Ocena emisji masowej i wymiarowej nanocząstek z silników lotniczych

Wydział Inżynierii Transportu

mgr inż. Remigiusz Jasiński

Ocena emisji masowej i wymiarowej nanocząstek z silników lotniczych

Rozprawa doktorska

Promotor: prof. dr hab. inż. Jacek Pielecha

Poznań 2019

Streszczenie ... 3

Abstract ... 5

Wykaz ważniejszych skrótów i symboli ... 7

1. Wprowadzenie ... 9

2. Wpływ transportu lotniczego na środowisko naturalne ... 14

2.1. Zanieczyszczenie powietrza przez transport lotniczy ... 14

2.2. Wpływ transportu lotniczego na zmiany klimatyczne ... 18

2.3. Emisja hałasu pochodzenia lotniczego ... 21

3. Światowa działalność badawcza w zakresie emisji cząstek stałych ... 24

3.1. Szacowanie lotniczej emisji cząstek stałych ... 24

3.2. Pomiary cząstek stałych na obszarach lotnisk ... 33

4. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres ... 41

5. Metodyka badań ... 44

5.1. Przedmiot badań ... 44

5.2. Obiekt badań... 45

5.3. Parametry fizykochemiczne wykorzystanego paliwa ... 46

5.4. Narzędzia badawcze ... 47

6. Wyniki badań własnych i ich analiza ... 53

6.1. Parametry pracy układu napędowego samolotu podczas eksploatacji ... 53

6.1.1. Charakterystyka lotu badawczego ... 53

6.1.2. Analiza rejestrowanych parametrów układu napędowego samolotu .... 54

6.2. Analiza parametrów pracy silnika lotniczego w badaniach stacjonarnych ... 59

6.3. Analiza korelacyjna parametrów pracy silnika w warunkach stacjonarnych oraz podczas lotu ... 62

6.4. Emisja cząstek stałych w badaniach stacjonarnych ... 69

6.4.1. Wpływ obciążenia silnika lotniczego na emisję cząstek stałych ... 69

6.4.2. Wpływ fazy lotu samolotu na emisję cząstek stałych ... 80

6.5. Emisja cząstek stałych podczas fazy lądowania samolotu ... 88

6.5.1. Analiza wpływu operacji lądowania samolotu na stężenie cząstek stałych na obszarze lotniska ... 88

6.5.2. Nieparametryczna analiza korelacyjna zależności stężenia liczbowego cząstek stałych od ich średnicy ... 96

6.5. Analiza niepewności pomiarowych wybranych wskaźników cząstek stałych ... 100

7. Wnioski i kierunki dalszych badań ... 107

7.1. Podsumowanie... 107

7.2. Wnioski ... 108

7.3. Kierunki dalszych prac ... 110

Literatura ... 111

Praca dotyczy emisji nanocząstek z silników lotniczych oraz ich wpływu na zanie- czyszczenie powietrza w aspekcie lokalnym. Powyższe zagadnienie nie jest wciąż w pełni rozpoznane i stanowi obszar zainteresowań środowiska naukowego. Ze względu emisję cząstek stałych z silników lotniczych o wymiarach mniejszych niż 50 nm mają one bardzo negatywne oddziaływanie na zdrowie człowieka. Problematyka omawiane- go zagadnienia dotyczy oceny parametrów cząstek stałych, pozwalającej uwzględnić wszystkie procesy formowania się cząstek stałych zarówno w samym silniku oraz wtór- nie w powietrzu atmosferycznym. Rozpoznanie procesów związanych z tworzeniem się cząstek stałych oraz metoda oceny ich emisji jest niezbędna do rozszerzenia procedury homologacyjnej silników odrzutowych, która w obecnej formie uwzględnia cząstki stałe w sposób marginalny.

Celem pracy jest ocena emisji cząstek stałych oraz ich liczby i wymiarów z silnika lotniczego i ich wpływu na zanieczyszczenie powietrza na obszarze lotnisk.

Przedmiot badań to dwuprzepływowy lotniczy silnik odrzutowy, stanowiący źródło napędu bojowego statku powietrznego. Wybór przedmiotu badań wynika z możliwości przeprowadzenia badań nie tylko na samym silniku, ale również na statku powietrznym w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W celu wykonania pomiaru stężenia związ- ków szkodliwych w gazach wylotowych silnika w badaniach stacjonarnych wykorzy- stano mobilne analizatory spalin, a do pomiarów stężenia masowego, liczbowego oraz średnicowego cząstek stałych wykorzystano spektrometr masowy.

Praca ze względów metodycznych podzielona jest na trzy etapy: badania stanowi- skowe, badania w locie oraz analizę korelacyjną parametrów cząstek stałych uzyskaną w tych częściach pracy.

Do zrealizowania celu dysertacji i jej zakresu opracowano unikatową metodykę ba- dań silnika, pozwalającą określić wskaźniki masy, liczby oraz wymiarów średnic czą- stek stałych w całym zakresie jego pracy, także podczas poszczególnych operacji lotni- czych. Prace badawcze rozszerzono o pomiary stężenia liczbowego cząstek stałych na obszarze lotniska podczas operacji lądowania. Eksperyment pozwolił na dokonanie oceny wpływu emisji cząstek stałych z silnika lotniczego na zanieczyszczenie powietrza w aspekcie lokalnym oraz dał podstawy do weryfikacji wyników badań stacjonarnych.

W pracy dokonano kompleksowej analizy parametrów pracy silnika podczas lotu ba- dawczego (kołowania, startu i lądowania), która posłużyła do odwzorowania poszcze- gólnych operacji lotniczych w trakcie badań stacjonarnych. W celu określenia dokład- ności odwzorowania poszczególnych operacji lotniczych wykonano analizę korelacyjną parametrów pracy silnika podczas lotu badawczego oraz w warunkach laboratoryjnych – głównie w aspekcie pomiarów rozcieńczonych gazów spalinowych turbinowego silni- ka lotniczego.

Efektem analiz niniejszej dysertacji są wyniki dotyczące emisji cząstek stałych:

w całym zakresie pracy silnika oraz pracy silnika przy parametrach, odpowiadających poszczególnym operacjom lotniczym. Dokonano oceny natężenia emisji cząstek stałych na postawie stężenia liczbowego i masowego cząstek, a także zaprezentowano wpływ obciążenia silnika na wymiary średnic cząstek stałych. Na podstawie tego oceniono poszczególne manewry lotnicze pod względem stężenia liczbowego i masowego czą- stek stałych.

W pracy zawarto również wyniki badań emisji nanocząstek na obszarze lotniska

podczas operacji lądowania. Stwierdzono, że pojedynczy manewr lądowania statku po-

wietrznego powoduje czasowe zwiększenie stężenia liczbowego cząstek stałych

w aspekcie lokalnym (na obszarze lotniska). Otrzymane charakterystyki stężenia licz- bowego cząstek stałych w zależności od ich średnicy wykazały wyraźne podobieństwo do charakterystyk otrzymanych podczas badań stacjonarnych, które potwierdzono nie- parametryczną analizą korelacyjną.

Zakończenie pracy zawiera wnioski metodyczne dla badań odrzutowych silników

lotniczych w aspekcie emisji nanocząstek, wnioski utylitarne oraz kierunki dalszych

prac w temacie objętym dysertacją.

Evaluation of nanoparticles mass and size emissions from aircraft engines

The dissertation evaluates the nanoparticles emission from aircraft engines and their local impact on air pollution. The scientific understanding of this matter is still incom- plete and it remains an area of interest for the scientific community. Due to the emission of particles with dimensions below 50 nm from aircraft engines, these engines are known to have a very negative impact on human health. The core of the discussed issue is the evaluation of particle parameters, which would allow to account for all the pro- cesses of particles formation, including both in the engine itself and the secondary parti- cle formation in the atmospheric air. Identifying the processes related to the formation of particles and the method for assessing their emissions is necessary in order to extend the type approval procedure for jet engines, which in its present form treats particles as a marginal issue.

The dissertation aim was to assess particles emission from the aircraft engine along with their number and size distribution as well as their impact on air pollution at and around airports.

Research was conducted on a two-pass air jet engine, being the primary propulsion source of a combat aircraft. The choice of tested aircraft was driven by the possibility of conducting tests in the aircraft’s real operating conditions on top of testing the engine itself. In order to perform the measurement of the harmful compounds concentration in the exhaust gases of the engine in stationary tests, mobile exhaust gas analyzers were used, along with a mass spectrometer to measure mass concentration, number and size distribution of particles.

