84 Пят ри - пванвта Земпя
САМОЛЕТ ОСТАВЛЯЕТ СЛЕ£1
Академик 0.11. ФАВОРСКИ Й,
доктор физико-математических наук А.N4. С ТАРИК. заместитель директора Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова
Не секрет, что наша производственная деятельность негативно влияет на воздух, которым мы дышим. В результате газовый и аэрозольный состав атмосферы за последние десятилетия заметно изменился. И одна из причин этого — авиация.
Двигатели летательных аппаратов эмитируют (выбрасывают) в воздух в 40-50 раз мень-единений, чем поверхностные источники (энергетика, транспорт, промышленность, сельское хозяйство). Тем не менее вопрос о влиянии на атмосферные процессы авиационных выбросов приобретает все большее значение, поскольку они происходят в верхней тропосфере и нижней стратосфере — областях, наиболее чувствительных к любым возмущениям.
Спектр эмитируемых соединений достаточно широк и зависит от типа двигателя и используемого топлива. Их воздействие на атмосферу проявляется через комплекс взаимосвязанных процессов. Например, вследствие полетов сверхзвуковых самолетов концентрация оксидов азота в стратосфере увеличивается, а озона — уменьшается, что приводит к усилению интенсивности биологически опасного ультрафиолетового излучения у поверхности Земли. Более же глубокое его про-
никновение в тропосферу должно приводить к повышению содержания озона на низких высотах и, значит, изменять ее температуру и радиационный баланс. А последний, как показывают расчеты, в 30 раз более чувствителен к выбросам оксидов азота от стратосферной авиации, чем от поверхностных источников.
На радиационный баланс атмосферы влияют также пары воды — они поглощают инфракрасное излучение и в верхней тропосфере об-
н 85
разуют перистые облака, усиливающие парниковый эффект.
Эмиссия паров серной, азотной, азотистой кислот и воды может играть существенную роль в изменении состава атмосферы и образовании полярных стратосферных облаков. Кстати, поданным измерений, содержание в ней аэрозолей за последние 20—25 лет увеличивается на 5% в год, что примерно соответствует скорости роста массы топлива, расходуемого авиацией.
Полет дозвукового, а тем более сверхзвукового авиалайнера вызывает комплекс гидродинамических явлений. Можно выделить три области, в которых те или иные из них доминируют.
Первая — начальный этап полета. Истекающие из сопла двигателя горячие газы смешиваются с окружающим воздухом, резко меняются их температура и состав, формируются жидкие (в основном сульфатные) аэрозоли. Реализуется так называемый режим уединенной струи, продолжительность которого не превышает 10 с, что п. ш дозвуковых летательных аппаратов соответствует длине их следа от среза сопла порядка 1 км.
Одновременно с данным процессом образуются и трансформируются вихревые структуры, сходящие с концов крыльев. На некотором расстоянии от среза сопла двигателя они вступают во взаимодействие с потоком, состоящим из продуктов сгорания и воздуха. Это вторая область, в которой действует вихревой режим следа самолета. Его особенность — преимущественный рост следа в вертикальном направлении и существенно меньший — в горизонтальном, длительность — не больше ] 00 с, протяженность — 20 км. Картина же течения здесь значительно сложнее, чем на предыдущем участке.
Наконец, режим крупномасштабных кольцевых образований вступает в силу в третьей области — после распада следа авиалайнера. Она нуждается в более глубоком исследовании, поскольку именно тут происходит перенос компонентов струи в атмосферу.
Один из ключевых вопросов анализа влияния авиации на атмосферу — изучение образования различ-
ных веществ в двигателе и реактивной струе. Это позволит получить информацию о составе и количестве выбросов при тех или иных режимах полета.
В камере сгорания авиационного двигателя, работающего на углеводородном топливе, помимо углекислого и угарного газов, паров воды, оксидов азота, сажи, формируются пары азотистой и азотной кислот, оксиды водорода, органические соединения, атомарный кислород, ионы и даже серосодержащие продукты, основной из которых — сернистый ангидрид. На участке двигателя от среза камеры сгорания до выходного сечения сопла 3—10% последнего окисляется до серного ангидрида и серной кислоты, что приводит к уменьшению концентрации атомов кислорода и радикалов ОН.
Истекающий из сопла реактивного двигателя поток горячих газов охлаждается вследствие смешения с атмосферным воздухом и расширения струи. При этом в 30—50 м от среза сопла достигаются условия пересыщения паров серной кислоты и формируются мелкие (диаметром порядка 1 нм) жидкие частицы бинарных аэрозолей Н20/Н2804, а более чем в 100 м от среза сопла они «слипаются» в существенно (примерно в 10 раз) более крупные.
На расстоянии 25—100 м от среза эти жидкие аэрозоли осаждаются на поверхности эмитируемых издвига-
Иъченение концентрации тони
Газы
СО,, Н20, N0,, 50, Ионы
N0,', Н504, N0*. С:Н,0* Частицы
сульфатные аэрозоли Формирование органические аэрозоли нонные кластеры
оилачноипи перистых
ой.'шкив
Изменение Изменение интенсивности климата УФ-юлучения
Воздействие авиации на атмосферные процессы.
