ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ
реклама
Министерство транспорта Российской Федерации (Минтранс России) Федеральное агентство воздушного транспорта (Росавиация) ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации» М.Л. АСАТУРОВ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ АВИАТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССАХ Учебное пособие Допущено УМО по образованию в области аэронавигации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Аэронавигация» и специальностям высшего профессионального образования «Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения», «Летная эксплуатация воздушных судов» и «Аэронавигационное обслуживание и использование воздушного пространства». Санкт-Петербург 2010 2 Ш 87 (03) АСАТУРОВ М.Л. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ АВИАТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССАХ: Учебное пособие / Университет ГА. С.-Петербург, 2010. Рассмотрены закономерности загрязнения окружающей среды при авиатранспортных процессах. Особое внимание уделено экологическим проблемам аэропортов, а также глобальным экологическим и климатическим последствиям загрязнения высоких слоев атмосферы при полетах воздушных судов. Предназначены для студентов всех факультетов Университета ГА и других высших учебных заведений гражданской авиации. Ил. 1. Табл. 11. Библ. 7 назв. Рецензенты: В.И. Иванов, канд. географ. наук доц. В.А. Матюгин, канд. физ.-мат. наук вед. науч. сотр. © Университет гражданской авиации, 2010 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ............................................................................................................. 4 Эмиссия загрязняющих веществ авиационными двигателями ............. 6 1.1. Индексы эмиссии продуктов сгорания авиационного топлива ... 6 1.2. Эмиссия самолетов в зоне аэропорта ............................................. 14 1.3. Нормирование эмиссии авиационных двигателей ........................ 26 Загрязнение окружающей среды в зоне аэропорта ................................ 35 2.1. Загрязнение воздуха ......................................................................... 36 2.2. Загрязнение воды и почвы ............................................................... 50 2.3. Электромагнитное загрязнение ....................................................... 55 2.4. Шумовое загрязнение ...................................................................... 67 Загрязнение авиацией высоких слоев атмосферы ................................. 82 Заключение ........................................................................................................ 93 Литература ......................................................................................................... 94 1. 2. 3. 4 ВВЕДЕНИЕ Гражданская авиация вносит значительный вклад в антропогенное загрязнение окружающей среды. Так, в конце XX века только на авиаперевозки в Европе и Америке тратилось около 250 млн. тонн топлива в год, т.е. почти 10% от всей нефтедобычи. Сжигание такого объема топлива приводит к поступлению в атмосферу большого количества выхлопных газов, содержащих твердые частицы, углеводороды, окислы азота, серы и другие вредные примеси. Существенно, что гражданская авиация развивается быстрыми темпами. В целом по миру темпы прироста налета самолетов в периоды, не затронутые экономическим кризисом, составляют по разным оценкам 5-10% в год. Это значительно больше темпов развития других видов транспорта, энергетики, а также многих других отраслей народного хозяйства. Соответственно, с каждым годом возрастает доля, которую вносит гражданская авиация в загрязнение окружающей среды. При авиатранспортных процессах, включая полеты и обслуживание самолетов, функционирование аэропортов и работу авиаремонтных предприятий, имеют место различные виды загрязнений окружающей среды. Так, химическое загрязнение разнообразными веществами происходит при выбросах выхлопных газов самолетов, при работе авиаремонтных предприятий и аэропортов. Механическому загрязнению атмосферы пылью способствуют ветры, которые дуют на обширных пустынных пространствах аэродромов. При взлете, полете и посадке воздушных судов происходит сильное акустическое (шумовое) загрязнение окружающей среды. Работа радиолокационного и радиотехнического оборудования гражданской авиации приводит к электромагнитному загрязнению. Свой вклад, хотя и сравнительно небольшой, авиатранспортные процессы вносят и в тепловое загрязнение окружающей среды. 5 Авиаперевозки способствовать и пассажиров, функционирование биологическому загрязнению аэропортов могут окружающей среды, распространению инфекционных болезней и эпидемий. Проблема загрязнения окружающей среды эстетического характера должна учитываться при строительстве аэропортов, особенно в случае их сооружения в местах, мало затронутых деятельностью человека. Рассматривая проблему загрязнения окружающей среды при авиатранспортных процессах, необходимо учитывать специфику гражданской авиации. Так, данная проблема особенно актуальна для крупных аэропортов с интенсивным воздушным движением. От химического, электромагнитного и шумового загрязнения окружающей среды страдают, как правило, не только пассажиры, экипажи и работники аэропортов, но и население прилегающих к аэропортам районов. Гражданской авиации принадлежит также значительная роль в загрязнении верхней тропосферы и стратосферы, т.е. высоких слоев атмосферы, которые до развития воздушного транспорта не подвергались прямым антропогенным воздействиям. Загрязнение этих слоев атмосферы чревато глобальными климатическими и экологическими эффектами, неблагоприятными для человека и биосферы. Вклад гражданской авиации в загрязнение окружающей среды не ограничивается загрязнениями, происходящими при авиатранспортных процессах. Гражданская авиация не могла бы существовать и развиваться без работы промышленных предприятий (авиационных, нефтеперерабатывающих, металлургических, химических и т.д.). Каждое из этих предприятий вносит свой вклад в загрязнение окружающей среды. Поэтому в широком плане проблема загрязнения окружающей среды гражданской авиацией является неотъемлемой составной частью более общей проблемы – загрязнения окружающей среды в результате развития всего экономического и технического потенциала современного общества в целом. 6 1. ЭМИССИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ АВИАЦИОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ При работе авиационных двигателей в атмосферу вместе с выхлопными газами поступают разнообразные продукты сгорания топлива, многие из которых негативно влияют на природу и здоровье людей. Этот процесс называется эмиссией (от латинского emissio – испускание). Эмиссия воздушных судов вносит основной вклад в загрязнение окружающей среды гражданской авиацией. Это определяет важность всестороннего рассмотрения данного процесса. Без знания закономерностей эмиссии авиационных двигателей невозможно проведение расчетов поступления загрязняющих веществ в атмосферу при полетах воздушных судов. Эти закономерности используются также при авиационных нормировании двигателей, предельно при допустимых разработке методов уровней эмиссии снижения эмиссии загрязняющих веществ самолетами гражданской авиации. 1.1. ИНДЕКСЫ ЭМИССИИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ АВИАЦИОННОГО ТОПЛИВА Состав выхлопных газов воздушных судов во многом зависит от типа установленных на них двигателей и используемого топлива. Современный парк самолетов и вертолетов имеет в основном газотурбинные двигатели, к которым относятся как турбовинтовые, так и турбореактивные двигатели. Газотурбинные двигатели работают на авиационном керосине. Самолеты старых типов с двигателями внутреннего сгорания потребляют бензин. Состав продуктов сгорания керосина несколько отличается от состава продуктов сгорания бензина. Основное отличие состоит в том, что в выхлопных 7 газах двигателей внутреннего сгорания присутствует в заметных количествах свинец. Этот металл является одним из наиболее токсичных компонентов загрязнения воздушной среды. Однако роль самолетов старых типов с двигателями внутреннего сгорания в современной гражданской авиации незначительна. Они потребляют менее 5% расходуемого всей авиацией топлива. Эта доля неуклонно уменьшается с каждым годом. Поэтому загрязнение атмосферы воздушными судами происходит в основном продуктами сгорания керосина. В выхлопных газах турбовинтовых и турбореактивных двигателей имеются относительно нейтральные компоненты: углекислый газ, пары воды, азот и некоторые другие естественные составляющие атмосферного воздуха. В то же время при сгорании керосина в газотурбинных двигателях в атмосферу поступают в сравнительно больших количествах и разнообразные вредные вещества. К ним относятся окись углерода СО (угарный газ), различные углеводороды CnHm (метан СН4, ацетилен С2Н2, этан С2Н6, толуол С6Н5СН3 и др.), а также окислы азота (в основном NO2 и NO) и окислы серы (SO2, SO3- ). При работе газотурбинных двигателей в атмосферу поступают также токсичные альдегиды (формальдегид НСНО, акролеин СН2 = СН – СНО, уксусный альдегид СН3СНО и др.) и ряд других вредных веществ, образующихся в незначительных количествах из имеющихся в керосине примесей. В выхлопных газах воздушных судов содержатся и твердые частицы, например, частицы сажи (C), создающие дымный шлейф за соплом двигателя. Наибольший интерес с экологической точки зрения представляет эмиссия авиационными двигателями окиси углерода CO, углеводородов CnHm, сажи, окислов азота NOx и сернистого газа SO2. 8 Закономерности эмиссии зависят от природы загрязнителя. Эти закономерности, как правило, существенно различны для разных загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопных газах авиационного двигателя. С количественной точки зрения эмиссия Е рассматриваемого вещества представляет собой количество этого вещества (в граммах), которое поступает в атмосферу в единицу времени (час) при работе авиационного двигателя (таким образом, размерность Е равна г/час). Эмиссия любого из загрязняющих веществ тем больше, чем больше количество сжигаемого двигателем топлива в единицу времени, т.е. чем больше часовой расход топлива Q (кг/час): E = EI Q, (1.1.1) где EI - коэффициент пропорциональности (имеющий размерность г/кг). Этот коэффициент пропорциональности называется индексом эмиссии. Обычно индекс эмиссии обозначается латинскими буквами EI. Такое условное обозначение является аббревиатурой от английского Emission Index. Таким образом, индекс эмиссии рассматриваемого загрязняющего вещества представляет собой количество этого вещества в граммах, выделяющееся при сжигании 1 кг топлива. Из определения индекса эмиссии следует, что величина EI не зависит от расхода топлива авиационным двигателем. Зная величину EI для каждого из загрязняющих веществ, а также часовой расход топлива Q, нетрудно рассчитать эмиссию загрязняющих веществ в атмосферу при работе авиационного двигателя, используя уравнение (1.1.1). Величина индекса эмиссии, как правило, существенно различна для разных загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопных газах авиационных двигателей. Однако природа загрязняющего вещества - это не единственный фактор, от которого зависит индекс эмиссии. На величину EI каждого загрязняющего вещества может оказывать влияние целый ряд факторов: химический состав 9 (качество) топлива, конструкция авиационного двигателя и режим его работы. При этом существенно, что перечисленные факторы по-разному влияют на индексы эмиссии различных загрязняющих веществ. Так, индексы эмиссии продуктов неполного сгорания авиационного топлива, к которым относятся угарный газ CO, разнообразные несгоревшие углеводороды CnHm и сажа C, существенно зависят от режима работы авиационного двигателя. Индексы эмиссии СО и CnHm минимальны, когда тяга двигателя близка к максимально возможной. Такой режим работы двигателя характерен для таких этапов полета самолета, как взлет, набор высоты и крейсерский полет на эшелоне. На этих этапах относительная тяга двигателя r (в долях от максимальной тяги двигателя Rmax) близка к единице. Чем меньше относительная тяга двигателя r, тем больше индексы эмиссии CO и CnHm. Максимальные значения индексов эмиссии CO и CnHm достигаются в режиме малого газа, когда тяга двигателя минимальна. Такой режим работы двигателя характерен для этапов холостого хода и руления перед взлетом и после посадки. Таким образом, при взлете, наборе высоты и полете на эшелоне индексы эмиссии СО и CnHm значительно меньше, чем в режиме малого газа при холостом ходе и рулении перед взлетом и после посадки. Влияние относительной тяги двигателя на индексы эмиссии CO и CnHm проиллюстрировано на рис.1.1.1. Представленные на нем графики получены путем осреднения данных об эмиссии авиационных двигателей, используемых на самолетах различных типов. Возрастание относительной индексов тяги эмиссии авиационного CO и двигателя при уменьшении объясняется следующими CnHm причинами. При конструировании двигателей обеспечивается высокая полнота сгорания топлива, в первую очередь, для самого продолжительного режима 10 крейсерского полета на эшелоне, когда тяга двигателя близка к максимальной. При этом достигается наиболее экономичное расходование топлива и наибольшая дальность полета. EI , г/кг 60 50 1 40 30 3 20 2 10 r 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Рис. 1.1.1. Зависимость индексов эмиссии (EI) окиси углерода CO (1), углеводородов CnHm (2) и окислов азота NOx (3) от относительной тяги (r) газотурбинного двигателя Таким образом, высокая полнота сгорания топлива и, соответственно, низкие индексы эмиссии СО и CnHm обычно характерны для режимов с максимальной или близкой к максимальной относительной тягой двигателя. На так называемых нерасчетных режимах, таких, как режим малого газа, задача обеспечения высокой полноты сгорания топлива конструкторами, как правило, всерьез не рассматривается. В то же время при уменьшении 11 относительной тяги двигателя температура и давление воздуха в камере сгорания газотурбинных двигателей снижаются, что приводит к уменьшению эффективности процесса горения топлива. Положение часто усугубляется тем, что на таких режимах ухудшается и распыливание топлива. Это также приводит к понижению полноты сгорания топлива. В результате индексы эмиссии CO и CnHm при небольших значениях относительной тяги двигателя резко возрастают. Для того, чтобы это не происходило, необходимо принятие специальных мер технического характера. Степень дымности отработавших газов авиационного двигателя, т.е. индекс эмиссии сажи (копоти), наоборот, возрастает при увеличении относительной тяги двигателя. Наибольшее дымление наблюдается при относительной тяге двигателя, близкой к максимальной. Такое поведение индекса эмиссии сажи в зависимости от относительной тяги двигателя вызвано следующими причинами. Частицы сажи наиболее интенсивно образуются в камере сгорания в зонах, в которых большой избыток топлива и высокая температура. При увеличении тяги двигателя возрастает подача топлива в камеру сгорания и увеличивается температура. Это способствует формированию зон, где происходит интенсивное образование сажи. Поэтому при увеличении относительной тяги дымление также возрастает. Индекс эмиссии сажи достигает максимума при относительной тяге двигателя около единицы. Индекс эмиссии окислов азота NOx, как и индекс эмиссии сажи, возрастает при увеличении относительной тяги двигателя. Он достигает наибольшего значения при максимальной тяге двигателя (см. рис.1.1.1). Такой характер изменения индекса эмиссии NOx в зависимости от относительной тяги двигателя объясняется следующими причинами. Окислы азота образуются в камере сгорания в зонах с высокой температурой. В этих зонах происходит окисление азота, содержащегося в 12 воздухе, который поступает наряду с топливом в камеру сгорания. Скорость реакции между азотом и кислородом экспоненциально возрастает с увеличением температуры. Поэтому чем выше температура в камере сгорания, тем больше индекс эмиссии окислов азота. В то же время, чем больше относительная тяга двигателя, тем выше температура в камере сгорания. Таким образом, чем больше относительная тяга двигателя, тем больше индекс эмиссии NOx. Индекс эмиссии сернистого газа SO2 определяется, главным образом, содержанием серы в авиационном топливе. Чем больше топливо загрязнено серой, тем больше сернистого газа поступает в атмосферу при работе авиационного двигателя. В то же время режим работы двигателя, величина относительной тяги практически не влияют на индекс эмиссии сернистого газа (в отличие от индексов эмиссии других рассмотренных выше компонентов выхлопных газов воздушных судов). Индексы эмиссии загрязняющих веществ зависят также от конструкции авиационного двигателя, особенностей его технического устройства, т.е. от типа и модификации авиационного двигателя. Например, на индекс эмиссии окислов азота влияет способ подачи используемого двигателем топлива и состав воздушно-топливной смеси в камере сгорания. В частности, он зависит от тонкости распыления горючего форсуночным устройством, от степени избытка воздуха на выходе из камеры сгорания. Уменьшение размера капель в воздушно-топливной смеси и увеличение избытка воздуха приводит к снижению индекса эмиссии NOx. Параметры технического устройства двигателей, влияющие на эмиссию загрязняющих веществ, как правило, различны у авиационных двигателей разных конструкций. Поэтому индексы эмиссии одних и тех же веществ при одном и том же режиме работы двигателя могут быть существенно различны у двигателей разных конструкций. 13 Более того, индексы эмиссии могут быть различными у двигателей одной и той же конструкции, но по-разному отрегулированных. Все это, в частности, свидетельствует о плодотворности развития методов технического совершенствования авиационных двигателей с точки зрения уменьшения эмиссии вредных веществ. Наряду с эмиссией отдельного авиационного двигателя можно рассматривать эмиссию каждого из вредных веществ самолетом в целом. Эта величина является суммой выбросов данного вещества всеми установленными на самолете двигателями. Все двигатели самолета, как правило, однотипны, примерно одинаково отрегулированы и работают в одном и том же режиме. Поэтому у всех двигателей индексы эмиссии рассматриваемого вещества приблизительно равны одной и той же величине (EI). Данная величина описывает и эмиссию всего самолета в целом. Действительно: Ec = n Eg = n EI Qg = EI n Qg = EI Qc, где (1.1.2) Ec и Eg - эмиссия самолета и двигателя, n - число двигателей на самолете, Qc и Qg - расход топлива самолетом и двигателем в единицу времени. Как видно из этого соотношения, индекс эмиссии двигателей EI тождественно равен индексу эмиссии всего самолета в целом. Индексы эмиссии самолетов разного типа часто существенно отличаются друг от друга вследствие того, что на них установлены двигатели различной конструкции, с разными индексами эмиссии. При проведении точных расчетов загрязнения атмосферы необходимо использовать значения индексов эмиссии, характерные для самолетов рассматриваемого типа. Для приблизительной оценки загрязнения атмосферы воздушными судами гражданской авиации можно использовать значения индексов эмиссии, осредненные по различным типам самолетов (в зависимости от режима работы 14 двигателя). Например, для режима крейсерского полета в среднем для дозвуковых и в среднем для сверхзвуковых самолетов характерны значения индексов эмиссии, приведенные в таблице 1.1.1. Таблица 1.1.1 Индексы эмиссии (г/кг) различных веществ при крейсерском полете дозвуковых и сверхзвуковых воздушных судов (ВС) ВС Н2О СО2 СО SO2 CnHm Сажа NOx Дозвуковые 1300 3100 4-8 1-5 0,1-0,2 0,1 15 Сверхзвуковые 1300 3200 0,4-4 1-2 0,1-0,2 0,1 15-18 1.2. ЭМИССИЯ САМОЛЕТОВ В ЗОНЕ АЭРОПОРТА При полете самолетов на эшелоне выхлопные газы авиационных двигателей рассеиваются в основном в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Поэтому на данном этапе полета воздушных судов поступлением выхлопных газов в нижние слои атмосферы можно пренебречь. На этапах взлетно-посадочного цикла выхлопные газы авиационных двигателей поступают главным образом в приземный слой атмосферы. Поэтому в зоне аэропорта, где большое количество самолетов регулярно осуществляет взлет и посадку, происходит сильное загрязнение воздуха у земной поверхности, т.