Спектр эмитируемых соединений достаточно широк и зависит от типа двигателя и используемого топлива Их воздействие на атмосферу проявляется через комплекс взаимосвязанных процессов. Например, вследствие полетов сверхзвуковых самолетов концентрация оксидов азота в стратосфере увеличивается, а озона — уменьшается, что приводит к усилению интенсивности биологически опасного ультрафиолетового излучения у поверхности Земли. Более же глубокое его проникновение в тропосферу должно приводить к повышению содержания озона на низких высотах и, значит, изменять ее температуру и радиационный баланс. А последний, как показывают расчеты, в 30 раз более чувствителен к выбросам оксидов азота от стратосферной авиации, чем от поверхностных источников.

На радиационный баланс атмосферы влияют также пары воды — они поглощают инфракрасное излучение и в верхней тропосфере образуют перистые облака, усиливающие парниковый эффект.
Эмиссия паров серной, азотной, азотистой кислот и воды может играть существенную роль в изменении состава атмосферы и образовании полярных стратосферных облаков. Кстати, по данным измерений, содержание в ней аэрозолей за последние 20—25 лет увеличивается на 5% в год, что примерно соответствует скорости роста массы топлива, расходуемого авиацией.
Полет дозвукового, а тем более сверхзвукового авиалайнера вызывает комплекс гидродинамических явлений. Можно выделить три области, в которых те или иные из них доминируют.
Первая — начальный этап полета. Истекающие из сопла двигателя горячие газы смешиваются с окружающим воздухом, резко меняются их температура и состав, формируются жидкие (в основном сульфатные) аэрозоли. Реализуется так называемый режим уединенной струи, продолжительность которого не превышает 10с, что для дозвуковых летательных аппаратов соответствует длине их следа от среза сопла порядка 1 км.

Одновременно с данным процессом образуются и трансформируются вихревые структуры, сходящие с концов крыльев. На некотором расстоянии от среза сопла двигателя они вступают во взаимодействие с потоком, состоящим из продуктов сгорания и воздуха. Это вторая область, в которой действует вихревой режим следа самолета. Его особенность — преимущественный рост следа в вертикальном направлении и существенно меньший — в горизонтальном, длительность — не больше 100 с, протяженность — 20 км. Картина же течения здесь значительно сложнее, чем на предыдущем участке.
Наконец, режим крупномасштабных кольцевых образований вступает в силу в третьей области — после распада следа авиалайнера. Она нуждается в более глубоком исследовании, поскольку именно тут происходит перенос компонентов струи в атмосферу.

Один из ключевых вопросов анализа влияния авиации на атмосферу — изучение образования различных веществ в двигателе и реактивной струе. Это позволит получить информацию о составе и количестве выбросов при тех или иных режимах полета.
В камере сгорания авиационного двигателя, работающего на углеводородном топливе, помимо углекислого и угарного газов, паров воды, оксидов азота, сажи, формируются пары азотистой и азотной кислот, оксиды водорода, органические соединения, атомарный кислород, ионы и даже серосодержащие продукты, основной из которых — сернистый ангидрид. На участке двигателя от среза камеры сгорания до выходного сечения сопла 3—10% последнего окисляется до серного ангидрида и серной кислоты, что приводит к уменьшению концентрации атомов кислорода и радикалов ОН.

 

 

Истекающий из сопла реактивного двигателя поток горячих газов охлаждается вследствие смешения с атмосферным воздухом и расширения струи. При этом в 30—50 м от среза сопла достигаются условия пересыщения паров серной кислоты и формируются мелкие (диаметром порядка 1 нм) жидкие частицы бинарных аэрозолей Н2О/Н28О4, а более чем в 100 м от среза сопла они «слипаются» в существенно (примерно в 10 раз) более крупные.
На расстоянии 25—100 м от среза эти жидкие аэрозоли осаждаются на поверхности эмитируемых из двигателя частиц сажи. Совсем недавно сделаны расчеты, приведшие к важным выводам: в выходном сечении сопла 50—60% этих частиц аккумулируют положительный заряд, 10—20% — отрицательный и приблизительно 30% нейтральны. Благодаря электростатическому взаимодействию на заряженных сажевых частицах возможно непосредственное осаждение молекул воды и серной кислоты.
Интересно отметить, что, даже если сера в топливе отсутствует, серный ангидрид и пары серной кислоты образуются при горении углеводородов в воздухе, содержащем сернистые соединения. В струе возникают очень мелкие (диаметром порядка 0,4 нм) капли сульфатного аэрозоля, которые осаждаются на частицах сажи. Таким образом, и в этом случае на их поверхности может накапливаться раствор Н2О/Н2SО4.

