Проблема загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива.

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Гимназия № 1»

Городского округа Балашиха Московской области

«Проблема загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива»

Автор работы: Чаганов Олег Андреевич, 16 лет

Научный руководитель: Овсянникова Ольга Сергеевна

Балашиха

2017

Оглавление

Введение        ……………………………………………….…………………………………..…....3

Загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива…...…………….……………………..3

Виды авиационного топлива……….…..…….……………………….………………………….3

Вред от продуктов сгорания авиатоплива…………….....………………………………………4

Загрязнение атмосферы продуктами сгорания сверхзвуковых

летательных аппаратов………………………………………………………………………..…..6

Вред от шума летательных аппаратов…………………………………………………………...7

Иной вред от летательных аппаратов……………………………………………………………8

Способы уменьшения вреда………………………………………………………........................8

Заключение………………………………………………………………………………..……….9

Список литературы……………………………………………………………………………..…9

Введение

Авиационная техника развивается уже не первое столетие. И сейчас наша жизнь не представляется без самолётов, вертолётов и ракет, хотя раньше человек только мечтал подняться в небо.

В настоящее время люди используют авиационную технику в различных целях. С помощью самолётов человек способен перемещаться на большие расстояния в короткие сроки. Некоторые главы регионов, чтобы не стоять в многочасовых пробках, используют вертолёты.

Летательные аппараты используют также в сельском хозяйстве и лесничестве для распыления химикатов и удобрений. Также невозможно представить службы спасения без самолётов и вертолётов. В строительстве крупных объектов распространено применение летательных аппаратов. И, конечно же, большое значение имеет авиационная техника в военных структурах.

Но, несмотря на большую пользу и значимость летательных аппаратов, существует ряд проблем, возникающий в ходе их эксплуатации. Эти проблемы могут быть связанны с загрязнением окружающей среды, а также негативным воздействием на здоровье человека.

В данной работе рассматривается факторы воздействия продуктов сгорания авиационного топлива на атмосферу, гидросферу и биосферу, а также анализируется влияние шума от авиационных двигателей на живые организмы.

Загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива

Прежде чем рассматривать проблему загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива, рассмотрим, какие существуют виды авиационного топлива, и имеется ли существенная разница в их продуктах сгорания.

Виды авиационного топлива

Топливо для самолетов разделяют на два основных вида– авиационный бензин и реактивное топливо(авиакеросин).

Авиабензин применяется для поршневых двигателей или же в качестве растворителя для технического обслуживания авиалайнеров. Такое горючее не сильно отличается от обычного автомобильного бензина, хотя имеет некоторые особенности, связанные со спецификой его применения.

Существует два вида авиационного бензина, которые отличаются некоторыми характеристиками, и одной из нихявляется октановое число. Так как техника на поршневых двигателях все же сдает свои позиции, авиационный бензин также используется значительно реже.

Самым популярным топливом для авиалайнеров является авиационный керосин, который также называют реактивным топливом. Этот вид топлива используется для аппаратов с турбореактивным двигателем.

Авиакеросин представляет собой дизельное топливо, оно получается в ходе глубокой переработки нефти. Согласно с правилами эффективного использования турбореактивных двигателей, авиационный керосин должен быть максимально очищен от ароматических углеводородов и других примесей в нем.

Авиационный керосин производится на нефтеперерабатывающих заводах. Согласно ГОСТу, выделяют два типа авиакеросина: для дозвуковой и сверхзвуковой авиации. Разница в том, что сверхзвуковой режим полета предполагает сильный разогрев топлива, а, значит, нельзя использовать мелкофракционное топливо, так как оно начинает испаряться.

Для дозвуковой авиации подходит и мелкофракционное топливо. Однако, чем больший процент топлива составляют легкие бензиновые фракции, тем на меньшую высоту полета оно рассчитано. К такому вида керосинов можно отнести керосин Т-2.

Керосин Т-1 является достаточно стабильным топливом, соответствующим международным стандартам качества. Авиационный керосин ТС-1 не совсем соответствует данным нормам за счет высокого процента серы в составе.

Продукты сгорания всех видов авиационного топлива практически одинаковы, поэтому будем рассматривать их общее влияние на загрязнение атмосферы.

Вред от продуктов сгорания авиатоплива

В период активного развития авиации 7 декабря 1944 года в Чикаго был подписан документ под названием «Конвенция о международной гражданской авиации» (ICAO), учитывающий проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды от авиационных продуктов. Данный документ вводил некоторые экологические стандарты в международную авиацию в целом. Конвенция и сегодня остается надежной основой развития и согласованного функционирования международной гражданской авиации.

