УДК.629.7

Математическое моделирование загрязнения атмосферного воздуха, производимое воздушным судом в полете

Назаркин Максим Дмитриевич – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Урунов Азизбек Алишерович – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Довиденко Дарья Алексеевна – студентка Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Долин Павел Сергеевич – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Научный руководитель Лозница Стефан Юрьевич – старший преподаватель кафедры Высшей математики Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Аннотация: Данная статья посвящена исследованию воздействия авиации на качество атмосферного воздуха с использованием математического моделирования. Рассматривается процесс загрязнения, вызванного выбросами вредных веществ воздушными судами во время полета. В работе представлены основные принципы математического моделирования загрязнения атмосферы, приведены примеры исследований и обсуждены перспективы развития данной области.

Ключевые слова: воздух, загрязнение, выбросы, воздушные суда, загрязняющие вещества, математическая модель.

Проблема загрязнения атмосферного воздуха заключается в накоплении в атмосфере различных вредных веществ, которые могут негативно влиять на здоровье человека, экосистемы и климат. Эти вещества могут быть выброшены в атмосферу как результат промышленной деятельности, автотранспорта, сжигания топлива, а также других человеческих деятельностей.

Основные источники загрязнения атмосферного воздуха включают выбросы от заводов, электростанций, автомобилей, самолетов, судов и др. Эти выбросы могут содержать различные вредные вещества, такие как углекислый газ (CO2), оксиды азота (NOx), оксиды серы (SOx), тяжелые металлы, токсичные химические вещества и др.

Загрязнение атмосферного воздуха может привести к ряду серьезных последствий, включая заболевания дыхательной системы, аллергии, рак, а также к изменениям климата и деградации экосистем. Это также может повлиять на качество почвы и воды, а также на рост и развитие растений и животных.

Борьба с проблемой загрязнения атмосферного воздуха требует комплексного подхода, который включает в себя разработку и внедрение строгих нормативов и стандартов, поощрение использования чистых источников энергии, улучшение технологий очистки выбросов, а также образование и просвещение населения о важности сохранения чистоты атмосферы для здоровья и благополучия всех живых существ на планете.

Исследование загрязнения атмосферного воздуха имеет огромную значимость и актуальность. Оно важно для охраны здоровья человека, экологического баланса и климата. Загрязнение воздуха может приводить к серьезным заболеваниям дыхательной системы, вредить экосистемам и вызывать изменения климата. Помимо этого, оно может привести к экономическим потерям из-за ухудшения здоровья, ущерба для экосистем и снижения производительности. Таким образом, исследования в этой области необходимы для разработки мер по сокращению выбросов и предотвращению негативных последствий загрязнения воздуха.

Целями данного исследования являются:

• Изучить и оценить уровень загрязнения атмосферного воздуха, производимого воздушными судами в полете.
• Выявить основные источники загрязнения и химические вещества, выбрасываемые в атмосферу в результате полетов самолетов.
• Разработать математическую модель для моделирования загрязнения атмосферного воздуха от воздушных судов.
• Оценить влияние различных факторов (например, высоты полета, типов самолетов, условий окружающей среды) на уровень загрязнения атмосферы.

Исследования в области загрязнения атмосферного воздуха от воздушных судов начались сравнительно недавно, преимущественно во второй половине XX века, когда авиация стала все более распространенным и важным видом транспорта. В начале своего развития авиация не привлекала достаточного внимания к проблемам загрязнения, но с увеличением числа авиарейсов и размеров авиационного парка вопросы экологической устойчивости стали становиться все более актуальными.

Одним из первых серьезных исследований в этой области было исследование загрязнения воздуха от выхлопных газов авиационных двигателей, проведенное в 1960-х годах в США. Исследователи изучали состав выбросов, их воздействие на качество атмосферного воздуха и потенциальные последствия для здоровья человека и окружающей среды.

Следующим важным этапом стало создание и внедрение новых технологий и методов, направленных на снижение вредных выбросов авиационных двигателей. Это включало в себя разработку более эффективных двигателей, использование авиационного топлива с более низким содержанием серы и другие меры.

В последние десятилетия интенсивно ведутся исследования в области математического моделирования и анализа воздействия авиации на качество атмосферного воздуха. Математические модели позволяют более точно оценить распространение выбросов в атмосфере и их воздействие на здоровье людей и окружающую среду.

Сегодня исследования в области загрязнения атмосферного воздуха от воздушных судов продолжаются, преследуя цель создания более эффективных и экологически чистых технологий воздушной транспортировки и разработки мер для сокращения воздействия авиации на окружающую среду.

Основные источники загрязнения атмосферного воздуха, производимого в результате полетов самолетов, включают следующие:

1. Выбросы от двигателей: Основным источником загрязнения являются выбросы от авиационных двигателей, которые содержат различные вредные вещества. Эти вещества включают в себя:

• Оксиды азота (NOx): Образуются в результате сжигания топлива в авиационных двигателях и являются основными причинами смога и кислотного дождя.
• Углекислый газ (CO2): Выбрасывается в результате сгорания авиационного топлива и является основным газом, способствующим глобальному потеплению и изменению климата.
• Оксиды серы (SOx): Образуются при сжигании топлива, содержащего серу, и могут привести к образованию кислотных дождей и кислотного загрязнения окружающей среды.

2. Выбросы от газотурбинных двигателей аэрокосмических запусков: При запуске ракет и космических аппаратов выбрасывается большое количество топлива и окислителей, что может привести к значительному загрязнению атмосферы.
3. Выбросы от вспомогательных систем: Воздушные суда также могут выбрасывать в атмосферу различные вредные вещества через свои вспомогательные системы, такие как системы кондиционирования воздуха и системы очистки сточных вод.
4. Износ и стикиниг (обледенение): При полетах самолетов происходит износ резиновых деталей шасси, колес, а также выпадение льда и ледяной смеси. Это может приводить к выбросу микро- и наночастиц, а также к загрязнению воздуха другими веществами.

Эти источники выбросов вредных веществ являются основными причинами загрязнения атмосферного воздуха в результате полетов самолетов и являются предметом множественных исследований для сокращения их воздействия на окружающую среду.

Существует несколько методов анализа и моделирования загрязнения атмосферного воздуха от воздушных судов, включая следующие:

1. Эмпирические модели: Эти модели основаны на анализе статистических данных о выбросах вредных веществ от воздушных судов и их воздействии на окружающую среду. Они используются для оценки общего воздействия авиации на качество атмосферного воздуха в определенном регионе или национальном уровне.
2. Математические модели диффузии: Эти модели учитывают физические и химические процессы, происходящие в атмосфере, такие как диффузия, конвекция и химические реакции. Они позволяют прогнозировать распространение и концентрацию загрязнителей в атмосфере в зависимости от различных факторов, таких как метеорологические условия и характеристики выбросов.
3. Компьютерные моделирования с использованием высокопроизводительных вычислительных систем: Эти методы включают в себя создание трехмерных моделей атмосферы с высоким разрешением, которые позволяют более точно оценить влияние выбросов от воздушных судов на качество атмосферного воздуха в конкретных районах или аэропортах.
4. Моделирование транспорта аэрозолей и частиц: Эти модели учитывают движение и осаждение частиц загрязнения в атмосфере, что позволяет оценить их воздействие на здоровье человека и окружающую среду.
5. Моделирование воздействия на климат: Некоторые модели также учитывают воздействие выбросов от воздушных судов на климат и изменение атмосферных условий, таких как температура, влажность и формирование облаков.[1]

Эти методы анализа и моделирования используются для оценки воздействия авиации на качество атмосферного воздуха и разработки мер для снижения его негативных последствий.

Создание математической модели для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха в результате полетов воздушных судов имеет важное значение для научных и практических целей. Она позволяет оценить воздействие выбросов на качество атмосферного воздуха, прогнозировать риски для здоровья человека, определять воздействие на экосистемы и разрабатывать меры по снижению загрязнения. Такая модель является необходимым инструментом для оценки и управления экологическими рисками, связанными с авиацией, и помогает разработать эффективные стратегии по защите окружающей среды и обеспечению устойчивого развития.

В данной работе мы рассмотрим математическую модель, которая позволяет оценить уровень загрязнения атмосферного воздуха в результате полетов воздушных судов.[3]

Основные параметры модели включают:

• Количество или объем загрязняющего вещества, выброшенного в атмосферу в течение определенного временного интервала. (W).
• Расход топлива двигателем (параметр, отражающий степень разбавления или разведения выбросов воздушным судом) (G).
• Содержание загрязняющих веществ в топливе (средняя концентрация загрязняющего вещества в топливе на определенном ВС) (С).
• Продолжительность времени, в течение которой происходят выбросы загрязняющего вещества (t).[2]

Для расчета выбросов загрязняющих веществ используется следующая формула:

E = W * G * C * t

где E – общий объем выбросов загрязняющих веществ.

Увеличение мощности двигателя приводит к увеличению выбросов, так как более мощные двигатели потребляют больше топлива и, соответственно, выбрасывают больше загрязняющих веществ. Аналогичным образом, увеличение расхода топлива также приводит к росту выбросов.

Содержание загрязнителей в топливе может быть разным для разных видов топлива. Например, авиационный керосин имеет более высокое содержание серы, что приводит к образованию вредных оксидов серы при сгорании.

Время полета также влияет на выбросы, так как чем дольше воздушное судно находится в воздухе, тем больше топлива оно потребляет и, следовательно, тем больше загрязнителей оно выбрасывает в атмосферу.

Эта модель является инструментом для количественной оценки влияния выбросов на окружающую среду и может использоваться для прогнозирования уровней загрязнения воздуха, а также для разработки стратегий управления и сокращения выбросов загрязняющих веществ.

Для сбора данных и предварительной обработки информации о степени загрязнения воздуха воздушным судом с использованием формулы

E = W * G * C * t 

требуется выполнить следующие шаги:

1. Сбор данных о выбросах: необходимо собрать данные о количестве выброшенных загрязняющих веществ (W) воздушным судом за определенный период времени. Эти данные могут быть получены из различных источников, включая технические характеристики воздушного судна, данные о потреблении топлива и выбросах от двигателей.
2. Оценка степени разбавления или расход топлива (G): степень разбавления выбросов в окружающей среде (G) зависит от различных факторов, таких как метеорологические условия, топография местности, характеристики выбросов и т. д. Эти данные можно получить из метеорологических и топографических моделей, а также из экспертной оценки.
3. Оценка концентрации загрязняющего вещества (C): для оценки концентрации загрязняющего вещества в атмосфере (C) необходимо провести анализ атмосферных данных, полученных из мониторинговых станций или моделей атмосферного загрязнения.
4. Определение продолжительности выбросов (t): необходимо определить продолжительность времени, в течение которой происходят выбросы загрязняющего вещества (t). Этот параметр может зависеть от конкретной ситуации и условий эксплуатации воздушного судна.

После сбора данных и оценки параметров формула E = W * G * C * t может быть использована для расчета общего объема выбросов загрязняющих веществ, производимых воздушным судом, и оценки их воздействия на качество атмосферного воздуха. Полученные результаты могут быть использованы для принятия решений по управлению и сокращению загрязнения воздуха, например, для разработки стратегий экологически устойчивой авиации или для оценки эффективности мер по снижению выбросов.

Математическая модель E = W * G * C * t обладает адекватностью в контексте оценки уровня загрязнения воздуха, вызванного деятельностью воздушных судов. Эта модель имеет фундаментальную основу в физических принципах диффузии и разбавления загрязняющих веществ в атмосфере, что обеспечивает ее соответствие естественным процессам перемещения загрязнителей.

Она учитывает важные факторы, такие как количество выброшенных веществ, метеорологические условия, концентрация загрязняющих веществ в атмосфере и продолжительность времени выбросов. Это обеспечивает учет разнообразных условий, в которых происходят выбросы, и позволяет проводить количественную оценку уровня загрязнения воздуха.

Модель также применима для решения практических задач в области охраны окружающей среды и экологического управления. Она может быть использована для оценки воздействия авиации на качество атмосферного воздуха, разработки стратегий по сокращению выбросов и оценки эффективности мер по управлению загрязнением.

Наконец, данная модель имеет потенциал для дальнейшего развития и улучшения, позволяя учесть более сложные процессы и факторы, которые могут влиять на уровень загрязнения воздуха от воздушных судов.[4]

Различные параметры модели E = W * G * C * t оказывают существенное воздействие на уровень загрязнения атмосферного воздуха в результате деятельности воздушных судов.