теля частиц сажи. Совсем недавно сделаны расчеты, приведшие к важным выводам: в выходном сечении сопла 50—60% этих частиц аккумулируют положительный заряд, 10—20% — отрицательный и приблизительно 30% нейтральны. Благодаря электростатическому взаимодействию на заряженных сажевых частицах возможно непосредственное осаждение молекул воды и серной кислоты.
И нтересно отметить, что, даже если сера в топливе отсутствует, серный ангидрид и пары серной кислоты образуются при горении углеводородов в воздухе, содержащем сернистые соединения. В струе возникают очень мелкие (диаметром порядка 0,4 нм) капли сульфатного аэрозоля, которые осаждаются на частицах сажи. Таким образом, и в этом случае на их поверхности может накапливаться раствор Н:0/Н>804.
Наличие его на поверхности сажевых частиц — один из определяющих факторов формирования видимого следа самолета. Ведь в чистом виде сажа гидрофобна (не смачивается) и не конденсирует влагу. Покрытые же раствором частицы собирают на себе воду и укрупняются, достигая в радиусе I мкм (этот процесс происходит на расстоянии 200 м от среза сопла). При понижении температуры до 230—240 К рас-
твор замерзает, и при определенной концентрации они создают видимый след авиалайнера, могут играть роль облачных ядер конденсации, инициируя дополнительное образование перистых облаков.
На высоте от 15 до 35 км в атмосфере присутствуют сульфатные аэрозоли и частицы (с максимумом концентрации в 20 км от поверхности Земли), состоящие из тройных сверхохлажденных растворов H:0/H,S(yHN0., размером от 0,01 до I мкм. Их количество в существенной степени зависит от вулканической деятельности. Пример тому — извержение Пинатубо (Филиппины) в июне 1991 г., инициировавшее формирование таких частиц. В результате площадь поверхности сульфатных аэрозолей увеличилась в 50 раз. Эволюция их состава и фазового состояния изучается с целью более глубокого понимания механизмов возникновения полярных стратосферных облаков.
Они бывают двух типов. На высотах 14—24 км при температуре не выше 195 К наблюдаются облака первого типа из частичек кристаллического тригидрата азотной кислоты размером от 0,15 до 5 мкм. Облака второго типа формируются при еще более низкой температуре — 188 К (она отмечается в зимнее время над Антарктидой) из кристалликов льда размером 1—10 мкм,очень близких по свойствам к тем, из которых состоят высокие перистые облака в тропосфере.
Дополнительное образование облаков первого типа может быть одним из последствий эмиссии паров азотной кислоты и воды в высоких широтах. Увеличение же концентрации сульфатных аэрозолей из-за авиационных выбросов должно способствовать зарождению полярных стратосферных облаков обоих типов. Однако данный вопрос, ксо-жалению, еще мало исследован. Поэтом)' может оказаться, что имеющиеся оценки влияния полетов сверхзвуковых самолетов на стратосферный аэрозольный слой и формирование полярных стратосферных облаков несколько занижены.
Наименее изученная в настоящее время проблема — климатические последствия полетов авиационной техники в верхней тропосфере (на
высоте 10—12 км). Это объясняется сложностью анализа протекающих здесь взаимосвязанных процессов: тропосферно-стратосфер-ного обмена, формирования облаков, широтного и меридионального переноса воздушных масс, физико-химических превращений в газовой фазе, на поверхности аэрозолей и т.д.
Одно из серьезных последствий эмиссии самолетами паров воды — дополнительное образование перистых облаков. Так, оценки показали, что в январе в североатлантическом коридоре полетов облачность увеличивается на 2—3,5% (усредненная величина для Европы — 0,5%). Воздействие этого явления на климат происходит через изменение радиационного баланса атмосферы и повышение температуры в приземном слое (с ростом облачности на 10% она увеличивается на 1,2-1,4 К).
Важную роль в формировании климата играет и тропосферный аэрозольный слой. Анализ показал наличие в нем элементов земной коры — кремния, кальция, частиц металлов (железа, алюминия, цинка, олова), а также сажи. И основной вклад в увеличение концентрации последней вносит авиация. Например, в следе дозвукового самолета зарегистрированы частицы сажи диаметром 0,15 мкм. Именно этот размер оптимален для образования облачных ядер конденсации и перистых облаков.
Негативное влияние полетов авиации в верхней тропосфере проявляется и в разрушении различных вешеств на поверхности аэрозольных частиц. В частности, активно распадается озон, а диоксид азота и пары азотной кислоты преобразуются в оксид азота, что также вносит вклад в уменьшение содержания озона как в верхней тропосфере — области максимума сажевых аэрозолей, так и в нижней стратосфере, куда они могут подниматься.
Прогнозируемое удвоение потребления топлива авиацией в последующие 18—25 лет может привести к удвоению площади поверхности сажевых частиц в нижней стратосфере и десятикратному возрастанию их концентрации в ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.