HOW TO 讓飛機安全起降

本文由 美國穀物協會 委託，泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎？

2007 年，從台北的八座加油站開始，民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3，指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示，則代表不同濃度，最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10，巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

為什麼要加酒精呢？

單論玉米乙醇來說，碳排放趨近於零。為什麼呢？因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟，接著被採收，發酵成為玉米乙醇，最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環，淨排放都是 0，是個零碳的好燃料來源。

當然，我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此，美國農業部經過評估分析，2017 發表的報告指出，玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF（永續航空燃料）前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%，而根據國際民用航空組織（ICAO）的預測，這個數字還會成長，2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF，開始成為航空業減碳的關鍵，及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續，都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高，以食用油為原料進行氫化的 HEFA，以及酒精航空燃料 ATJ（alcohol-to-jet）。

每種燃料的原料都不相同，因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料，因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油，再進行「氫化」。

就引擎來說，我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵，以氫原子佔據這些鍵結，讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高，不易氧化，適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯，接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵，成為長鏈烷烴，性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化，但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外，HEFA 取用的油品來源來自餐廳，雖然是幫助廢油循環使用的好方法，但供應多少比較不穩定。相對的，因為 ATJ 來源是玉米等穀物，通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產，因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF，都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息，例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100％ 的 SAF 燃料完成飛行，締下創舉。

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析，在所有交通工具的碳排放中，航空業佔了其中的 12%，而公路交通則占了 77%。沒錯，航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%，但真正最大宗的碳排來源，還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢？有人擔心，酒精可能會吸收空氣中的水氣，對機械設備造成影響？

其實也不用那麼擔心，畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅，來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說，酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑，當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查，結果發現，由於 E10 汽油摻雜的比例非常低，和傳統汽油的化學性質差異非常小，這 50 年來的車輛，只要符合國際標準製造，都與 E10 汽油完全相容。

解惑：這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎？

在環保議題裡，這種原本以為是一片好心，最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範，例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明，生質乙醇等生物燃料確實有持續性，但必須符合「永續」的標準，並且因為使用的原料是穀物，因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是，隨著目標變明確，專門生產生質酒精的玉米需求增加，這也帶動品種的改良。在美國，玉米產量連年提高，種植總面積卻緩步下降，避開了與糧爭地的問題。

另外，單位面積產量增加，也進一步降低收穫與運輸的複雜度，總碳排量也觀察到下降的趨勢，讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭，低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外，生質燃料車，是否也是個值得加碼投資的方向？

• Corn to Power Airplanes? Biden Administration Sets a High Bar. – The New York Times
• 台灣中油全球資訊網-加油站查詢
• https://grains.org.tw/最新科學研究：玉米燃料乙醇大幅減少溫室氣體排/
• USDA Releases New Report on Lifecycle Greenhouse Gas Balance of Ethanol
• https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bbb.2225
• 本田・GE100% 可持續燃料航空引擎測試成功
• 阿聯酋航空邁向永續 完成 100％ SAF 驅動單一引擎首航
• https://tcc-gsr.com/module-1/transforming-transport-and-mobility/

疫情解封半年了，你出過國了嗎？

當你開始自己安排行程，為了能留更多預算吃美食、買紀念品，我們往往會貨比三家，盡可能找到更加實惠的機票。但找著找著總是會發現，欸！奇怪，怎麼需要轉機的航程，總是比直達班機便宜上許多！？

明明航程更長，為什麼票價卻變便宜了呢？

機票價格是怎麼定的？

綜觀整個大眾運輸市場，陸上交通工具如高鐵、火車、客運的票價，不論是連假還是平日，其實都不會相差太多。然而飛機卻完全不一樣，即使是在旅遊淡季，價格仍然會以分鐘為單位上下波動，要搶到一張經濟實惠的機票，全憑本事了！

航空公司的訂價策略是票價快速浮動的主因之一，即使是同一班機，每個座位的定價會有所不同，距離起飛的剩餘時間、班機上的空位情況也都會影響價格。除了市場的供需外，國際油價、人力成本也都是影響成本的因素。

航空公司在計算完各項成本之後，首要任務就是決定要開哪些航線，以及在這些航線上配置多少班次的飛機，才能最大化運輸旅客並且避免浪費太多空位。

為什麼轉機比較便宜？

其實載人跟載貨的情形很像，如果你把自己想像成貨物，航空公司換成貨運公司，就很好理解了。當我們網購下單東西時，貨運公司並非從店家直接派一台貨運車送貨到府，而是先集中到物流中心，接著發到各縣市較小的營業所，最後才由司機個別配送。