Наличие его на поверхности сажевых частиц — один из определяющих факторов формирования видимого следа самолета. Ведь в чистом виде сажа гидрофобна (не смачивается) и не конденсирует влагу. Покрытые же раствором частицы собирают на себе воду и укрупняются, достигая в радиусе 1 мкм (этот процесс происходит на расстоянии 200 м от среза сопла). При понижении температуры до 230—240 К раствор замерзает, и при определенной концентрации они создают видимый след авиалайнера, могут играть роль облачных ядер конденсации, инициируя дополнительное образование перистых облаков.
На высоте от 15 до 35 км в атмосфере присутствуют сульфатные аэрозоли и частицы (с максимумом концентрации в 20 км от поверхности Земли), состоящие из тройных сверхохлажденных растворов Н2О/Н2$О4/НКОз размером от 0,01 до 1 мкм. Их количество в существенной степени зависит от вулканической деятельности. Пример тому — извержение Пинатубо (Филиппины) в июне 1991 г., инициировавшее формирование таких частиц. В результате площадь поверхности сульфатных аэрозолей увеличилась в 50 раз. Эволюция их состава и фазового состояния изучается с целью более глубокого понимания механизмов возникновения полярных стратосферных облаков.
Они бывают двух типов. На высотах 14—24 км при температуре не выше 195 К наблюдаются облака первого типа из частичек кристаллического тригидрата азотной кислоты размером от 0,15 до 5 мкм. Облака второго типа формируются при еще более низкой температуре — 188 К (она отмечается в зимнее время над Антарктидой) из кристалликов льда размером 1—10 мкм, очень близких по свойствам к тем, из которых состоят высокие перистые облака в тропосфере.

Дополнительное образование облаков первого типа может быть одним из последствий эмиссии паров азотной кислоты и воды в высоких широтах. Увеличение же концентрации сульфатных аэрозолей из-за авиационных выбросов должно способствовать зарождению полярных стратосферных облаков обоих типов. Однако данный вопрос, к сожалению, еще мало исследован. Поэтому может оказаться, что имеющиеся оценки влияния полетов сверхзвуковых самолетов на стратосферный аэрозольный слой и формирование полярных стратосферных облаков несколько занижены.
Наименее изученная в настоящее время проблема — климатические последствия полетов авиационной техники в верхней тропосфере (на высоте 10—12 км). Это объясняется сложностью анализа протекающих здесь взаимосвязанных процессов: тропосферно-стратосфер-ного обмена, формирования облаков, широтного и меридионального переноса воздушных масс, физико-химических превращений в газовой фазе, на поверхности аэрозолей и т.д.

Одно из серьезных последствий эмиссии самолетами паров воды — дополнительное образование перистых облаков. Так, оценки показали, что в январе в североатлантическом коридоре полетов облачность увеличивается на 2—3,5% (усредненная величина для Европы — 0,5%). Воздействие этого явления на климат происходит через изменение радиационного баланса атмосферы и повышение температуры в приземном слое (с ростом облачности на 10% она увеличивается на 1,2-1,4 К).
Важную роль в формировании климата играет и тропосферный аэрозольный слой. Анализ показал наличие в нем элементов земной коры — кремния, кальция, частиц металлов (железа, алюминия, цинка, олова), а также сажи. И основной вклад в увеличение концентрации последней вносит авиация. Например, в следе дозвукового самолета зарегистрированы частицы сажи диаметром 0,15 мкм. Именно этот размер оптимален для образования облачных ядер конденсации и перистых облаков.

Негативное влияние полетов авиации в верхней тропосфере проявляется и в разрушении различных веществ на поверхности аэрозольных частиц. В частности, активно распадается озон, а диоксид азота и пары азотной кислоты преобразуются в оксид азота, что также вносит вклад в уменьшение содержания озона как в верхней тропосфере — области максимума сажевых аэрозолей, так и в нижней стратосфере, куда они могут подниматься.
Прогнозируемое удвоение потребления топлива авиацией в последующие 18—25 лет может привести к удвоению площади поверхности сажевых частиц в нижней стратосфере и десятикратному возрастанию их концентрации в коридорах полетов.
В настоящее время считается, что современная авиация не оказывает существенного влияния на атмосферу и климат. Однако уточнение многих параметров применяемых моделей и сценариев воздействия, ожидаемый рост интенсивности полетов дозвуковой коммерческой авиации и возможное применение сверхзвуковой для пассажирских перевозок могут в значительной мере изменить сложившуюся точку зрения.

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

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