Due to variations in the methodology used, the dissertation is divided into three stag- es: stationary tests, flight tests and correlation analysis of particle parameters obtained in these two sections.

To reach the dissertation aims and to cover its scope, a unique engine research meth- odology was developed, which allowed to determine the emission indicators of particle mass, number and size in the entire range of engine operation, as well as for individual air operations. The dissertation was extended with the measurements of the number concentration of particles found in the aerodrome area during landing operation. The experiment allowed to assess the impact of the aircraft engine particulate emissions on local air pollution as well as provided the basis for verification of the stationary tests results.

The dissertation involved a comprehensive analysis of engine operating parameters during an entire test flight (taxiing, takeoff and landing), which was used to map indi- vidual air operations based on their parameters for the stationary engine tests. The map- ping accuracy of individual air operations was determined with a correlation analysis of engine operating parameters performed during the test flight as well as in laboratory conditions – mainly in the aspect of the measurements of diluted exhaust gas of an air- craft turbine engine.

The analyzes provided results concerning particles emission: in the whole range of

engine operation; and engine operation for the determined set of parameters correspond-

ing to individual aircraft operations. The particulate matter emission intensity assess-

ment was made based on the number and mass concentration of particles, and the effect

of engine load on the particle size distribution was presented. Based on this, individual air maneuvers were evaluated in terms of number and mass concentration of emitted particles.

The dissertation also contains results of nanoparticle emission tests in the aerodrome area during landing operations. It was found that a single aircraft landing event causes a temporary but notable increase of the number concentration of particles in the local aspect (in the area of the airport). The obtained dimensional distributions of the particle number concentration showed a clear similarity to the distributions obtained in station- ary engine tests, which were confirmed using non-parametric correlation analysis.

The end section contains methodological conclusions for jet engine research in the

aspect of nanoparticle emission, practical conclusions and further research directions on

the subject matter of the dissertation.

ACARE Advisory Council for Aeronautics Research and Innovation in Europe – Rada Doradcza ds. Aeronautyki i Innowacji w Europie

AFR air-to-fuel ratio – stosunek powietrza do paliwa

ALAQS-AV airport local air quality studies – lotniskowe badania jakości powietrza BC black carbon – czarny węgiel

c

stężenie masowe cząstek stałych

c

(D

) stężenie masowe cząstek stałych w zależności od ich średnicy c

stężenie liczbowe cząstek stałych

c

(D

) stężenie liczbowe cząstek stałych w zależności od ich średnicy D zadymienie spalin

D

particle diameter – średnica cząstki stałej

DAS data acquisition system – system gromadzenia danych DAU data acquisition unit – jednostka gromadzenia danych DF dilution factor – współczynnik rozcieńczenia

ECS environmental control system – system kondycjonowania powietrza

EDMS emissions and dispersion modeling system – system modelowania emisji i dyspersji zanieczyszczeń

E

natężenie emisji cząstek stałych E

natężenie liczby cząstek stałych

FAA Federal Aviation Administration – Federalna Administracja Lotnictwa FADEC full authority digital engine – elektroniczny system sterowania silnikiem FC fuel consumption – zużycie paliwa

FID flame ionization detector – detektor płomieniowo-jonizacyjny FSC fuel sulphur content – zawartość siarki w paliwie

GAC ground air collector – system pobierania powietrza zewnętrznego GMD geometric mean diameter – średnia średnica geometryczna

IARC International Agency for Research on Cancer – Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem

ICAO International Civil Aviation Organization – Organizacja Międzynarodo- wego Lotnictwa Cywilnego

ILS instrument landing system – system precyzyjnego podejścia do lądowania IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change – Międzyrządowy Zespół

ds. Zmian Klimatu k

liczba cząstek stałych m

masa cząstek stałych

LASPORT Lagrangian dispersion model for airport – model dyspersji Lagrange'a dla lotnisk

LTO landing and take-off – test startu i lądowania

M masa molowa

ṁ

masowe natężenie przepływu spalin

NAMs noise abatement measures – środki ograniczania hałasu

NASA National Aeronautics and Space Administration – Narodowa Agencja Ae- ronautyki i Przestrzeni Kosmicznej

NDIR non-dispersive infrared – niedyspersyjny analizator wykorzystujący pro- mieniowanie podczerwone

NDUV non-dispersive ultra violet – niedyspersyjny analizator wykorzystujący

promieniowanie ultrafioletowe

NEWAC new aero engine core concepts – nowe koncepcje silników lotniczych PAH polycyclic aromatic hydrocarbons – wielopierścieniowe węglowodory

aromatyczne

PKB produkt krajowy brutto

PM particle mass – masa cząstek stałych PM particulate matter – cząstki stałe PN particle number – liczba cząstek stałych RF radiative forcing – wymuszanie radiacyjne

SARPs Standards and Recommended Practices – Normy i Zalecane Metody Postępowania

SOF soluble organic fraction – organiczna frakcja rozpuszczalna SOL insoluble fraction – frakcja nierozpuszczalna

v objętość

̇ objętościowe natężenie przepływu spalin

WHO World Health Organization – Światowa Organizacja Zdrowia W

współczynnik emisji cząstek stałych

W

współczynnik liczby cząstek stałych

Z względne położenie dźwigni mocy

Transport lotniczy ze względu na szybkość przewozu oraz międzykontynentalny za- sięg eksploatowanych środków transportu jest elementem światowego systemu trans- portowego. Obecnie na rynku transportu lotniczego zarejestrowanych jest ponad 1400 linii lotniczych, operujących na 4130 lotniskach na całym świecie. Statki powietrzne w 2015 r. przewiozły ponad 560 mln turystów i 35% wartości światowych ładunków [18].

Od wielu lat istnieje ścisła zależność między tempem wzrostu największych gospo- darek światowych i rozwojem przewozów lotniczych [97]. Porównując przyrost świa- towego produktu brutto z wielkością ruchu lotniczego, można zauważyć, że tempo wzrostu przewozów lotniczych jest większe niż rozwój gospodarki światowej. Według analizy największych firm produkujących statki powietrzne (Airbus i Boeing), wynika to z bardzo dynamicznego rozwoju przewozów niskokosztowych, zwiększania wielko- ści samolotów (liczby pasażerów), wprowadzania nowej floty oraz dynamicznego roz- woju rynków wschodzących, takich jak: Bliski Wschód, Indie, Ameryka Południowa, Japonia [11]. Na rysunku 1.1 przedstawiono informacje o wzroście przewozu pasażer- skiego w 2015 r. w poszczególnych obszarach świata.

Rys. 1.1. Zwiększenie przewozów pasażerskich transportu lotniczego w 2015 r. w stosunku do roku poprzedniego [18]

Rynki Dalekiego Wschodu zgodnie z prognozami wygenerują do 2032 r. największy – wynoszący 31% wzrost – światowych przewozów. Tak dynamiczny rozwój rynku azjatyckiego spowoduje, że 27% światowych przewozów lotniczych realizowanych będzie w Azji [11]. Prognozowana do 2032 r. dynamika wzrostu światowego przewozu, zarówno pasażerskiego, jak i ładunków, szacowana jest na 5% w skali roku [118].

Rozwój transportu lotniczego przyczynia się do zwiększenia liczby operacji lotni-

czych, czego efektem jest konieczność zwiększania liczby eksploatowanych statków

powietrznych. W ciągu najbliższych 15 lat prognozowane jest podwojenie obecnie eks-

ploatowanej floty statków powietrznych [2]. Najwięcej nowo wyprodukowanych samo-

lotów eksploatowanych będzie na rynku azjatyckim (rys. 1.2). Planowane jest wprowa-

dzenie w tym obszarze prawie 13 000 nowych samolotów o wartości 2 bln dolarów.

Rys. 1.2. Prognozowane zmiany eksploatowanych statków powietrznych w zależności od rynku przewozów lotniczych [18]

Rozwój transportu lotniczego wiąże się ze zwiększeniem zewnętrznych kosztów śro- dowiskowych, które zgodnie z definicją Unii Europejskiej, obejmują skutki realizacji przewozów lotniczych, które wpływają na środowisko naturalne [34]. Rezultatem dużej dynamiki rozwoju przewozów lotniczych jest wzrastające zapotrzebowanie na paliwa kopalne, które generuje zwiększoną emisję związków szkodliwych spalin. Emisja za- nieczyszczeń pochodzących z transportu lotniczego, negatywnie wpływa na jakość po- wietrza, szczególnie w obrębie lotnisk; sprzyja ona również efektowi cieplarnianemu.

