Contrail kavramı ve ATM: İklimsel Etkiler, Bilimsel Tartışmalar ve Operasyonel Zorluklar

Contrail kavramı ve ATM: İklimsel Etkiler, Bilimsel Tartışmalar ve Operasyonel Zorluklar

Havacılık sektörünün küresel iklim değişikliği üzerindeki etkisi, uzun yıllar boyunca ağırlıklı olarak doğrudan karbondioksit (CO2) emisyonları üzerinden değerlendirilmiştir. Küresel insan kaynaklı CO2 üretiminin yaklaşık %2 ila %3'ünden sorumlu olan havacılık endüstrisi, yüksek irtifalarda gerçekleşen yanma süreçleri nedeniyle doğrudan sera gazı salımının ötesinde karmaşık atmosferik etkileşimler tetiklemektedir. Uçak motorlarından yüksek irtifada salınan su buharı, kurum (is/soot) partikülleri, azot oksitler, kükürt dioksit ve sülfat aerosolleri, literatürde CO2 dışı (non-CO2) havacılık emisyonları olarak sınıflandırılmaktadır.

Non-CO2 etkiler gözetildiğinde, uçakların arkasında oluşan kalıcı yoğuşma izleri (persistent contrails) ve bunların yayılarak oluşturduğu yapay sirüs bulutları (contrail cirrus) ön plana çıkmaktadır. EASA ve güncel atmosferik araştırmalara göre, havacılığın toplam efektif radyatif zorlama (Effective Radiative Forcing - ERF) etkisinin yaklaşık üçte ikisi non-CO2 bileşenlerden kaynaklanmakta olup, kalıcı yoğuşma izleri bu etkinin en büyük payını oluşturmaktadır. Yoğuşma izlerinin oluşumu temel termodinamik ve mikrofiziksel yasalara dayanır. Bir hava aracının geçtiği atmosfer katmanı yeterince soğuk ve nemli olduğunda, motor egzozundan yüksek sıcaklıkta atılan su buharı, kurum partikülleri ve uçucu organik/sülfat çekirdekleri etrafında yoğuşarak anında buz kristallerine dönüşür. Tipik olarak sıcaklık, basınç, nem, motor verimliliği, egzos gazındaki su ve ısı miktarı, kullanılan yakıtın özellikleri gibi faktörler contrail oluşumunda etkilidir. Uçakların ardında bıraktıkları yoğuşma izleri, yeryüzünden sirüs bulutlarını andıran beyaz çizgiler şeklinde gözlemlenir. Yoğuşma izleri, uçuş irtifasındaki atmosferik bileşenlere göre birkaç dakika içerisinde süblimleşerek kaybolduğu gibi, atmosferdeki nemi bünyesine katmaya devam ederek saatler boyunca varlığını koruyabilir. Rüzgar kesmesi (wind shear) ve üst atmosfer türbülansının etkileriyle bu kalıcı izler geniş bir alana yayılarak yapay sirüs tabakalarına dönüşür.

CO2, atmosferde yüzlerce yıl birikerek kümülatif bir etki oluştururken, contrail sirüs bulutları saatler içinde dağılan kısa ömürlü iklim zorlayıcıları (Short-Lived Climate Forcers - SLCF) olarak sınıflandırılır. Küresel iklim değişikliği perspektifinden bakıldığında contrail sirüs bulutları, atmosferik radyasyon bütçesi üzerinde çift yönlü bir etki yaratır. Gündüz saatlerinde gelen kısa dalgalı güneş radyasyonunu uzaya yansıtarak soğutucu (albedo) bir etki oluştururken, hem gündüz hem de gece yeryüzünden uzaya yayılan uzun dalgalı kızılötesi (termal) radyasyonu hapsederek bir battaniye gibi ısıtıcı sera etkisi gösterir. Özellikle güneş ışınımının bulunmadığı gece uçuşlarında ve kış aylarında albedo etkisi ortadan kalktığı için, yoğuşma izleri net ve saf bir ısınma (pozitif radyatif zorlama) etkisi yaratır.

Küresel iklim değişikiliği açısından contrail kavramı ele alındığunda en kritik operasyonel özelliği, ısınma etkisinin tüm uçuşlara homojen olarak dağılmaması, aksine aşırı bir Pareto yoğunlaşması göstermesidir. Teoh vd. (2020) tarafından Japonya hava sahasında gerçekleştirilen araştırmada, toplam uçuşların yaklaşık %2,2'sinin contrail kaynaklı enerji zorlamasının %80'inden sorumlu olduğu hesaplanmıştır. Daha sonra Teoh vd. (2024) tarafından gerçekleştirilen küresel analizde de benzer bir yoğunlaşma gözlemlenmiş ve 2019 yılı için küresel uçuşların yaklaşık %2'sinin yıllık contrail energy forcing değerinin %80'ini oluşturduğu ortaya konmuştur. Bu sonuçlar, contrail kaynaklı iklim etkisinin tüm uçuşlara eşit dağılmadığını ve belirli uçuşların hedeflenmesinin önemli bir azaltım potansiyeli taşıdığını göstermektedir. Hava taşımacılığı operasyonları açısından değerlendirildiğinde; contrail oluşumu ve etkileri mevsimsel değişimler, hava trafiğinin zirve yaptığı saat dilimleri ve filo yapısıyla (kısa ve uzun menzilli uçuş profilleri) varyasyonlar gösterebilir. Bu asimetrik dağılım, hava trafik yönetimi (ATM) müdahalelerinin tüm trafiğe uygulanmak yerine yalnızca "büyük etki yaratan" (big hit) uçuşlara ve belirli meteorolojik koşullara odaklanabileceği tezinin temel dayanağını oluşturmaktadır.

