№ 5, 2001 г.

---

“Ни в коем случае!” - воскликнет читатель, вспомнив комфорт авиасалона и мысленно прикинув, в каких условиях мог бы протекать альтернативный полет. Тем не менее определенный резон в вынесенном в заголовок вопросе все-таки имеется. Упомянутое сказочное транспортное средство имеет одно неоспоримое преимущество перед его рукотворными конкурентами, которое, очевидно, сохранится в обозримом будущем - оно экологически чистое. Поэтому изучение последствий загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационных двигателей было и остается одной из важных проблем защиты окружающей среды.

Актуальность этой проблемы обусловлена быстрым ростом объема воздушных пассажирских перевозок в мире, который вырос с 9 млн человек в 1945 г. до 1443 млн в 1998 г., т.е. увеличился за полвека в 160 раз! В 80-90-х годах этот объем возрастал в среднем на 5% в год (в Юго-Восточной Азии - до 20%), а количество сожженного топлива и, как следствие, выбросов продуктов сгорания в атмосферу - на 3.5-4.5% в год. Такие же темпы роста ожидаются в первые десятилетия XXI в. Весь транспорт мира ныне потребляет 20-25% всего сжигаемого ископаемого топлива в год, доля авиации в этом потреблении составляет 13%, автотранспорта - 80%.

Впервые гипотеза о значительном воздействии выхлопных газов авиационных двигателей на окружающий воздух была высказана в 1971 г. химиком Калифорнийского университета в Беркли Г.Джонстоном. Он предположил, что оксиды азота NO и NO₂, содержащиеся в выбросах большого числа транспортных сверхзвуковых самолетов, могут вызвать уменьшение количества атмосферного озона. Проведенные в последующие годы модельные исследования показали, что воздействие продуктов сгорания самолетов на озоновый слой неодинаково в различных частях атмосферы. В нижней стратосфере (на высотах 16-25 км), где располагается зона полетов сверхзвуковой авиации, озон действительно разрушается в результате увеличения концентрации азотных оксидов. Однако суммарный эффект этого разрушения невелик, поскольку общее количество таких полетов ныне незначительно, а большинство пассажирских и грузовых перевозок осуществляется дозвуковой авиацией в верхней тропосфере и вблизи тропопаузы (на высотах 8-12 км). А выбросы оксидов азота в этом слое, согласно тем же модельным оценкам, напротив, способствуют некоторому росту содержания озона в нем.

Наблюдая за летящим высоко в безоблачном небе самолетом, каждый из нас видел оставляемый им шлейф, который состоит из конденсационных следов - так называемых контрейлов*. Этот шлейф может сохраняться часами в окрестностях крупных аэропортов с оживленным движением, и тогда конденсационные следы накапливаются и переходят в перистые облака - это еще один механизм воздействия выхлопных авиационных газов на климат Земли.

* Contrail (англ.) - белая облачная полоса, оставляемая самолетом в небе.

Необходимо отметить, что проблема загрязнения атмосферы авиацией не исчерпывается лишь изучением и оценкой влияния газовых и аэрозольных продуктов сгорания авиационных моторов на озоновый слой. Существует несколько аспектов проявления последствий такого загрязнения.

Во-первых - фотохимический. Он выражен в изменении соотношения между концентрациями малых, но важных составляющих атмосферного воздуха вследствие протекания фотохимических реакций. В результате рост содержания одних атмосферных газов (а также аэрозолей) сопровождается убыванием других газовых компонент воздуха.

Во-вторых - радиационный. Колебания в содержании парниковых газов (углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, озона О₃, метана СН₄ и др.), аэрозолей и особенно образование перистых облаков ведут к изменению теплового и радиационного балансов системы Земля-атмосфера и, следовательно, к изменению температуры воздуха как в атмосфере, так и у земной поверхности. Справедливо и обратное: колебания температуры воздуха влияют на образование облаков, интенсивность протекания фотохимических процессов, а значит, и на содержание газов в атмосфере. Таким образом, атмосферные фотохимические и радиационные процессы тесно взаимосвязаны.