е. среды обитания человека. 15 Для оценки загрязнения приземного слоя воздуха в зоне аэропорта необходимо определить вклад в этот процесс эмиссии самолетов на различных этапах взлетно-посадочного цикла. Взлетно-посадочный цикл воздушных судов состоит из следующих пяти этапов: - холостой ход и руление перед взлетом (1); - взлет (2); - набор высоты (3); - заход на посадку (4); - руление и холостой ход после посадки (5). Во время наземных этапов работы авиационных двигателей (т.е. этапов 1 и 5) все выхлопные газы поступают непосредственно в приземный слой атмосферы в зоне аэропорта. То же самое происходит и при взлете воздушных судов (этап 2). Иначе обстоит дело при наборе высоты и заходе на посадку (этапы 3 и 4). Оторвавшись от взлетно-посадочной полосы, самолет быстро набирает высоту. По мере подъема самолета уменьшается доля выхлопных газов, поступающих в приземный слой воздуха в зоне аэропорта. После подъема самолета на некоторую достаточно большую высоту загрязнением его двигателями зоны аэропорта можно пренебречь. При посадке самолета наблюдается обратная картина – чем ниже спускается самолет, тем больше загрязняющих веществ поступает в приземный слой воздуха в зоне аэропорта. Таким образом, для оценки загрязнения зоны аэропорта необходимо определить, какая часть загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу на этапах взлета и посадки, попадает в приземный слой воздуха. В принципе, это можно сделать путем решения дифференциальных уравнений, описывающих закономерности распространения примесей в 16 атмосфере от источника, высота которого, а также горизонтальные координаты изменяются со временем. Однако это довольно сложная задача. Поэтому обычно ограничиваются приближенными оценками загрязнения зоны аэропорта при наборе высоты и заходе на посадку. При проведении таких оценок используется понятие о пограничном слое атмосферы, широко распространенное в метеорологии. Пограничным слоем называется нижний слой атмосферы, в котором наблюдается ярко выраженное влияние земной поверхности на движение воздуха и другие атмосферные процессы. Средняя толщина пограничного слоя составляет около 900 м. Выше пограничного слоя расположена так называемая свободная атмосфера. Взаимодействие земной поверхности и свободной атмосферы пренебрежимо малó. Это дает определенные основания полагать, что когда самолет находится в свободной атмосфере выше пограничного слоя, выхлопные газы его двигателей практически не загрязняют приземный воздух в зоне аэропорта. В то же время, когда самолет находится в пределах пограничного слоя, выхлопные газы его двигателей распространяются, главным образом, в зоне аэропорта. Таким образом, в первом приближении можно считать, что к загрязнению самолетом приземного воздуха в зоне аэропорта приводит эмиссия авиационных двигателей на следующих этапах взлетно-посадочного цикла: - холостой ход и руление перед взлетом (1); - взлет (2); - набор высоты до 900 м (3); - заход на посадку с 900 м (4); - руление и холостой ход после посадки (5). 17 Такой метод оценки загрязнения зоны аэропорта, хотя и не вполне точен, зато удобен и физически обоснован. Этот метод утвержден в качестве стандартного Международной организацией гражданской авиации (ИКАО). Стандартизация метода позволяет обеспечить сопоставимость и объективность оценок загрязнения зоны аэропорта самолетами гражданской авиации. Для расчета количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу за взлетно-посадочный цикл, необходимо знать относительную тягу двигателей на каждом этапе цикла. Это нужно для определения индексов эмиссии загрязняющих веществ, которые зависят от величины относительной тяги авиационного двигателя. Для расчета эмиссии загрязняющих веществ авиационными двигателями за взлетно-посадочный цикл, необходимо также знать продолжительность каждого этапа цикла. Для этапов 1 и 5 (холостой ход и руление перед взлетом и после посадки) характерен режим малого газа. При этом режиме относительная тяга двигателей близка к минимально возможной и изменяется в небольших пределах (0,03-0,09). При расчетах эмиссии на этапах 1 и 5 относительная тяга двигателей принимается равной 0,07 (см. табл. 1.2.1). Эта величина, выбранная в качестве стандартной, соответствует среднему значению относительной тяги для режима малого газа. Продолжительность наземных этапов 1 и 5 взлетно-посадочного цикла (холостой ход и руление перед взлетом и после посадки) зависит от многих факторов. К ним относятся интенсивность взлетно-посадочных операций в данный момент, длина и профиль рулежных дорожек аэропорта и т.п. Поэтому характерная продолжительность этапов 1 и 5 различна в разных аэропортах. Кроме того, в каждом аэропорту продолжительность этих этапов изменяется в зависимости от времени суток и года. 18 При оценках загрязнения зоны аэропорта продолжительность этапов 1 и 5 принимается равной 15 и 7 минутам соответственно (см. табл. 1.2.1). Эти величины получены путем осреднения данных ряда крупнейших и наиболее загруженных аэропортов мира. Для таких аэропортов характерна наибольшая продолжительность наземных этапов 1 и 5. Использование максимальных оценок продолжительности наземных этапов в качестве стандартных при расчетах эмиссии авиационных двигателей позволяет оценить загрязнение зоны аэропорта при наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации. На этапах взлета, набора высоты (до 900 м) и захода на посадку (с 900 м) относительная тяга и продолжительность этапов мало меняются в зависимости от условий эксплуатации. При оценках загрязнения зоны аэропорта в качестве стандартных используются средние значения этих величин, представленные в табл. 1.2.1. Таблица 1.2.1 Характеристики стандартного взлетно-посадочного цикла Относительная тяга Продолжительность, мин 0,07 15 1 0,7 3. Набор высоты до 900 м 0,85 2,2 4. Заход на посадку с 900 м 0,3 4 0,07 7 Этап 1. Холостой ход и руление перед взлетом 2. Взлет 5. Руление и холостой ход после посадки Как видно из табл. 1.2.1, наземные этапы 1 и 5 характеризуются в среднем одинаковой относительной тягой. Поэтому при расчетах загрязнения зоны аэропорта их можно объединить в один наземный этап с относительной тягой 19 0,07 (холостой ход и руление перед взлетом и после посадки) общей продолжительностью 22 мин. Взлетно-посадочный цикл, характеристики которого представлены в табл. 1.2.1, утвержден в качестве стандартного Международной организацией гражданской авиации (ИКАО). Стандартизация взлетно-посадочного цикла обеспечивает объективность и сопоставимость оценок загрязнения зоны аэропорта самолетами гражданской авиации. Стандартный взлетно-посадочный цикл используется также при нормировании предельно допустимых уровней эмиссии воздушных судов и при проведении сертификационных испытаний авиационных двигателей в целях определения производимого ими загрязнения атмосферы. При оценках загрязнения зоны аэропорта выхлопными газами воздушных судов, прежде всего, рассчитывается количество каждого загрязняющего вещества, которое поступает в атмосферу при выполнении одним самолетом всего взлетно-посадочного цикла. Эта величина M равна: M Mi , (1.2.1) i где Mi - масса рассматриваемого загрязняющего вещества, которая поступает в атмосферу на этапе i взлетно-посадочного цикла. Суммирование здесь и в дальнейшем производится по всем этапам взлетно-посадочного цикла ( i меняется от 1 до 5). Величина Mi равна: Mi = Ei ti , где (1.2.2) Ei - эмиссия данного вещества на этапе i (т.е. количество вещества, которое поступает в атмосферу в единицу времени), ti - длительность этапа i. Величина Ei равна: 20 Ei = EIi Qi , где (1.2.3) EIi - индекс эмиссии рассматриваемого вещества на этапе i, Qi - расход топлива на данном этапе в единицу времени. Таким образом, масса загрязняющего вещества, которая поступает в атмосферу в зоне аэропорта при выполнении самолетом всего взлетнопосадочного цикла, равна: M EI i Qi t i . (1.2.4) i Как видно из формулы (1.2.4), для расчета загрязнения атмосферы за взлетно-посадочный цикл необходимо знать длительность каждого этапа цикла ti. Кроме того, нужно знать относительную тягу двигателя на каждом этапе ri, поскольку от величины ri зависит индекс эмиссии EIi. При расчетах загрязнения зоны аэропорта самолетами гражданской авиации используются стандартные значения ti и ri на каждом этапе взлетнопосадочного цикла (см. табл. 1.2.1). В соответствии со стандартными значениями относительной тяги ri определяются индексы эмиссии EIi загрязняющих веществ для каждого этапа i взлетно-посадочного цикла. При этом используются зависимости индекса эмиссии от относительной тяги двигателя, полученные на основе опытных данных. В качестве примера в табл. 1.2.2 приведены значения индексов эмиссии на различных этапах взлетно-посадочного цикла для наиболее вредных компонентов выхлопных газов авиационных двигателей (CO, CnHm и NOx). Представленные в табл. 1.2.2 величины EI получены путем осреднения данных об эмиссии различных типов газотурбинных двигателей, используемых на современных самолетах гражданской авиации. Осредненные величины индексов эмиссии используются при проведении приближенных оценок загрязнения зоны аэропорта воздушными судами. 21 Таблица 1.2.2 Индексы эмиссии угарного газа CO, углеводородов CnHm и окислов азота NOx на различных этапах взлетно-посадочного цикла Этап Относительная тяга 1. Холостой ход и руление перед взлетом 2. Взлет 3. Набор высоты до 900 м 4. Заход на посадку с 900 м 5. Руление и холостой ход после посадки Индекс эмиссии, г/кг CO CnHm NOx 0,07 50 18 2 1 0 0 35 0,85 0 0 30 0,3 10 3 10 0,07 50 18 2 Для более точных оценок загрязнения зоны аэропорта самолетами различных типов необходимо использовать конкретные данные об индексах эмиссии авиационных двигателей, установленных на самолетах каждого типа. Эти данные определяются экспериментальным путем на основе сертификационных испытаний авиационных двигателей. Расход топлива самолетом в единицу времени на каждом этапе взлетнопосадочного цикла Qi зависит от типа самолета, от количества и типа установленных на нем двигателей, от их мощности и экономичности. Данные о расходе топлива на различных этапах взлетно-посадочного цикла самолетами разных типов представлены в Руководстве по летной эксплуатации (РЛЭ). В качестве примера в табл. 1.2.3 приведены данные о расходе топлива самолетом ИЛ-86 с двигателями НК-86. 22 Таблица 1.2.3 Расход топлива самолетом ИЛ-86 на различных этапах взлетно-посадочного цикла Этап Относительная тяга Расход топлива, кг/мин 0,07 20 1 180 3. Набор высоты до 900 м 0,85 160 4. Заход на посадку с 900 м 0,3 60 0,07 20 1. Холостой ход и руление перед взлетом 2. Взлет 5. Руление и холостой ход после посадки Используя приведенные в табл. 1.2.1-1.2.3 данные, нетрудно рассчитать выброс каждого из загрязняющих веществ самолетом ИЛ-86 в зоне аэропорта. Так, в соответствии с формулой (1.2.4), суммарный выброс СО за весь взлетно-посадочный цикл равен: М (СО) = 50 г/кг 20 кг/мин 15 мин + 0 г/кг 180 кг/мин 0,7 мин + 0 г/кг 160 кг/мин 2,2 мин + 10 г/кг 60 кг/мин 4 мин + 50 г/кг 20 кг/мин 7 мин. Итого: М (СО) = (15000 + 0 + 0 + 2400 + 7000) г = 24400 г = 24,4 кг. Суммарный выброс CnHm равен: М (CnHm) = 18 г/кг 20 кг/мин 15 мин + 0 г/кг 180 кг/мин 0,7 мин + 0 г/кг 160 кг/мин 2,2 мин + 3 г/кг 60 кг/мин 4 мин + 18 г/кг 20 кг/мин 7 мин. Итого: М (CnHm) = (5400 + 0 + 0 + 720 + 2520) г = 8640 г = 8,64 кг. 23 Суммарный выброс NOx равен: М (NOx) = 2 г/кг 20 кг/мин 15 мин + 35 г/кг 180 кг/мин 0,7 мин + 30 г/кг 160 кг/мин 2,2 мин + 10 г/кг 60 кг/мин 4 мин + 2 г/кг 20 кг/мин 7 мин. Итого: М (NOx) = (600 + 4410 + 10560 + 2400 + 280) г = 18250 г = 18,25 кг. В приведенном примере при расчетах использовались величины индексов эмиссии, осредненные по различным типам самолетов. Более точные оценки загрязнения зоны аэропорта самолетом рассматриваемого типа можно получить, используя при расчетах более точные значения индексов эмиссии, характерные для данного воздушного судна В табл. 1.2.4 представлены результаты расчетов выбросов СО, CnHm и NOx за взлетно-посадочный цикл для нескольких типов самолетов. Как видно из табл. 1.2.4, величины выбросов за взлетно-посадочный цикл одних и тех же загрязняющих зону аэропорта веществ самолетами различного типа могут существенно отличаться друг от друга. Таблица 1.2.4 Выбросы CO, CnHm и NOx за взлетно-посадочный цикл самолетами различного типа ИЛ-86 СО 61 Величина выброса, кг CnHm 9 NOx 25 ИЛ-62М 90 16 18 ТУ-154 109 34 18 ЯК-42 10 3 11 АН-2 3,3 1 0,1 Тип самолета 24 Частично это объясняется различием в индексах эмиссии двигателей, установленных на самолетах разного типа. Однако главной причиной является разница в количестве топлива, расходуемого самолетами различного типа. Обеспечение полетов более тяжелых и быстрых самолетов требует использования более мощных двигателей. Соответственно, чем больше мощность авиационных двигателей, тем больше топлива они расходуют в единицу времени и тем больше вредных веществ поступает в атмосферу за взлетно-посадочный цикл. Данные о выбросах вредных веществ за взлетно-посадочный цикл самолетами различного типа (см. табл. 1.2.4) используются для расчета валового выброса каждого из загрязняющих веществ в зоне аэропорта за сутки, за месяц, за год. При расчетах валовых выбросов используются также данные о движении самолетов в аэропорту. Пусть в аэропорту согласно расписанию производят взлет и посадку самолеты типа 1, 2, ... k. Обозначим число взлетно-посадочных циклов, совершаемых в течение суток самолетами типа 1, через n1, самолетами типа 2 через n2, ..., самолетами типа k - через nk. Валовой выброс за сутки Mc каждого загрязняющего вещества будет соответственно равен: M c n1 M 1 n2 M 2 ... nk M k , (1.2.5) где Mk - выброс рассматриваемого вещества самолетами типа k за один взлетнопосадочный цикл. Суммирование в формуле (1.2.5) производится по всем типам самолетов, которые осуществляют взлет и посадку в аэропорту. Например, пусть в течение суток в аэропорту производят взлет и посадку 5 самолетов ИЛ-62М, 10 ТУ-154, 15 ЯК-42 и 20 АН-2. 25 Тогда, согласно данным из табл. 1.2.4, валовой выброс за сутки в зоне аэропорта каждого из рассматриваемых загрязняющих веществ (CO, CnHm и NOx) будет равен соответственно: = (5 90 + 10 109 + 15 10 + 20 3,3) кг = Mc (CO) = (450 + 1090 + 150 + 66) кг = 1756 кг; Mc (CnHm) = (5 16 + 10 34 + 15 3 + 20 1) кг = = (80 + 340 + 45 + 20) кг = 485 кг; = (5 18 + 10 18 + 15 11 + 20 0,1) кг = Mc (NOx) = (90 + 180 + 165 + 2) кг = 437 кг. Чтобы получить валовой выброс загрязняющих веществ за месяц Mм, необходимо просуммировать валовые выбросы за каждые сутки рассматриваемого месяца. Если интенсивность движения самолетов в течение месяца не менялась, то месячный валовой выброс можно получить путем умножения суточного валового выброса на число дней в рассматриваемом месяце. Так, если число дней в месяце было равно 30, а суточные валовые выбросы загрязняющих веществ были в течение месяца такими же, как в предыдущем примере, то валовые выбросы CO, CnHm и NOx за месяц равны соответственно: Mм (CO) = 30 1756 кг = 52680 кг = 52,68 т, Mм (CnHm) = 30 485 кг = 14550 кг = 14,55 т, Mм (NOx) = 30 437 кг = 13110 кг = 13,11 т. Если валовые выбросы за месяц мало меняются в течение года, то валовые выбросы каждого из загрязняющих веществ за год Мг можно получить путем умножения месячного валового выброса на число месяцев в году. Так, в этом случае в приведенном примере валовые выбросы СО, CnHm и NOx за год будут равны соответственно: Mг (CO) = 12 52,68 т = 632,16 т, Mг (CnHm) =12 14,55 т = 174,60 т, 26 Mг (NOx) = 12 13,11 т = 157,32 т. Однако обычно интенсивность полетов самолетов в аэропортах существенно меняется в течение года. Как правило, в летние месяцы она выше, а в зимние месяцы – ниже, чем среднегодовая интенсивность полетов. Поэтому необходимо рассчитывать валовые выбросы загрязняющих веществ отдельно за каждый календарный месяц. Результаты расчетов можно представить в виде графика, который будет характеризовать годовой ход загрязнения зоны аэропорта авиационными двигателями. Просуммировав валовые выбросы за все календарные месяцы, можно получить валовые выбросы загрязняющих веществ за год. Эти величины – годовые валовые выбросы в зоне аэропорта каждого из загрязняющих веществ – заносятся в экологический паспорт аэропорта. 1. 3. НОРМИРОВАНИЕ ЭМИССИИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В целях уменьшения вреда, наносимого окружающей среде, в гражданской авиации устанавливаются ограничения для выбросов вредных веществ в атмосферу при работе авиационных двигателей. При разработке норм предельно допустимых выбросов (ПДВ) рассматриваются экологические последствия загрязнения приземного воздуха в зоне аэропорта. В настоящее время в гражданской авиации устанавливаются нормы ПДВ для четырех компонентов выхлопных газов авиационных двигателей, наносящих наибольший ущерб качеству приземного воздуха в зоне аэропорта. Таковыми являются окись углерода CO, несгоревшие углеводороды CnHm, окислы азота NOx и частицы сажи (дым). При нормировании эмиссии воздушных судов учитывают не только экологические потребности, но и технические возможности уменьшения выбросов токсичных веществ авиационными двигателями. 