8.5.2: Huella ambiental de las operaciones de aeronaves
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Ruido
La molestia por ruido es un impacto ambiental importante en las inmediaciones de los aeropuertos. El problema no está relacionado con una operación aislada de despegue o aterrizaje, sino como consecuencia del conjunto total de salidas y llegadas que se realizan diariamente en el aeropuerto. Para entender el problema, tratar de empatizar con un barrio (incluyendo hospitales, escuelas, casas, etc.) que tenga que soportar sistemáticamente una cantidad importante de ruido. Para cuantificarlo se utiliza el decibelio [Db]. Para proporcionar una referencia cualitativa, cabe mencionar que una aeronave comercial típica durante el despegue emite 130 dB; el umbral de dolor es de 140 dB; un lanzador durante el despegue es de 180 dB; un concierto es de 110 dB; un tren de 80 dB; una conversación de 40 dB; etc.
Las fuentes de emisión de ruido más importantes dentro de una aeronave se deben a los motores, que funcionan en configuraciones de alta potencia durante el despegue y la subida inicial. El aporte fundamental a este ruido se debe a los elementos rotatorios (compresor, turbina, ventiladores, etc.). El segundo aporte fundamental se debe al chorro agotado en caso de turborreactores. Además, también hay un llamado ruido aerodinámico, que viene del ala, el fuselaje, el empenaje y el tren de aterrizaje a medida que la aeronave vuela. Las ondas sonoras se propagan en el aire a la velocidad del sonido. La intensidad que sufre un observador es proporcional a la intensidad en la fuente (la aeronave en este caso) e inversamente proporcional a la distancia cuadrada entre la fuente y el receptor, es decir, cuanto más cerca está la aeronave, más intenso es el ruido que sufre el observador.
Estrategias de mitigación de ruido: Existen cuatro estrategias fundamentales para mitigar el ruido:
- Reducción de ruido en la fuente (fuselaje y motores).
- Gestión y planeación urbana.
- Procedimientos de reducción de ruido de despegue y aterrizaje.
- Restricciones operativas.
El desarrollo continuo de aviones y motores a reacción cada vez más modernos ha llevado en el pasado a una reducción sustancial de las emisiones de ruido (entre otras mejoras). Se espera que esto continúe en el futuro, ya que las emisiones sonoras son reguladas por las autoridades. Obviamente requiere la aplicación de nuevas tecnologías provenientes de la investigación y la innovación.
La gestión y planeación urbana se refiere a limitar las áreas urbanas próximas a los límites actuales del aeropuerto, pero también a posibles ampliaciones futuras.
Si sucede que hay un barrio al lado de un aeropuerto, y el barrio está sufriendo ruido, una estrategia interesante es diseñar los llamados procedimientos de reducción de ruido tanto para la salida como para la llegada. Estos suelen ser procedimientos de ascenso continuo o descenso continuo que modifican la trayectoria de vuelo para evitar sobrevolar ciertas áreas. Una buena referencia en este tema es Prats-Menéndez [11].
Por último, si no se ha desarrollado alguna de las estrategias anteriores, siempre se pueden restringir las operaciones, por ejemplo, en horas nocturnas. Esto no es deseable en términos de economía de la industria, pero podría ser obligatorio debido a la legislación local.
Impacto del cambio climático.
La aviación es uno de los sectores del transporte con impacto climático moderado en la actualidad. El transporte aéreo contribuye con una pequeña pero creciente participación del impacto antropogénico global del cambio climático. A medida que la aviación crece para satisfacer la creciente demanda, el Panel Intergubernamental de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (IPCC) pronosticó en 1999 que su participación en\(CO_2\) las emisiones mundiales producidas por el hombre aumentará a alrededor de 3% a 5% en 2050 (en 1999 se estimó en 2%) P ENNER [9]. Además, la Real Comisión de Contaminación Ambiental (RCEP) ha estimado que el sector de la aviación será responsable del 6% o del forzamiento radiativo antropogénico total para 2050 Royal-Commission [12]. El desarrollo de métodos de mitigación para este propósito está en línea con visiones de aviación y programas de investigación, como ACARE [1], los proyectos europeos de aeronáutica Clean Sky 18 y SESAR C ONSORTIUM [15], y la estrategia estadounidense Next Generation 19.