В-третьих - биологический. От содержания озона зависит поток биологически активного ультрафиолетового (УФ) излучения на уровне поверхности Земли, так как именно этот газ поглощает излучение в области спектра с длиной волны в диапазоне 280-320 нм, опасное для здоровья человека и животных и подавляющее продуктивность некоторых видов растительности.

Таким образом, выбросы авиационных двигателей влияют на жизненно важные элементы экосистемы: качество воздуха, его температуру (а с ней атмосферную циркуляцию и климат) и достигающий поверхности Земли поток УФ радиации. Весь вопрос в том, сколь значительно это влияние. Для количественных оценок воздействия полетов дозвуковой (а в перспективе и сверхзвуковой) авиации на атмосферу и климат Земли важно иметь исчерпывающую количественную информацию о характере выбросов, необходимо создать модели, хорошо описывающие соответствующие атмосферные явления, а также надо учесть отмеченные впечатляющие темпы развития авиатранспорта.

Что выбрасывают авиадвигатели?

Считается, что при идеальном сжигании топлива в атмосферу должны попадать только СО₂, Н₂О, молекулярные азот N₂ и кислород O₂, а также SO₂, но в реальности помимо перечисленных газов в состав выбросов входят еще оксиды азота, оксид углерода СО, углеводородные соединения и сажевые частицы. При этом наибольшая доля авиационного загрязнения в общем приходится на СО₂ и Н₂О, а также на азотные оксиды NO и NO₂ (см. нижнюю строку табл.1); в последней паре более 80% выброса составляет оксид азота NO. Говоря о соотношении между NO и NO₂, мы имеем в виду их концентрации непосредственно в момент выхода выхлопных газов из сопла реактивного двигателя. Однако NO и NO₂ фотохимически тесно связаны, быстро переходят друг в друга, поэтому в исследованиях, посвященных их выбросам, часто используют сумму этих оксидов, обозначая ее NO_х. Она отличается большей стабильностью: время жизни NO_х в атмосфере достигает нескольких суток.

Состав продуктов сгорания и доля каждого из них в общей массе выхлопных газов полностью определяются техническими характеристиками и режимом работы двигателей, используемых в том или ином классе самолетов. Поэтому, чтобы оценить общий объем попадающих в атмосферу выхлопных газов, нужно знать лишь оснащение каждого класса эксплуатируемых сегодня самолетов (тип и количество двигателей, их характеристики) и, вооружившись расписанием полетов в каждом из аэропортов (а их в мире насчитывается около 1230), определить, какое суммарное время в полете проводят самолеты каждого класса. Приведенные в табл.1 оценки содержат лишь сведения о полетах на основных трассах в 1992 г.

Распределение по планете сожженного самолетами топлива в 1992 г.

Важная особенность загрязнения атмосферы продуктами сгорания - его неоднородность. Даже человек, никак не связанный с авиаиндустрией, легко сообразит, что, например, над Австралией или Антарктидой самолеты летают куда реже, чем над Европой, и что наиболее интенсивно движение над густонаселенными и промышленно развитыми Северной Америкой, Европой и над связывающим их Североатлантическим коридором. (Мировыми лидерами авиаперевозок в 1999 г. были аэропорты Атланты, Чикаго, Лос-Анджелеса, Лондона, Далласа, Токио и Франкфурта-на-Майне). Естественно, над этими территориями имеет место и максимальное загрязнение атмосферы авиационными выбросами; это хорошо видно на цветном рисунке и в нижней строке табл.2.

Интенсивность загрязнения воздуха по высоте также неодинакова: ее пик приходится на высоты крейсерских полетов (8-12 км), достаточно велико загрязнение приземного воздуха (сказывается значительный расход горючего при взлете), а вот в нижней и средней тропосфере, где самолеты лишь набирают высоту и заходят на посадку, уровень загрязнения невысок. И наконец, объем выбрасываемых выхлопных газов может существенно отличаться в разные сезоны и время суток. Известно, что летом число полетов возрастает приблизительно в 1.5 раза по сравнению с зимним периодом, а, например, многие полеты над океанами совершаются в ночные часы.

Как будут развиваться авиаперевозки в будущем?

Наряду с инвентаризацией величины и состава современных источников загрязнения атмосферы авиационными продуктами сгорания рассматриваются варианты их развития в перспективе.