27 С этой целью рассматривается влияние технических характеристик воздушных судов на загрязнение зоны аэропорта за стандартный взлетнопосадочный цикл. Такое рассмотрение приводит к понятию о контрольном параметре эмиссии, играющем важную роль при нормировании предельно допустимых выбросов в гражданской авиации. Как было показано в п. 1.2, масса загрязняющего вещества, которая поступает в атмосферу на каждом этапе взлетно-посадочного цикла, пропорциональна расходу топлива самолетом на данном этапе. Количество используемого топлива зависит от типа самолета, от его аэродинамических характеристик. Чем больше максимальный взлетный вес и скорость самолета, тем больше должна быть мощность двигателей, устанавливаемых на самолете. В свою очередь, чем больше мощность и максимальная тяга, которую развивают двигатели, тем больше топлива они расходуют. Действительно, расход топлива в единицу времени на каждом этапе взлетно-посадочного цикла равен: Qi = gi Ri , где (1.3.1) gi – удельный расход топлива на этапе i, Ri – тяга двигателя на данном этапе. Удельным расходом топлива называется расход топлива в единицу времени, необходимый для создания единичной тяги (тяги, равной 1 ньютону). Величина удельного расхода топлива gi характеризует экономичность работы двигателя на соответствующем этапе взлетно-посадочного цикла. Поскольку на каждом этапе i тяга двигателя Ri = ri Rmax (где ri =Ri /Rmax – относительная тяга двигателя), то: Qi = gi ri Rmax. (1.3.2) Подставляя это выражение в формулу (1.2.4), получим: M EI i g i ri Rmax ti Rmax EI i g i ri ti . i i (1.3.3) 28 Здесь, как и раньше (см. п. 1.2), суммирование производится по всем пяти этапам стандартного взлетно-посадочного цикла (i меняется от 1 до 5). Как видно из формулы (1.3.3), выброс вредных веществ за весь взлетнопосадочный цикл M пропорционален максимальной тяге двигателей Rmax. Таким образом, чем больше максимальная тяга двигателей, тем больше загрязнение зоны аэропорта выхлопными газами. Чем больше грузоподъемность и максимальная скорость самолетов, тем больше потребная максимальная тяга двигателей. Следовательно, более грузоподъемные и скоростные самолеты неизбежно в большей степени загрязняют зону аэропорта за взлетно-посадочный цикл, чем менее мощные самолеты. Эта непреложная закономерность учитывается в гражданской авиации при нормировании предельно допустимых уровней эмиссии авиационных двигателей. Ограничения вводятся не на величину М, пропорциональную Rmax, а на отношение M/Rmax, т.е. на величину, не зависящую от максимальной тяги двигателей. Величина M/Rmax называется контрольным параметром эмиссии (КПЭ). Он равен соответственно: КПЭ = M / Rmax EI i g i ri ti . (1.3.4) i Как видно из этой формулы, для расчета величины КПЭ необходимо знать характеристики взлетно-посадочного цикла - длительность различных этапов цикла ti и относительную тягу двигателей на этих этапах ri. При нормировании предельно допустимых уровней КПЭ ориентируются на значения величин ti и ri, соответствующие стандартному взлетно-посадочному циклу (см. табл. 1.2.1). В соответствии с формулой (1.3.4) контрольный параметр эмиссии зависит от двух величин, характеризующих работу авиационного двигателя на каждом этапе взлетно-посадочного цикла, - от удельного расхода топлива gi и от индекса эмиссии рассматриваемого вредного вещества EIi. 29 Величина КПЭ тем меньше, чем меньше удельный расход топлива gi на каждом этапе взлетно-посадочного цикла, т.е. чем экономичнее работают авиационные двигатели, а также чем меньше индексы эмиссии EIi, т.е. чем меньше вредного вещества выделяется в атмосферу при сжигании 1 кг топлива. Величина контрольного параметра эмиссии, так же как и удельного расхода топлива и индексов эмиссии, от которых зависит КПЭ, во многом определяется конструкцией авиационного двигателя, его техническим совершенством. Техническое совершенство газотурбинных двигателей характеризуется параметрами термодинамического цикла. В их число входят степень повышения давления воздуха в компрессоре двигателя на взлетном режиме Пк, температура газа перед турбиной Тг и ряд других термодинамических параметров. Например, чем больше величина параметров Пк и Тг, достигнутая при конструировании двигателя, тем выше его экономичность. По мере конструкции развития обычно двигателей, происходит по мере совершенствования одновременное улучшение их всех термодинамических параметров двигателя. В частности, возрастает степень максимального повышения давления воздуха в компрессоре. Увеличение величины Пк сопровождается улучшением других термодинамических параметров авиационного двигателя. Эта закономерность используется для оценки технического совершенства авиационного двигателя. В качестве показателя совершенства двигателя выступает величина параметра Пк. Чем больше степень повышения давления воздуха в компрессоре Пк, которая достигнута при конструировании двигателя, тем оптимальнее все его термодинамические параметры, тем выше техническое совершенство газотурбинного двигателя. Повышение технического совершенства означает, в частности, увеличение экономичности двигателя, т.е. уменьшение удельного расхода 30 топлива gi на всех этапах взлетно-посадочного цикла. Это должно приводить при прочих равных условиях к уменьшению контрольного параметра эмиссии двигателя. Таким образом, чем больше степень повышения давления воздуха в компрессоре Пк, тем экономичнее должен быть двигатель и тем меньше, в принципе, должна быть эмиссия вредных веществ при его работе. Однако контрольный параметр эмиссии зависит не только от удельного расхода топлива gi, но и от индексов эмиссии вредных веществ EIi. Повышение технического совершенства двигателя, приводящее к уменьшению удельного расхода топлива, обычно сказывается и на величине индексов эмиссии. Характер влияния совершенства авиационного двигателя на индексы эмиссии различных загрязняющих веществ не одинаков. Так, чем больше степень повышения давления воздуха в компрессоре Пк, тем больше полнота сгорания топлива и, соответственно, тем меньше индексы эмиссии продуктов неполного сгорания - угарного газа СО и углеводородов CnHm. Это, наряду со снижением удельного расхода топлива, приводит к уменьшению контрольных параметров эмиссии СО и CnHm по мере технического совершенствования авиационных двигателей. Принципиально иной характер имеют закономерности эмиссии окислов азота NOx. Индекс эмиссии NOx тем больше, чем больше температура воздуха за компрессором на входе в камеру сгорания. По мере совершенствования двигателей величина этого термодинамического параметра возрастает. В результате увеличивается индекс эмиссии NOx. Наряду с увеличением индекса эмиссии NOx в результате совершенствования двигателя снижается удельный расход топлива. Рассмотренные эффекты оказывают противоположное влияние на величину контрольного параметра эмиссии. При этом, как правило, влияние 31 увеличения индекса эмиссии преобладает. В результате при повышении технического совершенства газотурбинного двигателя контрольный параметр эмиссии окислов азота NOx даже несколько увеличивается. Таким образом, повышение технического совершенства авиационных двигателей, характеризуемое степенью повышения давления воздуха в компрессоре Пк, по-разному влияет на эмиссию СО, CnHm и NOx. Увеличение Пк приводит к уменьшению контрольного параметра эмиссии CO и CnHm и к увеличению контрольного параметра эмиссии NOx. Зависимость эмиссии загрязняющих веществ от технического совершенства авиационных двигателей учитывается при нормировании предельно допустимого уровня контрольного параметра эмиссии. Для более совершенных двигателей устанавливаются более жесткие предельные нормы для контрольного параметра эмиссии СО и CnHm, чем для менее совершенных авиационных двигателей. Это связано с тем, что техническое совершенствование двигателей должно приводить к снижению эмиссии этих веществ. В то же время эмиссия NOx неизбежно возрастает по мере совершенствования авиационных двигателей. Поэтому допускается некоторое увеличение предельной нормы контрольного параметра эмиссии NO x у более совершенных авиационных двигателей. Поскольку мерой технического совершенства авиационных двигателей служит степень повышения давления воздуха в компрессоре на взлетном режиме Пк, предельно допустимые нормы контрольного параметра эмиссии устанавливаются с учетом величины Пк. Так, согласно требованиям Международной организации гражданской авиации (ИКАО) контрольный параметр эмиссии газотурбинных двигателей не должен превышать следующих величин: для СО – 27/Пк2 г/Н (но не более 0,27 г/Н), для CnHm – 0,0625 (0,92) П г/Н (но не более 0,0275 г/Н), к 32 для NOx – (3,2 + 0,08 Пк) 10-2 г/Н (но не более 0,064 г/Н). Как видно из приведенных соотношений, установленные ИКАО предельные нормы контрольного параметра эмиссии угарного газа СО и углеводородов CnHm уменьшаются, а окислов азота NOx – увеличиваются (до определенных пределов) при увеличении параметра Пк, характеризующего техническое совершенство авиационного двигателя. Более простые предельно допустимые нормы контрольного параметра эмиссии загрязняющих веществ установлены в России. Согласно ГОСТ 17.2.2.04-86 контрольный параметр эмиссии авиационных двигателей не должен превышать следующих величин: для СО – 0,118 г/Н, для CnHm – 0,0196 г/Н, для NOx – (4 + 0,2 Пк) 10-2 г/Н. В данных нормативах, как видно из приведенных соотношений, увеличение степени максимального повышения давления воздуха в компрессоре двигателя Пк влияет только на предельную норму контрольного параметра эмиссии окислов азота NOx. Определить непосредственно в процессе эксплуатации самолета, соблюдаются ли им предельные нормы контрольного параметра эмиссии, чрезвычайно затруднительно с технической и практической точки зрения. Однако в этом нет необходимости, поскольку все этапы работы двигателя с достаточной точностью могут быть воспроизведены при стендовых испытаниях. В целях определения контрольного параметра эмиссии для каждого типа двигателя проводятся сертификационные стендовые испытания. Во время данных испытаний имитируется стандартный взлетно-посадочный цикл. При этом измеряется эмиссия вредных веществ: СО, CnHm и NOx. 33 Методы определения выбросов вредных веществ при сертификационных стендовых испытаниях газотурбинных двигателей изложены в ГОСТ 17.2.2.0486. Характеристики эмиссии при стендовых испытаниях определяются путем отбора проб газа из выхлопной струи. Располагают газоотборник на достаточно большом расстоянии от выходного отверстия, – так, чтобы он не влиял на работу двигателя. От газоотборника пробы газа транспортируют по магистрали к измерительной системе. Поскольку при испытаниях необходимо точно и быстро измерять очень малые концентрации вредных веществ (до 0,0002%), применяются только быстродействующие и высокоточные экспресс-анализаторы. Как правило, для измерения концентрации окислов углерода и азота (СО и NOx) используются спектральные методы. Содержание углеводородов CnHm в выхлопных газах измеряется с помощью пламенно-ионизационного метода. Характеристики эмиссии существенно зависят от давления, температуры и влажности воздуха в камере сгорания. Эти параметры в свою очередь зависят от метеорологических условий в атмосфере. Поэтому измерения эмиссии при сертификационных стендовых испытаниях должны проводиться при одних и тех же стандартных метеорологических условиях. В качестве таковых приняты метеорологические условия в стандартной атмосфере на уровне моря (Т = 288К или 150С, Р = 760 мм рт. ст.) при абсолютной влажности воздуха а = 0,0629 кг воды / кг сухого воздуха. По результатам стендовых испытаний соответствующей организацией, имеющей на это право, выдается специальный документ - сертификат. Он удостоверяет, что данный двигатель или самолет не превышает предельно допустимые уровни эмиссии вредных веществ. Сертификат предъявляется администрации аэропорта по ее требованию. 34 Таким путем достигается соблюдение самолетами с газотурбинными двигателями предельных норм эмиссии окиси углерода CO, углеводородов CnHm и окислов азота NOx. Эмиссия частиц сажи (дыма) авиационными двигателями ограничивается в гражданской авиации более простым путем, чем эмиссия рассмотренных газообразных компонентов выхлопных газов (СО, CnHm и NOx). Единственное требование к эмиссии сажи заключается в том, чтобы дымного шлейфа не было видно. Соблюдение этого требования легко может быть проконтролировано администрацией аэропорта непосредственно во время эксплуатации самолетов. В настоящее время методы ликвидации дымления у газотурбинных двигателей достаточно хорошо освоены. Поэтому соблюдение требований по отсутствию дымного шлейфа при эксплуатации самолетов не вызывает особых затруднений. В заключение необходимо отметить, что при разработке представленных выше методов нормирования эмиссии воздушных судов учитывается загрязнение только приземного слоя атмосферы в зоне аэропорта. Таким образом, пока при нормировании предельно допустимых выбросов в гражданской авиации не принимаются в расчет экологические последствия загрязнения самолетами высоких слоев атмосферы при полетах в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Наиболее важные из них – разрушение защитного озонного слоя планеты, формирование аэрозольного слоя в стратосфере, задерживающего солнечную радиацию, глобальное загрязнение окружающей среды (см. п. 3). Эти проблемы с каждым днем становятся все актуальнее. Поэтому несомненно, что в ближайшем будущем их необходимо будет учитывать при нормировании эмиссии воздушных судов. 35 2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ АЭРОПОРТА Характерной чертой современной гражданской авиации является наличие крупных аэропортов, в которых сходятся маршруты многих самолетов. Для таких аэропортов актуальной проблемой становится загрязнение окружающей среды многочисленными вредными веществами, образующимися при авиатранспортных процессах. Происходит интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы в результате содержащих поступления различные выхлопных токсичные газов примеси. авиационных двигателей, Существенный вклад в загрязнение воздуха в зоне аэропортов вносят также выхлопы двигателей спецавтотранспорта и пассажирского и грузового автотранспорта, выбросы вредных веществ при работе аэропортовых энергетических установок и котельных, производственных и ремонтных цехов, поступление в воздух паров горюче-смазочных материалов и авиационного топлива. Наряду с загрязнением атмосферы в зоне крупных аэропортов происходит значительное загрязнение поверхностных вод и почвы. К этому приводит, главным образом, сброс производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, содержащих различные вредные примеси, а также осаждение на поверхности почв и водоемов токсичных веществ, поступающих в атмосферу при авиатранспортных процессах. Вследствие интенсивного химического загрязнения окружающей среды крупными аэропортами концентрации вредных веществ в воздухе, воде и почве часто превышают предельно допустимые значения не только на территории аэропортов, но и далеко за их пределами. Аэропорты являются также источниками сильного физического (электромагнитного и акустического) загрязнения окружающей среды. К электромагнитному загрязнению приводит излучение мощных радиолокационных станций, предназначенных для навигации воздушных судов. 36 Данное электромагнитное излучение весьма опасно для здоровья людей, находящихся в зоне его воздействия. Серьезной экологической проблемой является акустическое загрязнение окружающей среды в районах аэропортов, поскольку самолеты являются источниками сильного шума. При интенсивной эксплуатации аэропортов, как на их территории, так и в близлежащих районах, складывается весьма неблагоприятная акустическая ситуация, наносящая существенный вред здоровью населения. 2.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА Основным источником загрязнения приземного слоя воздуха в районе аэропортов является эмиссия авиационных двигателей во время взлетнопосадочного цикла воздушных судов (см. п. 1). За счет эмиссии в нижние слои атмосферы поступает более половины (около 55%) общего количества вредных веществ, загрязняющих воздух в зоне аэропортов. В составе выхлопных газов воздушных судов присутствуют в значительных количествах такие токсичные компоненты, как окись углерода CO (угарный газ), различные углеводороды CnHm, окислы азота NOx и сернистый газ SO2. Годовой объем выбросов самолетами упомянутых веществ в аэропортах России составлял в начале XXI века около 50 тыс. т, в том числе 29 тыс. т СО, 11 тыс. т CnHm, 8 тыс. т NOx и 2 тыс. т SO2. Данные вещества, загрязняющие воздух в зоне аэропортов, оказывают существенное негативное воздействие на людей и окружающую среду. Угарный газ CO обладает ярко выраженным отравляющим действием. Он вступает в реакцию с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. Данное химическое соединение, в отличие от гемоглобина, не способно переносить кислород от органов дыхания к тканям. В результате нарушается 37 газообмен, наступает кислородное голодание, что вызывает патологические изменения в функционировании всех систем организма. Аналогичными свойствами обладает и двуокись азота NO2. В больших концентрациях CO и NO2 опасны для жизни. Сернистый газ SO2 оказывает негативное воздействие на слизистую оболочку дыхательных путей. Он также губителен для многих видов растений. Соединяясь с влагой воздуха, сернистый газ может образовывать ядовитый туман, состоящий из мельчайших капель серной кислоты. Подобным образом могут вести себя и окислы азота NOx, формируя туман из капель азотной кислоты. Образование в атмосфере из окислов серы и азота соответствующих кислот приводит также к выпадению кислотных осадков и подкислению окружающей среды, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности флоры и фауны. Среди углеводородов CnHm имеются вещества, наделенные канцерогенными свойствами (например, бензопирен). Некоторые углеводороды обладают резким неприятным запахом, оказывают раздражающее воздействие на слизистую оболочку дыхательных путей. Под действием солнечного света углеводороды вступают в фотохимические реакции с окислами азота. В результате образуется множество вредных и токсичных веществ (разнообразные перекиси, озон и др.). Они ускоряют коррозию различных материалов, отрицательно действуют на растительность, приводят к образованию ядовитого смога фотохимического (лос-анджелесского) типа. Смог не только разрушает конструкции, здания и сооружения, приводит к деградации растительности, но и вызывает массовые легочные и другие заболевания среди населения. В выхлопных газах авиационных двигателей содержатся и мельчайшие твердые аэрозольные частицы, состоящие в основном из сажи (копоти). Выброс самолетами частиц сажи приводит к задымлению воздуха и к уменьшению видимости в районе аэропорта. Задымление воздуха наносит и эстетический 38 ущерб, поскольку частицы сажи оседают на зданиях, конструкциях, сооружениях и растительности. Кроме того, содержащиеся в воздухе мелкие частицы сажи вызывают заболевания дыхательных путей и легких. Наряду с рассмотренными загрязняющими воздух веществами в выхлопных газах авиационных двигателей присутствуют в менее значительных количествах и другие токсичные примеси, многие из которых наносят существенный вред здоровью людей. При эксплуатации воздушных судов в атмосферу в зоне аэропорта поступают не только продукты эмиссии авиационных двигателей, но и само используемое ими топливо. К этому приводят, в частности, непроизвольные разливы и утечки авиационного топлива. Выброс топлива в атмосферу происходит также при чрезвычайных и аварийных ситуациях. В данных обстоятельствах экипажи самолетов часто вынуждены сливать в воздух излишнее топливо для уменьшения посадочной массы и снижения опасности пожара при аварийной посадке. Чем больше высота, на которой происходит слив топлива, тем большее его количество не долетает до поверхности земли, испаряясь по пути и загрязняя своими парами атмосферу. Топливо поступает в атмосферу и при нормальных условиях эксплуатации воздушных судов. Например, после выключения двигателя по окончании полета необходимы продувка и опорожнение дренажных емкостей. Если дренажная (осушающая) система авиационного двигателя незамкнута, то топливо попадает при продувке прямо в атмосферу. То же самое происходит и после неудачного запуска двигателя перед началом полета. Содержащиеся в парах авиационного топлива углеводороды не менее вредны для людей и окружающей среды, чем углеводороды, содержащиеся в выхлопных газах авиационных двигателей. Некоторые из них обладают канцерогенными заболевания. свойствами, т.