El impacto climático de la aviación resulta de\(CO_2\) y no-\(CO_2\) emisiones P ENNER [9]. Si bien\(CO_2\) es el agente de gases de efecto invernadero más percibido en la aviación, principalmente por su larga vida en la atmósfera y por su considerable contribución al forzamiento radiativo, las emisiones de los motores de los aviones incluyen otros constituyentes que contribuyen, a través de la formación o destrucción de constituyentes atmosféricos, al cambio climático. Las no\(CO_2\) emisiones (óxidos de nitrógeno, vapor de agua, aerosoles, etc.) tienen una vida útil más corta pero contribuyen en gran medida al impacto climático de la aviación, teniendo un mayor impacto climático cuando se emiten en crucero que a nivel del suelo. Uno de estos no\(CO_2\) contribuyentes al cambio climático es la formación de estelas, las cuales han recibido una atención significativa P ENNER [9]. La importancia relativa\(CO_2\) y no\(CO_2\) depende fuertemente del horizonte temporal para la evaluación de los impactos y escenarios climáticos, por ejemplo, el desarrollo futuro del tráfico aéreo. Los\(CO_2\) no-efectos son más importantes para horizontes de corto tiempo que para horizontes largos.
Impacto\(NO_x\) climático de la aviación: Los óxidos de nitrógeno (\(NO_x\), es decir,\(NO\) y\(NO_2\)) son una de las principales no\(CO_2\) emisiones. \(NO_x\)las emisiones en la troposfera y la estratosfera inferior contribuyen a la formación de ozono (\(O_3\)) y la reducción de metano (\(CH_4\)). Ambos son importantes gases de efecto invernadero. En promedio,\(NO_x\) se espera que el\(O_3\) impacto de la aviación sea más fuerte que el impacto sobre\(CH_4\), lo que aumenta el efecto invernadero, aunque las cantidades precisas son inciertas. La cantidad de\(NO_x\) emisiones depende del consumo de combustible y del índice de emisiones específico del tipo del motor. El índice de emisión\(NO_x\) depende de la arquitectura del motor y de la cámara de combustión, el ajuste de potencia, la velocidad de vuelo, la presión ambiente, la temperatura y la humedad. Esta dependencia se tiene que tomar en cuenta a la hora de considerar cambios en el diseño y las operaciones de las aeronaves.
Figura 8.9:\(CO_2\) y emisiones de calentamiento global.
Figura 8.10: Emisiones de aeronaves que contribuyen al calentamiento global. Datos recuperados de B ENito y B ENito [3].
Impacto climático del vapor de agua de la aviación: El impacto climático de las emisiones de vapor de agua sin formación de estela es relativamente pequeño para la aviación subsónica. El impacto relativo aumenta con la altitud debido a tiempos de vida más largos y menores concentraciones de fondo a mayores altitudes en la estratosfera, y sería más importante para los aviones supersónicos; el vapor de agua también sería más importante cuando se utilizan aviones propulsados por hidrógeno. El tiempo total de ruta en la estratosfera se puede utilizar como indicador del impacto climático de vapor de agua.
Figura 8.11: Estelas.
Estelas: Las estelas (abreviatura de senderos de condensación) son nubes delgadas y lineales de partículas de hielo a menudo visibles detrás de los aviones de crucero. Se forman porque, en condiciones atmosféricas apropiadas, el vapor de agua agotado resultante de la combustión dentro de los motores de los aviones se mezcla con el aire ambiente frío, lo que lleva a saturación de líquido local, condensación de vapor de agua y posterior congelación. En S CHUMANN [13] se da un análisis exhaustivo de las condiciones para la formación persistente de estelas a partir de los escapes de aeronaves.
Las estelas lineales pueden persistir durante horas y eventualmente evolucionar hacia nubes difusas de cirro, modificando así la nubosidad natural. Como consecuencia, las estelas persistentes modifican el balance de radiación del sistema Tierra-Atmósfera, resultando en un aumento neto del calentamiento de la superficie terrestre.
Las estelas se forman cuando una mezcla de gases de escape calientes del motor y aire ambiente frío alcanza la saturación con respecto al agua, formando gotas de líquido que se congelan rápidamente. Las estelas se forman en las regiones del espacio aéreo que tienen humedad relativa ambiental con respecto al agua (\(RH_w\)) mayor que un valor crítico\(r_{contr}\). Las regiones con\(RH_w\) mayor o igual al 100% están excluidas porque las nubes ya están presentes. Las estelas pueden persistir cuando la humedad relativa ambiental con respecto al hielo (\(RH_i\)) es mayor al 100%. Así, las regiones favorables de estalla persistentes se definen como las regiones del espacio aéreo que tienen:\(r_{contr} \le RH_w < 100%\) y\(RH_i \ge 100%\).