Соответствующие прогнозы строятся на базе комплексной оценки эволюции общемировой ситуации с учетом предполагаемого роста народонаселения, уровня экономического развития, усовершенствования различных видов транспорта, появления новой авиационной техники, а также - известных тенденций в изменениях объема и видов продуктов сгорания. Заказчиками для разработки подобных прогнозов выступают международные или национальные институты: Всемирная организация гражданской авиации, Национальное агентство по аэронавтике США, Немецкая организация изучения авиационных и космических полетов. Большинство таких прогнозов охватывает период до 2015 г. - срока эксплуатации существующей техники, хотя имеются и долгосрочные сценарии (до 2050 г.). Учитывая вероятную погрешность при их создании, обычно строятся пары прогнозов, соответствующие наиболее и наименее благоприятному развитию общемировой ситуации.

Каким же видится специалистам ближайшее будущее мировой авиации? Мы уже отмечали, что в последние десятилетия ежегодный прирост авиаперевозок составлял около 5%, и, по оценкам экспертов, он, вероятно, будет таким же в последующие 15-20 лет, пассажиропоток к 2015 г. достигнет 7 млрд человек в год. Значительно увеличится число полетов к 2050 г. (табл.3).

Этот рост вместе с ростом мирового парка авиатехники одновременно потребует строительства новых аэропортов (их ожидаемое число от 560 до 3150 по минимальному и максимальному сценариям соответственно), а также значительного увеличения расхода горючего, который может достигнуть к 2050 г. от 0.15 до 0.35 трлн баррелей (1 баррель ~ 159 л), что составит от 8 до 18% мирового расхода топлива. При этом эмиссия NO_x в атмосферу прогнозируется в размере 3.5-3.8 Мт/год к 2015 г. против 1.5 Мт/год в 1992 г. В более долгосрочной перспективе, к 2050 г., поступление NO_x в атмосферу могло бы вырасти до 7 Мт/год, если все время использовать современные двигатели и современные виды горючего. Но этот выброс сократится до 4-5 Мт/год при улучшении качества последнего и до 2-2.5 Мт/год при одновременном росте экономичности авиадвигателей.

Атмосфера реагирует

Математические модели позволяют оценить последствия современного и ожидаемого в будущем загрязнений атмосферы выхлопными газами. Гипотеза Г.Джонстона по существу послужила толчком к появлению и развитию атмосферной химии как самостоятельной науки, а с ней к созданию и совершенствованию обеспечивавших ее моделей в комплексе с большим объемом натурных и лабораторных измерений. Вплоть до 90-х годов знания в области атмосферной химии базировались в основном на модельных оценках. В настоящее время все большее значение приобретают измерения малых газовых примесей и аэрозолей на трассах полетов и вне их с самолетов и спутников. Выбор модели инструментом исследований, как правило, зависит от специфики изучаемого процесса (его масштаба, влияния на другие атмосферные процессы и т.д.). Для этой цели сегодня обычно используют двумерные модели с учетом атмосферного переноса по вертикали либо вдоль круга широты, либо вдоль меридиана, а также и трехмерные модели с полным описанием атмосферной циркуляции, в которых учтены разнообразные химические, радиационные и микрофизические процессы, а в отдельных случаях даже взаимодействие атмосферы и океана.

Наконец, пора рассказать, как же реагирует атмосфера на загрязнение дозвуковыми самолетами. Наибольшим изменениям подвержена концентрация оксидов азота в слое массовых полетов - на высотах 10-12 км, что, конечно, не неожиданность, если сопоставить доли источников от выхлопных газов в суммарных атмосферных источниках (см. нижнюю строку табл.1). Содержание NO_x в зоне полетов превышает в два раза и более уровень, отвечающий ситуации без полетов. Максимальные значения концентрации NO_x достигаются над Северной Америкой, где загрязнение наиболее интенсивно (см. нижнюю строку табл.2). Это иллюстрируют наши расчеты увеличения концентрации NO_x в коридоре полетов в июле 1992 г.; результаты которых представлены на рисунке. К сожалению, модельный результат весьма трудно подтвердить данными измерений. Дело в том, что в тропосфере существуют два источника NO_x: оксиды азота образуются не только при работе авиационных двигателей, но и вследствие молниевых разрядов. Как ни странно, последнее явление изучено недостаточно, поэтому оценки молниевого источника NO_x очень ненадежны: разброс возможных поступлений чересчур велик (2-20 Мт/год). В такой ситуации сложно установить, какой из двух факторов превалирует, поскольку измерить можно только результат их совместного действия.