е. способны вызывать онкологические 39 Помимо воздушных судов в аэропортах имеются и другие источники загрязнения окружающей среды, как стационарные, так и подвижные. Наличие производственной стационарных источников деятельностью загрязнения связано авиационно-технической с базы, аэровокзального комплекса, складов горюче-смазочных материалов, цеха бортового питания, грузового комплекса (склада), базы эксплуатации и ремонта наземных машин и механизмов, пунктов теплоснабжения (котельных), мусоросжигательной станции, комплекса очистных сооружений и т.п. Предприятия гражданской авиации применяют в своей деятельности свыше 300 технологических процессов, в которых используются или образуются около 120 видов опасных для окружающей среды веществ. Из их общего количества около 25% относится к первому (чрезвычайно опасному) и второму (высокоопасному), 30% - к третьему (умеренно опасному), 45% - к четвертому (малоопасному) классам опасности. Перечень наиболее вредных производственных загрязнений воздуха авиационно-техническими базами аэропортов представлен в таблице 2.1.1. Таблица 2.1.1 Производственные загрязнения воздуха вредными веществами в зоне аэропортов Источники загрязнений Загрязняющие вещества Работа на перроне, местах стоянки воздушных судов Пары бензина, керосина, оксид углерода, оксид азота, аэрозоли масел, пыль Работа на местах стоянок и площадках специального назначения при запуске и опробовании авиадвигателей и вспомогательных силовых установок воздушных судов Пары керосина, оксид углерода, оксид азота, аэрозоли масел, фенол, формальдегид, продукты деструкции масел, пыль 40 Заправка воздушных судов горючесмазочными материалами, спецжидкостями Пары топлива, аэрозоли минеральных и синтетических масел, аэрозоли рабочих жидкостей Обработка и заправка бортовых санузлов Фенол Наружная мойка воздушных судов с применением моющих средств Фенол, моноэтаноламин Окраска воздушных судов на предангарной площадке Ацетон, толуол, эпихлоргидрин, этилацетат Расконсервация деталей воздушных судов, переборка тормозов и т.п. Пары бензина, толуол, ацетон, бутилацетат, этилацетат Армирование щеток, изготовление резиновых изделий Углеводороды, пыль графитовая, канифоль Столярные работы с применением эпоксидных клеев Пыль древесная, эпихлоргидрин Резка и обработка оргстекла Аэрозоли оргстекла Сварочные работы Оксид марганца, оксид азота Ремонт и наладка бортового оборудования Пары керосина, пыль графитовая, канифоль, свинец Заправка бортовых огнетушителей Этиленгликоль, фреон-12В, фреон-114В Зарядка аккумуляторов Аэрозоли щелочей и кислот Раскрой и пошив изделий из стекловолокна Пыль стекловолокна Выброс вредных веществ при работе аэропортовых энергетических установок и котельных, производственных и ремонтных цехов, расположенных в зоне аэропорта, поступление в воздух паров горюче-смазочных материалов (при хранении их на складах, заправке и обслуживании воздушного и 41 наземного транспорта) и т.п. приводит к существенному загрязнению воздуха в зоне аэропорта, сопоставимому по величине с загрязнением от других источников. Так, на территории аэропортов России в начале XXI века стационарными источниками ежегодно выбрасывалось в атмосферу около 23 тыс. т вредных веществ, что составляет около 25% от суммарного загрязнения воздуха в зоне аэропортов (см. табл. 2.1.2). Таблица 2.1.2 Вклад различных источников в загрязнение воздуха в зоне аэропортов Годовой выброс загрязняющих веществ, тыс. т Доля от общего загрязнения, % Воздушные суда 50 55 Стационарные источники 23 25 Наземный транспорт 18 20 Источник К подвижным источникам загрязнения окружающей среды относятся наземные транспортные средства аэропортов (спецавтотранспорт), а также автомобильный и автобусный транспорт, перевозящий пассажиров и грузы. Выхлопы двигателей наземного транспорта приводят к существенному загрязнению воздуха в зоне аэропортов. Так, в начале XXI века наземным транспортом в аэропортах России ежегодно выбрасывалось в атмосферу около 18 тыс. т вредных веществ. Это составляет около 20% от общего загрязнения всеми источниками (см. табл. 2.1.2). Наибольший вклад наземный транспорт в зоне аэропорта вносит в загрязнение воздуха угарным газом CO, а наименьший – аэрозолями (см. табл. 2.1.3). При этом, однако, существенно, что аэрозоли, образующиеся из 42 выхлопных газов наземного транспорта, содержат в относительно больших количествах свинец, который является одним из наиболее токсичных загрязнителей окружающей среды. Таблица 2.1.3 Вклад воздушного и наземного транспорта в загрязнение воздуха в зоне аэропорта различными веществами CO NOx CnHm Аэрозоль Воздушные суда 55% 77% 93% 97% Наземный транспорт 45% 23% 7% 3% Вследствие наличия множества интенсивных источников загрязнения атмосферы в крупных аэропортах концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха часто значительно превышают предельно допустимые значения (ПДК) не только на территории аэропортов, но и за их пределами. Например, в России такая неблагоприятная экологическая ситуация с загрязнением воздуха, а также воды и почвы, наблюдается в 60 крупных аэропортах федерального значения. Таким образом, от загрязнения воздуха страдают не только пассажиры, экипажи и работники аэропортов, но и жители прилегающих к аэропортам районов. При этом существенно, что для большинства аэропортов гражданской авиации характерно возрастание численности населения таких районов с течением времени. Это связано не только с естественным приростом количества жителей на уже заселенной территории вокруг аэропортов, но и с постоянным сближением границ жилой застройки и аэропортов. Концентрация вредных веществ в приземном слое воздуха в зоне аэропорта зависит не только от классности аэропорта и интенсивности воздушного движения, определяющих интенсивность источников загрязнения 43 при авиатранспортных процессах. На величины концентраций оказывают значительное влияние и метеорологические факторы. Уровень загрязнения воздуха в зоне аэропорта во многом зависит от ветра, его скорости и направления. Чем больше скорость ветра, тем меньше загрязняющих веществ накапливается в приземном слое воздуха непосредственно на территории аэропорта. При этом, однако, поступающие в воздух вредные примеси переносятся за пределы аэропорта, тем дальше, чем больше скорость ветра. Таким образом, чем сильнее ветер, тем бóльшая территория за пределами аэропорта подвержена загрязнению воздуха, а также воды и почвы, поскольку содержащиеся в воздухе вредные примеси осаждаются на подстилающей поверхности. Соответственно, возрастает и численность населения, страдающего от загрязнения окружающей среды в зоне аэропорта. Наибольший перенос загрязняющих воздух веществ происходит в районы, расположенные на пути главенствующих ветров. Поэтому при определении границ территории жилой застройки вокруг аэропорта, удовлетворяющим нормативам по предельно допустимым концентрациям вредных веществ, необходимо учитывать розу ветров в зоне аэропорта. Другим важным метеорологическим фактором, определяющим уровень концентрации загрязняющих веществ в воздухе, является температурная стратификация (буквально – устройство) атмосферы, т.е. распределение температуры воздуха по высоте, определяющее интенсивность вертикальных движений воздуха. Чаще всего температура в приземном слое воздуха быстро уменьшается с высотой. При этом атмосфера находится в состоянии неустойчивого равновесия, что способствует развитию вертикальных движений воздуха. При такой так называемой неустойчивой стратификации велика интенсивность вертикального переноса воздуха и содержащихся в нем примесей. 44 Однако в приземном слое воздуха в силу специфических погодных условий могут образовываться слои, где температура постоянна по высоте (слои изотермии) или увеличивается с высотой (слои инверсии температуры). В таких слоях атмосфера находится в состоянии устойчивого равновесия, что препятствует развитию вертикальных движений воздуха. При устойчивой стратификации атмосферы интенсивность вертикального переноса воздуха и содержащихся в нем примесей мала. Таким образом, образование слоев изотермии или инверсии температуры способствует накоплению в нижних слоях атмосферы загрязняющих веществ, поступающих от наземных источником (эмиссия авиационных двигателей на наземных этапах взлетно-посадочного цикла, выбросы наземного транспорта и стационарных источников), играющих главенствующую роль в загрязнении воздуха в зоне аэропорта. Определенное влияние на уровень загрязнения воздуха оказывают также туманы и осадки. Туманы способствуют накоплению загрязняющих веществ в воздухе и увеличению их концентрации. Осадки, наоборот, вымывают вредные примеси из атмосферы, что приводит к уменьшению их концентрации в воздухе. При этом, однако, возрастает загрязнение токсичными веществами поверхностных вод и почвы. Поскольку в аэропортах и их окрестностях концентрации вредных веществ в воздухе могут существенно превысить предельно допустимые значения, необходимо развитие систем мониторинга для наблюдения и контроля загрязнения атмосферы. Такими системами слежения за качеством атмосферного воздуха оборудовано большинство крупных зарубежных аэропортов. В России внедрение систем мониторинга в аэропортах пока только планируется. Не установлены также санитарно-защитные зоны вокруг аэропортов, учитывающие требования к качеству воздуха в соответствии с 45 СанПиН 2.2.1/2.1.1.567-96, в пределах которых недопустима любая жилая застройка. В целях снижения загрязнения воздуха в зоне аэропортов необходимо принятие мер по уменьшению выбросов токсичных веществ от всех источников загрязнения, как стационарных, так и подвижных (наземного и воздушного транспорта). Существенный вклад в уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу от стационарных источников может дать внедрение очистных установок, защитных устройств и контроля загрязнения воздуха при производственной деятельности авиатранспортных предприятий. Пока в аэропортах России улавливается только 13% вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу стационарными источниками. Их оснащенность газоочистным оборудованием составляет всего 4% от необходимого уровня. Снижение загрязнения воздуха в зоне аэропорта наземным транспортом может быть достигнуто упорядочением его движения, рациональной организацией перевозок пассажиров и грузов, что позволит существенно уменьшить поступление выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Однако наибольший экологический эффект следует ожидать от разработки и принятия всесторонних мер по снижению выбросов вредных веществ воздушными судами, поскольку эмиссия авиационных двигателей вносит определяющий вклад в загрязнение воздуха в зоне аэропорта. В этом плане большое значение имеют усилия Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по разработке и внедрению нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ воздушными судами (см. п. 1). В настоящее время такие нормативы установлены для четырех токсичных компонентов выхлопных газов авиационных двигателей, а именно, для окиси углерода, углеводородов, окислов азота и частиц сажи (дыма). Вполне 46 вероятно, что со временем будут разработаны нормативы и для ряда других токсичных компонентов, например, для окислов серы. В гражданской авиации принимаются также меры по ограничению выбросов в атмосферу авиационного топлива. Преднамеренный выброс топлива (например, сливаемого из камеры сгорания после выключения двигателя или после неудачного запуска) полностью запрещается. Выполнение администрации этого аэропорта требования чертежей удостоверяется дренажной системы предъявлением авиационных двигателей, подтверждающих, что данная система сконструирована по замкнутому типу, при котором выброс топлива в атмосферу из двигателя невозможен. Существенный вклад в решение проблемы загрязнения воздуха в зоне аэропортов вносит также разработка и внедрение специальных технических и эксплуатационных методов уменьшения выбросов воздушных судов. В настоящее время технические методы уменьшения эмиссии вредных веществ авиационными двигателями развиваются в нескольких перспективных направлениях. Наряду с совершенствованием существующих создаются новые типы газотурбинных двигателей воздушных судов. В них используются новые конструкции камеры сгорания, новые способы подачи топлива (распыление топлива, обогащение топливно-воздушной смеси в зоне горения, использование присадок к топливу и др.). Так, эффективным средством уменьшения эмиссии является применение таких способов подачи топлива, которые обеспечивают смешение топлива с воздухом. Применение системы впрыска топливно-воздушной смеси позволяет добиться наиболее выгодного соотношения компонентов смеси. Тем самым обеспечивается лучшее распыление и перемешивание подаваемой в камеру смеси и более полное ее сгорание. 47 Подобными способами удается в некоторых случаях снизить эмиссию углеводородов CnHm более чем на порядок, а эмиссию угарного газа CO – в несколько раз. При этом обеспечивается полностью бездымный выхлоп. Для решения проблемы эмиссии окислов азота NOx разрабатываются двухзонные камеры сгорания. В них топливо сгорает в два этапа в разных местах (зонах) камеры. Первая из этих зон обеспечивает наилучшее сгорание топлива на режиме малой тяги. Наличие второй зоны позволяет оптимизировать процесс горения при максимальной или близкой к максимальной тяге двигателя. Процесс горения во второй зоне идет при меньшей температуре, чем в обычных камерах. Это приводит к уменьшению эмиссии окислов азота. Испытания двухзонных камер сгорания показывают, что в них эмиссия NOx снижается по сравнению с обычными камерами сгорания примерно в два раза. Развитие этого направления совершенствования камеры сгорания может дать в перспективе снижение эмиссии NOx более чем на порядок. На пути технического совершенствования авиационных двигателей в плане уменьшения эмиссии вредных веществ возникает много трудностей. Современный авиационный двигатель должен удовлетворять целому ряду требований, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики двигателя, его надежность и безотказность. В то же время модернизация авиационного двигателя в целях уменьшения выбросов токсичных веществ часто приводит к ухудшению других эксплуатационных качеств двигателя. Поэтому развитие технических методов снижения эмиссии авиационных двигателей требует решения множества технических проблем для обеспечения необходимого высокого уровня надежности двигателя и других его эксплуатационных характеристик. К уменьшению загрязнения воздуха вредными веществами в гражданской авиации приводит техническое совершенствование не только авиационных двигателей, но и самих воздушных судов. 48 Действительно, разработка и внедрение самолетов с лучшими аэродинамическими качествами, с меньшим лобовым сопротивлением и с большей подъемной силой позволяет уменьшить удельный расход топлива на всех стадиях полета. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению общего расхода топлива при эксплуатации воздушных судов и, соответственно, к уменьшению выбросов вредных веществ в атмосферу. Снижение эмиссии вредных веществ самолетами гражданской авиации в зоне аэропортов может быть достигнуто также путем совершенствования методов эксплуатации воздушных судов в плане уменьшения индексов эмиссии загрязняющих веществ, сокращения времени работы авиационных двигателей на наземных этапах взлетно-посадочного цикла, снижения расхода топлива и т.п. Так, данным путем может быть достигнуто существенное уменьшение выбросов в атмосферу продуктов неполного сгорания авиационного топлива CO и CnHm. Наибольший вклад в их эмиссию в зоне аэропорта вносит режим малой тяги взлетно-посадочного цикла (холостой ход и руление перед взлетом и после посадки). Это связано с тем, что индексы эмиссии CO и CnHm значительно возрастают при уменьшении относительной тяги двигателя. Соответственно, если режимы холостого хода и руления выполнять с большей относительной тягой двигателей, то эмиссия CO и CnHm существенно уменьшится. Увеличение относительной тяги всех двигателей самолета при холостом ходе и рулении сверх необходимой величины нецелесообразно. Это приведет к повышенному расходу топлива, а также потребует дополнительного использования тормозов, что вызовет их повышенный износ. Однако на режимах малой тяги можно выключать часть двигателей самолета. Тогда остальные двигатели должны будут работать при большей, чем обычно, относительной тяге. 49 В результате существенно уменьшатся индексы эмиссии CO и CnHm у работающих двигателей. Снизится также и общий расход топлива. Это связано с тем, что удельный расход топлива, так же как и индексы эмиссии CO и CnHm, уменьшается при возрастании относительной тяги двигателя. Таким путем может быть весьма значительно сокращен общий выброс CO и CnHm на этапах холостого хода и руления и в целом за взлетнопосадочный цикл. Например, на самолете ТУ-154, имеющем три двигателя, все операции, связанные с холостым ходом и рулением, можно выполнять одним двигателем. При этом, как показывают оценки, выброс CO и CnHm за взлетнопосадочный цикл уменьшится в несколько раз. Руление с частью работающих двигателей перед взлетом, хотя и возможно, но вряд ли целесообразно. Для этого необходимо решать ряд серьезных технических и эксплуатационных проблем. Например, необходимо специально оборудовать места предварительного старта перед взлетнопосадочной полосой, где будут запускать остальные двигатели самолета. Однако выключение части двигателей при рулении после посадки не создает дополнительных проблем и вполне оправданно. Рассмотренные методы уменьшения эмиссии вредных веществ и расхода топлива широко применяются в гражданской авиации России и других стран. Другой способ борьбы с загрязнением воздуха в зоне аэропорта состоит в сокращении времени работы авиационных двигателей в предполетной и послеполетной фазах взлетно-посадочного цикла (в режиме малой тяги). Этого можно достигнуть путем уменьшения пробега самолетов на аэродромах под собственной тягой. С данной целью необходимо обеспечить такие эксплуатационные условия, чтобы самолет мог находиться на стоянке, максимально приближенной к взлетно-посадочной полосе. При этом нужно обеспечить доставку пассажиров от самолетов на вокзал и из вокзала на посадку 50 автобусами, конвейерами (транспортерами) или другими средствами, желательно на электрической тяге. В случае необходимости перемещения самолетов по аэродрому нужно использовать не тягу авиационного двигателя, а буксировать самолеты специальными тягачами. Все это позволит существенно уменьшить поступление в приземный слой воздуха в районе аэропорта вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах авиационных двигателей. Таким образом, совершенствование методов эксплуатации воздушных судов может внести значительный вклад в уменьшение загрязнения воздуха в зоне аэропортов. Развитие этого направления не менее важно, чем совершенствование технических методов уменьшения эмиссии вредных веществ в атмосферу самолетами гражданской авиации. 