La humedad relativa crítica estimada para la formación de estelas a una temperatura determinada\(T\) (en grados Celsius) se puede calcular como:
\[r_{contr} = \dfrac{G (T - T_{contr}) + e_{sat}^{liq} (T_{contr})}{e_{sat}^{liq} (T)}\label{eq8.5.2.1}\]
donde\(e_{sat}^{liq} (T)\) es la presión de vapor de saturación sobre el agua a una temperatura dada. La temperatura umbral estimada (en grados Celsius) para la formación de estelas a la saturación del líquido es:
\[T_{contr} = -46.46 + 9.43 \log (G - 0.053) + 0.72 \log^2 (G - 0.053),\label{eq8.5.2.2}\]
donde
\[G = \dfrac{EI_{H_2O} C_p P}{\epsilon Q (1 - \eta)}.\label{eq8.5.2.3}\]
En la ecuación (\(\ref{eq8.5.2.3}\)),\(EI_{H_2O}\) es el índice de emisión de vapor de agua,\(C_p\) es la capacidad calorífica isobárica del aire,\(P\) es la presión del aire ambiente,\(\epsilon\) es la relación de masas moleculares de agua y aire seco,\(Q\) es la combustión de calor específico, y\(\eta\) es la eficiencia de propulsión promedio del motor a reacción.
\(RH_i\)se calcula por temperatura y humedad relativa utilizando la siguiente fórmula:
\[RH_i = RH_w \dfrac{6.0612 \exp \tfrac{18.102T}{249.52 + T} }{6.1162 \exp \tfrac{22.577 T}{237.78 + T}},\label{eq8.5.2.4}\]
donde\(T\) esta la temperatura en grados Celsius.
Opciones de mitigación del impacto climático
Las estrategias para minimizar el impacto climático del tráfico aéreo incluyen identificar las opciones más eficientes para el fuselaje y la tecnología de propulsión, la gestión del tráfico aéreo y los conceptos de redes de rutas alternativas. Las medidas económicas y los incentivos basados en el mercado también pueden contribuir, pero estos están fuera del alcance de este capítulo. Minimizar el impacto climático de la aviación requeriría abordar todos los componentes del impacto climático. A continuación, por su importancia relativa, solo se considera la reducción de emisiones\(CO_2\) y una estrategia de mitigación de estelas.
Minimización de\(CO_2\) Emisiones: El consumo mínimo de combustible es de interés primordial para la industria de la aviación porque reduce costos. Sin embargo, el combustible no es el único motor de costos y diversas restricciones causan penalizaciones de combustible. Aunque la reducción de combustible por debajo del estado actual es un desafío, aún más reducción del consumo de combustible y, por lo tanto, del impacto\(CO_2\) climático fósil es factible. Como se expone en la Sección 1.3, el objetivo es reducir las\(CO_2\) emisiones en un 50% debido al 2050 en comparación con las emisiones de 2010. La reducción\(CO_2\) requerirá contribuciones de nuevas tecnologías en el diseño de aeronaves (motores, materiales de fuselaje y aerodinámica), combustibles alternativos (biocombustibles) y una mejor eficiencia operativa y ATM (gestión de misiones y trayectorias). Ver Figura 1.3.
Estrategias de mitigación del impacto de las estelas: Se han estudiado varias estrategias para la mitigación persistente de las estelas. Véase por ejemplo Gierens et al. [6]. A modo de ilustración, se presenta una estrategia de mitigación de estelas de planeación de vuelo. Se puede lograr un mayor potencial de mitigación mediante el desarrollo de aviones y chorros optimizados para estas trayectorias alternativas.
En este ejemplo el objetivo es mostrar una estrategia de mitigación de estelas basada en modificar el perfil vertical del vuelo. Se puede consultar más información sobre este ejemplo en Soler et al. [16].
Más específicamente, optimizamos la trayectoria de un avión modelo B757-200 BADA 3.6 Nuic [8] realizando la parte en ruta de un vuelo San Francisco (\(SFO\)) - Nueva York (\(JFK\)) entre el waypoint 20 Peons como arreglo inicial y el waypoint Magio como arreglo final. La ruta está compuesta por waypoints dados en la Tabla 8.12.