Превышение концентрации NO_x над фоновой (показано на изолиниях в %) в результате выбросов продуктов сгорания авиационными двигателями в июле 1992 г. Расчет произведен с помощью двумерной модели Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова. Штриховые вертикали - границы раздела освещенной и неосвещенной частей атмосферы.

Всесторонние исследования экологических последствий полетов транспортной авиации проводились большой международной группой ученых. Наше участие в этой работе заключалось в изучении фотохимического взаимодействия продуктов выбросов с различными молекулярными составляющими окружающего воздуха в течение времени жизни струи (т.е. от момента выброса из сопла двигателя до момента, когда содержание NO_x понизится до фоновых концентраций). Оказалось, что время жизни струи может изменяться в средних широтах от нескольких часов при дневных летних полетах до двух суток, если полеты совершаются зимой в ночное время. Естественно, что это время тем короче, чем быстрее рассеивается струя выбросов, смешиваясь с окружающим воздухом. Фотохимические реакции NO_x с компонентами окружающего воздуха приводят к частичному окислению NO_x с образованием соединений, не влияющих на содержание озона в атмосфере (таких, например, как азотная кислота НNO₃). Это ведет к снижению объема авиагенных оксидов азота в зоне массовых полетов, величина которого зависит от сезона и времени суток полета и достигает в среднем 40 и 20% соответственно для летних дневных и зимних ночных полетов. Полученные нами оценки были подтверждены результатами зарубежных измерений, когда самолеты-лаборатории пересекали струи выбросов рейсовых авиалайнеров над Северной Атлантикой.

Выбросы оксидов углерода (СО₂, СО) современной транспортной авиацией незначительны по сравнению с их глобальным антропогенным поступлением. Выбросы водяного пара практически незаметны на фоне его глобального испарения, но влажность воздуха быстро падает с высотой, и в слое 8-12 км эти выбросы становятся уже заметными (вспомним конденсационные следы, которые в нижней атмосфере не образуются). Влажность в стратосфере очень мала: основной источник поступления Н₂О - окисление метана СН₄ - привносит около 50 Мт/год. Это в три с лишним раза меньше, чем поступление паров воды от полетов дозвуковой авиации. Но при полетах сверхзвуковой транспортной авиации выбросы Н₂О в стратосферу (слои 16-20 км) могут стать значимыми, несмотря на много меньшие объемы перевозок.

Выше уже говорилось о том, что рост концентрации NO_x в верхней тропосфере влечет за собой увеличение и содержания озона. Расчеты показывают: в 1992 г. из-за выхлопных газов концентрация озона в слое 10-12 км повысилась примерно на 6%, а ее рост к 2050 г. предполагается на уровне 13% (такой прирост соответствует увеличению общего содержания озона в атмосферном столбе на 1.2%). Много это или мало? Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно вспомнить, что амплитуда сезонных колебаний общего содержания озона в средних широтах составляет 30-35%, а падение концентрации стратосферного озона, обусловленное действием хлорсодержащих соединений (хлорфторуглеводородов), оценивается в 4% в 1994 г. относительно 1979 г. Так что реакция озонового слоя на полеты самолетов в тропосфере заметно слабее, чем его естественные колебания или реакция на некоторые другие антропогенные факторы. И еще одно замечание. Памятуя о многочисленных публикациях, посвященных сокращению суммарного содержания озона в атмосфере (озонных дырах), тем не менее радоваться даже небольшому росту содержания озона в тропосфере нет оснований, поскольку озон - сильный окислитель, разрушающий многие материалы (резина, металлы) и наносящий ущерб растительности. А химические реакции с его участием регулируют присутствие в атмосфере многих активных радикалов, например ОН. Кроме того, увеличение концентрации озона ведет к усилению парникового потепления климата (эта проблема еще ждет своего решения).