Zagadnienie emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych jest tematem zainteresowa- nia środowisk naukowych oraz zaangażowania opinii publicznej ze względu na znany związek między narażeniem na działanie wielu substancji zanieczyszczających powie- trze a krótko- i długoterminowymi skutkami zdrowotnymi człowieka. Dodatkowo, za- nieczyszczenia pochodzenia silnikowego mogą wpływać na pogorszenie widoczności oraz, pośrednio lub bezpośrednio, wpływają na klimat [14].

Modelowymi produktami spalania paliwa w silniku lotniczym są dwutlenek węgla, woda i dwutlenek siarki (rys. 1.3). Z powodu niezupełnego i niecałkowitego charakteru spalania paliwa dodatkowo emitowane do atmosfery są tlenki azotu, tlenek węgla, wę- glowodory, tlenki siarki oraz cząstki stałe. Wymienione związki szkodliwe przyczyniają się do zmiany liczby komponentów klimatycznych w atmosferze, skutkując zwiększe- niem masy metanu, ozonu i pary wodnej. W rezultacie działalność lotnicza przyczynia się do zmian klimatycznych, obejmujących ocieplenie klimatu oraz zmniejszenie po- krywy śnieżnej i lodowej. Dodatkowo emitowane cząstki stałe powodują zwiększoną ilość tzw. czarnego węgla (BC – black carbon), który przyczynia się do zmniejszenia stosunku ilości promieniowania odbitego do padającego.

Według IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) w krajach Unii Euro- pejskiej lotnictwo ma 3-procentowy udział w całkowitej emisji gazów cieplarnianych.

Transport drogowy odpowiada za produkcję kolejnych 13%, a pozostałe gałęzie trans-

portu mają udział równy 2%. Emisja gazów cieplarnianych generowanych przez lotnic-

two zwiększa się, a tendencja ta utrzymuje się od 1990 r. Od 25 lat wskaźnik wzrostu

emisji związków szkodliwych generowanych przez lotnictwo wynosi 4,3%, czyli jest

zbliżony do dynamiki rozwoju sektora lotniczego [14, 17].

Rys. 1.3. Procesy wynikające z emisji związków szkodliwych z silników lotniczych [55]

Zanieczyszczenie atmosfery szczególnie negatywnie wpływa na zdrowie dzieci oraz osób starszych, będąc przyczyną różnych chorób serca i płuc. Najpoważniejsze proble- my zdrowotne wynikają z oddziaływania cząstek stałych o najmniejszych rozmiarach [71]. Według raportu światowej organizacji zdrowia (WHO – World Health Organiza- tion) [121] ze względu na wszystkie zanieczyszczenia powietrza życie Europejczyków jest krótsze o około 20%. Przeciętny mieszkaniec Unii Europejskiej ze względu na za- nieczyszczenie powietrza cząstkami stałymi żyje o 8 miesięcy krócej niż wynosi jego statystyczna oczekiwana długość życia.

Przez ostatnie 50 lat negatywne skutki działalności transportu lotniczego zyskiwały na znaczeniu [65]. W rezultacie podjęto działania mające na celu tworzenie regulacji prawnych przez instytucje związane z bezpieczeństwem oraz nadzorem światowego lotnictwa. W 1960 r. organizacja ICAO (International Civil Aviation Organization) wprowadziła Annex 16 Environmental Protection, Volume I – International Noise Stan- dards z późniejszym zaostrzeniem przepisów w 1971 r. [4, 65]. W celu poprawy jakości powietrza w pobliżu lotnisk w 1980 r. wprowadzono przepisy SARPs (Standards and Recommended Practices), które są zbiorem praktyk stosowanych na obszarach lotnisk w celu zmniejszenia zanieczyszczenia powietrza. Podsumowanie przepisów dotyczą- cych emisji zanieczyszczeń z silników lotniczych stanowi Annex 16: Environmental Protection, VolumeII – Aircraft Engine Emissions, zawierający między innymi metody- kę pomiarów tlenków azotu, węglowodorów, tlenku węgla oraz zadymienia spalin.

Od ponad 25 lat trwają intensywne prace, mające na celu zminimalizowanie nega- tywnego oddziaływania środków transportu na środowisko. Jednym z kluczowych spo- sobów jest wprowadzanie coraz bardziej rygorystycznych dopuszczalnych wartości emisji związków toksycznych z silników spalinowych. W efekcie obowiązują ustalenia prawne, dotyczące emisji związków toksycznych z silników spalinowych stosowanych w różnego rodzaju środkach transportu.

Zmniejszanie dopuszczalnych wartości emisji związków toksycznych spalin, powo-

duje ciągłe unowocześnianie i modernizację silników spalinowych. Dzięki tym działa-

niom współczesne układy napędowe wraz z silnikami spalinowymi znacznie odbiegają

w aspekcie emisji zanieczyszczeń od stosowanych jeszcze kilkanaście lat temu, za- równo pod względem konstrukcji, jak i zastosowanych technologii [68].

Obecnie obowiązujące limity wymuszają wspólne działania producentów silników lotniczych w kierunku poszukiwania nowych sposobów na zmniejszenie emisji związ- ków szkodliwych. Działania te prowadzone są w ramach realizacji wspólnych progra- mów, m.in. takich jak NEWAC (New Aero Engine Core Concepts). Główne założenia projektu dotyczą wprowadzenia innowacji w budowie silników odrzutowych pozwala- jących na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o 6% i tlenków azotu o 16% względem tych emisji z silnika bazowego. Program ten jest zbieżny z ogólnymi założeniami Ko- mitetu Doradczego do Spraw Badań i Innowacji Aeronautyki w Europie (ACARE – Advisory Council for Aeronautics Research and Innovation in Europe), które zakładają w zakresie ochrony środowiska zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o 50% i tlenków azotu o 80% oraz redukcję hałasu o 50% do 2020 r., w stosunku do dopuszczalnych wartości z 2001 r. [70].

W 26 krajach Unii Europejskiej realizowane są programy CLEAN SKY oraz CLEAN SKY 2 [112]. Są one wspólną inicjatywą technologiczną, której celem jest zmniejszenie emisji dwutlenku węgla i innych szkodliwych związków spalin oraz zmniejszenie hałasu generowanego przez statki powietrzne. Powyższe cele są realizo- wane przez wprowadzanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych w sinikach, udoskonala- nie aerodynamiki płatowca (w szczególności skrzydła) oraz elektryfikację statków po- wietrznych.

Równolegle z dynamicznym rozwojem technicznym prowadzone są prace mające na celu określanie wpływu transportu lotniczego na środowisko, głównie w aspekcie lokal- nym. Wiążę się to z wprowadzaniem nowej metodyki pomiarowej oraz zaawansowa- nych modeli do szacowania emisji związków szkodliwych spalin. W przypadku portów lotniczych podstawową kwestią przy określaniu ich wpływu na środowisko naturalne jest prowadzenie statystyk dotyczących emitowanej masy zanieczyszczeń [24]. Tego typu dane wyznaczane są w rocznym przedziale czasowym. Zanieczyszczenie powietrza w pobliżu lotnisk uzależnione jest nie tylko od ruchu lotniczego, ale również wynika z ogólnej działalności portu lotniczego. Z wagi na powyższy fakt, w celu poprawnego szacowania emisji związków szkodliwych z danego portu lotniczego należy wziąć pod uwagę takie źródła emisji jak: pojazdy samochodowe, których ruch spowodowany jest działalnością lotniczą (parkingi i drogi dojazdowe do portu lotniczego), naziemny sprzęt pomocniczy (ładowarki taśmowe, autokary i agregaty) oraz źródła stacjonarne (zbiorni- ki paliwowe i działalność konserwacyjna) [15].

Szczegółowa analiza portu lotniczego pod względem zanieczyszczenie powietrza

wymaga rejestracji określonych danych w czterech wymiarach (emisja związków szko-

dliwych w trzech płaszczyznach x, y, z oraz uwzględnienie czasu), ponieważ tylko peł-

na wiedza dotycząca procesu emisji związków szkodliwych daje podstawy do prowa-

dzenia analizy w zakresie dyspersji zanieczyszczeń. Rozprzestrzenianie się emitowa-

nych związków szkodliwych jest bardzo istotne w aspekcie lokalnym, w szczególności

w przypadku portu lotniczego, gdyż negatywne skutki jego działania mają właśnie lo-

kalny charakter. Niestety tylko pojedyncze porty lotnicze decydują się na tego typu za-

awansowane badania. W głównej mierze wynika to z braku ogólnoeuropejskiej meto-

dyki prowadzenia takich analiz oraz braku zobowiązania portów lotniczych do przed-

stawiania dokładnych danych na ten temat. Należy jednak pamiętać, że prowadzenie

statystyk dotyczących emisji związków szkodliwych ze źródeł stacjonarnych (punkto-

wych) oraz analiz rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń ma charakter nie tylko infor-

macyjny, ale również stanowi wsparcie decyzyjne. Wiele inwestycji w szczególności

infrastrukturalnych planowanych jest w oparciu o analizę ekologiczną (środowiskową).