2.2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ И ПОЧВЫ Наряду с загрязнением атмосферы в зоне крупных аэропортов происходит значительное загрязнение поверхностных вод и почвы. К этому приводит, главным образом, сброс производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, содержащих различные вредные примеси, а также осаждение на поверхности почв и водоемов токсичных веществ, поступающих в атмосферу при авиатранспортных процессах. Источниками производственных сточных вод в аэропортах являются здания и сооружения технического обслуживания воздушных судов (авиационно-техническая база, вспомогательные производства и др.), а также здания и сооружения подсобных помещений (склады технического имущества, автобазы, пожарное депо, котельные и др.). К основным источникам хозяйственно-бытовых сточных вод относятся здания и сооружения для обслуживания перевозок: аэровокзал, гостиница, 51 предприятия питания (кафе, столовые, служба бортпитания), а также территории авиагородков, прилегающих к аэропортам. Загрязнение водоемов и почв вредными веществами, входящими в состав сточных вод аэропортов, наносит большой вред окружающей среде, флоре и фауне, здоровью людей. Так, загрязнение сточных вод нефтепродуктами, что особенно характерно для аэропортов, приводит к многообразным и глубоким изменениям водных биоценозов, к деградации и, в конечном счете, к гибели флоры и фауны водоемов. К вредным органическим соединениям, содержащимся в производственных сточных водах авиапредприятий, относятся также ацетон и бензол. Ацетон раздражает кожу и слизистые оболочки, тормозит процесс нитрификации водоемов. Бензол вызывает острое местное раздражение и покраснение кожи, оказывает общетоксическое воздействие на организм. Для сточных вод производственных участков аэропортов характерно наличие различных соединений алюминия, бериллия, хрома и некоторых других металлов, кислот и щелочей. Растворимые в воде соединения алюминия, некоторые из которых токсичны, всасываются в кровь из кишечника и накапливаются в тканях. Для рыб наиболее вредны окись алюминия, азотнокислый и хлористый алюминий. Соединения алюминия отрицательно воздействуют и на других представителей водной фауны, а также на флору и микроорганизмы, тормозят процессы самоочищения водоемов. Высоко токсичны сточные воды с соединениями бериллия. Сульфат и хлорид бериллия оказывают кумулятивное воздействие на организмы. Бериллий вызывает гибель рыб и ряда других водных организмов, препятствует самоочищению водоемов и размножению микрофлоры. Содержащийся в сточных водах хром является канцерогеном. Соли хрома оказывают разнообразное вредное воздействие на организм человека. 52 Потребление их с питьевой водой приводит к поражению внутренних органов. Купание в воде, загрязненной солями хрома, вызывает поражение слизистой оболочки глаз, дерматиты и экземы. Хром негативно влияет и на флору и фауну водоемов, тормозит самоочищение воды, накапливается в тканях рыб и оказывает на них токсичное воздействие. К загрязнению почвы и водоемов авиапредприятиями приводит также поверхностный сток дождевых и талых вод, влаги при мокрой уборке и т.п. В поверхностном стоке аэропортов аккумулируются различные загрязняющие вещества: остатки моющих и дезинфицирующих реагентов, продукты разрушения искусственных покрытий и другие минеральные взвеси, нефтепродукты, растворенные органические примеси и азотосодержащие вещества. Наибольшее загрязнение поверхностного стока происходит на территории авиационно-технических баз, моек, перронов, привокзальной площади, служб горюче-смазочных материалов и т.п. В осенне-зимний и весенний периоды производится антиобледенительная обработка воздушных судов и удаление снежно-ледовых отложений с искусственного покрытия аэродромов. При этом применяются активные антиобледенительные и противогололедные препараты и реактивы, содержащие мочевину, аммиачную селитру, различные поверхностно-активные вещества и другие токсичные соединения, которые попадают в почву и в водные объекты вместе с поверхностным стоком. Значительное загрязнение почв и водоемов происходит также вследствие осаждения и вымывания осадками содержащихся в воздухе вредных веществ, которые поступают в атмосферу при работе двигателей воздушных судов и наземного транспорта, авиационно-технической базы, топок котельных и т.п. (см. п. 2.1). Общее количество токсичных веществ, поступавших в течение года в почву в окрестностях аэропортов России, составляло в начале XXI века 53 примерно 20 тыс. т, в том числе: около 13 тыс. т углеводородов и 0,1 тыс. т тяжелых металлов. Среди последних наиболее распространенным и токсичным является свинец. Он поступает в атмосферу, главным образом, при работе автомобильных двигателей. При сгорании бензина образуются содержащие свинец мельчайшие частицы (диаметром меньше 0,5 мкм), которые могут переноситься в воздухе на большие расстояния. Свинец поступает в атмосферу, а затем осаждается на земной поверхности и при сжигании других видов топлива, хотя и в меньших количествах, чем при сгорании бензина в двигателях автотранспорта. Средняя концентрация свинца в почвах, не загрязненных в результате антропогенных процессов, составляет около 16 мг/кг (фоновый уровень). В верхних слоях почвы в районе аэропортов концентрация свинца достигает по различным оценкам 60-550 мг/кг. Во многом степень загрязненности почв свинцом зависит от классности аэропорта и розы ветров. К загрязнению и нерациональному использованию земельных ресурсов приводит также накопление аэропортами в больших количествах различных твердых и жидких отходов производства и потребления, устаревшей и списанной авиа- и автотехники и т.п. Например, в аэропортах России общее количество накапливающихся за год твердых отходов составляло в начале XXI века около 125 тыс. т, в том числе: 43 тыс. т производственных отходов, 80 тыс. т бытовых отходов и 2 тыс. т отходов, удаляемых из самолетов международных авиалиний. Отходами в аэропортах заняты значительные территории. Так, площадь земель, отводимых под твердые отходы в аэропортах России, составляла в тот же период около 122 тыс. м2. При этом было обезврежено всего лишь около 10% из общего количества токсичных отходов. Для отходов, опасных в санитарном и пожарном отношениях, которые должны храниться в специальных помещениях, было 54 выделено только 3% от общей площади свалок. Всё это явно недостаточно для обеспечения экологической безопасности районов аэропортов. Наряду с земельными ресурсами аэропортами в большом количестве используются и водные ресурсы для удовлетворения технических, хозяйственно-бытовых и прочих потребностей. Так, аэропорты России в начале XXI века ежегодно потребляли около 37 млн. м3 воды. При этом объем оборотной и повторно используемой на технические нужды воды составлял всего 6% от общего потребления. Значительная часть производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод сбрасывалась в поверхностные водные объекты. При этом оснащенность системами очистки загрязненных сточных вод составляла всего лишь около 20% от нормативной потребности. В результате вместе со сточными водами в поверхностные водоемы ежегодно поступало приблизительно 2000 т различных вредных веществ (нефтепродукты, этиленгликоль, поверхностно-активные вещества, тяжелые металлы и другие токсичные примеси). Сокращение объемов водопотребления путем развития систем оборотного водоснабжения и повторного использования воды для технических целей, внедрение систем очистки сточных вод в аэропортах позволит существенно уменьшить загрязнение окружающей среды и нерациональное использование водных ресурсов. Значительный вклад в улучшение экологической обстановки в районе аэропортов может внести организация отвода, сброса и обезвреживания поверхностного стока с загрязненных участков аэропортов (дождевых, талых и поливочно-моечных вод). Пока оборудованием для очистки сильно загрязненных дождевых и талых вод оснащено только несколько крупных аэропортов России. Для оздоровления экологической ситуации в аэропортах необходимо также принятие мер по обезвреживанию и утилизации производственных и 55 бытовых отходов, наведению порядка в организации их хранения, сокращению площадей, занятых свалками, и т.п. К значительному уменьшению загрязнения водных объектов и почвы должно привести и внедрение рассмотренных выше методов сокращения поступления вредных веществ в атмосферу в зоне аэропортов (см. п. 2.1), поскольку загрязняющие воздух примеси с течением времени осаждаются на земной поверхности. 2.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ По мере развития науки и техники человечество все шире использует в практических целях искусственно генерируемые электромагнитные волны. Они представляют собой распространяющиеся со скоростью света переменные электромагнитные поля, которые характеризуются взаимосвязанными колебаниями векторов напряженностей электрического (Е) и магнитного (Н) полей Данные векторы перпендикулярны друг к другу, а также к вектору скорости распространения волны, т.е. электромагнитные волны являются поперечными. Скорость света, с которой распространяются электромагнитные волны, различна в разных средах. В атмосфере она близка к скорости света в вакууме с 3 108 м/с. Процесс испускания электромагнитных волн, а также сами испускаемые их источником волны называют электромагнитным излучением. Распространение электромагнитных волн сопровождается переносом энергии. Данный процесс характеризуется интенсивностью излучения (I), представляющей собой количество энергии, переносимой за единицу времени через единичную площадь поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волн. 56 Полная энергия электромагнитных волн, излучаемых источником в единицу времени по всем направлениям, представляет собой мощность источника излучения. Важной характеристикой электромагнитных волн является их частота f, т.е. число колебаний напряженностей электрического и магнитного полей в единицу времени. Соответственно, период колебаний (время, за которое происходит одно колебание) T = 1/f. С частотой взаимосвязана длина волны , т.е. расстояние, на которое распространяется волна за период колебания: = cT = c/f . (2.3.1) Весь спектр частот (или длин волн) обычно разделяют на несколько диапазонов, которым соответствуют различные виды электромагнитных излучений (см. табл. 2.3.1). Границы частотных диапазонов данных излучений в значительной степени условны. Таблица 2.3.1 Электромагнитные излучения Радиоволновое Диапазон длин волн , м > 10-3 Диапазон частот f, Гц f < 3 1011 Инфракрасное 10-3 – 7,6 10-7 3 1011 – 4 1014 Видимый свет 7,6 10-7 – 3,9 10-7 4 1014 – 8 1014 3,9 10-7 – 10-9 8 1014 – 3 1017 10-9 – 10-11 3 1017 – 3 1019 < 10-11 f > 3 1019 Излучение Ультрафиолетовое Рентгеновское Гамма-излучение Наиболее высокочастотным (и коротковолновым) является гаммаизлучение. Оно возникает при распаде радиоактивных элементов, 57 превращениях элементарных частиц и других ядерных процессах. Данные процессы могут быть связаны как с естественной радиоактивностью, так и с деятельностью человека в сфере ядерной физики и энергетики. В небольших количествах гамма-излучение присутствует также в спектре излучения Солнца и в поступающих на Землю космических лучах. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых электронов в веществе и при переходах электронов с внешних оболочек атома на внутренние. Естественными источниками рентгеновского излучения являются некоторые радиоактивные изотопы, а также Солнце и ряд других космических объектов. К антропогенным источникам относятся разнообразные ускорители и накопители электронов, а также специальные рентгеновские трубки. Искусственно создаваемые такими трубками рентгеновские лучи применяются для различных исследований в науке, технике и медицине. Электромагнитные волны в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра частот излучаются атомами и молекулами вещества в результате изменения состояния электронов на внешних оболочках. Инфракрасное излучение возникает главным образом при колебаниях отдельных частей молекул или групп атомов. Ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения в совокупности составляют оптическое излучение (или свет в широком смысле этого термина). Оптическое излучение является основным компонентом солнечной радиации. Разнообразные искусственно генерируемые электромагнитные излучения в оптическом диапазоне длин волн широко используются человечеством в практических целях (от освещения до лазерных исследований). Электромагнитное излучение с частотами менее 3 1011 Гц ( > 1 мм) называют радиоволновым. Радиоволны присутствуют в солнечном и космическом излучениях. Однако естественный фон радиоволнового излучения в окружающей среде значительно превышают искусственно генерируемые радиоволны, которые 58 активно используются человечеством в разнообразных целях (связь, радиовещание, телевидение, радиолокация и т.п.). На распространение радиоволн в атмосфере существенное влияние оказывают явления их рассеяния, поглощения и дифракции, а также отражения от земной поверхности и ионосферы (верхней части атмосферы, сильно ионизированной под влиянием ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучений Солнца). Закономерности распространения радиоволн во многом зависят от их частоты (длины волны). В связи с этим радиоволновое излучение обычно разделяют на ряд областей, которым соответствуют радиоволны с различными диапазонами частот и длин волн (см. табл. 2.3.2). Таблица 2.3.2 Диапазоны радиоволн Диапазон длин волн, > 10 км Диапазон частот f, Гц f < 3 104 Длинные 10 – 1 км 3 104 – 3 105 Средние 1000 – 100 м 3 105 – 3 106 Короткие 100 – 10 м 3 106 – 3 107 10 – 1 м 3 107 – 3 108 1000 – 1 мм 3 108 – 3 1011 Радиоволны Сверхдлинные Ультракороткие Микроволны Масштабы применения человечеством в практических целях искусственно генерируемых радиоволновых излучения увеличиваются с каждым годом. Это приводит к возрастанию электромагнитного загрязнения окружающей среды, отрицательно сказывающемуся на здоровье населения. Существенной особенностью используемых в науке и технике радиоволн по сравнению с природным электромагнитным излучением является их высокая когерентность (частотная и фазовая стабильность), а также большая 59 концентрация энергии в отдельных областях спектра радиочастот. Всё это значительно усиливает негативное влияние электромагнитного загрязнения окружающей среды на людей и другие живые организмы. При облучении организма радиоволнами часть электромагнитной энергии поглощается тканями, что приводит к их нагреванию. Данный эффект существенно зависит от частоты излучения – чем она выше, тем больше доля поглощаемой энергии. В диапазоне СВЧ (сверхвысоких частот, соответствующих микроволнам) эта доля достигает 40-50%. Глубина проникновения электромагнитного излучения в ткани возрастает с увеличением длины волны. Так, в организме человека электромагнитные волны миллиметрового диапазона поглощаются поверхностными слоями кожи, сантиметрового – кожей и подкожной клетчаткой, дециметрового – внутренними органами. Нагревание тканей под воздействием электромагнитных излучений особенно опасно для органов человека с большим содержанием воды (глаза, мозг, почки, желудок). В частности, облучение может вызвать катаракту вследствие перегрева хрусталика глаза. Тепловой эффект электромагнитного излучения возрастает с увеличением его интенсивности. При превышении интенсивности некоторой величины, называемой тепловым порогом, механизм терморегуляции человека не справляется с нагреванием тканей, и температура тела начинает расти. Величина теплового порога при облучении миллиметровыми волнами составляет около 70 Вт/м2, сантиметровыми – 100 Вт/м2, дециметровыми – 400 Вт/м2. Длительные воздействия излучений, превышающих тепловой порог, могут привести к тяжелым последствиям (ожоги, кровоизлияния, тепловой удар) вплоть до летального исхода. Радиоволновые излучения оказывают также специфические негативные воздействия на органы и системы организма человека, не связанные с 60 нагреванием тканей. При этом существенно, что к патологическим изменениям в организме приводят как однократные воздействия излучений большой интенсивности, так и многократные облучения малой интенсивности. Таким образом, воздействия электромагнитных излучений на организм человека обладают кумулятивными свойствами, т.е. их негативные последствия для организма накапливаются и суммируются. Влияние радиоволновых излучений на живые организмы зависит не только от их интенсивности и продолжительности, но и от диапазона частот. С повышением частоты (уменьшением длины волны) излучений их негативное влияние на организм возрастает. Таким образом, наиболее опасны для здоровья людей радиоволновые излучения сверхвысоких частот (микроволны). Как показывают многочисленные исследования, наиболее чувствительны к электромагнитным излучениям нервная, сердечно-сосудистая, иммунная, половая, кроветворная и эндокринная системы организма человека. Систематическое воздействие радиоизлучений малой интенсивности приводит к нарушению сна, головным болям, повышенной утомляемости, раздражительности, общей слабости, снижению половой потенции, нарушению менструального цикла, болям в области сердца. Облучение организма человека радиоволнами может вызвать истощение иммунной системы, развитие лейкоцитоза и ухудшение других показателей качества крови, нарушения деятельности эндокринной системы, в том числе заболевание диабетом, развитие опухолевых процессов, включая злокачественные. Электромагнитные излучения приводят также к аномалиям в процессе беременности и оказывают вредное влияние на эмбрионы. Медицинские обследования людей, систематически подвергающихся на работе воздействию радиоволновых излучений, показывают, что увеличение стажа такой работы приводит к возрастанию патологических изменений. Это 61 свидетельствует об отсутствии адаптации организма человека к электромагнитным воздействиям. Существенно также, что воздействие радиоволновых излучений приводит к снижению сопротивляемости организма к другим видам негативных внешних воздействий: токсическим, акустическим, тепловым и т.д. Наиболее чувствительны к электромагнитному облучению такие категории населения, как дети, беременные женщины, больные люди и лица пожилого возраста. В целях ограничения электромагнитными допустимых вреда, воздействиями, уровней наносимого разработаны радиоволновых излучений. здоровью людей нормативы предельно Данные нормативы существенно различны для производственных условий и населенных мест. В соответствии со стандартом СЭВ 5801-86 для лиц, работа которых связана с необходимостью пребывания в зонах воздействия радиоволновых излучений, устанавливаются ограничения по энергетической нагрузке. Данная величина представляет собой произведение квадрата напряженности электрического (Е) или магнитного (Н) поля на время его воздействия (t). Соответственно, энергетическая нагрузка, создаваемая электрическим полем, равна E2t, магнитным – H2t. Кроме того, для радиоволновых излучений в диапазоне сверхвысоких частот устанавливаются ограничения на их интенсивность. Данная величина не должна превышать 10 Вт/м2, а при наличии других неблагоприятных факторов (рентгеновское излучение, высокая температура воздуха в рабочих помещениях, шум и т.