Также в 2004 году ICAO установила три основные цели в области окружающей среды: 

• Ограничение или снижение влияния авиационной эмиссии на местное качество воздуха.
• Ограничение или сокращение количества людей, подвергаемых значительному воздействию авиационного шума.
• Ограничение или уменьшение воздействия эмиссии парниковых газов на мировой климат в результате деятельности авиации.

Комитет по охране окружающей среды от влияния авиации при ICAO постоянно озабочен качеством окружающей среды. В специальном отчете о влиянии авиации на глобальную атмосферу, опубликованный Межгосударственной комиссией по изменению климата говорится, что деятельность авиации пагубно сказывается на озоновом слое, т.е. разрушает его.

Так вследствие чего же происходит загрязнение атмосферы?

Авиационное топливо (керосин) представляет собой сложную смесь углеводородов. Углерод составляет в ней 86 процентов, водород - 14 процентов. При горении углерод соединяется с кислородом воздуха, так что сжигание каждого килограмма авиационного керосина пополняет атмосферу 3,15 килограммами углекислого газа. Известно, что углекислый газ равномерно распределяется в слоях атмосферы.

Кроме того, не важно, где образовался СО2, вблизи поверхности Земли или же на большой высоте, где пролегают большинство коридоров гражданской авиации, так как он легко распространяется и в вертикальном направлении. Подсчитано, что примерно 3 процента всего антропогенного углекислого газа выбрасывают в атмосферу самолеты. На долю автомобильного транспорта приходится около 15 процентов, другие виды транспорта - морской, железнодорожный и прочие - производят в сумме около 5 процентов.

Тяжелее оценить роль выбрасываемого авиацией водяного пара. Количественную составляющую рассчитать не сложно, при сжигании одного килограмма керосина образуется 1,23 килограмма водяного пара. А вот с качественной оценкой дело обстоит сложнее. При попадании горячих и влажных выхлопных газов в холодную окружающую среду пар конденсируется, образуя мельчайшие капельки воды, а на больших высотах, где температура забортного воздуха достигает 30-50 градусов ниже нуля, образуются мельчайшие льдинки. Эти капельки и льдинки порой хорошо видны с земли - в виде так называемого конденсационного следа, тянущегося за самолетом. Какое воздействие этот след оказывает на атмосферу, зависит от высоты полета.

Углекислый газ и водяной пар задерживают тепло, излучаемое Землей, что само собой «помогает» развитию парникового эффекта.

Помимо углекислого газа и водяного пара во время работы двигателей самолетов происходит выброс отработанных газов, прямых и побочных продуктов сгорания топлива, которые могут быть причиной нежелательного воздействия на окружающую среду. Это явление называется «эмиссия».  Основными компонентами выхлопных газов являются оксиды азота и в меньшей степени оксид углерода. Эмиссия оксидов углерода, несгоревших углеводородов и частиц углерода — результат неполного сгорания топлива в двигателе. Эмиссия оксидов азота — следствие высокой температуры в зоне горения топлива, при которой становиться возможным окисление содержащегося в воздухе азота. Именно оксиды азота ведут к истощению озонового слоя Земли,который, как известно, играет очень важную роль для сохранения жизни на планете, поглощая ультрафиолетовую радиацию и предохраняя тем самым живые организмы от гибели.

При понижении температуры и увеличении давления в камере сгорания эмиссия оксидов углерода и несгоревших частиц топлива увеличивается. В среднем около 42 % общего расхода топлива тратится на выруливание самолета к взлетно-посадочной полосе (ВПП) перед взлетом и на заруливание с ВПП после посадки (по времени в среднем около 22 мин). При этом доля несгоревшего и выброшенного в атмосферу топлива, а, следовательно, выброс оксидов углерода, при рулении намного больше, чем в полете. При взлёте процент выбросов достигает минимума и остается близким к минимуму во всех полётных фазах. Для оксидов азота закономерность обратная – при повышении температуры коэффициент возрастает, это может происходить при взлете самолета и дальнейшем полете.

В связи с тем, что авиация развивается, а также идёт интенсивное использование авиационных и ракетных двигателей в других отраслях народного хозяйства, существенно возрос их общий выброс вредных примесей в атмосферу.