ATM ve ATC perspektifinden bakıldığında, uçuş yörüngelerini (4D trajectories) optimize ederek kalıcı contrail oluşumunu engellemek amacıyla EUROCONTROL (MUAC), DLR ve çeşitli çalışma grupları tarafından operasyonel denemeler yürütülmektedir [6]. Contrail oluşumlarından kaçınmak için uçuş seviyelerinin dikey olarak (genellikle 2.000 ft alçalma veya tırmanma ile) değiştirilmesi ya da uçakların atmosferik nemin daha az olduğu yatay rotalara yönlendirilmesi tartışılan temel taktiksel seçenekler arasındadır. Halihazırda uçuş planlama paradigması, Serbest Rota Hava Sahası (Free Route Airspace - FRA) konsepti çerçevesinde uçakların en kısa rotada ve ağırlıklarına göre optimum uçuş seviyelerinde (Optimum Flight Level) uçabilmeleri mantığını esas almaktadır. Bu nedenle, contrail oluşumunu engellemek amacıyla yapılan dinamik seviye veya rota değişiklikleri, uçağı optimum performans konfigürasyonundan uzaklaştırarak ek yakıt sarfiyatını ve dolayısıyla ilave CO2 salımını beraberinde getirmektedir. Contrail azaltımı için uçuş planı optimiziasyonu tartışmalarında, genel olarak iki ekolün görüşleri bilimsel literatürde sıklıkla başvurulan tezlere dönüşmüştür:

Reading Üniversitesi'nden Prof. Keith Shine ve Manchester Metropolitan Üniversitesi'nden Prof. David S. Lee tarafından kaleme alınan "Navigational avoidance of contrails to mitigate aviation's climate impact may seem a good idea – but not yet" başlıklı öncü değerlendirme yazısı ile Lee, Allen, Cumpsty, Owen, Shine ve Skowron (2023) tarafından yayımlanan kapsamlı araştırma makalesi, operasyonel contrail önleme stratejilerinin erken uygulanmasına yönelik en güçlü bilimsel itirazları sistemleştirmiştir. Bu ekolün ortaya koyduğu ilk temel argüman, üst troposferik nem tahminlerinin olgunlaşmamışlığı ve atmosferik mikrofiziksel süreçlerin karmaşıklığıdır. Meteorolojik tahminlerdeki bu yapısal kusurlar, bir uçağın optimal uçuş profilinden saptırılması halinde yanlış pozitifler (aslında kalıcı contrail oluşmayacak bir bölgeden kaçınma) ve literatürde "çifte etki" (double impact) olarak tanımlanan operasyonel iklim risklerini beraberinde getirmektedir. Başka bir ifadeyle; hatalı bir tahmin nedeniyle irtifa değiştiren bir uçak, hem gereksiz yere fazladan yakıt yakarak atmosfere uzun ömürlü CO2 bırakmakta hem de yönlendirildiği yeni irtifada öngörülemeyen bir atmosferik katmana girerek yine de contrail oluşturma riskiyle karşılaşmaktadır.

Diğer tarafta ise, Alman Havacılık ve Uzay Merkezi'nden (DLR) Hermann Mannstein'ın teorik mirasını sürdüren araştırmacılar, Robert Sausen ve ekibi, Google Research, Breakthrough Energy ve Transport & Environment (T&E) gibi aktörler, "Navigational avoidance of contrails to mitigate aviation's climate impact – now is the time for action" tezini savunmaktadır. Söz konusu araştırmacılar en büyük iklim riskinin yanlış müdahale değil, eylemsizlik olduğunu ileri sürmektedir.

Örnek bir senaryoda, FL 380 ile FL 410 arasında atmosferde nemin daha yüksek olduğunu, ISSR varlığını ve bunun contrail oluşumuna yol açtığını düşünelim. FL 360 ve altında ise nispeten daha sıcak ve daha az nem ihtiva eden koşullar bulunsun. Contrail kaçınma stratejileri gereği trafiklerin seviye değişikliği ya da rota optimizasyon istekleri, ATM ve ATC açısından operasyonel çerçevede çeşitli darboğazlara neden olabilir.