д.) – 1 Вт/м2. Для радиоволновых излучений на территории жилой застройки, в местах массового отдыха граждан и т.п. устанавливаются ограничения на напряженность электрического поля (см. «Санитарные правила и нормы защиты населения от электромагнитных полей радиопередающих объектов»). Предельно допустимый уровень данной величины в населенных местах при 62 облучении длинными радиоволнами составляет 20 В/м, средними – 10 В/м, короткими – 4 В/м, ультракороткими – 2 В/м. При электромагнитном устанавливаются ограничения облучении на в диапазоне интенсивность излучения. микроволн Например, предельно допустимый уровень данной величины в населенных районах при круглосуточном облучении местности радиолокаторами составляет 0,05 Вт/м2. Рассмотренное нормирование предельно допустимых уровней радиоволновых излучений основано на концепции, согласно которой облучение с интенсивностью ниже определенного порога не наносит вред здоровью людей. Однако положение о наличии такого безопасного порога неприменимо к воздействиям на организм человека радиоволновых излучений (как и других электромагнитных и корпускулярных излучений). Исследования показывают, что слабые излучения с интенсивностью, намного меньшей нормируемых предельно допустимых уровней, могут наносить значительный вред здоровью людей, особенно в случае их регулярных воздействий. Этому способствует отмеченный выше ярко выраженный эффект кумуляции (накапливания и суммирования негативных последствий воздействий излучений на организм человека). Всё это свидетельствует о необходимости принятия всесторонних мер для максимально возможного уменьшения, а желательно, и полного исключения воздействий антропогенных радиоволновых излучений на людей. Особенно важно оградить от электромагнитного облучения население жилых районов, которое включает в себя многочисленные категории граждан, обладающих повышенной чувствительностью к вредным электромагнитным воздействиям (дети, беременные женщины, больные и пожилые люди). Электромагнитные излучения радиоволновых диапазонов активно используются в гражданской авиации для навигации и связи. Сосредоточение в крупных аэропортах техники, генерирующей радиоволны, приводит к значительному электромагнитному загрязнению окружающей среды. 63 К радиотехническому и радиолокационному оборудованию, входящему в системы управления воздушным движением, навигацией и посадкой, относятся: - радиооборудование внешней и внутренней связи (связные, командные и аварийные радиостанции); - бортовое радионавигационное оборудование (бортовые обзорные радиолокаторы, доплеровские радиолокаторы измерений путевой скорости и угла сноса, радиовысотомеры, радиокомпасы, радиодальномеры); - наземное радиооборудование систем посадки воздушных судов (обзорные, диспетчерские и посадочные радиолокаторы, радиопеленгаторы, радиомаяки). Основной вклад в электромагнитное загрязнение окружающей среды в районе аэропортов вносят мощные наземные радиолокационные станции. Они излучают радиоволны в диапазоне сверхвысоких частот (микроволны), т.е. в частотном диапазоне, наиболее опасном для здоровья людей. К ним добавляются излучения менее мощных бортовых радиолокаторов, а также короткие и ультракороткие радиоволны, генерируемые навигационными и связными радиосредствами. Наземные радиолокационные станции используют импульсный метод радиолокации, т.е. излучение осуществляется в виде коротких импульсов длительностью около одной микросекунды. Период повторения импульсов приблизительно в тысячу раз больше (миллисекунды). Антенны радиолокаторов обеспечивают остронаправленное излучение (с шириной диаграммы направленности не более нескольких градусов). Обзор пространства обеспечивается путем сканирования, т.е. перемещением диаграмм направленности излучений антенны. Сканирование может осуществляться как механическим путем (поворотом антенны), так радиотехническими методами при неподвижной антенне. и специальными 64 Использование в аэропортах мощных радиолокационных станций приводит к созданию на местности зон большой протяженности с высокой интенсивностью электромагнитных излучений сверхвысоких частот, представляющих серьезную опасность для здоровья людей. При этом существенно, что облучению подвергаются не только территории аэропортов, в том числе рабочие места персонала, обслуживающего радиотехнические средства и авиационную технику, но и прилегающие к аэропортам местности. Результаты обследования электромагнитной обстановки вокруг аэропортов показывают, что во многих случаях в расположенных поблизости населенных пунктах требуются специальные мероприятия по защите жителей от электромагнитного излучения. Для уменьшения вредного воздействия радиоволновых излучений на сотрудников аэропортов и население близлежащих районов большое значение имеют разработка и внедрение специальных мероприятий по борьбе с электромагнитным загрязнением окружающей среды и его последствиями. Данные мероприятия можно разделить на три группы: организационные, санитарно-гигиенические и инженерно-технические. Целью организационных мероприятий является оптимизация взаимного расположения излучающих устройств и мест труда, отдыха и проживания граждан в плане уменьшения времени облучения и предотвращения попадания людей в зоны с высокой интенсивностью излучений. Важной индивидуальных задачей средств является защиты также от обеспечение электромагнитных применения излучений (специальные очки, маски, комбинезоны, фартуки и т.п.) при выполнении работ в чрезвычайных ситуациях в условиях большой интенсивности облучения. К санитарно-гигиеническим мероприятиям относятся проведение периодических медицинских осмотров сотрудников аэропорта и населения расположенных вокруг районов, временный или постоянный перевод персонала 65 на работу без облучений во всех случаях профессиональных и общих заболеваний, а также физиотерапия, фармакотерапия и др. Целью данных мероприятий является повышение сопротивляемости организма человека к неблагоприятному воздействию электромагнитных излучений, предупреждение заболеваний и потери работоспособности. Инженерно-технические мероприятия направлены на снижение интенсивности воздействующих на людей радиоволновых излучений. К ним относятся: - экранирование облучаемых объектов; - удаление излучающих устройств от рабочих мест и населения; - уменьшение интенсивности генерируемых излучений в опасных для населения направлениях. Экранирование облучаемых объектов для защиты от вредных воздействий электромагнитных излучений широко применяется на практике. С данной целью на пути распространения радиоволн в нежелательном направлении устанавливаются преграды (экраны) из материалов, которые отражают и поглощают излучение. Например, сплошные металлические листы даже небольшой толщины (около 0,5 мм) практически не пропускают электромагнитные излучения в диапазоне радиочастот. Экранирующими свойствами обладают и многие другие, в том числе строительные, материалы. На открытой местности аэродромов целесообразно применять экраны из металлической сетки, которые относительно дёшевы, хорошо просматриваются, имеют небольшую парусность и обеспечивают довольно сильное уменьшение интенсивности радиоволновых излучений (в 100-1000 раз). Установка экранов на аэродромах, как способ защиты от электромагнитных излучений, имеет и определенные недостатки. Экраны могут существенно уменьшить эффективность работы радиолокаторов по обзору 66 воздушного пространства. Кроме того, в целях обеспечения безопасности полетов на экраны, как и на другие сооружения в зоне аэродрома, накладываются ограничения по высоте. Удаление излучающих устройств от рабочих мест и жилого сектора (защита расстоянием) является наиболее рациональным способом уменьшения интенсивности облучения в случае наличия возможностей его реализации. Размеры необходимых санитарно-защитных зон вокруг наземных радиолокационных станций аэропортов, определяемые на основе действующих нормативов предельно допустимых уровней излучения, составляют несколько километров. Опасность сильного облучения персонала аэропорта на рабочих местах может быть устранена путем подъема антенны или всей радиолокационной станции и ограничением ее работы при отрицательных углах наклона диаграммы направленности излучения (защита высотой). При этом на поверхности земли вокруг локаторов образуется зона сравнительно большой протяженности, где интенсивность электромагнитного излучения невелика. Однако этот вид защиты от облучения для аэродромов не всегда применим из-за ограничений по высоте сооружений. Кроме того, работа только на положительных углах наклона диаграммы направленности антенны ухудшает тактико-технические данные радиолокатора по обзору воздушного пространства. Перспективным методом защиты населения в окрестностях аэропортов от электромагнитного облучения является снижение интенсивности генерируемых локаторами радиоволн при их излучении в направлении жилых районов. С этой целью применяются устройства автоматического отключения излучений или уменьшения их интенсивности при сканировании защищаемого участка (сектора) пространства. При секторном отключении излучений пропадает возможность получения локационной информации из соответствующего участка обозреваемого 67 пространства. В ряде случаев это не вызывает осложнений в работе аэродрома, обслуживаемого радиолокационной станцией. Но возможны ситуации, не позволяющие исключить из зоны обзора какой-либо сектор. При этом, однако, часто бывает достаточно обозревать пространство в защищаемом секторе при уменьшенной дальности действия радиолокатора и, соответственно, пониженной интенсивности излучения. Таким образом, секторное уменьшение мощности излучения радиолокатора с помощью автоматических устройств позволяет снизить интенсивность облучения населения в данном секторе при сохранении локационного контроля воздушного пространства. Данный метод защиты населения от излучений наземных радиолокационных станций аэропортов имеет ряд преимуществ перед другими способами, а именно: упрощение защиты наряду с повышением ее эффективности и экономичности; возможность оперативного перемещения секторов и обзора в случае необходимости (например, в аварийных ситуациях) защищаемого участка пространства. Применение рассмотренных методов защиты от радиоволновых излучений позволит существенно уменьшить негативное влияние на здоровье людей электромагнитного загрязнения окружающей среды в зоне аэропортов. 2.4. ШУМОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ Шумом называют любые нежелательные для человека звуки, мешающие трудовой деятельности или отдыху. Звуки возникают в результате возмущений физического состояния вещества среды. В упругой среде (газах, жидкостях, твердых телах) эти возмущения распространяются в виде акустических (или звуковых) волн. Внешние тела, вызывающие первичное возмущение среды и распространение акустических волн, называются источниками звука. 68 В воздушной среде в виде звуковых волн распространяются возмущения давления Р и плотности воздуха. Скорость распространения данных волн a (скорость звука) зависит от величин давления и плотности невозмущенного газа (или его абсолютной температуры T): a 1,4P / 20,05 T . (2.4.1) При нормальных атмосферных условиях скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с (или 1225 км/ч). Характер восприятия звука органами слуха во многом зависит от частоты колебаний акустических волн. Волны, частоты которых заключены в пределах от 16 Гц до 20 кГц, называются слышимыми звуками, так как, воздействуя на органы слуха человека, они вызывают звуковые ощущения. Акустические волны с частотами менее 16 Гц называются инфразвуком, а волны с частотами от 20 кГц до 106 кГц – ультразвуком. Волны с более высокими частотами (гиперзвук) в воздухе не распространяются ввиду их сильного поглощения. Важной характеристикой акустических волн является их интенсивность (или сила звука). Так называют количество энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадь, нормальную к направлению распространения волны. С увеличением расстояния от источника звука интенсивность акустической волны уменьшается в силу ряда причин. Одна из них – возрастание площади фронта волны при удалении от источника. Например, при распространении в воздухе сферических звуковых волн их интенсивность за счет данного эффекта уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Кроме того, распространение звука в атмосфере, как и в других средах, сопровождается поглощением и диссипацией энергии акустических волн. Коэффициент поглощения звука пропорционален квадрату его частоты и для данного газа или жидкости зависит только от температуры и плотности вещества среды. 69 К уменьшению силы звука с увеличением расстояния от источника приводит и рассеяние звука, т.е. процесс преобразования акустической волны во множество волн, распространяющихся во всевозможных направлениях. Рассеяние звука возникает в результате взаимодействия акустической волны с встречающимися на ее пути многочисленными препятствиями. Мерой силы слухового ощущения является громкость звука. Величина громкости зависит от интенсивности и частоты акустических волн. Наименьшая интенсивность, при которой звук воспринимается органами слуха, называется порогом слышимости. Его величина, зависящая от частоты звука, достигает минимального значения около 10-12 Вт/м2 при частотах 700 6000 Гц. Порог слышимости используется при определении уровня интенсивности звуковой волны L. Данная величина пропорциональна десятичному логарифму отношения интенсивности звука I к порогу его слышимости I0: L k lg( I / I 0 ). Для сравнения громкости звуков, представляющих (2.4.2) собой набор акустических волн всевозможных частот, пользуются величиной, называемой уровнем громкости звука L*. Она рассчитывается по формуле, аналогичной (2.4.2): L k lg( I * / I 0 ). * (2.4.3) При этом в качестве I 0 используется стандартный порог слышимости, * который принимается равным 10-12 Вт/м2, а в качестве I* выступает интенсивность звука стандартной частоты в 1000 Гц, равногромкого с рассматриваемым звуком. Уровень громкости звука, как и уровень интенсивности акустической волны, обычно измеряют в белах (Б) или децибелах (дБ). В первом случае коэффициент пропорциональности k в формулах (2.4.2) и (2.4.3) равен единице, во втором – десяти. В таблице 2.4.1 приведены уровни громкости шума от различных источников. Уровень громкости в ноль децибел (как, например, в зимнем лесу в 70 безветренную погоду) соответствует порогу слышимости. Возрастание уровня громкости на 10 дБ (или на один бел) означает, что громкость шума увеличивается в 10 раз, поскольку ее уровень определяется по логарифмической шкале. Таблица 2.4.1 Уровни громкости шума от различных источников Источник шума Уровень громкости, дБ Зимний лес 0 Дыхание человека 10 Шёпот 20 Сельская местность 30 Читальный зал 40 Учреждения 50 Предприятия 60 Автомобиль 70 Городское движение 80 Отбойный молоток 90 Грузовик, поезд 100 Дискотека 110 Старт самолета, 100 м 120 Гром 130 Взлет самолета, 25 м 140 Старт космической ракеты 150 Выстрел из винтовки 160 Выстрел из орудия 170 71 Шум, уровень громкости которого не превышает 30 дБ, является безвредным, он не мешает полноценному отдыху и сну. Более громкий шум вреден для человека, в тем большей степени, чем он сильнее и продолжительнее. Предельно допустимый уровень кратковременного шума оценивается в 80-110 дБ (в зависимости от длительности и частотных характеристик). Шум с уровнем громкости свыше 110 дБ является недопустимым. Болевой порог, т.е. наибольший уровень громкости, при котором восприятие звука органами слуха еще не вызывает болевого ощущения, лежит обычно в пределах 120-130 дБ. Его величина зависит от частоты звука. Как показывают многочисленные исследования, продолжительный шум наносит значительный вред организму человека. Воздействуя на центральную и вегетативную нервные системы, а через них – на внутренние органы, он становится причиной развития шумовой болезни. Снижая общую сопротивляемость организма внешним воздействиям, шум способствует также развитию инфекционных заболеваний. При работе в условиях шума наблюдаются повышенная утомляемость и снижение работоспособности, ухудшаются внимание и речевая связь, создаются предпосылки к ошибочным действиям работающих. Являясь причиной частых эмоционального головных состояния, болей, шум раздражительности, создает предпосылки неустойчивого к ухудшению психологического климата в коллективе. Клинические специфические, проявления возникающие шумовой в болезни слуховой подразделяются системе человека, на и неспецифические, затрагивающие другие органы и системы организма. Длительное воздействие шума может привести к повышению порога слышимости, уменьшению слуховой чувствительности человека, глухоте. Стойкая потеря слуха наступает через 5-8 лет работы в условиях шума высокой интенсивности. 72 Значительно раньше могут развиться неспецифические проявления шумовой болезни, вызванные губительным влиянием шума на центральную и вегетативную нервные системы. К основным сдвигам в центральной нервной системе под действием шума относятся замедление зрительно-моторной реакции, нарушение нервных процессов, биоэлектрической и биохимической активности мозга. Реакции со стороны вегетативной нервной системы обнаруживаются даже при небольших уровнях громкости шума (40-70 дБ) независимо от его субъективного восприятия человеком. Например, шум с уровнем громкости 4050 дБ может вызвать отрицательную вегетативную реакцию даже во сне. Вегетативные реакции на шум зависят от его уровня громкости, спектра частот и характера (постоянный, импульсный и т.