從點對點運輸改為集中後再處理，雖然單一貨物需要移動的距離變長了，但物流路線的複雜度卻簡化了許多；以貨運公司的角度來看，在相同的人力下，每天能配送的貨物量也就增加了。

這種物流重新分配方式稱為軸輻網路或是樞紐網路（hub-and-spoke network），在剛才的例子中，整個網路如同車輪的輻條般輻射展開，而物流中心就是中心的樞紐 hub。

把相同的概念放到航運中，這些關鍵的樞紐就稱為樞紐機場，長途航線通常會經過樞紐機場並在此轉機，繼續前往目的地。至於要選擇哪個機場是樞紐機場，除了考量機場的吞吐量外，當然也考量到航空公司本身的所在位置。例如國內的華航、長榮、星宇航空等，樞紐機場就都在桃園國際機場，而大家飛歐洲線常搭的阿聯酋航空，樞紐機場就在杜拜國際機場，這也是為什麼我們通常都得在杜拜轉機。

在 hub-and-spoke 的架構下，航空公司可以放心把總部設在樞紐機場，不僅能高度掌握每條航線，人力成本分配也可以更簡化。

航線上的交通規則

此時此刻，全球正在飛行的飛機數量，大概有 8000～20000 架次，這數量可不少，必須有妥善的管制系統。天空其實和汽車的高速公路、火車的鐵軌一樣，飛機也需要照著明確規劃好的空中航線及高度飛行，並且遵循飛航管制。

撇開因為機械故障導致的空難，因人為失誤導致飛機在空中「相撞」，在歷史上確實發生過幾次。

例如 1986 年，墨西哥國際航空 498 號班機與私人小型飛機在洛杉磯國際機場上空發生擦撞，雙雙墜毀。事後調查，肇事的原因是由於實習航管員分心，忽略了雷達中出現的小型飛機訊號，未能提醒兩架班機迴避，因此發生憾事。在這之後，美國聯邦航空局強制所有境內的飛機，都要安裝空中防撞系統，避免憾事再次發生。

時至今日，除了在飛機上安裝防撞系統外，航空管制多次調整，訂出垂直隔離、前後隔離、左右隔離等規範。

以垂直隔離為例，依照高度將航道分為了好幾「層」；除非遇到亂流、機械故障等緊急狀況，否則飛機應保持在特定的飛航空層（Flight Level , FL）中飛行，如：FL290 就是該飛機在高度 2 萬 9 千英尺飛行。隨著大氣數據計算機、高度計以及自動駕駛系統的發展，現在兩個飛航空層的垂直間隔為 1000 英尺；因此在一般民航機巡航高度的 FL290 到 FL410 之間，共可以切割出 13 個空層供飛機飛行。

另外，萬一真的不幸發生意外，飛機要能找到地方緊急迫降，此時要考慮的便是延程飛行時間 （Extended Operation），也就是當意外發生時，迫降到最近機場的時間。通常航線規劃時會要求航線中的任一點，要能在 60～180 分鐘內飛到最近的機場，因此航線的規劃就不能偏離陸地太遠。

為了能橫跨大洋，選擇不同的機型、飛機本身噴射發動機數量的不同，延程飛行時間也可以跟著拉長。例如較新的波音 777 中許多型號，便通過了 ETOPS-330 的認證，代表延程飛行的容許時間長達 330 分鐘 。

飛機怎麼飛快又省油？

這一條條的空中公路，又該怎麼規劃，才能又快又省油呢？我們可以直接看看實際運行中的航線。然後就會發現：飛機竟然不飛直線，而是繞了個大弧線！你以為是繞了遠路嗎？恰恰相反，這是最短距離！

我們來思考一下，要如何在地球上劃出兩點間的最短距離？只要把地球像是西瓜一樣一刀切下，這一刀不僅要同時經過目標兩點，還要通過球心，剛好把地球切成對半。這條弧線就是兩點的最短距離，又稱為大圓弧線。使用此路線飛行的航線，則稱為大圓航線。

除了大圓航線外，風速當然也是需要考量的重要因素。在地球中緯度的高空上，有條長年從西吹向東的西風帶，如果乘上這些風帶由西向東飛，不僅比較快也較省油；反過來由東向西逆風飛行，所需時間就會較久。以及在各緯度都有可能出現、風速可達時速 200 到 300 公里的噴射氣流，飛行時，若利用這些風帶的效益比大圓航線還要高的話，既可以省油、省時又省錢。

