新地图显示美国上空的飞机轨迹在 2020 年急剧下降

随着 Covid-19 的第一波浪潮在全球范围内达到顶峰,旅行限制和乘客减少导致 2020
年停飞的航班数量创历史新高。航空旅行的减少不仅清除了喷气式飞机的天空,也清除了它们在高处产生的蓬松白色尾迹气氛。

麻省理工学院的工程师绘制了 2020 年在美国产生的轨迹,并将结果与​​大流行前的年份进行了比较。他们发现,在 2018 年和 2019 年的任何一天,凝结尾迹覆盖的总面积等于马萨诸塞州和康涅狄格州的总和。2020 年,这种轨迹覆盖率缩小了约 20%,反映了美国航班的类似下降。

虽然 2020 年的轨迹下降可能并不令人惊讶,但这些发现证明该团队的测绘技术是有效的。他们的研究标志着研究人员首次在大陆范围内捕捉到凝结尾迹的精细和短暂的细节。

现在,研究人员正在应用该技术来预测大气中可能形成尾迹的位置。众所周知,云状结构在与航空相关的全球变暖中发挥着重要作用。该团队正在与主要航空公司合作,预测大气中可能形成凝结尾迹的区域,并在这些区域周围重新安排飞机路线,以尽量减少凝结尾迹的产生。

麻省理工学院航空航天系教授兼副主任史蒂文·巴雷特 (Steven Barrett) 说:“这种技术可以实时帮助飞机转向以防止尾迹。” “通过消除今天产生的大部分尾迹,将航空的气候影响减半是一个不寻常的机会。”

巴雷特和他的同事今天在《环境研究快报》杂志上发表了他们的研究结果。他在 MIT 的合著者包括研究生 Vincent Meijer、前研究生 Luke Kulik、研究科学家 Sebastian Eastham、Florian Allroggen 和 Raymond Speth,以及 LIDS 主任兼教授 Sertac Karaman。

越野训练

航空业对全球变暖的贡献中约有一半直接来自飞机的二氧化碳排放。另一半被认为是它们的凝结尾迹的结果。当飞机炎热潮湿的废气与大气中高处的凉爽潮湿空气混合时,就会产生标志性的白色尾翼。以细线形式发射的凝结尾迹迅速散开,可以像毯子一样捕获地球散发的热量。

虽然单一的凝结尾迹可能不会产生太大的变暖效应,但合在一起的凝结尾迹会产生重大影响。但是这种影响的估计是不确定的,并且基于计算机建模以及有限的卫星数据。更重要的是,分析轨迹数据的传统计算机视觉算法很难从自然云中辨别出纤细的尾巴。

为了在大范围内精确地挑选和跟踪轨迹,麻省理工学院的团队查看了 NASA 的 GOES-16 拍摄的图像,这是一颗地球静止卫星,在包括美国在内的地球同一片区域上空盘旋,拍摄连续的高分辨率图像.

该团队首先获得了卫星拍摄的大约 100 张图像,并训练了一组人来解释遥感数据,并将每张图像的像素标记为轨迹的一部分。他们使用这个标记的数据集来训练计算机视觉算法,以从云或其他图像特征中辨别出轨迹。

研究人员随后在大约 100,000 张卫星图像上运行该算法,总计近 6 万亿像素,每个像素代表约 2 平方公里的区域。这些图像覆盖了毗邻的美国,以及加拿大和墨西哥的部分地区,大约每 15 分钟拍摄一次,时间为 2018 年 1 月 1 日至 2020 年 12 月 31 日。

该算法自动将每个像素分类为轨迹或非轨迹,并生成美国上空轨迹的每日地图。这些地图反映了大多数美国航空公司的主要航线,但有一些显着差异。例如,主要机场周围出现了凝结尾迹“洞”,这反映了在机场周围起降的飞机通常在大气中的高度不足以形成凝结尾迹。

“该算法对飞机的飞行地点一无所知,但在处理卫星图像时,它会产生可识别的飞行路线,”巴雷特说。“这是一个证据,表明这种方法确实可以大规模捕获凝结尾迹。”

多云模式

根据算法的地图,研究人员计算了美国每天由轨迹覆盖的总面积。2018 年和 2019 年平均每天,美国的凝结尾迹占用了约 43,000 平方公里。随着大流行的爆发,这一覆盖率在 2020 年 3 月下降了 20%。从那时起,随着全年航空旅行的恢复,凝结尾迹缓慢地重新出现。

该团队还观察了每日和季节性模式。一般来说,凝结尾迹似乎在早上达到顶峰,在下午下降。这可能是一个训练工件:由于自然卷云更有可能在下午形成,因此该算法可能难以在当天晚些时候识别云中的凝结尾迹。但这也可能是关于何时形成最多凝结尾迹的重要指示。凝结尾迹也在冬末和早春达到顶峰,此时更多的空气自然更冷,更有利于凝结尾迹的形成。

该团队现在已经采用该技术来实时预测可能形成的轨迹。巴雷特说,避开这些地区可能会在航空业对全球变暖的贡献中占据重要的、几乎直接的一部分。

“使航空可持续发展的大多数措施都需要很长时间,”巴雷特说。“(避免轨迹)可以在几年内完成,因为它需要对飞机的飞行方式以及现有的飞机和观测技术进行微小的改变。这是将航​​空变暖减少一半的近期方法。”

该团队现在正致力于利用实时卫星观测实现大规模避免轨迹的目标。

这项研究得到了 NASA 和麻省理工学院环境解决方案倡议的部分支持。

Tags: 地理

我有个想法