Неуклонный рост объемов перевозок воздушным транспортом ведет к усилению загрязнения атмосферы отработавшими газами авиационных двигателей. Подсчитано, что в среднем двигатель реактивного самолета, потребляя в течение одного часа 15 т топлива и 625 т воздуха, выбрасывает в атмосферу 46,8 т углекислого газа, 18 т паров воды, 635 кг оксида углерода, 635 кг оксидов азота, 15 кг оксида серы, 2,2 кг твердых частиц. При этом средняя продолжительность пребывания этих частиц в атмосфере составляет около 2 лет.

На диаграмме показано среднее значение темпов роста пассажиропотока, сжигаемого топлива для их перевозки и эмиссии оксидов азота, которая происходит в результате сгорания горючего. На ней видно, что в период 1984-1992 и 1992-2016 годов рост спроса на авиатранспорт в среднем не изменяется, количество сжигаемого топлива увеличивается, в сравнении с прошлыми периодами, но при этом эмиссия оксидов азота уменьшается, что указывает на модернизацию двигателей и усовершенствование качества топлива.

Но улучшение качества топлива так или иначе незначительное. Самолеты выхлопными газами загрязняют окружающую среду, нанося, как любая хозяйственная деятельность человека, ущерб природе и способствуя изменению климата.

Наибольшее загрязнение окружающей среды имеет место в районе аэропортов. Хотя суммарный выброс загрязняющих веществ двигателями самолетов сравнительно невелик (для города, страны), в районе аэропорта эти выбросы вносят определяющий вклад в загрязнение среды. К тому же турбореактивные двигатели (так же как дизельные) при посадке и взлете выбрасывают хорошо заметный на глаз шлейф дыма. Значительное количество примесей в аэропорту выбрасывают и наземные передвижные средства, подъезжающие и отъезжающие автомобили.

Загрязнение атмосферы продуктами сгорания сверхзвуковых летательных аппаратов

В последние 10 - 15 лет большое внимание уделяется исследованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связи с полетами сверхзвуковых самолетов и космических кораблей. Эти полеты сопровождаются загрязнением стратосферы оксидами азота и серной кислотой (сверхзвуковые самолеты), а также частицами оксида алюминия (транспортные космические корабли). Известно, что эти загрязняющие вещества разрушают озон. Изначально ученые считали, что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшению содержания озона со всеми губительными последующими воздействиями ультрафиолетовой радиации на биосферу Земли. Однако более глубокий подход к этой проблеме позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросы сверхзвуковых самолетов на состояние стратосферы. Так, при современном числе сверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте около 16 км относительное уменьшение содержания О3 может составить примерно 0.60; если их число возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км, то относительное уменьшение содержания О3 может подняться до 17%. Глобальная приземная температура воздуха за счет парникового эффекта, создаваемого выбросами сверхзвуковыми самолетами можетповыситься не более чем на 0,1 °C.

Более сильное воздействие на озоновый слой и глобальную температуру воздуха могут оказать хлорфторметаны (ХФМ фреон-11 и фреон-12). Эти газы образуются, в частности, при испарении аэрозольных препаратов, которые используются в быту. Поскольку хлорфторметаны очень инертны, то они распространяются и долго живут не только в тропосфере, но и в стратосфере. Наметившиеся в последние десятилетия темпы роста производства фреонов могут привести к увеличению содержания фреона-11 и фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и 2,3 млрд. (при современных значениях 0,1 и 0,2 млрд.). Под влиянием такого количества фреонов общее содержание озона в атмосфере уменьшится. Применение газотурбинных двигательных установок в авиации и ракетостроении поистине огромно. Все ракетоносители и все самолеты (кроме пропеллерных на которых стоят двигатели внутреннего сгорания) используют тягу этих установок. Выхлопные газы газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) содержат такие токсичные компоненты, как СО, NОx, углеводороды, сажу, альдегиды и др. Исследования состава продуктов сгорания двигателей, установленных на самолетах «Боинг-747», показали, что содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы двигателя. Суммарный выброс токсичных веществ самолетами с газотурбинными двигательными установками непрерывно растет, что обусловлено повышением расхода топлива до 20 – 30 т/ч и неуклонным ростом числа эксплуатируемых самолетов.

В двигателях космического корабля «Шатл» сжигается как жидкое, так и твердое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля от Земли проникают в различные слои атмосферы, но большей частью в тропосферу.

В условиях запуска у пусковой системы образуется облако продуктов сгорания, водяного пара от системы шумоглушения, песка и пыли. Объем продуктов сгорания можно определить по времени (обычно 20 с) работы установки на стартовой площадке и в приземном слое. После запуска высоко температурное облако поднимается на высоту до 3 км и перемещается под действием ветра на расстояние 30 – 60 км, оно может рассеяться, но может стать и причиной кислотных дождей.