Текущее состояние радиационного режима атмосферы обычно описывают разностью потоков излучения - нисходящего (от Солнца к Земле) и восходящего (от Земли в космос) - на уровне тропопаузы, расположенной в средних широтах на высоте 12-13 км. Изменение этой разности в результате действия того или иного явления, например извержения вулкана, усиления солнечной активности или выбросов продуктов сгорания авиадвигателями, называют радиационным форсингом. В последнем случае на величине радиационного форсинга сказываются как прямые выбросы парниковых газов (СО₂, Н₂О) и сажи, так и косвенные эффекты (изменение содержания озона, образование контрейлов и облаков, содержащих ледяные частицы, в следах самолетов). По оценкам специалистов, радиационный форсинг от полетов авиации составил в 1992 г. величину около 0.05 Вт/м² и возрастет до 0.2 Вт/м² к 2050 г. Для сравнения: в 1995 г. радиационный форсинг от достигших в то время максимума выбросов фреона-11 (CFCl₃) был равен 0.06 Вт/м², но радиационный форсинг, обусловленный общим загрязнением атмосферы за последние два с половиной столетия, достигал 2.45 Вт/м². Отсюда видно, что вклад современной дозвуковой авиации в эволюцию радиационного баланса системы Земля-атмосфера не превышает нескольких процентов, и хотя он, вероятно, несколько увеличится в обозримом будущем, полеты дозвуковой авиации даже тогда не будут оказывать значительного влияния на климат нашей планеты.

И что же дальше?

“А стоило ли городить огород?” - вправе спросить читатель. Как выясняется, и климат почти не страдает, и содержание озона близко к норме, а посему биологической катастрофы вроде бы тоже не приходится ожидать. Действительно, сегодня существуют куда более весомые угрозы экологической безопасности как регионального, так и глобального масштаба. И все же не стоит спешить со столь категоричными выводами. Чтобы выяснить реальное положение вещей, потребовались усилия большой группы специалистов (в том числе и авторов этой статьи) в рамках работы Межправительственной группы экспертов по изменениям климата, а ее результаты нашли отражение в специальном отчете (Aviation and the Global Atmosphere. A Special Report of IPCC Working Groups I and III. Cambridge, 1999). Несмотря на относительную незначительность вклада авиации в загрязнение атмосферы в настоящее время, считать проблему закрытой было бы неправильно по нескольким причинам. Во-первых, история учит: бесконтрольность различных отраслей индустрии при современных темпах их развития часто в очень короткие сроки ставит биосферу на грань локальной либо глобальной катастрофы (так было с использованием хлорфторуглеводородов в холодильной, парфюмерной и химической промышленности или с применением нитратов и пестицидов в сельском хозяйстве). Поэтому всякому нововведению, будь то внедрение массовых полетов сверхзвуковой транспортной авиации, изменение состава и расхода топлива или модернизация двигателей) должны предшествовать соответствующие теоретические и экспериментальные проработки, включая экологическую экспертизу. Во-вторых, известно, что разработка технологических новаций занимает обычно 5-10 лет, их успешное внедрение требует 15-20 лет, а средний срок эксплуатации самолета равен 25-35 годам. Это означает, что принимающие ответственные решения представители авиапромышленного комплекса становятся заложниками своих же решений по крайней мере на ближайшие полстолетия. Таким образом, цена возможной ошибки очень высока, и необходимо принять все меры к ее недопущению. В-третьих, приведенные в этой статье оценки отражают вклад в загрязнение атмосферы лишь дозвуковой авиации. Использование сверхзвуковой авиации позволит достигнуть любой точки земного шара не более чем за несколько часов, а скорость - серьезный аргумент в споре за потенциального пассажира. Пока себестоимость таких полетов слишком высока, однако новые технологические решения могут кардинально изменить ситуацию. Поэтому последствия для биосферы от полетов в нижней стратосфере нуждаются в дальнейшем изучении.

Инженерная мысль уже сегодня позволяет использовать, хоть и не в массовом масштабе, не загрязняющие окружающую среду автомобили. Наверно, когда-нибудь будут созданы и экологически чистые комфортабельные самолеты, фантастический прообраз которых - ковер-самолет - известен уже много веков. И тогда у экологов, а значит, и у всех людей, станет одной проблемой меньше.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 00-05-64254.

---

---

Апрель 2001