научная статья по теме АВИАЦИОННЫЕ САЖЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПОСЛЕДСТВИЯ ЭМИССИИ В АТМОСФЕРУ (ОБЗОР) Геофизика

Текст научной статьи на тему «АВИАЦИОННЫЕ САЖЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПОСЛЕДСТВИЯ ЭМИССИИ В АТМОСФЕРУ (ОБЗОР)»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 2, с. 147-164

УДК 551.510.53

АВИАЦИОННЫЕ САЖЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПОСЛЕДСТВИЯ ЭМИССИИ

В АТМОСФЕРУ (обзор)

© 2007 г. О. Б. Поповичева*, А. М. Старик**

*Научно-исследователъский институт ядерной физики МГУ им. Д.В. Скобельцына 119992 Москва, Воробьевы горы, д. 1, стр. 2 E-mail: polga@mics.msu.su **Централъный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова 111250 Москва, ул. Авиамоторная, 2 Поступила в редакцию 11.11.2005 г., после доработки 16.05.2006 г.

Данный обзор посвящен описанию оригинальных результатов анализа физико-химических свойств частиц сажи, эмитируемых из коммерческих самолетов, и последующих изменений этих свойств в условиях следа самолета. Для сравнения приведены результаты исследований модельных лабораторных образцов сажи. Представлен современный уровень экспериментальных исследований гигроскопичности частиц сажи и их эффективности как центров кристаллизации, оценена способность сажевых аэрозолей образовывать ядра конденсации в следе самолета и ядра нуклеации льда в верхней тропосфере. Приведены оценки последствий эмиссии авиационных сажевых аэрозолей в атмосферу.

ВВЕДЕНИЕ

Авиация - один из источников антропогенного воздействия на атмосферу. Считается, что ежегодно возрастающая эмиссия углекислого газа, воды и метана двигателями коммерческих самолетов изменяет химический и радиационный баланс атмосферы [1], что наряду с эмиссией сульфатных аэрозолей может влиять на климат [2]. Значительное воздействие следует ожидать в результате выбросов твердотельных продуктов неполного сгорания топлива - частиц сажи. Доказательство корреляции между массовой концентрацией частиц сажи в атмосферном сажевом аэрозольном слое и количеством потребляемого авиацией топлива [3, 4] инициировало более детальные исследования авиационных сажевых аэрозолей. В верхней тропосфере сажевые аэрозоли имеют размер 0.1-0.5 мкм и состоят из агломератов первичных частиц с диаметром 20-40 нм [3, 5]. Их средняя концентрация изменяется в пределах от 0.004 до 0.5 см-3. Такие частицы доминируют в составе атмосферных аэрозолей в смеси с органикой, минералами почвы и металлическими примесями [6].

Ранее при оценках климатических последствий эмиссии сажевых аэрозолей основное внимание уделялось изменению состава атмосферы, обусловленного протеканием гетерогенных химических реакций на поверхности сажевых частиц [7]. Однако заметного влияния эмиссии этих частиц на газовый состав атмосферы до сих пор не обнаружено [5, 8]. В настоящее время считается, что влияние эмиссии сажевых частиц на климат обуслов-

лено главным образом формированием долгожи-вущих конденсационных следов (прямой эффект) и инициированием образования перистых облаков (вторичный эффект).

Анализ процессов формирования конденсационного следа самолета [9] и регистрация в струе частиц, размер которых 0.15 мкм [10] является оптимальным для образования облачных ядер конденсации, указывают на значительную роль эмитируемых сажевых аэрозолей как центров нуклеации частиц льда. Анализ состава льдообра-зующих аэрозолей [6, 11] и ледовых ядер конденсационных следов самолетов (КСС) [12] показал, что они состоят в основном из углерода. Однако во время полета возможности для сбора и анализа эмитируемых частиц сажи для исследований их адсорбционной и нуклеационной способности крайне ограничены. Поэтому вопрос о механизме формирования частиц льда в выхлопной струе остается нерешенным. Авторы теоретических моделей, полагая, что частицы сажи гидрофобны, предлагали разные механизмы их активации в струе. Так, в [9, 10, 13] был предложен механизм активации частиц сажи молекулами серной или азотной кислоты, накапливающимися на их поверхности в результате осаждения этих молекул из газовой фазы и вследствие коагуляции сажевых частиц с сульфатными аэрозолями. Однако исследования формирования КСС при низком (0.01%) и нормальном (0.04%) содержании серы в топливе показали, что расстояние от среза сопла двигателя, на котором формируется КСС, в этих случаях одинаково и

только при повышенном содержании серы наблюдалось более раннее образование КСС [10].