Cuadro 8.12: Waypoints, navaids y correcciones de ruta
Suponemos que todos los pares formados por dos waypoints consecutivos están conectados por vías aéreas bidireccionales. En una vía aérea, los aviones vuelan a diferentes niveles de vuelo para evitar colisiones. Los diferentes niveles de vuelo están separados verticalmente 1000 pies. En una vía aérea bidireccional, cada dirección tiene su propio conjunto de niveles de vuelo según el recorrido. En los vuelos de dirección este, a las aeronaves se les asignan niveles de vuelo impares separados 2000 pies. Entonces asumimos que la aeronave puede volar la ruta en cualquiera (si es solo uno) de los siguientes niveles de vuelo:
\[\{FL270, FL290, FL310, FL330, FL350, FL370, FL390, FL410\}\label{eq8.5.2.5}\]
Figura 8.12: Puntos de cuadrícula longitud-latitud que presentan condiciones favorables para la formación persistente de estelas para diferentes altitudes barométricas.
El vuelo que estamos analizando está inspirado\(DAL30\), con salida programada\(SFO\) a partir de las 06:30 a.m. del 30 de junio de 2012. Datos de temperatura del aire y humedad relativa correspondientes al 30 de junio de 2012 a la hora 18.00 Z 21 (10.00 a.m.\(PST\)) han sido recuperados de los datos de\(NCEP/DOE\ AMIP-II\) Reanálisis proporcionados por el Laboratorio de Investigación de Sistemas de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (\(NOAA\)) 22. Los datos tienen una cobertura espacial global con diferentes resoluciones de cuadrícula. Nuestros datos tienen una resolución global de cuadrícula de longitud-latitud de\(2.5^{\circ} \times 2.5^{\circ}\). En cuanto a la resolución vertical, los datos se proporcionan en 17 niveles de presión (hPa): 1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10.
De acuerdo con lo expuesto en la Sección 8.5.2, calculamos los puntos de la cuadrícula de latitud- longitud que son favorables a la formación persistente de estelas a diferentes altitudes barométricas (lo que define la presión). Lo hacemos con base en datos recopilados de temperatura del aire y humedad relativa, y utilizando ecuaciones (8.5.2.1) - (8.5.2.4) con lo siguiente:\(EI_{H_2O} = 1.25\);\(C_p = 1004[J/KgK]\);\(\epsilon = 0.6222\);\(Q = 43 \cdot 10^{6} [J/Kg]\); y\(\eta = 0.15\). Los puntos de cuadrícula longitud-latitud con condiciones favorables para la formación de estelas persistentes se representan como puntos rojos en la Figura 8.12 para diferentes altitudes barométricas.
Figura 8.13: Regiones favorables de formación de estelas sobre Estados Unidos en diferentes niveles de vuelo. La ruta horizontal se representa para ilustrar cómo la misma ruta horizontal bajo diferentes niveles de vuelo podría aumentar/reducir la generación potencial de estela persistente.
Para analizar las regiones de formación de estela persistente en nuestro estudio de caso, primero necesitamos estimar los valores de temperatura y humedad relativa para los niveles de vuelo dados en conjunto (8.5.2.5). Para ello, utilizamos las ecuaciones International Standard Atmosphere (\(ISA\)) para convertir la altitud en altitud barométrica, y luego ejecutar una interpolación lineal entre los datos de temperatura del aire y humedad relativa correspondientes a los 17 niveles de presión y los niveles de vuelo deseados (ya convertidos en altitud barométrica). Una vez que tenemos los valores de temperatura y humedad relativa a los niveles de vuelo deseados, se procede a utilizar las ecuaciones (8.5.2.1) - (8.5.2.4) como se expuso anteriormente. En la Figura 8.13 se pueden consultar las regiones favorables de formación persistente de estelas sobre Estados Unidos en los diferentes niveles de vuelo.
Se puede observar que volar a altos niveles de vuelo, e.g.\(FL370, FL390\), y\(FL410\), implica sobrevolar regiones de generación persistente de estail. Por el contrario, volar a bajos niveles de vuelo, e.g.\(FL270, FL290\), y\(FL310\), implica no sobrevolar regiones de generación persistente de estela y por lo tanto minimiza el impacto ambiental. No obstante, obviamente es más eficiente en términos de combustible quemado volar más alto, que en realidad es lo que hacen las aerolíneas. En efecto, el vuelo en el que se basa este ejemplo en fluir un plan de vuelo en\(FL390\) y\(FL410\). Para concluir, se deben encontrar estrategias de compensación (impacto ambiental combustible).
19. http://www.faa.gov/nextgen/
20. Los waypoints pueden ser un simple punto con nombre en el espacio o pueden estar asociados con ayudas de navegación, intersecciones o correcciones existentes.
21. La hora Z corresponde a Coordenadas de Tiempo Universal (UTC). La hora estándar del Pacífico (PST) viene dada por UTC - 8 horas.
22. Los datos han sido descargados del sitio web de la NOAA @ http://www.esrl.noaa.gov/psd/