Istnieje wiele możliwości przeciwdziałania negatywnym skutkom działalności trans- portu lotniczego. Wśród nich wymienić można: nowoczesne konstrukcje statków po- wietrznych oraz silników lotniczych, zaawansowane zarządzanie ruchem lotniczym, wykorzystanie paliw alternatywnych oraz kontrola emisji związków szkodliwych. Wy- bierając daną strategię ograniczania oddziaływania transportu lotniczego na środowisko, niezwykle istotne jest podejmowanie prawidłowych decyzji w długim horyzoncie cza- sowym. Koszty i zyski są często bardzo trudne do przewidzenia z uwagi na złożoność zagadnień wynikających m.in. z procesów rynkowych oraz polityki międzynarodowej.

Decyzja o stosowaniu konkretnej technologii wiąże się z jej wprowadzaniem do lotnic- twa w okresie nawet 10 lat, a jej wykorzystywanie na kolejne 25 lat [65].

Światowa działalność naukowa w aspekcie lotniczej emisji związków szkodliwych

skupiona jest w głównej mierze na rozwiązaniach dotyczących homologacji silników

odrzutowych oraz kontroli zanieczyszczenia powietrza na obszarach lotnisk. Szczególną

uwagę poświęca się emisji cząstek stałych ze względu na nie do końca rozpoznany cha-

rakter procesów towarzyszących ich formowaniu. Dlatego w niniejszej pracy skupiono

się między innymi na metodyce pomiaru emisji cząstek stałych z silników lotniczych,

który powinien stanowić odrębną część procesu certyfikacji. Dodatkowo podjęto próbę

oceny bezpośredniego wpływu operacji statków powietrznych na jakość powietrza na

obszarze lotniska.

2.1. Zanieczyszczenie powietrza przez transport lotniczy

Emisja związków toksycznych z różnych źródeł jest bezpośrednio związana z jako- ścią powietrza oraz zdrowiem ludzi [69]. Emitowane zanieczyszczenia przeważnie związane są ze spalaniem paliw kopalnych, co wynika z zapotrzebowania energetycz- nego danego kraju [36, 83]. Podczas, gdy zanieczyszczenie powietrza jest głównym problemem krajów rozwijających się, gdzie odnotowuje się znaczne zwiększenie popu- lacji i zapotrzebowania na energię, to kraje rozwinięte odnotowały zmniejszenie stęże- nia wielu związków szkodliwych w ciągu ostatnich lat. Na rysunku 2.1 przedstawiono zmianę emisji tlenków azotu na poszczególnych obszarach świata.

Rys. 2.1. Zmiana emisji tlenków azotu w poszczególnych obszarach świata (wartości liczbowe określają średnią zmianę w ciągu całej dekady) [73]

Do najważniejszych toksycznych składników spalin silników lotniczych zalicza się tlenki azotu, tlenek węgla, tlenki siarki, węglowodory i cząstki stałe. Substancje te sta- nowią do 1% całkowitej masy spalin, są jednak dużym zagrożeniem z uwagi na ich ne- gatywny wpływ na zdrowie człowieka.

Spalanie paliw kopalnych zawierających w swoim składzie siarkę, skutkuje powsta- waniem dwutlenku siarki, trójtlenku siarki oraz gazowej fazy kwasu siarkowego, które określane są jako tlenki siarki. Dwutlenek siarki jest bezbarwnym, silnie toksycznym gazem o duszącym zapachu. Jego duże stężenie może spowodować uszkodzenie dróg oddechowych. Trójtlenek siarki reaguje z parą wodną tworząc kwas siarkowy, nato- miast z pyłami tworzy siarczany. Tlenki siarki przyczyniają się również do występowa- nia kwaśnych deszczy [56].

Emisja tlenków siarki może skutkować formowaniem wtórnych cząstek stałych. Ba- dania wskazują na związek zarówno między krótko- i długotrwałą ekspozycją na tlenki siarki a zachorowalnością na choroby układu oddechowego i przedwczesną umieralno- ścią [73]. Nie określono czy negatywne efekty zdrowotne związane są bezpośrednio z indywidualnym występowaniem tlenków siarki w atmosferze, czy też są powodowane przez mieszaniny substancji w skład, których wchodzą tlenki siarki.

Za tlenki azotu będące produktem spalania paliwa uznaje się tlenek azotu oraz dwu- tlenek azotu. Związki te powstają w wyniku spalania paliwa w dużej temperaturze

Afryka Południowa - 8,2%

Indie + 29,2%

Chiny + 26%

Europa - 0,1%

Europa Zachodnia - 8,8%

Stany Zjednoczone - 29.4%

Zmiana w stosunku do 2005 [%]

NO

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 20

20 0

i ciśnieniu. Na podstawie badań epidemiologicznych oraz testów prowadzonych na lu- dziach i zwierzętach stwierdzono wpływ tlenków azotu na występowanie chorób układu oddechowego, nawet przy czasowo niewielkiej ekspozycji na te substancje [101]. Do- tychczasowe badania nie wskazują jednoznacznie, czy negatywny wpływ na układ od- dechowy człowieka mają bezpośrednio tlenki azotu, czy też substancje wchodzące z nimi w reakcje chemiczne. W przypadku lotnictwa aż 85% tlenków azotu powstałych z powodu działalności portu lotniczego wynika ze spalania paliwa w silnikach lotni- czych. Pozostałe 15% związane jest z emisją pojazdów na drogach dojazdowych, par- kingach oraz obsługą naziemną [47, 114].

Tlenki azotu sprzyjają powstawaniu ozonu w dolnych warstwach atmosfery. Ozon to wysokoenergetyczna, alotropowa forma tlenu, której specyficzny, silny zapach jest wy- czuwalny nawet przy rozcieńczeniu 1:600 [56]. Występuje we wszystkich warstwach atmosfery, gromadząc się głównie w stratosferze i troposferze. Zgromadzony w stratos- ferze chroni Ziemię i organizmy żywe przed szkodliwym działaniem promieniowania ultrafioletowego, a ten znajdujący się w troposferze jest toksyczny dla organizmów ży- wych [56]. Ozon ma bardzo silne działanie utleniające, a w wyniku reakcji z jego udzia- łem, powstają w atmosferze wolne rodnik – niebezpieczne dla organizmu ludzkiego ze względu na własności rakotwórcze. Ozon w dolnej warstwie atmosfery uszkadza rów- nież liście roślin. Jego właściwości utleniające powodują także niszczenie materiałów, zwłaszcza gumy lub tekstyliów. Powstały ozon w dolnych warstwach atmosfery nie przyczynia się do uzupełnienia jego braku w ozonosferze. W celu rozpoczęcia procesu uzupełniania jego ilości w ozonosferze, stężenie tego związku w atmosferze musiałoby wzrosnąć o około 25%, co stanowiłoby realne zagrożenie dla życia organizmów.

W warunkach dużej wilgotności, braku ruchu mas powietrza oraz dużego stężenia dwutlenku siarki, tlenków azotu i cząstek stałych powstaje smog londyński. Smog tego typu jest smogiem kwaśnym, a z jego występowaniem są związane liczne choroby no- wotworowe i nienowotworowe płuc, choroby układu krążenia oraz alergie [56].

Innym produktem spalania paliw w silnikach lotniczych jest tlenek węgla, który jest bezwonnym, niedrażniącym i silnie toksycznym gazem. W głównej mierze znany jest jako przyczyna zatruć inhalacyjnych w budynkach z niesprawną instalacją grzewczą.

Silna toksyczność tlenku węgla wynika z jego dużego powinowactwa do hemoglobiny, co w konsekwencji powoduje wypieranie tlenu z krwioobiegu [56]. Zawartość tlenku węgla w powietrzu powyżej 20 ppm powoduje problemy z rytmem pracy serca, bóle głowy i płytki oddech. Stężenie tlenku węgla w powietrzu większe niż 200 ppm skutku- je zmniejszeniem ostrości widzenia i omdleniami u dzieci, natomiast większe wartości stężenia są przyczyną śpiączki, drgawek i śmierci.

