Libmonster ID: UA-1782

 Академик О. Н. ФАВОРСКИЙ, доктор физико-математических наук A. M. СТАРИК, 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 меньше соединений, 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 проникновение 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-

стр. 84


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, по данным 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 для 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 100 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 различных 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 H 2 O/H 2 SO 4 , 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 из двигателя 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.

Интересно 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 H 2 O/H 2 SO 4 .

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-

стр. 85


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 2 O/H 2 SO 4 /HNO3 размером от 0,01 до 1 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, к сожалению, еще мало исследован. Поэтому 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-стратосферного 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 веществ 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 коридорах полетов.

В настоящее время считается, что современная авиация не оказывает существенного влияния на атмосферу и климат. Однако уточнение многих параметров применяемых моделей и сценариев воздействия, ожидаемый рост интенсивности полетов дозвуковой коммерческой авиации и возможное применение сверхзвуковой для пассажирских перевозок могут в значительной мере изменить сложившуюся точку зрения.

Основные направления исследований включают определение эмиссионных характеристик двигателей, моделирование физико-химических преобразований при смешении выбрасываемых газов с атмосферой, дальнейшее изучение атмосферных процессов, наиболее чувствительных к воздействию авиации в глобальных масштабах. Необходимо создание более полных кинетических моделей образования малых газовых компонентов, ионов, нейтральных и заряженных частиц сажи при горении авиационных топлив, формирования в реактивной струе аэрозолей, эволюции их состава, определение механизмов осаждения жидкого раствора на поверхности сажевых частиц и особенностей его замерзания.

Нужны более детальные исследования газофазных процессов, протекающих в атмосфере, а также на поверхности частиц стратосферного и тропосферного аэрозольных слоев, динамики возникновения микрочастиц в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Надо изучить гетерогенные реакции на поверхности частиц полярных стратосферных облаков, сульфатных аэрозолей, тройных сверхохлажденных растворов и сажевых тропосферных аэрозолей. Важной задачей является выяснение роли эмиссионных аэрозолей в образовании полярных стратосферных облаков и дополнительной облачности в тропосфере.


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Наш-дом-наша-планета-САМОЛЕТ-ОСТАВЛЯЕТ-СЛЕД

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Бельбек ТахумовContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Scientist

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Наш дом - наша планета. САМОЛЕТ ОСТАВЛЯЕТ СЛЕД // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 18.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Наш-дом-наша-планета-САМОЛЕТ-ОСТАВЛЯЕТ-СЛЕД (date of access: 01.12.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Rating
0 votes
Related Articles
А вообще весь этот кейс с комиками во власти заставил понять, что киношный сценарий разительно отличается от реальной большой политики, где побеждает трезвый, незамутненный запрещенными веществами ум, холодный расчет и опыт – как обязательные составляющие личности, дерзающей определять путь миллионов человек.
Catalog: Разное 
23 hours ago · From Naina Kravetz
Когда менять резину на зимнюю в 2021 году?
Yesterday · From Україна Онлайн
Запрещает ли PayPal азартные игры?
Catalog: Экономика 
3 days ago · From Україна Онлайн
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
7 days ago · From Україна Онлайн
Аварии на топливе Westinghouse случались и ранее, начиная с 1979 года, когда произошла крупнейшая в истории США авария на АЭС Три-Майл-Айленд, в результате которой зафиксировано расплавление 50% активной зоны реактора. Далее Westinghouse делала попытки торговать с Чехией, однако опасные эксперименты по замене оригинального топлива окончились досрочной его выгрузкой из 1-го энергоблока АЭС Темелин в январе 2007 года, по причине его сильной деформации. Вышедшие из строя вэстингхаусовские тепловыводящие сборки на 3-м энергоблоке Южно-Украинской АЭС были в экстренном порядке заменены на стандартные ТВЭЛовские.
Catalog: Экология 
8 days ago · From Naina Kravetz
HISTORY OF ROADS AND GROUND TRANSPORT ACCORDING TO ARCHEOLOGICAL DATA
Catalog: История 
10 days ago · From Україна Онлайн
BASIC UNIT FOR THE AMERICAN ACCELERATOR
11 days ago · From Україна Онлайн
TRANSITION TO CONTROLLED EVOLUTION OF THE BIOSPHERE
Catalog: Биология 
11 days ago · From Україна Онлайн
DEVONIAN PALEOSOILS OF THE ANDOMA MOUNTAIN
11 days ago · From Україна Онлайн
Безопасно ли брать кредит в Интернете?
Catalog: Экономика 
12 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
Наш дом - наша планета. САМОЛЕТ ОСТАВЛЯЕТ СЛЕД
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones