Биотопливо против глобального потепления
Самолеты и перистые облака
Всем известны длинные белые полосы в небе, которые оставляют за собой авиалайнеры. Это конденсационные следы, образующиеся при конденсации и замерзании водяного пара. Его выбрасывают в атмосферу авиационные двигатели наряду с углекислым газом, оксидами азота и сажей (последняя образуется за счет неполного сгорания топлива).
В зависимости от влажности воздуха конденсационные следы быстро испаряются или же сохраняются долгое время, представляя собой отдельный вид перистых облаков (Cirrus homogenitus в международной классификации облаков). Они не отличаются большой толщиной и практически не ослабляют прямые солнечные лучи. И при этом оказывают заметное влияние на радиационный баланс Земли.
Дело в том, что перистые облака, как и другие формы облаков вместе с парниковыми газами, поглощают тепловое или инфракрасное излучение Земли, направленное в космос. Часть его они излучают обратно к земной поверхности. Метеорологи называют этот поток инфракрасной радиации противоизлучением, или встречным излучением атмосферы. Чем больше влажность воздуха и чем плотнее облачность, тем меньше ночное охлаждение земной поверхности. Именно в ночное время влияние конденсационных следов на атмосферу особенно заметно, на что уже довольно давно указывают климатологи.
С учетом неуклонного роста авиаперевозок описанный эффект конденсационных следов будет оказывать все более заметное влияние на глобальное потепление. Уже сегодня во всем мире ежедневно совершается более 100 тыс. рейсов гражданской авиации, и одновременно в небе могут находиться десять с лишним тысяч самолетов.
Конденсационные следы самолетов уже давно изучаются с помощью бортовой измерительной аппаратуры и отбора проб. Например, в России такие работы проводит Летно-исследовательский институт им. М. М. Громова. Химический состав выхлопов реактивных двигателей негативно влияет на окружающую среду, так что инженеры стремятся к их сокращению не только из соображений экономии топлива.
В 2013 году к этой задаче подключились специалисты американского космического агентства НАСА. Они предположили, что если к авиационному горючему добавить биотопливо, полученное из рыжикового масла, то в выхлопах двигателей будет меньше частиц сажи. А это, в свою очередь, будет способствовать меньшему образованию конденсационных следов.
Ядра конденсации и биотопливо
Для конденсации водяного пара в атмосфере одного перенасыщения воздуха влагой, конечно, недостаточно. Переход воды в жидкую фазу в реальных условиях происходит благодаря присутствию в воздухе достаточного количества центров или ядер конденсации (это могут быть частицы пыли, аэрозолей, морской соли, пыльца растений). Выхлопы самолетных турбин поставляют в атмосферу искусственные ядра конденсации - частицы сажи. На них также происходит конденсация водяного пара, который затем замерзает, превращаясь в конденсационные следы и перистые облака.
Логично предположить, что при сокращении количества сажи в выхлопных газах плотность конденсационных следов будет меньше, а значит, они будут меньше задерживать тепло, идущее от земной поверхности.
Специалисты НАСА нашли способ улучшить химический состав выхлопных газов. Для этого они смешали авиационное топливо с биотопливом в соотношении один к одному. По данным измерений, сокращение количества частиц сажи в выхлопах составило от 50 до 70% при разных режимах работы двигателя. Но выяснить, в какой степени это повлияет на образование конденсационных следов, очень непросто.
Во-первых, в воздухе всегда присутствуют естественные ядра конденсации. И даже если самолеты перестанут оставлять за собой частицы сажи, то конденсационные следы, вероятно, все равно будут появляться. Во-вторых, биотопливо содержит больше водорода по сравнению с обычным авиационным горючим, и при его сжигании водород будет превращаться в водяной пар. Возможно, это приведет к образованию более плотных конденсационных следов.
С другой стороны, можно предположить, что из-за меньшего количества частиц сажи водяной пар будет образовывать меньшее число капель. Замерзнув, они превратятся в крупные тяжелые кристаллы, которые, скорее всего, быстрее опустятся на более низкие уровни с более высокой температурой по сравнению с мелкими ледяными частицами. А на меньших высотах конденсационные следы испаряются гораздо интенсивнее.
Кроме того, образующиеся при сжигании биотоплива частицы сажи обладают в основном меньшими размерами. Значительная доля их может оказаться слишком маленькой, чтобы играть роль ядер конденсации. Чтобы разрешить все эти вопросы, необходимо проводить эксперименты в реальных летных условиях. Тогда накопление опытных данных позволит дать количественную оценку роли биотоплива в снижении плотности и распространении облаков. А для исследования реакции глобального климата на применение биотоплива в реактивных двигателях нужно применять климатические модели, добавляя к ним новый «авиационный» модуль.
Полетные измерения
В 2013 и 2014 годах команда НАСА проводила эксперименты на базе летно-исследовательского центра им. Нила Армстронга в Палмдэйле (Калифорния). Это были первые в мире измерения с использованием смеси традиционного и биотоплива в авиации. В 2014 году к американским специалистам присоединились представители немецкого аэрокосмического центра и Национального исследовательского совета Канады.
В ходе экспериментов каждая из сторон задействовала свой самолет-лабораторию, оснащенный самыми современными приборами, способными улавливать и анализировать выхлопы авиационных двигателей. Отбор проб производился на расстоянии 30 метров от самолета DC-8, который поднимался на высоту от 9 до 11 км над пустыней Мохаве. Самолет заправляли попеременно чистым авиационным топливом и его смесью с биотопливом в равных пропорциях.
В 2015 году совместные исследования выбросов двигателей были проведены в Германии. А после изучения результатов трех лет измерений весной 2017 года специалисты НАСА представили свои выводы в журнале Nature. В 2018 году команда НАСА планирует повторить свои эксперименты с более чувствительным оборудованием и в более влажной атмосфере, где постоянно образуются конденсационные следы. В частности, ученые предполагают сделать замеры на оживленной воздушной трассе над Северной Атлантикой и изучить частицы льда в следах самолетов. Если окажется, что они имеют в своей основе черные угольные ядра, то это подтвердит предположение о вкладе самолетных выхлопных газов в образование перистых облаков.
Дело за климатологами, которым предстоит включить процессы образования и рассеивания конденсационных следов и в свои компьютерные модели и оценить перспективность применения авиационного биотоплива в противодействии глобальному потеплению. Начало таким исследованиям уже положено, и теперь в распоряжении ученых будут все новые и новые результаты экспериментов и измерений.