д.). Импульсный шум вызывает более тяжелые последствия по сравнению с непрерывным шумом при одинаковых уровнях громкости. Привыкания вегетативной нервной системы к шуму не происходит. После прекращения действия шума вызванные им нарушения вегетативных функций сохраняются тем дольше, чем длительнее было шумовое воздействие или чем неожиданнее оно возникало. Из вегетативных реакций на шум наиболее выраженной является нарушение периферического кровообращения за счет сужения капилляров кожного покрова и слизистых оболочек. У работающих в условиях интенсивного шума (85 дБ и более) чаще встречаются заболевания гипертонической и язвенной болезнями. Действуя на слуховой анализатор, шум изменяет функциональное состояние многих систем и органов человека вследствие взаимодействия их через центральную нервную систему. Это приводит, в частности, к влиянию шума на органы зрения человека, а также снижает его мышечную работоспособность. Вредное воздействие шума на организм человека, как 73 правило, усиливается при наличии других вредных или неблагоприятных факторов. В частотном спектре звуков, формирующих шум, могут присутствовать акустические волны, не воспринимаемые органами слуха человека, а именно ультразвуки (с частотами свыше 20 кГц) и инфразвуки (с частотами менее 16 Гц). Установлено, что ультразвуки оказывают отрицательное воздействие на организм человека, вызывая расстройство нервной системы. Значительный вред здоровью могут нанести и инфразвуки, а также вызываемые ими вибрации. Инфразвуки влияют на вестибулярный аппарат и приводят к снижению слуховой чувствительности. При уровне интенсивности инфразвука 100-120 дБ наблюдаются вибрации барабанных перепонок, затрудненное дыхание, головная боль. Инфразвуки с уровнем 120-140 дБ могут вызвать вибрацию грудной клетки, ощущение падения, летаргию, чувство страха. Порог переносимости инфразвука находится в пределах 140-155 дБ. Верхний предел характеризует терпимость физически здоровых людей к высоким уровням интенсивности инфразвука при кратковременном действии. При длительном воздействии инфразвука такого уровня в организме развиваются устойчивые опасные психофизические отклонения от нормы. Инфразвуки с более высоким уровнем интенсивности опасны для жизни человека. Даже кратковременное воздействие инфразвука с уровнем 180-190 дБ может привести к летальному исходу. Кроме того, инфразвуки могут вызывать вибрации элементов зданий, сооружений, предметов, что также мешает труду и отдыху, негативно влияет на организм человека. Вибрации часто сопровождаются звуками слышимого диапазона частот, что усиливает их отрицательное воздействие. Проблема шумового загрязнения окружающей среды и его влияния на здоровье людей является весьма актуальной для крупных аэропортов. К основным источникам шума на территории аэропорта относятся авиационные двигатели, вспомогательные силовые установки самолетов, 74 спецмашины аэродромного обслуживания различного назначения, станочное и технологическое оборудование производственных цехов и участков. Шум, возникающий при работе авиационных двигателей, вносит наибольший вклад в шумовое загрязнение района аэропорта. Уровень громкости создаваемого ими шума превышает 140 дБ (см. табл. 2.4.1). Из всех типов авиационных силовых установок наиболее шумными являются турбореактивные двигатели. Их шум генерируется в рабочем процессе многими источниками, имеющими различные характеристики интенсивности, спектра, направленности. Среди них – реактивные струи первого и второго контуров, вентилятор, компрессор, турбина, агрегаты, камера сгорания. При работе авиационных силовых установок с турбовинтовыми и поршневыми двигателями основным источником шума является воздушный винт. Интенсивность шума, создаваемого пропеллером, зависит от угловой скорости вращения, мощности, подводимой к винту, его диаметра, числа лопастей и т.п. Вспомогательные силовые установки самолетов представляют собой газотурбинные двигатели, энергия которых используется для автономного запуска авиационных двигателей, энергоснабжения, наземного кондиционирования воздуха в кабине пилотов и салоне самолета и других нужд. Мощность вспомогательных силовых установок возрастает с увеличением размеров самолета. Это приводит к росту уровней громкости создаваемого ими шума и времени его воздействия на обслуживающий персонал, работников аэропорта и пассажиров. Вследствие большой частоты вращения газотурбинных двигателей шум от вспомогательных силовых установок имеет высокочастотный характер. Уровень громкости данного шума достигает 135 дБ, а на удалении 25 м составляет около 90 дБ. 75 К спецмашинам аэродромного обслуживания относятся аэродромные подвижные агрегаты, топливозаправщики, моторные подогреватели, тягачи, моечные машины, автопогрузчики, автолифты и другие. Среди них наиболее сильными источниками шума являются тепловые, ветровые и обдувочные машины. Они создаются на базе отработавших летный ресурс авиадвигателей, использующихся на режимах пониженной мощности. Производственные цеха и участки аэропортов, как и любые другие механические предприятия, также являются существенными источниками шума. Он возникает при работе сверлильных, фрезерных, токарных и других станков, листовых ножниц и роликовых ножей, прессов, при штамповке, сварке, пневмоклепке и других производственных процессах. К специфическому акустическому воздействию на окружающую среду приводит эксплуатация сверхзвуковой авиации. При движении самолета со скоростью, большей скорости звука, возникает так называемая ударная волна (или скачок уплотнения) – тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение давления и плотности воздуха. Ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью в сторону, противоположную полету, образуя конус скачка уплотнения позади самолета. Данный конус ударных волн сопровождает самолет на всем протяжении сверхзвукового полета. В результате на поверхности земли под воздействие ударных волн последовательно попадает обширная область шириной 30-100 км (в зависимости от высоты полета). Дошедшая до поверхности земли ударная волна воспринимается как резкий кратковременный звуковой импульс (наподобие звука выстрела). Данный импульс вызывает неблагоприятные реакции у человека и животных. Кроме того, он обычно приводит к вибрации отдельных элементов различных конструкций, зданий и сооружений, что усиливает негативное воздействие 76 ударной волны на живые организмы, повышает шумовое, в том числе инфразвуковое загрязнение окружающей среды. Интенсивность звукового импульса зависит от массы и конструкции самолета и траектории его движения со сверхзвуковой скоростью. Чем больше масса воздушного судна, тем интенсивнее звуковой импульс. При криволинейной траектории полета возможен приход нескольких ударных волн в одну и ту же область на поверхности земли, что усиливает акустическое воздействие сверхзвуковой авиации на живые организмы, здания и сооружения. Вследствие наличия множества источников интенсивного шума в крупных аэропортах, как на их территории, так и в близлежащих районах, складывается, как правило, весьма неблагоприятная акустическая ситуация, влияющая на здоровье не только экипажей, работников аэропорта и пассажиров, но и населения прилегающих к аэропорту территорий. При этом существенно, что численность населения, страдающего от авиационного шума, как правило, возрастает с течением времени. Это связано с постоянным сближением границ жилой застройки и аэропортов, а также с увеличением количества жителей в населенных пунктах вблизи аэропортов. Уровень громкости авиационного шума в окрестностях аэропортов зависит от направления взлетно-посадочных полос и трасс полетов самолетов, интенсивности полетов в течение суток, сезонов года, от типов самолетов, базирующихся на аэродроме, и других факторов. Эксплуатация самолетов большого тоннажа с мощными турбореактивными и турбовинтовыми двигателями, увеличение интенсивности их полетов, рост парка и расширение сферы применения гражданских вертолетов приводит к значительному повышению уровня шума в окрестностях аэропортов. Как показывают результаты измерений, населенные пункты, расположенные в радиусе 15 км от крупных аэропортов, находятся в дискомфортных акустических условиях. В некоторых из них первое место 77 среди всех источников шума (автомобили, промышленные предприятия, коммунальное хозяйство и др.) занимает воздушный транспорт. При круглосуточной интенсивной эксплуатации аэропортов уровни громкости шума в прилегающих населенных районах достигают в дневное время 80 дБ, а в ночное – 78 дБ. Максимальные уровни громкости колеблются в пределах 92-108 дБ. Первая реакция населения на авиационный шум – это жалобы, количество которых растет из года в год. В них отмечается, что авиационный шум беспокоит, нервирует, утомляет, вызывает головную боль, сердцебиение, нарушает сон и отдых, не дает сосредоточиться на выполнении любой работы. Для авиационного шума, как ни для какого другого, характерен раздражающий эффект. Шум самолетов при внезапном возникновении на тихом шумовом фоне вызывает у людей чувство тревоги и страха, особенно в ночное время. Вследствие этого полеты ночью причиняют жителям прилегающих к аэропорту районов намного больше беспокойства, чем днем. Так, на шум в дневное время при уровне его громкости 66 дБ жалуется 33% населения, а на ночной шум такого же уровня – 92%. Наибольшее беспокойство испытывают люди, страдающие заболеваниями нервной и сердечно-сосудистой систем, желудочно-кишечного тракта и др. Количество жалоб от этой части населения (64-90%) намного больше, чем от здоровых людей (39-52%). Городские жители чаще, чем сельские, жалуются на шум самолетов, что объясняется повышенной чувствительностью горожан к шуму вследствие воздействия на них еще и промышленного, транспортного, коммунального шумов. Для объективной оценки авиационного шума, его интенсивности, частотного спектра, продолжительности и степени воздействия на людей используются следующие критерии: 78 - максимальные уровни шума (в децибелах), определенные с учетом различных стандартных коррекций на влияние частотного спектра шума на психофизические реакции человека (например, максимальный уровень звука LA и максимальный уровень воспринимаемого шума PNL); - эффективные уровни шума, характеризующие его воздействие при единичном пролете воздушного судна, т.е. с учетом продолжительности шума (например, эффективный уровень звука LAE и эффективный уровень воспринимаемого шума EPNL); - эквивалентные уровни шума, в которых учитываются не только максимальные уровни шума при каждом пролете, но и число пролетов в различное (дневное или ночное) время суток (например, эквивалентный уровень звука LAэкв); - площади контуров шума заданных уровней на земной поверхности, которые могут определяться по отдельности для взлета и посадки самолета или в целом для данных этапов полета; - доля жителей населенных районов, страдающих от воздействия авиационного шума (в процентах). Наряду с упомянутыми используются также комплексные критерии, представляющие собой комбинации критериев перечисленных выше типов. Они применяются, например, для оценки авиационного шума смешанного парка воздушных судов. Рассмотренные критерии используются не только для оценки степени зашумленности территорий аэропортов и их окрестностей. Они широко применяются при нормировании предельно допустимых уровней шума в гражданской авиации, при сертификации воздушных судов по шуму. Так, согласно ГОСТ 22283-88 (Шум авиационный. Допустимые уровни шума на территории жилой застройки и методы его изменения. 1989), в жилых районах максимальный уровень звука не должен превышать 85 дБ в дневное время (с 7 до 23 ч) и 75 дБ – в ночное время (с 23 до 7 ч), а предельно 79 допустимые эквивалентные уровни звука для дня и ночи составляют 65 дБ и 55 дБ соответственно. Предельно допустимые уровни шума для помещений и рабочих мест наземного персонала аэропортов приведены в ОСТ 54.72005-84. Данные нормативы разработаны на основе ГОСТ 12.1.003-83 (Шум. Общие требования безопасности. 1984). Допустимые безопасные уровни шума для летного состава воздушных судов регламентированы в СанПиН 2.5.1.051-96 (Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации. 1996). Согласно данному документу, эквивалентный уровень звука для рабочих мест летного состава воздушных судов не должен превышать 80 дБ, а в помещениях для отдыха экипажей – 45 дБ. Большой вклад в снижение шумового загрязнения окружающей среды воздушными судами вносят усилия Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по разработке и внедрению ограничений на интенсивность шума для самолетов различных категорий и классов. Разработанные ИКАО международные стандарты по шуму воздушных судов представлены в Конвенции о международной гражданской авиации (Приложение 16. Том I. Авиационный шум). При этом существенно, что данные стандарты периодически ужесточаются. Проблема шумового загрязнения окружающей среды весьма актуальна для гражданской авиации России. По оценкам, примерно 2-3% населения РФ подвержено воздействию авиационного шума, превышающего нормативные требования. От авиационного шума страдает несколько миллионов человек. В настоящее время сертификацию на соответствие уровней шума действующим международным стандартам прошли следующие типы отечественных самолетов: Ту-154М, Ту-204, Ил-62М, Ил-96, Як-42, Ан-74, Ан124. Однако в случае планируемого ужесточения акустических стандартов на 5 дБ им будут удовлетворять только Ил-96 и Ту-204. Основу же парка 80 российских авиакомпаний составляют самолеты выпуска конца 70-х – начала 80-х годов (Ту-134, Ту-154, Ил-62, Ил-76 и др.), которые не соответствуют не только современным, но и более ранним нормативам ИКАО по шуму. Для уменьшения шума воздушных судов необходимы модернизация и развитие авиационной техники, в том числе: - внедрение менее шумных воздухозаборников и выхлопных сопел; - совершенствование аэродинамических форм и компоновки двигателей летательных аппаратов; - использование шумопоглощающих и звукоизолирующих материалов и устройств; - переход от шумных турбореактивных двигателей старого образца к менее шумным турбовентиляторным и двухконтурным двигателям, а также повышение степени двухконтурности последних. Наряду с техническими методами для уменьшения авиационного шума и его влияния на население и окружающую среду в районе аэропортов используются также эксплуатационные и организационные методы. Применение специальных приемов пилотирования при взлете и посадке позволяет снижать уровень шума на 5-15 дБ. К ним относятся, например, использование более крутых траекторий и уменьшение режима работы двигателей при наборе высоты и снижении. Существенно уменьшает воздействие авиационного шума на жителей прилегающих территорий рациональная организация воздушного движения в районе аэропортов. Она предусматривает запрещение пролета самолетами населенных пунктов на малых высотах, выбор оптимальных трасс для воздушных судов, обеспечивающих наименьшее влияние шума на жителей, ограничение полетов и применение воздушных судов менее шумных типов в ночное время. Диспетчеры по возможности должны использовать взлетнопосадочные полосы аэропортов, которые как можно дальше уводят самолеты от населенных пунктов. 81 Особая проблема возникает при эксплуатации сверхзвуковых самолетов. При их переходе от дозвуковой к сверхзвуковой скорости образуется звуковая ударная волна. Для избежания ее неблагоприятного воздействия на людей, другие живые организмы, здания и сооружения самолеты должны преодолевать звуковой барьер только на большой высоте вне расположения населенных пунктов. Уменьшение вредного воздействия авиационного шума на окружающую среду достигается также отказом от руления самолетов на аэродромах с работающими двигателями путем применения их буксировки на предварительный старт, уменьшением количества одновременно работающих силовых установок, использованием шумоглушащих ангаров и станций для испытания двигателей. В целях защиты от шума в аэропортах применяются также специальные стационарные и передвижные глушители шума, создаются отражающие шум экраны, например, полосы лесных насаждений или высокие заборы вблизи взлетно-посадочных полос. Важная роль в решении проблемы авиационного шума и его влияния на здоровье населения принадлежит строительной политике в районе аэропортов. Ограничение жилой застройки вблизи аэропортов является одним из наиболее эффективных путей решения данной проблемы. Между территорией, предназначенной для строительства жилых и других чувствительных к шуму помещений (селитебной территорией), и границами аэропортов необходимо выделять санитарно-защитные зоны, в которых в соответствии с реальной картиной степени зашумленности окрестностей аэропортов и санитарными нормами по шуму должна быть запрещена любая жилая застройка. При определении размеров санитарно-защитных зон необходимо также учитывать химическое и электромагнитное загрязнения окружающей среды в районе аэропортов и их влияние на здоровье жителей прилегающих территорий. 82 3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АВИАЦИЕЙ ВЫСОКИХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ Количество выхлопных газов авиационных двигателей, поступающих в верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу при полетах воздушных судов на эшелонах на порядок больше их количества, поступающего в приземные слои атмосферы. Соответственно, на порядок больше масса компонентов в составе выхлопных газов, индексы эмиссии которых мало зависят от режима работы авиационных двигателей. К ним относятся окислы серы, углекислый газ, водяной пар и др. (см. п. 1.1). Еще больше доля в общем количестве выбросов в атмосферу поступающих в высокие слои окислов азота и твердых частиц (сажи), индексы эмиссии которых возрастают с увеличением тяги авиационных двигателей, что характерно для режима крейсерского полета на эшелоне воздушных судов. В то же время масса авиационных выбросов угарного газа и углеводородов в высоких слоях атмосферы примерно такая же, как в зоне аэропортов, поскольку индексы эмиссии данных веществ уменьшаются при возрастании тяги двигателей. Больше всего в выхлопных газах самолетов, загрязняющих высокие слои атмосферы, содержится углекислого газа (CO2). Индекс эмиссии данного вещества на несколько порядков превышает индексы эмиссии остальных компонентов авиационных выбросов (см. п. 1.1). Поступление в атмосферу большого количества углекислого газа при полетах воздушных судов вносит вклад в антропогенное возрастание концентрации CO2 в атмосфере. Этот глобальный процесс является следствием сжигания человечеством всё увеличивающегося количества углеродного топлива. Углекислый газ является основным из парниковых газов в составе атмосферного воздуха, обладающих способностью активно поглощать длинноволновое тепловое излучение Земли. Антропогенное возрастание его 83 концентрации приводит к увеличению парникового эффекта атмосферы, что вызывает рост приземной температуры на всех широтах земного шара. Проблема глобального потепления климата в результате антропогенного загрязнения атмосферы парниковыми газами (главным образом CO2, а также метаном, фреонами и др.) является одной из важнейших климатических, экологических и экономических проблем современности. Глобальное потепление приводит к изменению климатических условий, метеорологического и гидрологического режимов во всех районах земного шара. Происходит таяние снежно-ледовых образований Земли, что вызывает повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных территорий, оттаивание почв и образование болот в зонах вечной мерзлоты, нарушение гидрологического режима рек и озер. В результате происходит разрушение сложившихся экосистем, смещение природных зон и ареала распространения флоры и фауны. Изменения климатических и природных условий вследствие глобального потепления отражаются на экономике регионов, приводят к необходимости перестройки сельского хозяйства, энергетики и других отраслей общественного производства, зависящих от климатических факторов. Однако количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу при полетах воздушных судов, на несколько порядков меньше его общего количества, поступающего промышленных предприятий в воздух при и наземного работе энергетических и транспорта. Поэтому вклад гражданской авиации в антропогенное потепление климата в настоящее время значительно меньше вклада других антропогенных факторов. В составе выхлопных газов авиационных двигателей присутствует также в относительно больших количествах водяной пар (см. табл. 1.1.1). Его поступление в высокие слои атмосферы при полетах воздушных судов при определенных метеорологических условиях может приводить к образованию облаков. 