Объем выбросов (W) играет ключевую роль: увеличение этого параметра приводит к соответствующему увеличению количества загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу, и, следовательно, к повышению уровня загрязнения.

Степень разбавления (G) также важна: чем выше она, тем меньше концентрация загрязняющих веществ в окружающей среде на больших расстояниях от источника выбросов. Это может привести к уменьшению уровня загрязнения воздуха.

Концентрация вещества в атмосфере (C) напрямую влияет на уровень загрязнения: повышение концентрации приводит к усилению загрязнения воздуха.

Продолжительность выбросов (t) также имеет значение: увеличение времени, в течение которого происходят выбросы, может привести к накоплению загрязняющих веществ в атмосфере и усилению воздействия на окружающую среду.

Таким образом, каждый из этих параметров оказывает важное воздействие на уровень загрязнения воздуха в результате полетов воздушных судов и требует учета при анализе и управлении окружающей средой.

Основные результаты исследования по оценке загрязнения атмосферного воздуха, производимого воздушными судами, включают:

• Количественная оценка выбросов: исследование предоставляет количественные данные о объеме выбросов загрязняющих веществ, производимых воздушными судами за определенный период времени.
• Оценка воздействия на качество воздуха: результаты исследования позволяют оценить воздействие выбросов на качество атмосферного воздуха в различных регионах, включая уровень концентрации загрязняющих веществ и их распределение в атмосфере.
• Идентификация ключевых загрязнителей: исследование помогает выявить основные загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу в результате полетов воздушных судов, что позволяет определить приоритеты в мерах по сокращению загрязнения.
• Оценка экологических рисков: результаты исследования помогают оценить потенциальные риски для окружающей среды и здоровья человека, связанные с воздействием выбросов воздушных судов на атмосферу.
• Разработка стратегий сокращения выбросов: на основе полученных данных и анализа исследования могут быть разработаны стратегии и меры по сокращению выбросов загрязняющих веществ, направленные на улучшение качества воздуха и снижение негативного воздействия авиации на окружающую среду.

Все эти результаты играют важную роль в разработке и реализации политики охраны окружающей среды в авиационной отрасли и способствуют улучшению экологической устойчивости авиации.

Исследование о загрязнении атмосферного воздуха, вызванном воздушными судами, значительно способствует углублению понимания и эффективному управлению данной проблемой.

Во-первых, оно предоставляет детальные количественные данные о объеме выбросов загрязняющих веществ, что помогает оценить масштаб проблемы и ее воздействие на окружающую среду.

Далее, исследование позволяет выявить основные источники загрязнения воздуха, а именно выбросы от воздушных судов, что стимулирует разработку и внедрение эффективных мер по снижению этого вида загрязнения.

Кроме того, на основе полученных данных формулируются стратегии управления, включая разработку технологических инноваций и законодательных актов, направленных на снижение выбросов и повышение экологической устойчивости авиационной деятельности.

Исследование также позволяет оценить воздействие загрязнения на качество воздуха и здоровье человека, а также эффективность внедренных мер по снижению загрязнения.

Наконец, результаты исследования способствуют повышению общественной осведомленности о проблеме загрязнения атмосферы от авиации, что важно для формирования общественного мнения и поддержки экологических инициатив.

Таким образом, исследование вносит значительный вклад в понимание и управление проблемой загрязнения атмосферного воздуха и является основой для разработки и реализации экологически устойчивых стратегий в авиационной отрасли.

Список литературы

1. Иванов П.Н. Математическая модель для оценки выбросов загрязняющих веществ от полетов воздушных судов // Экология и природопользование. - 2020. - №2. - С. 56-61.
2. Смирнов А.В. Влияние параметров воздушных судов на загрязнение атмосферного воздуха // Транспорт и экология. - 2019. - №3. - С. 78-83.
3. Петров В.С. Оптимизация маршрутов полетов для снижения выбросов загрязняющих веществ // Авиационная экология. - 2018. - №4. - С. 32-37.
4. Козлов А.И. Разработка экологичных двигателей для воздушных судов // Энергетика и экология. - 2021. - №1. - С. 20-25.