ATM ve ATC Açısından Başlıca Operasyonel Zorluklar

Hava Trafik Kontrolörleri (ATCO), hava sahası kapasitesini maksimize etmek, emniyetli ayırma (separation) sağlamak ve iş yükünü dengelemek açısından dinamik sektör konfigürasyonları oluşturarak çalışırlar. Sektörler genel mantık itibarıyla fonksiyonel (dikey olarak Upper/Lower ayrımı), coğrafi (doğu-batı, kuzey-güney vb.) veya trafik akışına göre hibrit yapıda kurgulanabilir. Fonksiyonel çalışılan sektörlerde dikey bir ara irtifa sınırı (division level) seçilerek, farklı kontrolörler ve radyo frekansları üzerinden trafiklerin delegasyonu sağlanır. Bu bağlamda ticari jet uçuşlarının optimum irtifa talepleri, mevcut sektör kapasitesi ve trafik yüküne göre regüle edilerek karşılanır.

Contrail etkilerini sönümlemek için trafiklerin dinamik olarak yeniden rotalandırılması ve ISSR (Ice Supersaturated Region) bulunmayan dar irtifa bantlarında kümelenmesi, hava sahası karmaşıklığını (airspace complexity) ve kontrolörün iş yükünü ciddi oranda artıracağı gibi mevcut sektör çalışma dinamiklerini de bozacaktır. Örneğin, RVSM (Reduced Vertical Separation Minimum) hava sahasında atmosferik nemin FL380 (Uçuş Seviyesi 380) civarında yoğun olarak modellenmesi sonucunda, contrail oluşumunun önüne geçebilmek için batıya giden (even/çift seviyeleri kullanan) trafiklere yalnızca FL360 ve FL400 seviyelerinin tahsis edilmesi, kullanılabilir uçuş seviyelerinin daralmasına ve kapasite darboğazlarına (chokepoints) yol açacaktır. Bu durum, hem uçaklar arasında optimum uçuş seviyesi rekabetini artıracak hem de dikey ayırma limitleriyle çalışan kontrolörün frekans meşguliyetini (RTF load) ve taktiksel müdahale ihtiyacını tırmandıracaktır. Dahası etkilenen hava sahası çoğu senaryoda sadece FL380 ile sınırlı kalmayabilir; contrail cirrus içerisindeki buz kristalleri, büyüklüklerine ve atmosferik koşullara bağlı olarak sedimentation yoluyla daha alt seviyelere doğru hareket edebilir. Bu süreç, contrail cirrus'un dikey dağılımını genişletebilir ve bulutun yaşam döngüsünü etkileyebilir.

IFATCA Perspektifi ve Operasyonel Çekinceler

IFATCA'nın, 2025 yılında yayımladığı çalışma belgesi (Working Paper) kapsamında, contrail önlemenin mevcut şartlarda yönetilebilir olduğunu iddia eden iki önemli sivil toplum kuruluşu (Breakthrough Energy ve Transport & Environment) ile doğrudan teknik görüşmeler gerçekleştirmiştir. Bu görüşmeler sonucunda IFATCA, söz konusu kuruluşların dayandığı bilimsel temelin kendileri tarafından zaten bilinen ve ciddi meteorolojik/mikrofiziksel belirsizlikler barındıran literatürle birebir aynı olduğunu tespit etmiştir. Buradan hareketle, havayollarına contrail önleme amacıyla satılan bazı ticari yazılım ve uçuş planlama ürünlerinin bilimsel olarak yeterince sağlam temellere dayanmadığı sonucuna varmıştır.

Kalıcı contrail oluşumunun küresel ısınma üzerindeki olumsuz (ısıtıcı) etkileri bilimsel olarak kanıtlanmış olsa da, taktiksel contrail kaçınma stratejilerinin operasyonel uygulanabilirliği tartışma konusudur. Uçuş emniyeti, sektör kapasitesi ve net iklim faydası hususlarında ciddi çekinceler bulunmaktadır ve bu bağlamda daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.

Kaynaklar:
- Lee, D. S., Allen, M. R., Cumpsty, N., Owen, B., Shine, K. P., & Skowron, A. (2023). Uncertainties in mitigating aviation non-CO2 emissions for climate and air quality using hydrocarbon fuels. Environmental Science: Atmospheres, 3(12), 1693-1740.
- Sausen, R., et al. (2023). Navigational avoidance of contrails to mitigate aviation's climate impact – now is the time for action. (DLR, Google Research & Breakthrough Energy Ortak Değerlendirme Raporu).
- Contrail Avoidance Strategies, Working Paper, IFATCA 25.
- Teoh, R., Schumann, U., Majumdar, A., & Stettler, M. E. (2020). Mitigating the climate forcing of aircraft contrails by small-scale diversions and technology adoption. Environmental Science & Technology, 54(5), 2941-2950.
- EASA (2020). Updated analysis of the non-CO2 climate impacts of aviation and potential policy measures pursuant to EU Emissions Trading System Directive Article 30(4). European Union Aviation Safety Agency.(alert-passed)