Do najgroźniejszych składników spalin, ze względu na swoje mutagenne i kancero- genne właściwości, należą wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) – w literaturze angielskiej – polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Głównym przed- stawicielem wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych jest benzo(a)piren (BaP), który uznano przez Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem – IARC (International Agency for Research on Cancer) za najważniejszy czynnik kancerogen- ny, który w analizach środowiskowych stanowi marker całkowitej zawartości omawia- nych węglowodorów [42, 56].

Jedną z podstawowych kwestii przy ocenie jakości powietrza jest stężenie cząstek

stałych. Cząstki stałe to termin ogólnie używany na typ zanieczyszczeń powietrza, skła-

dający się z kompleksu różnych mieszanin cząstek zawieszonych, które różnią się wiel-

kością, składem i miejscem tworzenia. Można je zdefiniować jako aglomeraty sadzy

z zaadsorbowanymi substancjami frakcji nierozpuszczalnej SOL (insoluble fraction)

i frakcji rozpuszczalna SOF (soluble organic fraction). W skład nierozpuszczalnej frak-

cji wchodzą: węgiel stały (w formie zbliżonej do grafitu), rozpuszczalne w wodzie siar- czany, azotany, metale, woda związana z siarczanami oraz pozostałe cząstki zawierają- ce węgiel RPM (residual particulate mass). Frakcja organiczna to część materii cząstek stałych, która jest poddawana ekstrakcji dwuchlorometanem [71].

Do głównych źródeł tworzenia tego rodzaju zanieczyszczenia zalicza się: fabryki, elektrownie, spalarnie, silniki spalinowe i wiele innych. Podstawowy podział cząstek stałych wynika z ich średnicy aerodynamicznej, który pozwolił na wyznaczenie dwóch głównych grup: PM

i PM

(particulate matter) dla średnicy mniejszej niż odpowied- nio 2,5 µm i 10 µm. Dynamiczny rozwój badawczy zagadnienia cząstek stałych oraz zmiany ich właściwości w zależności od wielkości wymusiły wprowadzenie bardziej szczegółowego podziału. Przyjęto, że cząstki drobne (fine particles lub nanocząstki) to cząstki mniejsze niż 1 µm (PM

), natomiast cząstki najdrobniejsze (ultrafine particles) to cząstki o średnicy poniżej 0,1 µm (PM

) [51, 71]. Na rysunku 2.2 przedstawiono klasyfikację cząstek stałych.

Ze względu na rozmiar cząstek stałych można wyróżnić mechanizmy ich powstawa- nia (rys. 2.3). Cząstki stałe charakteryzujące się najmniejszymi rozmiarami (1–80 nm) to cząstki powstałe według mechanizmu nukleacji. Polega on na powstawaniu cząstek

Rys. 2.2. Podział cząstek stałych ze względu na średnicę [71]

Rys. 2.3. Liczba i masa cząstek stałych uzależniona od ich średnicy z uwzględnieniem mecha- nizmu ich powstawania [53]

100 1000 10 000

10

Liczba, masa cząstek stałych

D [nm]

masa cząstek stałych PM liczba cząstek

stałych PN

nukleacja

agregacja PM0,1

PM2,5

PM10

podczas rozcieńczania i ochładzania spalin (po wejściu do otoczenia). Powstałe cząstki charakteryzują się bardzo małą masą, a złożone są z lotnych frakcji rozpuszczalnej, niewielkiej ilości węgla i związków metali. Cząstki stałe powstałe w wyniku omawia- nego procesu dominują w spalinach silników odrzutowych [67, 71].

Cząstki stałe mające największy udział w emitowanej masie powstają według me- chanizmu akumulacyjnego (agregacja) i obejmują cząstki o średnicy 80–1000 nm. Są to aglomeraty sadzy z zaadsorbowanymi substancjami frakcji rozpuszczalnej. Dodatkowo wyróżnić można cząstki stałe powstające według mechanizmu zgrubnego. Są to cząstki o średnicy 2,5–40 µm, które osiadły na ściankach układu wylotowego, a następnie zo- stały zerwane przez przepływające spaliny [45, 71].

Zanieczyszczenie atmosfery cząstkami stałymi emitowanymi przez silniki lotnicze wpływa negatywnie na zdrowie człowieka. Cząstki stałe o średnicy mniejszej niż 1 µm mogą być przyczyną różnych chorób, przede wszystkim serca i płuc, i związanych z tym zgonów. Nasilanie się chorób jest łączone z długoterminowym oddziaływaniem cząstek znajdujących się w otoczeniu. Przyczyniają się one do występowania takich chorób jak astma i zapalenie oskrzeli. Są też jedną z przyczyn arytmii serca i ataków serca. Najpoważniejsze problemy wynikają z oddziaływania cząstek drobnych. Naj- mniejszą odporność na negatywne oddziaływanie cząstek stałych wykazują ludzie z chorobami serca i płuc, osoby starsze oraz dzieci [80].

Przyjmuje się, że w przypadku emisji z silników lotniczych dominują cząstki stałe o średnicach nie większych niż 2,5 µm) i można je podzielić na cząstki pierwotne oraz wtórne. Cząstki stałe pierwotne złożone są z nielotnej frakcji węgla (głównie sadzy) i innych składników spalin, które gromadzą się na rdzeniu węglowym wykorzystując go jako jądro kondensacji. W skład cząstek pierwotnych wchodzą kwas azotowy i siarko- wy, woda oraz ciężkie węglowodory zawierające do 30 atomów węgla. Średnice oma- wianych cząstek osiągają wartości kilkudziesięciu nanometrów. Cząstki stałe wtórne powstają w wyniku reakcji cząstek stałych pierwotnych i innych toksycznych składni- ków spalin, takich jak tlenki azotu, tlenki siarki i lekkie węglowodory. Produktami re- akcji zachodzących na cząstkach stałych, które można odnaleźć w składzie cząstek wtórnych to: siarczan amonu, azotan amonu oraz inne związki, głównie węglowodory.

Powstałe wtórne cząstki stałe utrzymują się w powietrzu od kilku godzin do kilku dni, wpływając na stężenie pyłów na obszarach przyległych do lotnisk. Badania opubliko- wane w publikacji [13] wskazują, że 70% cząstek stałych emitowanych przez silniki lotnicze związane jest z emisją tlenków azotu, 14% stanowią cząstki stałe pierwotne, 12% cząstek stałych związanych jest z tlenkami siarki, a 4% formuje się z udziałem węglowodorów.

Ekspozycja na działanie cząstek stałych skutkuje zwiększeniem ryzyka zachorowal- ności na choroby układu krążenia oraz oddechowego i powoduje przedwczesną umie- ralność. W przypadku przedwczesnych zgonów, dominującą rolę mają cząstki stałe wtórne, głównie wytworzone na bazie prekursorów azotowych i siarkowych [13]. Dru- gorzędną rolę pełnią w tej kwestii cząstki stałe pierwotne oraz te związane z emisją wę- glowodorów. Autorzy wielu publikacji [13, 89, 102] wskazują, iż emisja cząstek stałych ma dominujące znacznie w kwestii negatywnych efektów zdrowotnych i znacznie przewyższa w tej kwestii emisję pozostałych toksycznych składników spalin.

Konwencjonalne podejście do emisji związków toksycznych z silników lotniczych

zakłada jej kontrolę jedynie w fazach startu, lądowania i kołowania statku powietrzne-

go. Rozważane operacje lotnicze, które są przedmiotem analiz wpływu transportu lotni-

czego na jakość powietrza odbywają się na wysokości do 950 m (3000 stóp). Świadczą

o tym przepisy certyfikacji silników lotniczych (ICAO Aneks 16), stworzone z założe-

niem ograniczenia emisji spalin na obszarach przyległych do lotnisk. Aktualne badania

wskazują jednak, że emisja na wysokościach przelotowych (powyżej 950 m), może sta- nowić istotną część całkowitej emisji spalin wpływającej na zdrowie człowieka [119].

Istnieje możliwość, że dalsze badania i przyszłe oceny oddziaływania lotnictwa na ja- kość powietrza będą zawierać pełną emisję zanieczyszczeń w celu uwzględnienia cał- kowitego wpływu statków powietrznych na stan atmosfery.

2.2. Wpływ transportu lotniczego na klimat

Zmiany klimatyczne to jedno z najważniejszych zagadnień rozważanych na szczeblu międzynarodowym oraz stanowi podstawę strategii rozwoju gospodarki światowej.