84 Например, когда водяной пар в атмосфере на высоте полета самолета близок к состоянию насыщения, то поступление дополнительного количества водяного пара вместе с выхлопными газами приводит к образованию самолетных облачных следов (Ci tract). Этому же способствует поступление в атмосферу ядер конденсации, образующихся из продуктов сгорания самолетного топлива. Благодаря низкой температуре воздуха в высоких слоях атмосферы самолетные облачные следы часто состоят не из капель воды, а из кристаллов льда. Образование таких мельчайших частиц льда происходит при значительно меньшем количестве влаги в атмосфере, чем образование жидких капель воды. Это связано с различием в условиях насыщения водяного пара у поверхности воды и у поверхности льда. Дополнительным фактором, способствующим образованию обширного облачного следа, является нагревание воздуха в результате поступления горячих выхлопных газов и кинетического торможения самолета. Более теплый, чем окружающая среда, воздух поднимается вместе с водяным паром на некоторую высоту, где происходит его расширение и охлаждение. Более низкая температура воздуха на этой высоте способствует конденсации водяного пара. При наличии слоев инверсий температуры в атмосфере поднимающийся воздух растекается, образуя обширную пелену облачности слоистообразных форм. Первоначально облачный след имеет ширину несколько сот метров. При определенных метеорологических условиях наблюдаются случаи его разрастания до нескольких десятков километров. При интенсивных полетах может образовываться плотная пелена облаков, которые закрывают значительные пространства. Облака существенно влияют на радиационный режим Земли. Наличие облаков приводит к уменьшению притока солнечной радиации к земной поверхности. В то же время облака задерживают часть теплового 85 длинноволнового излучения Земли, т.е. способствуют возрастанию парникового эффекта атмосферы. От радиационного режима во многом зависит климат Земли. Поэтому увеличение облачности в результате полетов самолетов в будущем может стать существенным фактором, влияющим на региональный и, возможно, глобальный климат. Поступление в атмосферу окислов серы и азота в составе выхлопных газов воздушных судов вносит вклад в увеличение интенсивности выпадения кислотных осадков и вызываемого ими подкисления почвенных и водных экосистем. Причиной формирования кислотных осадков является образование паров серной и азотной кислот из поступающих в атмосферу окислов серы и азота в составе антропогенных выбросов вредных веществ. Взаимодействие паров данных кислот с влагой воздуха приводит к выпадению кислотных дождей и других подкисленных осадков (снег и т.п.). Формирование паров сильных кислот в атмосфере и выпадение кислотных осадков оказывает не только прямое негативное воздействие на людей, флору и фауну, приводит к разрушению зданий, сооружений и т.п. В результате попадания кислотных осадков в почву и водоемы развивается их подкисление. Это приводит к деградации наземных и водных экосистем, к уменьшению плодородия почв, к гибели микрофлоры, отдельных видов рыб и других водных организмов, к снижению прироста лесов и их усыханию на больших территориях. Проблема выпадения кислотных осадков и подкисления окружающей среды с каждым годом становится всё более актуальной, приобретает глобальный характер. В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферы окислами серы и азота, приводящее к подкислению окружающей среды, вносит мировая энергетика, промышленность и наземный транспорт, а 86 роль гражданской авиации в этих антропогенных процессах пока второстепенна. Намного больший вклад гражданская авиация вносит в загрязнение стратосферы (11-50 км). При работе промышленных и энергетических предприятий и наземного транспорта загрязняющие вещества выбрасываются в приземный слой воздуха. Лишь небольшая часть этих веществ переносится из приземного слоя в стратосферу. В то же время при полетах воздушных судов на эшелонах все выхлопные газы поступают непосредственно в высокие слои атмосферы – в верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу. Оттуда значительная часть выхлопных газов распространяется по всей стратосфере. Поэтому доля гражданской авиации в загрязнении стратосферы значительно выше, чем ее доля в загрязнении приземных слоев и всей атмосферы в целом. Антропогенное загрязнение стратосферы приводит к появлению экологических и климатических проблем глобального масштаба и значения. Одной из таких проблем является разрушение озонного слоя планеты. Этот слой формируется в стратосфере в результате фотохимических процессов. Максимум концентрации озона (О3) расположен в среднем на высоте 20-25 км. Слой озона задерживает губительную для всего живого ультрафиолетовую радиацию Солнца, поступающую к поверхности Земли. К разрушению озонного слоя фреонами – галогеносодержащими (хлорфторуглеводородами). Фреоны приводит загрязнение углеводородными (или хладоны) атмосферы соединениями обладают привлекательными физико-химическими свойствами. Они не горят, мало токсичны, химически стойки, просты в использовании. Фреоны широко применяются в технике и в быту (в холодильниках, в огнетушителях, в качестве распылителей для аэрозольных косметических и прочих средств и т.д.). 87 Благодаря своей большой химической стойкости фреоны, выбрасываемые в приземный слой воздуха, распространяются в тропосфере по всему земному шару и поступают в стратосферу. Там происходит диссоциация молекул фреонов под действием ультрафиолетовой радиации. Образующиеся в результате атомы хлора и фтора вступают в химические реакции с озоном, что и приводит к истощению озонного слоя. Молекулы озона разрушаются также при взаимодействии с поступающими в стратосферу окислами азота (NO, NO2, N2O5 и др.). Они содержатся в относительно больших количествах в промышленных, энергетических и транспортных выбросах, загрязняющих главным образом приземные слои атмосферы. Однако почти все окислы азота (за исключением закиси азота N2O) имеют малое время жизни в тропосфере, поскольку быстро разрушаются в воздухе вследствие химических реакций, образуя нитраты и пары азотной кислоты. Поэтому количество окислов азота от наземных источников, поступающих в стратосферу из нижних слоев тропосферы, сравнительно невелико. В результате значительно возрастает вклад в загрязнение стратосферы окислов азота, поступающих в высокие слои атмосферы при полетах воздушных судов в составе выхлопных газов авиационных двигателей. Тем не менее, в настоящее время основная роль в антропогенном уменьшении количества озона в стратосфере принадлежит загрязнению атмосферы фреонами. Согласно оценкам, если не будут приняты специальные меры по ограничению выбросов в атмосферу фреонов, то уже в первой половине XXI века может произойти значительное уменьшение толщины озонного слоя (в среднем примерно на 20%). Это приведет к массовым заболеваниям людей раком и другими болезнями, пагубно отразится на наземных флоре и фауне. В связи с важностью для мирового сообщества решения проблемы антропогенного разрушения защитного озонного слоя планеты она 88 рассматривалась на международном уровне. В 1985 г. была заключена Венская конвенция об охране озонного слоя, а в 1987 г. принят Монреальский протокол об ограничении, а затем и прекращении (с 2000 г.) использования фреонов. Однако далеко не все страны подписали Монреальский протокол, а среди стран, поставивших свою подпись, мало кто полностью выполняет взятые на себя обязательства. Это связано с тем, что отказ от использования фреонов и переход на их заменители, не разрушающие озонный слой, требует больших капиталовложений. Кроме того, в тропосфере уже накоплено большое количество фреонов – газов, имеющих большое время жизни (десятки и сотни лет), которые еще долго будут поступать из тропосферы в стратосферу и разрушать защитный озонный слой планеты после прекращения антропогенных выбросов этих газов в атмосферу. Тем не менее, по мере решения мировым сообществом проблемы загрязнения атмосферы фреонами, их роль в разрушении озонного слоя будет уменьшаться. В то же время развитие гражданской авиации в глобальном масштабе, увеличение интенсивности и дальности полетов воздушных судов в высоких слоях атмосферы будет приводить к возрастанию поступления в стратосферу окислов азота, содержащихся в выхлопных газах самолетов. Разрушающее воздействие авиационных выбросов окислов азота на стратосферный озонный слой тем сильнее, чем выше уровень их поступления. Поэтому наиболее опасных последствий следует ожидать в случае интенсивного развития не только дозвуковой, но и сверхзвуковой транспортной авиации, осуществляющей полеты на значительно более высоких уровнях, чем дозвуковая авиация (около 20 км). Таким образом, со временем вклад гражданской авиации в антропогенное разрушение защитного озонного слоя планеты может стать весьма значительным, что потребует принятия специальных мер на национальных и международных уровнях для решения данной проблемы. 89 Загрязнение гражданской авиацией стратосферы при полетах воздушных судов в высоких слоях атмосферы оказывает также влияние на климат Земли. Климатические эффекты авиации связаны с ее воздействием на фоновый аэрозольный слой, наблюдающийся в стратосфере на всех широтах. Данный слой состоит в основном из мельчайших капель серной кислоты, которые образуются в результате окисления в стратосфере серосодержащих газов. Главная роль среди них принадлежит антропогенному газу карбонилсульфид (COS). Он поступает в стратосферу из нижней тропосферы, где образуется при сжигании и переработке топлива, при промышленном производстве и т.п. Вклад в формирование фонового стратосферного аэрозольного слоя вносит также сернистый газ (SO2), поступающий в высокие слои атмосферы при полетах воздушных судов в составе выхлопных газов авиационных двигателей. Стратосферный аэрозольный слой уменьшает количество коротковолновой солнечной радиации, поступающей к земной поверхности, мало влияя на потоки длинноволнового излучения Земли. Поэтому возрастание загрязнения стратосферы аэрозолем в результате антропогенных процессов приводит к охлаждающему воздействию на климат. Наблюдающееся последние десятилетия неуклонное возрастание массы фонового стратосферного аэрозоля происходит главным образом в результате увеличения потока газа карбонилсульфид из тропосферы в стратосферу (на 45% в год), что связано с ростом антропогенных выбросов данного газа в атмосферу вследствие развития мировой энергетики, промышленности и наземного транспорта. В дальнейшем наиболее вероятно примерно двукратное снижение темпов возрастания потока газа карбонилсульфид в стратосферу в первой половине XXI века в связи с прогнозируемым уменьшением темпов роста общего объема сжигаемого топлива. 90 Возрастание загрязнения стратосферы аэрозолем в результате развития мировой энергетики, промышленности и наземного транспорта приводит к частичной компенсации антропогенного глобального потепления климата, но не обеспечивает прекращения роста приземной температуры. В последней четверти XX века вклад авиационных выбросов сернистого газа в формирование фонового стратосферного аэрозольного слоя был относительно невелик – почти на порядок меньше, чем газа карбонилсульфид. Однако темпы развития гражданской авиации в глобальном масштабе существенно превышают темпы развития энергетики, промышленности и наземного транспорта и составляют 5-7% в год. При таких темпах развития вклад гражданской авиации в формирование фонового аэрозольного слоя с каждым годом увеличивается и со временем может стать весьма значительным. Например, при возрастании выбросов сернистого газа на 7% в год в результате интенсивного развития гражданской авиации ее вклад в загрязнение стратосферы аэрозолем к середине XXI века достигнет около 60% в северном полушарии и 40% в южном. Основную роль в поступлении сернистого газа в стратосферу в современный период играют выбросы дозвуковых транспортных самолетов гражданской авиации, летающих на высотах 9-13 км. Как показывают оценки, интенсивное развитие дозвуковой авиации окажет со временем весьма существенное охлаждающее воздействие на глобальный климат. В результате во второй четверти XXI века не только прекратится возрастание антропогенного потепления климата, но и начнется уменьшение средней приземной температуры. Эта тенденция антропогенного изменения приземной температуры будет наблюдаться и при меньших темпах развития дозвуковой авиации, но при этом уменьшение величины антропогенного глобального потепления начнется в более отдаленное время. Еще большего влияния гражданской авиации на климат следует ожидать в случае развития в XXI веке сверхзвуковой транспортной авиации, 91 осуществляющей полеты на высотах около 20 км. Это объясняется тем, что при поступлении сернистого газа вместе с авиационными выхлопами в стратосферу на данных высотах процесс формирования из него стратосферного сернокислотного аэрозоля протекает в несколько раз эффективнее, чем при поступлении того же количества SO2 на высотах 9-13 км. Поэтому даже при меньшей интенсивности полетов сверхзвуковая авиация может оказать не менее сильное влияние на загрязнение стратосферы аэрозолем и климат, чем дозвуковая авиация. Например, как показывают оценки, если к середине XXI века всего лишь 15% выхлопных газов гражданской авиации будет поступать в атмосферу при полетах сверхзвуковых лайнеров, то их охлаждающее воздействие на климат будет примерно такой же величины, как и влияние дозвуковой авиации. Таким образом, в результате интенсивного развития гражданской авиации можно ожидать существенной компенсации антропогенного потепления глобального климата, значительно возрастающей с течением времени. Это приведет уже во второй четверти XXI века к прекращению роста глобального потепления, а затем и к уменьшению его величины. Чем выше будут темпы развития гражданской авиации, чем больше сверхзвуковых самолетов войдет в состав воздушного флота, тем раньше начнется понижение глобального потепления, тем меньше будет максимальная величина антропогенного увеличения средней приземной температуры. Проблемой отрицательных экологических и экономических последствий грозящего человечеству глобального потепления климата, происходящего вследствие антропогенного загрязнения атмосферы парниковыми газами (CO2 и др.), в настоящее время озабочены все страны мирового сообщества, в том числе Россия, в которой две трети территории занимают зоны вечной мерзлоты и велика зависимость природных экосистем, сельскохозяйственного производства и экономики в целом от климатических факторов. 92 В целях предотвращения глобального потепления было заключено международное соглашение (Киотский протокол 1997 г.) по ограничению выбросов антропогенных парниковых газов в атмосферу. Однако выполнение мировым сообществом обязательств по Киотскому протоколу крайне проблематично, поскольку это требует затрат громадных средств и усилий на технологии по уменьшению антропогенных выбросов парниковых газов. Например, только для стабилизации концентрации углекислого газа в атмосфере на современном уровне развитым странам необходимо потратить десятки триллионов долларов на техническую модернизацию промышленности. В связи с этим США и ряд других стран отказались ратифицировать Киотский протокол, полагая, что выполнение его условий нанесет большой ущерб их экономическому развитию. В то же время, как показывают представленные выше исследования влияния авиации на климат, решение мировым сообществом проблемы глобального антропогенного потепления может быть получено со значительно меньшими затратами. Направив средства на развитие гражданской авиации, мировое сообщество не только получит более развитую и совершенную систему воздушного транспорта, но и избавится от грозящей человечеству проблемы антропогенного потепления климата, что позволит избежать намного бóльших затрат на модернизацию мировой экономики в целях сокращения антропогенных выбросов парниковых газов. При этом необходимо будет выделить средства и приложить усилия для решения экологических проблем, возникающих вследствие загрязнения окружающей среды гражданской авиацией, в том числе экологических проблем крупных аэропортов, которые неизбежно обострятся при интенсивном развитии воздушного транспорта. 93 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Представленные в пособии результаты исследований свидетельствуют о том, что развитие гражданской авиации невозможно без принятия всесторонних мер по снижению загрязнения окружающей среды при авиатранспортных процессах и предотвращению вызываемых загрязнением негативных экологических последствий. К первоочередным задачам относятся снижение эмиссии вредных веществ авиационными двигателями, а также уменьшение уровней громкости шума воздушных судов. Решение этих задач особенно актуально для гражданской авиации России, в составе воздушного флота которой имеется множество самолетов, не отвечающих требованиям Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по эмиссии вредных веществ и интенсивности авиационного шума. Это тормозит развитие гражданской авиации России, с каждым годом всё больше препятствует ее использованию на международных линиях. Важной задачей является также уменьшение загрязнения окружающей среды в зонах аэропортов и его влияния на здоровье пассажиров, экипажей, сотрудников аэропортов и населения прилегающих районов. Для решения экологических проблем аэропортов необходимо развитие систем мониторинга и контроля загрязнения окружающей среды, ограничение застройки территорий в районах аэропортов, а также внедрение технических и эксплуатационных методов снижения химического, электромагнитного и шумового загрязнения окружающей среды гражданской авиацией. Пристальное внимание необходимо уделять и проблемам глобальных экологических и климатических последствий возрастания загрязнения высоких слоев атмосферы в результате развития гражданской авиации. Наиболее важными среди них являются разрушение озонного слоя планеты, защищающего живые организмы от губительной ультрафиолетовой радиации 94 Солнца, а также возрастание загрязнения стратосферы аэрозолем, оказывающее значительное влияние на климат Земли. Решение данных проблем глобального масштаба и значения возможно только на основе международного сотрудничества и согласованных действий всех стран мирового сообщества. ЛИТЕРАТУРА 1. Аксенов И.Я., Аксенов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. – М.: Транспорт, 1986. 2. Андреев В.Л. и др. Наземная экология / Методические указания по изучению курса. – СПб.: АГА, 1999. 3. Асатуров М.Л. Основы экологии. Ч. II. Антропогенные экологические процессы / Учебное пособие. – СПб.: АГА, 2002. 4. Асатуров М.Л. Стратосферный аэрозольный слой. – СПб.: ГУГА, 2006. 5. Белов С.В. и др. Охрана окружающей среды. – М.: Высшая школа, 1991. 6. Ененков В.Г. и др. Защита окружающей среды при авиатранспортных процессах. – М.: Транспорт, 1984. 7. Иванов В.И., Андреев В.Л. Охрана окружающей среды / Учебное пособие. – Л.: АГА, 1991.