При старте и возвращении на Землю ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов. За 40 лет существования космонавтики в СССР и позднее России произведено свыше 1800 запусков ракет-носителей. По прогнозам фирмы Aerospace в XXI в. для транспортировки грузов на орбиту будет осуществляться до 10 запусков ракет в сутки, при этом выброс продуктов сгорания каждой ракеты будет превышать 1,5 т/с.

Вред от шума летательных аппаратов

Помимо загрязнения атмосферы двигатели летательных аппаратов производят сильный шум при работе. Официальные данные свидетельствуют, что в России примерно 35 млн. человек подвержены существенному, превышающему нормативы, воздействию транспортного шума. От авиационного шума страдают более миллиона человек. Шумы относятся к числу вредных для человека загрязнений атмосферы. Раздражающее воздействие звука (шума) на человека зависит от его интенсивности, спектрального состава и продолжительности воздействия. Шумы со сплошными спектрами менее раздражительны, чем шумы узкого интервала частот. Наибольшее раздражение вызывает шум в диапазоне частот 3000-5000 Гц.

Работа в условиях повышенного шума на первых порах вызывает быструю утомляемость, обостряет слух на высоких частотах. Затем человек как бы привыкает к шуму, чувствительность к высоким частотам резко падает, начинается ухудшение слуха, которое постепенно развивается в тугоухость и глухоту. При интенсивности шума 145-140 дБ возникают вибрации в мягких тканях носа и горла, а также в костях черепа и зубах. Если интенсивность шума превышает 140 дБ, то начинают вибрировать грудная клетка, мышцы рук и ног, появляются боль в ушах и голове, крайняя усталость и раздражительность; при уровне шума свыше 160 дБ может произойти разрыв барабанных перепонок.

Однако шум губительно действует не только на слуховой аппарат, но и на центральную нервную систему человека, работу сердца, служит причиной многих других заболеваний.

Одним из наиболее мощных источников шума являются вертолеты и самолеты особенно сверхзвуковые. При тех высоких требованиях к точности и надежности управления современным самолетом, которые предъявляются к экипажу летательного аппарата, повышенные уровни шумов оказывают отрицательное воздействие на работоспособность и быстроту принятия информации экипажем. Шумы, создаваемые самолетами, вызывают ухудшение слуха и другие болезненные явления у работников наземных служб аэропорта, а также у жителей населенных пунктов, над которыми пролетают самолеты. Отрицательное воздействие на людей зависит не только от уровня максимального шума, создаваемого самолетом при полете, но и от продолжительности действия, общего числа пролетов за сутки и фонового уровня шумов. На интенсивность шума и площадь распространения существенное влияние оказывают метеорологические условия: скорость ветра, температуры воздуха и распределение ее по высоте, облака и осадки.

Особенно острый характер проблема шума приобрела в связи с эксплуатацией сверхзвуковых самолетов. С ними связаны шумы, звуковой удар и вибрация жилищ вблизи аэропортов. Современные сверхзвуковые самолеты порождают шумы, интенсивность которых значительно превышает предельно допустимые нормы.

Иной вред от летательных аппаратов

Отдельно хочется отметить факторы воздействия авиатоплива на работников авиационной промышленности, в том числе сотрудников аэропортов. Ежедневная работа с авиатопливом подвергает работников риску химических ожогов. К тому же, авиатопливо выделяет большое количество химических веществ, которые могут нанести вред легких и мозгу человека. Авиатопливо типа JP-5 или JP-8 несет в себе наибольшую опасность. Попавшее на кожу или в глаза оно может вызвать раздражение. В связи с тем, что авиатопливо имеет полутвердые свойства, оно легко прилипает к поверхностям.

Нефтехимические испарения могут нарушить работу клеток головного мозга, и даже разрушать их, в результате чего возникнет головокружение, замешательство и нарушение координации движений. Если концентрация авиатопливо чрезмерно высока, вдыхание испарений может привести к летальному исходу.Вдыхание авиатоплива может вызвать тошноту, опухоль легких (пневмонию), тяжесть в груди и потерю сознания.

В составе авиатоплива содержатся хорошо известные канцерогены, такие как бензол и толуол. Обширное изучение здоровья людей, постоянно работающих с авиатопливом, применяемым воздушными силами многих стран, продемонстрировало, что у людей, часто работающих с авиатопливом JP-8, раковые опухоли развивались намного чаще, чем у людей, лишь изредка касающихся работы с этим топливом. Однако частота случаев заболевания раком в этих двух группах различалась незначительно.