Mówiąc o zmianach klimatycznych w większości przypadków chodzi o efekt cieplar- niany, którego pogłębianie wynika z emisji gazów cieplarnianych. Zjawisko ocieplania klimatu jest spowodowane przez naturalne procesy oraz przyspieszane z uwagi na dzia- łalność człowieka.

Za podstawowy gaz cieplarniany, którego emisja jest uznawana za ekwiwalent od- działywania danego kraju na klimat jest dwutlenek węgla. Większość długotermino- wych umów międzynarodowych zakłada drastyczne zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, gwarantując przyjęcie strategii rozwoju gospodarki (głównie sektora energetycz- nego i transportowego) danych krajów przyjaznej środowisku. Działania na rzecz ogra- niczenia wpływu człowieka na klimat podejmowane przez ostatnie 3 dekady dały wy- mierny skutek na obszarach państw rozwiniętych (rys. 2.4). Kraje bardzo dynamicznie rozwijające się (Chiny, Indie), wciąż wykazują negatywny trend swojej działalności w aspekcie ochrony klimatu wynikający głównie z silnie rozwijającego się przemysłu.

Rys. 2.4. Zmiana emisji dwutlenku węgla w poszczególnych obszarach świata w latach 1990–

2016 [116]

Zgodnie z aktualną wiedzą, lotnictwo wpływa na klimat Ziemi przez następujące procesy:

– emisję dwutlenku węgla,

– emisję tlenków azotu, prowadzącą do formowania się ozonu w troposferze, – emisję cząstek stałych (w tym tzw. black carbon),

– tworzenie smug kondensacyjnych,

– tworzenie smugowych chmur pierzastych (contrail-cirrus cloud),

–

emisję pary wodnej [60].

Zmniejszenie o 10,0–12,9 t Zmniejszenie o 5,0–9,9 t Zmniejszenie o 1,0–4,9 t Zmniejszenie o 0–0,9 t Zwiększenie o 0–0,9 t Zwiększenie o 1,0–4,9 t Zwiększenie o 5,0–9,9 t Zwiększenie o 10,0–15,3 t

Dwutlenek węgla pochodzenia lotniczego wypływa tak samo na klimat jak z każdego innego źródła, przyczyniając się jego do ocieplania. Opisywany gaz cieplarniany cha- rakteryzuje się bardzo długim czasem utrzymywania w atmosferze (nawet kilkaset lat).

Przeciwdziała wydostawaniu się promieniowania podczerwonego z Ziemi, pochłaniając je i oddając do atmosfery, w wyniku czego następuje zwiększenie temperatury jej po- wierzchni.

Emisję dwutlenku węgla należy bezpośrednio utożsamiać ze zużyciem paliwa (FC – fuel consumption), gdyż jest naturalnym produktem reakcji spalania. Transport lotniczy z uwagi na swój dynamiczny rozwój zwiększa swoje zapotrzebowanie na pali- wo, w związku z czym statki powietrzne emitują coraz więcej dwutlenku węgla, głów- nie na obszarach najczęściej uczęszczanych dróg lotniczych (rys. 2.5). Należy jednak zauważyć, że ze względu na wprowadzanie nowych technologii w aspekcie aerodyna- miki płatowca oraz budowy silników odrzutowych, średnie zużycie paliwa statków po- wietrznych zmniejszyło się w ciągu ostatnich 20 lat o około 30% [8].

Rys. 2.5. Dzienne zużycie paliwa przez statki powietrzne na świecie [77]

Innym gazem cieplarniany jest para wodna, która uznawana jest za najsilniejszy gaz cieplarniany. Na każde 100 cząsteczek gazów cieplarnianych w atmosferze 90 to czą- steczki pary wodnej [46]. Para wodna skupia się blisko powierzchni Ziemi, tymczasem pozostałe gazy cieplarniane zalegają w wyższych warstwach atmosfery. Odpowiada ona jednak za największe dodatnie sprzężenie w systemie klimatycznym. Wzrost temperatu- ry wzmaga parowanie wody, co prowadzi do pogłębiania efektu cieplarnianego, który ponownie powoduje zwiększenie parowania. Z uwagi na powyższe sprzężenie klimat jest bardzo wrażliwy na ocieplenie spowodowane emisją pary wodnej pochodzenia an- tropogenicznego.

Szerokość geograficzna

Długość geograficzna

180 W 150 W 120 W 90 W 60 W 30 W 0 30 E 60 E 90 E 120 E 150 E 180 E 0

30 N 60 N

30 S

60 S

[kg/dzień]

0 1 2 3 4 5 6 7

Zjawiskami towarzyszącymi emisji pary wodnej z silników lotniczych jest powsta- wanie smug kondensacyjnych oraz chmur pierzastych (rys. 2.6), których utrzymywanie powoduje ocieplenie klimatu. Powyższy efekt uzależniony jest głównie od emisji pary wodnej oraz warunków otoczenia (ciśnienie, temperatura i wilgotność). Smugi konden- sacyjne utrzymują się przez kilka godzin, natomiast chmury pierzaste od kilku godzin do kilku dni. Ze względu na krótki i okresowo-miejscowy charakter zjawiska, jego wpływ na klimat jest lokalny [64].

Rys. 2.6. Smugi kondensacyjne i chmury pierzaste (cirrus) [99]

Tlenki azotu to kolejne związki chemiczne wpływające na zmianę klimatu. W prze- ciwieństwie do dwutlenku węgla, charakteryzują się oddziaływaniem pośrednim. Po- wodują ocieplenie klimatu przez formowanie ozonu oraz ochłodzenie klimatu przez rozkład metanu. Emisja tlenków azotu powoduje zwiększenie zdolności utleniających atmosfery, co w konsekwencji wpływa na zmniejszenie stężenia metanu. Oddziaływa- nie tlenków azotu na klimat jest zagadnieniem wieloaspektowym, często uzależnionym od rozpatrywanego miejsca na Ziemi oraz o charakterze sezonowym. Krótkotrwały, trwający kilka miesięcy efekt ocieplania atmosfery z uwagi na utworzony ozon jest za- uważalny głównie na półkuli północnej, gdzie liczba operacji lotniczych jest znacznie większa niż na półkuli południowej. Jego występowanie uzależnione jest również od izolacji słonecznej Ziemi. Z kolei biorąc pod uwagę efekt ochładzania klimatu spowo- dowany zależnością między tlenkami azotu, ozonem oraz amonem (NO

–O

–NH

), zauważyć można, że w skali globalnej, procesy te równoważą się. Analizując jednak wpływ tlenków azotu na klimat w aspekcie regionalnym, stwierdzono ocieplenie półkuli północnej i ochłodzenie południowej [101].

W przypadku emisji zanieczyszczeń z silników lotniczych, jednym z głównych tok-

sycznych składników spalin są cząstki stałe. W kwestii ich wpływu na klimat używa się

pojęcia czarnego węgla. Czarny węgiel jest składnikiem cząstek stałych mający właści-

wość bardzo silnego pochłaniania światła [87]. Jest skutkiem niecałkowitego i niezu-

pełnego spalania paliw kopalnych, biopaliw i biomasy. Oprócz pochodzenia antropoge-

nicznego może mieć również pochodzenie naturalne. Definiuje się go jako stałą postać

czystego węgla absorbującą promieniowanie słoneczne (światło) w całym zakresie dłu-

gości fal. Jego obecność zawsze wiąże się z emisją innych cząstek stałych oraz związ-

ków gazowych, takich jak tlenki azotu i tlenki siarki. Czarny węgiel powoduje ocieple-

nie planety oraz sprzyja topnieniu lodowców, zmniejszając zdolność do odbijania pro-

mieni słonecznych skierowanych na śnieg lub lód.

2.3. Emisja hałasu pochodzenia lotniczego

Hałas lotniczy jest najbardziej uciążliwym efektem działalności transportu lotnicze- go. Od początku lat pięćdziesiątych XX w. hałas był głównym powodem pojawiania się skarg płynących ze społeczności zamieszkujących obszary przyległe do lotnisk. W ra- mach działalności portu lotniczego istnieje wiele źródeł hałasu, jednak za najważniejszy i najbardziej szkodliwy uznaje się hałas związany ze statkami powietrznymi [4]. W sa- molotach odrzutowych źródłem hałasu są:

– strumienie gazów wylotowych,

– strumienie powietrza na wlotach do silników,

– drgania powstające na elementach płatowca (skrzydło, kadłub),

– praca wentylatorów, turbin, kompresorów, agregatów i innych urządzeń pomocni- czych.

