Üle Eesti lendavate reisilennukite mõju atmosfäärile

Transcription

1 Tartu Ülikool Looduse- ja tehnoloogia teaduskond Füüsika instituut Bakalaureusetöö keskkonnatehnoloogia erialal Üle Eesti lendavate reisilennukite mõju atmosfäärile Irina Krivonožko Juhendaja: Ph. D. Kalju Eerme Tartu 2008

2 SISUKORD SISSEJUHATUS...3 ÜLEVAADE PROBLEEMIDEST Eesti õhuruum Maa atmosfäär Atmosfääri koostis Atmosfääri ehitus Atmosfääri kihtide ja vahekihtide lühike iseloomustus Standardatmosfäär Osoon Troposfääri osoon Stratosfääri osoon Lennuki mõju atmosfääri osoonile Emissioonid lennukitest Lennukid Lennukite klassifikatsioon Kütuse klassifitseerimine Kütusekulu arvutamine...23 ARVUTUSED JA HINNANGUD JÄRELDUSED...29 KOKKUVÕTE...32 SUMMARY...34 TÄNUAVALDUSED...35 KASUTATUD KIRJANDUS...36 LISAD

3 SISSEJUHATUS Tänapäeval on maailm võtnud suuna globaliseerumise poole. Selle näiteks on Euroopa Liidu moodustamine, vabaturumajandus riikide vahel, piiride mahavõtmine ning EL-u soov suurendada edaspidi viisavaba liikumisega riikide arvu. Sellest kõigest tulenevalt kasvab reisimine, arenevad majandussuhted ja muud kontaktid, mis omakorda suurendavad lennureiside arvu. Eesti võtab samuti osa globaliseerimise protsessist. Eesti õhuruumis lendavad mitte ainult Eesti omad lennukid, vaid seda kasutavad ka paljude teiste riikide lennukid. Keskmiselt lendab läbi Eesti õhuruumi üle 250 välisriikide lennuki päevas. Peale nende siseneb Eesti õhuruumi ja väljub sellest veel teatud arv lennukeid, mis antud töö raames jäävad arvestamata. Käesolevas töös vaadatakse neid reisilennukeid, mis lendavad üle Eesti ülemises troposfääris ja alumises stratosfääris ning hinnatakse kuidas nad mõjutavad ümbritsevat keskkonda. Eriti seda, millist mõju avaldavad lennukite mootoritest väljapaisatud gaasid atmosfäärile. Töö koosneb neljast osast. Esimene peatükk on koostatud Lennuliiklusteeninduse AS ja Eesti Lennukolledži poolt antud informatsiooni ja kirjanduse põhjal ning annab ülevaate üle Eesti kulgevast vahemaandumiseta lennundusest. Siin on toodud statistilised andmed lendude arvu kohta lennukoridoride kaupa ja ülelendude maršruudid. Teine peatükk on koostatud kirjanduse põhjal ja kirjeldab atmosfääri ehitust ja koostist. Tähelepanu pööratakse lennukite mootoritest emiteeritud gaasidele ja nende potentsiaalsele mõjule osoonile. Kolmandas peatükis on kirjanduse põhjal lühidalt esitatud lennukite ja nende poolt kasutatavate kütuste klassifikatsioonid. Nende põhjal saab hinnata, kui palju kulutavad erinevat tüüpi reisilennukid kütust üle Eesti lennates. Vaadatud on nelja põhilist lennukitüüpi. Viimases, neljandas, peatükis arvutatakse ülelendavate lennukite kütusekulud ja nendele toetudes hinnatakse Eesti kohal atmosfääri paisatavate saastegaaside emissioonid. On hinnatud, kui suure osa moodustavad ülelendavate lennukite emissioonid vastavate saasteainete kohalikest maapealsetest emissioonidest. 3

