希望于新型、燃烧更清洁的发动机——它们排放的烟炭远少于旧设计——从而产生更少的尾迹。本研究对这一假设进行了贴近现实的细致考察，结果表明情况并非那么简单。

新发动机，意外的云层

研究人员跟踪了一架配备现代“贫燃”喷气发动机的空客A321neo。这类发动机通过更充分地混合燃料与空气设计，能将烟炭污染量相比旧型发动机减少约千倍。第二架科研飞机紧随该客机数十米之外，测量新鲜尾气中的粒子和气体，并在数公里下风处再次测量已完全形成的凝结尾迹。团队测试了多种燃料：普通航空煤油、完全生物基燃料，以及在硫和芳烃含量上经过精心调整的混合燃料。

排放更清洁，但冰晶仍然众多

在烟炭方面，贫燃发动机表现如预期。在巡航条件下，其固体烟炭颗粒的排放量约为富燃模式的千分之一，并且远低于许多旧发动机。但当科学家在成熟尾迹中计数冰晶时，发现数量非常高——高达每公斤燃料一百万亿（10^15）个冰粒子，这与烟炭丰富发动机后观测到的数值相当或仅略低。换言之，大幅减少烟炭并未带来凝结尾迹冰晶的相应下降，因此单靠减少烟炭很可能无法大幅降低尾迹相关的变暖效应。

无形蒸气成为主角

为了解在如此低烟炭排放下这些冰晶从何而来，团队测量并模拟了颗粒的总数，包括尾气冷却过程中由气体形成的微小挥发性颗粒。他们表明，当烟炭稀缺时，其他成分接替了主导作用。燃料中的硫可被氧化形成硫酸，继而凝核成新的硫酸盐颗粒。燃料中的有机化合物和发动机润滑油的蒸气也能形成或包裹颗粒。随着尾流与寒冷潮湿的空气混合，这些大量的小颗粒先长成液滴，随后冻结，即便没有大量烟炭也会播下密集尾迹的种子。

燃料配方和发动机油作为气候调节手段

在低烟炭情形下，这些挥发性颗粒如此重要，因此其来源很关键。研究者比较了普通航空煤油和低含硫混合燃料，发现，在相似的大气条件下，凝结尾迹中的冰晶数量约下降了三倍。模拟中使用超低硫、低芳烃的生物基燃料则使冰晶数量约降一个量级。然而，即便如此，尾迹并未完全消失：模型与观测的比较显示，润滑油蒸气和燃料有机残留物仍是颗粒“种子”的持续来源。在所有发动机工况和燃料类型下，总颗粒数（烟炭加挥发物）与形成的冰晶数量紧密相关。

对未来航行的意义

对非专业读者来说，信息是：仅仅制造燃烧更清洁的发动机不足以解决航空凝结尾迹问题。贫燃发动机能大幅削减烟炭，但其他更微妙的颗粒会顶上来形成冰晶，从而使尾迹导致的增温仍然显著。研究表明，通过调整燃料——尤其是降低硫和某些芳香烃成分——以及重新设计润滑油排放方式，能大幅减少凝结尾迹中的冰晶数，从而减轻其气候影响。由于凝结尾迹存在时间仅为数小时，任何减少其形成的措施都会几乎立即带来降温效应，为长期削减二氧化碳之外提供一个快速的干预手段。这项工作缩小了有关尾迹的科学不确定性，并指明了朝向既能保持人员与货物流动又能减轻气候影响的燃料和发动机设计路线。

引用: Voigt, C., Märkl, R., Sauer, D. et al. Substantial aircraft contrail formation at low soot emission levels. Nature 652, 112–118 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10286-0

关键词: 航空凝结尾迹, 贫燃发动机, 可持续航空燃料, 气溶胶颗粒, 气候影响