Hałas lotniczy dotyczy w głównej mierze ludzi zamieszkujących strefy wznoszenia, krążenia i oczekiwania. Uciążliwość hałasu w danym punkcie zależy od intensywności ruchu lotniczego, a jego ocena jest procesem bardzo złożonym i zależnym od indywidu- alnej wrażliwości mieszkańców [98].

Z uwagi na zwiększającą się liczbę ludności, aglomeracje miejskie rozszerzają swoje granice, coraz bardziej zbliżając się do portów lotniczych. Zwiększenie wolumenu transportowego skutkuje koniecznością rozbudowy i modernizacji portów lotniczych, powodując zwiększenie negatywnego wpływu transportu na ludność [34]. Powyższy fakt, stanowi bardzo istotny problem w kontekście nieuniknionego rozwoju infrastruk- tury lotniczej. Z tego względu zagadnienie hałasu lotniczego traktowane jest odrębnie, czego dowodem są międzynarodowe inicjatywy na rzecz jego ograniczania. Jedną z nich jest wprowadzona przez ICAO w 2001 r. uchwała Resolution A33-7 [38], zawie- rająca rozwiązania zarządzania ruchem lotniczym, dla którego emisja hałasu jest naj- mniej odczuwalna przez ludność zamieszkującą obszary w pobliżu portów lotniczych.

W dokumencie tym za podstawę zarządzania emisją hałasu przyjmuje się cztery aspek- ty: zmniejszenie hałasu u źródła (rozwiązania techniczne i technologiczne dotyczące statków powietrznych i infrastruktury), planowanie i gospodarowanie przestrzenne (kwestie dotyczące rozwoju infrastruktury), zarządzanie operacjami startu i lądowania (dobieranie optymalnych ze względu na emisję hałasu trajektorii lądowań i startów) oraz ograniczenia operacyjne statków powietrznych [34]. Wskazówki aplikacyjne doty- czące takich procedur mają charakter ogólny, a ich zastosowanie wymaga indywidual- nej analizy danego portu lotniczego.

Zarządzający dużą liczbą portów lotniczych uznali wiele lat temu problem emisji ha- łasu za bardzo istotny. Od 1992 r. firma Boeing prowadzi bazę danych na lotniskach całego świata (NAMs – noise abatement measures), zawierającą informacje o wprowa- dzonych środkach przeciwdziałania emisji hałasu. Zgodnie z informacjami przedsta- wionymi przez firmę Boeing [10] na świecie wprowadzono 18 procedur ograniczenia hałasu lotniczego:

– Noise Abatement Procedures – procedury dotyczące trajektorii startów i lądowań oraz techniki pilotażu,

– Engine Run-Up Restrictions – zasady dotyczące testowania silników oraz wyko- rzystania ciągu wstecznego,

– Preferential Runways – wybór odpowiednich dróg dla startów i lądowań w przy- padku występowania ich większej liczby,

– Airport Curfews – dotyczy przerw między startami i lądowaniami określonych

grup statków powietrznych,

– Noise Charges – dodatkowe opłaty naliczane dla linii lotniczych, których statek powietrzny przekroczy dopuszczalną wartość emisji hałasu; dodatkowo opłatami mogą być obarczone firmy, wykorzystujące silniki starszej generacji (głośniej- sze); wartość naliczonych opłat zależy od pory dnia i masy statku powietrznego, – APU Operating Restrictions – zakaz stosowania silników pomocniczych APU

(auxiliary power unit) przez samoloty znajdujące się na płycie lotniska; rekomen- dowane jest wykorzystywanie mobilnych źródeł energii GPU (ground power units),

– Noise Level Limits – wprowadzenie limitów hałasu generowanego w określonych punktach monitoringu; przekroczenie ustalonej wartości skutkuje naliczeniem do- datkowych opłat dla linii lotniczej,

– ICAO Annex 16 Chapter 2 and 3 Restrictions – dotyczy zakazu lotów samolotów certyfikowanych na podstawie procedur zapisanych w rozdziałach drugim i trze- cim tomu pierwszego aneksu 16 ICAO,

– Operating Quotas – dotyczy ograniczenia liczby komercyjnych lotów w danym okresie (np. zimowych lub letnim) oraz ograniczenie operacji lotniczych w godzi- nach maksymalnego ruchu lotniczego,

– Noise Budget Restrictions – dotyczy przydzielania określonego czasu dla danego statku powietrznego na lądowanie i start,

– Sound Insulation (Residences and Public Buildings) – stosowanie technik izolacji hałasu, polegających na implementacji rozwiązań technicznych (przegrody tłu- miące),

– Purchase Assurance for Homeowners Located within the Airport Noise Contours – udzielanie gwarancji wartości dla właścicieli nieruchomości znajdujących się na obszarach przyległych do lotnisk,

– Avigation (Overflight) Easements – odnosi się do umowy gwarantującej możli- wość przelotów statków powietrznych nad określonymi posiadłościami, nawet je- śli powoduje to dyskomfort lub utratę wartości posiadłości,

– Zoning Laws – dotyczy zagospodarowanie przestrzennego w taki sposób, aby ograniczyć liczbę nieruchomości znajdujących się na obszarze narażonym na emi- sję hałasu,

– Real Estate/Property Disclosure Laws – dotyczy określania rzeczywistej wartości nieruchomości z uwzględnieniem wpływu portu lotniczego,

– Acquire Land for Noise Compatibility – dotyczy nabycia nieruchomości będącej w pobliżu lotniska przez port lotniczy i relokacje ludności na obszary niebędące pod wpływem hałasu lotniczego,

– Population within Each Noise Contour Level Relative to Aircraft Operations – wyznaczanie liczby ludzi będących narażonych na hałas lotniczy,

– Airport Noise Contour Overlay Maps – tworzenie map akustycznych, pozwalają- cych na określanie obszaru będącego pod wpływem hałasu lotniczego; powyższe działania wykonywane są w celu uprzedzania potencjalnych właścicieli nieru- chomości o uciążliwych skutkach działalności transportu lotniczego.

Wymienione procedury przeciwdziałania emisji hałasu są chętnie wprowadzane w Europie na obszarach portów lotniczych i do nich przyległych. Ze względu na złożo- ność zagadnienia hałasu wymagane jest podejście kompleksowe, na które decyduje się wiele portów lotniczych, stosując procedury wpływające na zmniejszenie emisji hałasu.

Spośród zaproponowanych procedur ograniczenia hałasu lotniczego najczęściej stosuje się zalecenia dotyczące trajektorii startów i lądowań oraz techniki pilotażu (rys. 2.7).

Bardzo popularne jest również wprowadzanie zasad testowania silników na lotniskach

oraz używanie ciągu wstecznego.

Rys. 2.7. Rodzaje wprowadzonych procedur przeciwdziałania emisji hałasu w latach 2009–

2010 [10]

Hałas w miejscach zamieszkania jest coraz silniej odczuwalnym problemem. Wpły- wa na zdrowie ludzi i przeszkadza w codziennych czynnościach w pracy, w domu i szkole. Może powodować choroby układu krążenia, zakłóca sen i wypoczynek, wzma- ga zdenerwowanie oraz zmniejsza wydajność. Hałas jest również jednym z najbardziej ograniczających rozwój lotnictwa zagadnieniem. Wysiłek prowadzony przez porty lot- nicze na rzecz ograniczenia emisji hałasu pozwala na osiąganie oczekiwanych rezulta- tów. Istnieje jednak potrzeba wprowadzania nowych rozwiązań technicznych, gdyż z uwagi na zwiększający się wolumen przewozowy, hałas staje się problemem coraz bardziej istotnym.

Transport lotniczy negatywnie oddziałuje na środowisko naturalne ze względu na emisję spalin i hałasu. Wprowadzanych jest wiele rozwiązań mających na celu ograni- czenie zewnętrznych kosztów środowiskowych związanych z lotnictwem, jednak istnie- ją zagadnienia wciąż nierozpoznane. Jednym z nich jest emisja cząstek stałych, których procesy formowania są obszarem zainteresowań szerokiego środowiska naukowego.

Brak znormalizowanej metodyki pomiaru cząstek stałych jako elementu procesu homo- logacyjnego silników lotniczych skutkuje dużą aktywnością naukową, której celem jest opracowanie procedur związanych z szacowaniem oraz pomiarem cząstek stałych.