如果還想要繼續深入機票的定價策略，就會發現裡面複雜的程度就像是氣象預報一樣。

例如為了讓每個座位不被浪費，航空公司出售機票的數量可能比實際的座位數量還要多，也就是所謂的機位超賣，至於要超賣多少張機票，則要綜合考量該班次遊客的性質通常是商業或是旅遊目的居多，並且計算旅客放棄的機率以及賠償成本等等。當旅遊旺季時，還要考量到機場航班過多，機場跑道的起降還要排隊造成的擁擠延誤成本等等。

如果可以簡單誰想要複雜呢？因此也有航空公司推出低成本航空，也就是我們常說的廉航。它們會選擇反其道而行，減少大型機場使用，並以短、中航程為主，策略又完全不一樣。

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本文由 我的青航時代－2023航發會×暑期航空營 委託，泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣，地形複雜，天氣的變化多端，比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報，才能順利規劃日常生活起居；在天空中翺翔的飛機，同樣也必須仰賴航空氣象的資訊，才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧！

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事，如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事，都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告，台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中，「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全，能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報，供飛航作業人員參考，便至關重要。

那麽氣象資訊是怎麽來的呢？幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場，堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺（松山、桃園、高雄、豐年及金門）與 5 個任務臺（蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿）^[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責，就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援，全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來？來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測，絕對少不了各種氣象裝備的幫忙！任憑氣象七十二變，氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況，確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統（Automatic Weather Observation System，簡稱 AWOS），是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目，讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時，最擔心遇到增加飛行難度的風切（Wind Shear）。風切指的是大氣中不同兩點之間，風速或風向的劇烈變化。低空風切（Low-level wind shear）則是指 1600 呎（500 公尺）以下空氣層中的風切，可能造成飛機難以操控而被迫重飛，甚至失速導致飛航事故，因此需格外注意。

針對棘手的風切問題，氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統（Low Level Wind-Shear Alert System，簡稱 LLWAS），利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時，系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊，提醒氣象觀測員及塔臺管制員，發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達（Doppler weather radar），長得就像一個巨型氣球，是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達，掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員，負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警，可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動，提供資訊給飛航相關人員作業參考，確保飛行安全。

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密！

如果你拿到一份航空氣象報告，恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼，其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀，就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途，航空氣象報告可以分成不同的類型，以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模，航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告（Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report，簡稱 METAR），供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時，則會發布機場特別天氣報告（Aviation Special Weather Report，簡稱 SPECI）。另外，觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報，提供航機進行作業因應規劃。

若需要預測更長程的天氣變化，臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報（Terminal Aerodrome Forecasts，簡稱 TAF），其有效時間長度分為 30 小時／24 小時／18 小時等三類，讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃，作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上！如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中，天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便，更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴，航空公司可能會取消或延誤航班，以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變，機師也可能需要改變飛行路線和高度，以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗：明明天氣很好，來到機場卻遇上航班延誤的消息，而感到困惑不解？這些讓旅客滿肚子哀怨的情況，其實也都是為了安全考量，所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好，並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時，機師必須完全看得見跑道及地面狀況，覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區，都可能造成能見度下降，造成飛機不能按時降落。飛行時，若航路前方有雷雨天氣，基於安全考量，機師通常會繞過或飛越，也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場，常因地形產生風切亂流，導致飛機降落困難，不得不重飛或返航，延誤航班。

此外，同樣是飛往某地的航班，也可能發生有些能走，有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同，適航標準也不同。即使是相同的機型，也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異，綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後，對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手，航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步，建設各項線上即時的氣象資訊服務，包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用，以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁，也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊，開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生，可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

【註解】

1. 任務臺業務分別由豐年 （業管蘭嶼、綠島）、高雄（業管恆春）、松山（業管北竿）及桃園（業管南竿）航空氣象臺負責管理。

1. 飛航服務總臺：航空氣象服務介紹
2. 飛航服務總臺：臺北航空氣象中心
3. 飛航服務總臺：氣象裝備
4. 台灣飛安統計（2012 – 2021）。國家運輸安全調查委員會。
5. 飛航服務總臺：桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
6. 航空氣象服務網
7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
9. Wikipedia – 終端機場天氣預報