Страдают от отрицательного влияния авиатоплива не только работники аэропортов и жители прилегающей территории, но и вся био- и гидросфера. Рядом с аэропортами происходит загрязнение подземных вод нефтепродуктами в основном за счёт утечки жидкого топлива при заправке самолётов, а также за счёт технических ошибок при его транспортировке и хранении. При взлёте и посадке самолёта в атмосферу выделяется определённое количество жидких и газообразных продуктов сгорания топлива, которые осаждаются вблизи взлётной полосы и накапливаются в почве. Углеводороды нефти обладают способностью проникать на значительную глубину. Так, в трещиноватых породах авиационный керосин за 5 месяцев проникает на глубину более 700 м. Наиболее эффективным методом защиты подземных вод от загрязнения нефтепродуктами является проведение предупредительных мер, в том числе бурение скважин для контроля над качеством вод.

Способы уменьшения вреда

Один из способов уменьшения загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива является улучшение качества топлива или, вообще, смена типа топлива, что позволит улучшить работу двигателя. Много компаний, производящих различное топливо, заинтересованы в создании биотоплива для самолетов. В Европе уже производился экспериментальный полет самолета Боинг-747 на биотопливе из кокосового и масла бабассу. Полет прошел успешно, но это единичный случай, ведь для производства большого количества топлива нужны большая площадь для посадки растений  и большое количество деревьев, вырубка которых приведет к резкому скачку парникового эффекта. Суть экотоплива в том, что часть углекислого газа, вырабатываемого при сгорании, будет поглощаться растениями.

Также в планах есть и водород, имеются даже летательные аппараты с водородными двигателями, но дело в том, что дешево производить водород, не используя при этом нефть, пока не научились.

Конечно, изучено большое количество методов добычи водорода и без использования нефти и угля, но для этого нужно либо большое количество электричества или дорогих и редких металлов. Примером является способ добычи водорода из воды при помощи солнечной энергии, организованный Университетом Нового Южного Уэльса, Австралия. Реакция получения водорода проводится в присутствии солнечной энергии, которая далее преобразуется в электричество, воды и диоксида титана.

Есть также способ добычи H2 методом электролиза. Но он малоперспективен, ведь для того, чтобы получить то же самое электричество, нужна нефть или газ. И использовать энергию ветра или «мирного атома» тоже не перспективно.

Помимо улучшения работы двигателей (распыление топлива, обогащение смеси в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного уменьшения выбросов можно добиться путем сокращения времени работы двигателей на земле и числа работающих двигателей при рулении (только за счет последнего достигается снижение выбросов в 3 - 8 раз). Но для этого необходимо использовать существенно новые приемы пилотирования при взлете и посадке. Возможно, это позволило бы достичь также и минимизации шума.

Заключение

Проанализировав возможные последствия выброса продуктов горения авиационного топлива в атмосферу, я пришел к выводу, что авиация наносит немалый вред окружающей среде. Но, учитывая темпы развития авиационной техники, можно полагаться на то, что в скором времени будет изобретен более экологичный вид топлива или даже новые виды летательных аппаратов.

Мир не стоит на месте: все, что существовало раньше, модернизуется или приходит в негодность, и на место старого приходит что-то абсолютно новое. То же самое происходит и в авиации. 

Конечно, в нашем мире есть и другие отрасли, экологический аспект которых нуждается в более детальном рассмотрении, и, тем не менее, человек пользуется более вредным наземным транспортом. И хоть авиация наносит вред окружающей среде, ее популярность будет все расти и расти. Поэтому решение всех нынешних проблем не должно занимать долгое время. Нужно действовать быстро и незамедлительно, ведь без чистой планеты нет нашего будущего.

Список литературы

1. АлександровЭ. Л., Израэль Ю. А., Кароль  И. Л., Хргиан А. Х. «Озонный щит Земли и его изменения», СПб: ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ, 1992 г. – 288с.
2. Кулик Н. С., ХарченкоВ. П.,Луцкий М.Г.«Энциклопедия Безопасности Авиации», ред. Кулик Н. С. - Киiв:Технiка, 2008 г. - 999 с.
3. Марков Ю.Г. «Социальная экология. Взаимодействие общества и природы»,  Новосибирск: Сибир. универ. изд-во, 2004. - 544 с. 
4. ПротасовВ.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России», М: Финансы и статистика, 2001 г. – 672 с.
5. http://fi.ru/index.php/stati-po-okhrane-truda/301-vrednoe-vozdejstvie-aviatopliva
6. Sciential.ru