198 149

122 116 101 94 57

50 38 7

212 157

126 116 102 99 56

53 39 7

0 50 100 150 200 250

Noise Abatement Procedures Engine Run-Up Restrictions Airport Curfews Preferential Runways Noise Charges APU Operating Restrictions Noise Level Limits ICAO Annex 16 Restrictions Operating Quotas Noise Budget Restrictions

Liczba lotnisk w Europie

Rok 2010 Rok 2009

stałych

3.1. Szacowanie lotniczej emisji cząstek stałych

Proces spalania paliwa w silnikach lotniczych skutkuje emisją cząstek stałych, które w literaturze dotyczącej wpływu lotnictwa na środowisko [12, 66, 93, 104] określane są, jako tzw. black carbon. Obecne przepisy [37] ograniczające emisji cząstek stałych z silników lotniczych dotyczą kontroli zadymienia spalin (D), które wyrażane jest w jednostkach filter smoke number (FSN). Powyższy parametr to bezwymiarowa war- tość obliczana na podstawie zmiany współczynnika odbicia światła od papierowego filtra, przez który przepłynęła znana objętość spalin [2].

Proces homologacyjny silników odrzutowych o ciągu maksymalnym większym niż 26,7 kN odbywa się w oparciu o test startu i lądowania (LTO – landing and take-off), którego schemat przedstawiono na rys. 3.1. Głównym założeniem testu LTO jest ogra- niczenie emisji związków szkodliwych na obszarach przyległych do lotnisk, dlatego też obejmuje on operacje wykonywane przez statek powietrzny na wysokości mniejszej niż 950 m (3000 stóp). Poszczególnym fazom testu (kołowanie, start, wznoszenie i lądowa- nie) odpowiadają procentowe wartości siły ciągu, zatem omawianą procedurę można określić, jako test czterofazowy.

Rys. 3.1. Schemat testu LTO [4]

Najważniejszym celem wprowadzonych procedur było zmniejszenie widzialności spalin generowanych przez silniki odrzutowe, co w większości przypadków uległo zna- czącej poprawie. Niestety dopuszczalne wartości zadymienia spalin nie są aktualizowa- ne, przez co normy ograniczające emisję cząstek stałych nie wymuszają na producen- tach silników lotniczych innowacji technologicznych w tym zakresie. Dodatkowo prze- pisy ograniczające zadymienie spalin są mało restrykcyjne, a świadczy o tym fakt, że od 1990 r. żaden z certyfikowanych silników nie miał problemu z homologacją w tym aspekcie [117].

Wartość zadymienia spalin nie może być utożsamiana z emisją masy cząstek stałych,

a tym bardziej nie określa ich liczby. Na przestrzeni lat prowadzone były badania mają-

ce na celu wykazanie korelacji między zadymieniem spalin a emisją cząstek stałych [16, 20, 28, 35, 95,108].

Champagne [16] określił korelację między stężeniem cząstek stałych a wartością za- dymienia spalin, wykorzystując do badań silnik General Electric J79, natomiast Whyte [108] zaprezentował metodę wyznaczania przybliżonej emisji węgla na podstawie za- dymienia spalin. Girling [28] i Hurley [35] przeprowadzili wiele eksperymentów wyko- rzystując generator sadzy, efektem których była zależność między zadymieniem spalin a stężeniem cząstek stałych. Wyznaczone charakterystyki były zgodne dla małych war- tości zadymienia, natomiast przy większych (powyżej 20) różnice wynosiły nawet 50%

(rys. 3.2). Na podstawie pracy Doddsa [20] stwierdzono, że różnice wynikają z liczby cząstek stałych o różnych wymiarach, a tym samym przyjętej średniej wartości średnicy danego rozkładu (GMD – geometric mean diameter). W przypadku badań Champa- gne’a założona wartość GMD była równa 550 nm, Stockham i Betz [95] dla tego same- go silnika w swoich badaniach przyjęli 100 nm, natomiast średnica cząstek węglowych generowanych przez Girlinga [28] była przyjmowana z zakresu 80–100 nm [66].

Rys. 3.2. Stężenie masowe cząstek stałych jako funkcja zadymienia spalin

Powyższe prace dotyczące poszukiwania zależności między stężeniem cząstek sta- łych i wartością zadymienia spalin dały podstawy do powstania procedury szacowania emisji cząstek stałych z silników lotniczych o nazwie First Order Approximation version 3 (FOA3), która została wprowadzona przez ICAO i FAA w 2011 r. [39, 103].

Obecnie FOA3 stanowi oficjalną procedurę szacowania emisji cząstek stałych ze stat- ków powietrznych w Stanach Zjednoczonych [6, 19, 61, 66, 84, 109]. Omawiana meto- da zakłada podział cząstek stałych na dwie podstawowe frakcje: lotną oraz nielotną.

Jako podstawowe czynniki wpływające na formowanie lotnej frakcji cząstek stałych przyjęto zawartość siarki w paliwie, węglowodorów pochodzących z niespalonego pa- liwa oraz związków organicznych pochodzących z oleju silnikowego. Na podstawie dostępnych badań założono [106], że cząstki stałe wtórne powstałe z prekursorów azo- towych nie mają istotnego udziału w całkowitej masie emitowanych cząstek stałych z uwagi na długi okres ich formowania. Frakcja nielotna określana jest na podstawie zadymienia spalin i w rzeczywistości stanowi masę emitowanej sadzy. Suma frakcji lotnej i nielotnej stanowi całkowitą emisję cząstek stałych.

Stężenie PM [µg/m3]

D [FSN]

Champagne [16]

Hurley [35]

Whyte [108]

Linia trendu

Lotna frakcja cząstek stałych z prekursorów siarkowych

Stężenie siarki występującej w paliwie lotniczym nie może być większe niż 0,3%, natomiast w praktyce nie przekracza 0,1% [9]. W tablicy 3.1 przedstawiono dane doty- czące zawartości siarki w powszechnie wykorzystywanych paliwach lotniczych.

Z uwagi na fakt, że siarka występująca w paliwie ma kluczowe znaczenie w kwestii tworzenia się cząstek stałych, niezbędna jest wiedza o jej zawartości. Na podstawie udziału masowego siarki w paliwach lotniczych, jako wartość wyjściową do obliczeń w procedurze FOA3 przyjęto 0,068%. Podczas spalania paliwa ponad 90% siarki (S

) zawartej w paliwie utlenia się do dwutlenku siarki. Z pozostałej masy siarki powstają inne związki chemiczne wpływające na tworzenie się wtórnych cząstek stałych. Lotna frakcja cząstek stałych jest bezpośrednio związana z konwersją siarki (S

) zawartej w paliwie do siarki (S

), która występuje w spalinach np. jako kwas siarkowy.

Tablica 3.1. Zawartość siarki w paliwach lotniczych [29]

Paliwo Udział masowy siarki [%]

Jet A 0,068

JP-8 0,049

JP-5 0,047

JP-4 0,046

Jet A-1 0,046

JP-TS 0,026

Avgas 100LL 0,005

JP-7 0

Z uwagi na warunki pracy silnika odrzutowego i parametry fizykochemiczne powie- trza w bezpośrednim sąsiedztwie dyszy wylotowej, czas na pełną konwersję siarki wy- stępującej w paliwie do kwasu siarkowego jest niewystarczający. Ze względu na po- wyższy fakt, nie tylko kwas siarkowy (H

SO

) odpowiada za powstawanie cząstek sta- łych z prekursorów siarkowych, ale również inne nieokreślone związki pośrednie za- wierające siarkę. Na potrzeby analitycznego szacowania masy cząstek stałych przyjęto, że związkiem chemicznym będącym ekwiwalentem całkowitej siarki przyczyniającej się do tworzenia cząstek stałych będzie siarczan SO

, którego masa molowa (M

) jest równa 96. Frakcyjna konwersja siarki (ε) do prekursorów lotnej frakcji cząstek stałych jest niewielka, ponieważ zdecydowana większość siarki z paliwa jest utleniana do dwu- tlenku siarki. Wartość ε szacowana jest na poziomie 1–10% w zależności od związków chemicznych występujących w atmosferze. W przypadku procedury FOA3, wartość ε przyjęto na poziomie 3,3%. Badania naukowe wskazują, że powyższe założenie jest słuszne [5, 90, 92].

Na podstawie przyjętych założeń w procedurze FOA3, współczynnik emisji lotnej frakcji cząstek stałych z prekursorów siarki (W

) można wyznaczyć z równania:

[

] (3.1)

gdzie:

u

– udział masowy siarki w paliwie (680 mg/kg), ε – stopień konwersji S

do S

(0,033),

M

– masa molowa siarczanu SO

(96),

M

– masa molowa siarki (32).