Ежегодный рост частоты появления перистых облаков в коридорах полетов авиации (до 10% за десятилетие) позволяет предположить, что эмитируемые авиацией сажевые аэрозоли являются также эффективными ядрами конденсации для образования облачности [14]. Они могут играть значительную роль, инициируя нуклеацию льда при более низких пересыщениях, чем это необходимо для гомогенного замерзания сульфатных аэрозолей. Высокая концентрация сажевых аэрозолей в Cевер-ном полушарии может определять различие между порогами образования перистых облаков, зарегистрированное при измерениях в Северном и Южном полушариях [15]. Однако, несмотря на значительную важность вторичного эффекта, проведение натурных измерений и установление величины этого эффекта крайне затруднительно. Получить необходимую информацию можно на основе лабораторных исследований, моделирующих условия верхней тропосферы, однако вопрос о модельной авиационной саже до сих пор не решен [16]. Существует несколько типов сажи, используемой для лабораторных исследований атмосферных эффектов: коммерческая сажа [17], сажа, создаваемая разрядом на графитовых стержнях [8, 18, 19], и сажа, получаемая при горении углеводородных топлив в различных горелках [20, 21]. Различные типы сажи отличаются по размеру частиц, площади удельной поверхности, строению и составу и поэтому отличаются по химическим свойствам, гигроскопичности и способности образовывать ядра нуклеации. Эта неопределенность является в настоящее время основным ограничением для количественных оценок климатических последствий, к которым может привести эмиссия из авиационных двигателей в атмосферу.

Наиболее последовательный подход к оценке влияния эмиссии сажевых аэрозолей на атмосферные процессы начал развиваться после проведения ряда экспериментов по изучению свойств сажи, полученной при наземных испытаниях авиационного двигателя [22-25]. Целью данной работы является представление современного уровня исследований физико-химических свойств авиационных сажевых аэрозолей и анализ влияния аэрозолей на образование конденсационного следа самолета и на атмосферные процессы.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ

СГОРАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ ЧАСТИЦ САЖИ

Современные камеры сгорания авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) работают в диффузионном режиме. Важным свойством процесса горения в камере сгорания ГТД является существование зоны обратных потоков, наличие которой приводит к прогреву и воспламенению топли-

вовоздушной смеси, поступающей в камеру. Давление в камере сгорания P0 и температура воздуха на входе в камеру T i зависят от типа двигателя и режима полета летательного аппарата. Для современных пассажирских самолетов P0 = 0.8-1.6 МПа и Ti = 580-920 K. На выходе из камеры сгорания температура газа при рассматриваемых условиях не превышает 1600 K.

Сажевые частицы формируются в обогащенной топливом зоне камеры сгорания, где количество кислорода недостаточно для осуществления конверсии исходного углеводородного топлива в CO2 и H2O. Процесс формирования частиц сажи зависит от условий горения, вида топлива и конструкции камеры. Тем не менее можно выделить общие стадии процесса: 1) образование молекул, являющихся "строительным материалом" для сажевых частиц; 2) увеличение размера сажевых зародышей за счет гетерогенных реакций на поверхности; 3) коагуляция и агломерация первичных частиц сажи с образованием агрегатов. При частичном окислении или пиролизе исходного углеводорода образуются простейшие радикалы CH2 и C2H, реакции между которыми приводят к появлению молекул ацетилена C2H2, а затем - к формированию полииновых молекул C2nH2 (n = 1 ... 8), имеющих линейную структуру, и молекул полиароматических углеводородов (ПАУ). Дальнейший рост ПАУ происходит по так называемому механизму HACA (hydrogen-abstraction-acetylene-addition) [26].

В зависимости от типа молекул, образующих зародыши, различают несколько моделей формирования сажи: полииновую [27], полиароматическую [28] и ионную [29]. В последнее время были созданы численные алгоритмы для расчета временных характеристик процесса формирования сажевых частиц, выхода сажи и функции распределения частиц по размеру, объединяющие механизмы, лежащие в основе полииновой и полиароматической моделей [30, 31]. Но даже такая объединенная модель не способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные о наличии положительного и отрицательного заряда на сажевых частицах, образующихся в углеводород-но-воздушных пламенах [32, 33]. Анализ [34] показал, что основной причиной формирования положительно и отрицательно заряженных частиц сажи является взаимодействие первоначально нейтральных частиц с образующимися ионами и электронами. При этом на начальной стадии взаимодействия, вследствие более высокой скорости прилипания электронов к сажевым частицам, на них аккумулируется значительный отрицательный заряд. Так, частицы с диаметром 100-150 нм могут приобретать до 40-60 элементарных зарядов. Однако с течением времени (~5-10 мс) распределение частиц по заряду становится более симметричным, и заряд, аккумулированный крупными частицами, не превышает десяти.

В отличие от ламинарного пламени в зону образования сажевых частиц в камере сгорания за счет циркуляционного движения газа попадают компоненты продуктов горения, которые формируются в высокотемпературной зоне около оси камеры. Компоненты горючей смеси могут взаимодействовать с зародышами сажевых частиц еще на стадии их образования. Несмотря на то, что за последние годы был достигнут значительный прогресс в понимании механизмов образования частиц при горении углеводородных топлив, процесс формирования сажи в камере сгорания изучен не полностью.

ПОЛУЧЕНИЕ ЧАСТИЦ САЖИ

Для определения влияния сажевых частиц, выбрасываемых в атмосферу авиационными двигателями, на атмосферные процессы необходимо иметь информацию о физико-химических свойствах этих частиц. В настоящее время наиболее распространенным подхо

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.

Показать целиком