4 ÜLEVAADE PROBLEEMIDEST 1. Eesti õhuruum Eesti õhuruum on Eesti territoorium, sealhulgas territoriaal- ja sisevete ning piiriveekogude Eestile kuuluvate osade kohal asuv õhuruum. Seda õhuruumi läbib arvukalt erisuunalisi lennuliine ehk õhusõidukite jaoks loodud lennukoridore (Lisa 1), mida saab kulgemise suuna ja sihtkohtade järgi eristada alljärgnevalt: Euroopa - Aasia; Euroopa- Venemaa; Üle Balti riikide kulgev põhja-lõuna suunaline liiklus; Transatlantiline - üle Atlandi ookeani kulgev Venemaa ja Ameerika vaheline lennuliiklus. [2,3] Allpool toodud tabelis 1 on aasta lendude koguhulga andmete alusel näidatud lendude arv tihedaima lennuliiklusega liinidel, mis kulgevad üle Eesti. [1] Liin Lendude arv aastas Euroopa - Kaug-Ida Euroopa - Endine NSVL Soome - Euroopa Euroopa - Soome Soome - Vahemeremaad 5692 Endine NSVL - Põhjamaad 3024 Endine NSVL - Vahemeremaad 1819 Kaug-Ida - Põhjamaad 1805 Kaug-Ida - Soome 1064 Endine NSVL - Põhja- Ameerika 856 Aafrika - Soome 855 Tabel 1: Lennuliinid üle Eesti a. Kuna läbi Eesti õhuruumi kulgeb mitu olulist rahvusvahelist lennukoridori, siis läbib iga päev Eesti õhuruumi lennukit. Lennukoridoride summaarseks pikkuseks meie õhuruumis on 81724,4 km. [4,7] Lisas 2 on toodud põhiliste lennukoridoride pikkused Eesti õhuruumis. Sellest tabelist on võetud viis peamist maršruuti selleks, et edaspidi arvutada lennukite kütusekulu. 4

5 Marsruut RANVA - TODNA NEBSI - NOTAR LOGNA - SUDAT VALGA - MOHNI DOBAN - SOKVA Tabel 2: Lennumaršruudid üle Eesti Vahemaa 412,6 km 405,7 km 313,2 km 229,0 km 212,4 km Üheks tihedamini kasutatavaks lennukoridoriks võib pidada nn RANVA TODNA lennutrassi pikkusega 412,6 km, mis kulgeb Lõuna-Saaremaalt üle Kuressaare linna suunaga Narva. Nimetatud trass on peamine lennutee Jaapanist, Lõuna-Koreast ja Hiinast Euroopasse saabuvatele lennukitele. Trassil lendavad reisi- ja kaubalennukid tõusevad õhku Tokiost, Soulist, Pekingist ja Shanghaist ning maanduvad Euroopa suuremates lennujaamades nagu Pariis, London, Frankfurt ja Amsterdam. Pisut harvemini on sihtkohtadeks Zürich ja Kopenhaagen. Sama lennukoridori mööda saabuvad lennukid Lääne-Euroopasse Peterburist. [7] Üle Eesti lendavad paljude rahvusvaheliselt tuntud lennukompaniide, nagu Air France, Lufthansa, American Airlines, British Airways, Aeroflot, Japan Airlines, Finnair, Air China, Air Canada jne lennukid. [7] Suurimaks Eestit ületavaks reisilennukiks on Aasia Euroopa liinil kasutatav Boeing 747, mis võib pardale võtta üle 500 reisija. Enamasti lendavad siit üle siiski Tupolev 154, Boeing 737 ning Airbus 320 tüüpi, keskmiselt kohalised lennukid. [6,7] Läbi Eesti õhuruumi lendas aasta jooksul lennukit, mis on ligikaudu neli korda rohkem kui lendude statistika algusajal aastal. [1] Joonis 1: Ülelendude arv Eesti kohal aa [1,5] 5

6 Rahvusvahelises mõistes on lennuliikluse tihedus Eesti õhuruumis siiski alla keskmise. Näiteks teenindab Lennuliiklusteeninduse AS kuus ligemale lendu, samal ajal kui Inglismaal teenindati näiteks oktoobris a kaht miljonit lendu. [7] 6

7 2. Maa atmosfäär Järgnevalt kirjeldatakse Maa atmosfääri keemilist koostist ja ehitust, selleks, et edaspidi määrata, kuidas lennuliiklus mõjub atmosfääri koostisele. Atmosfäär on planeeti Maa ümbritsev ja tema külge kuuluv ümbriskest. Kogu Maa mass on g, maailmaookeani mass g ja atmosfääri mass g. Seega moodustab atmosfäär planeedi Maa kogumassist alla miljondiku. [8] Atmosfäär on temperatuuri vertikaalse käigu iseloomu põhjal jagatud viieks omaduste poolest erinevaks kihiks. Reisilennukid lendavad neist kihtidest vaid kahes, peamiselt ülemises troposfääris või alumises stratosfääris. Stratosfääri alumistes kihtides on osoonisisaldus palju suurem kui troposfääri ülaosas ning lennukite saasteainete emissioonid mõjuvad kõigepealt just temale. Lennukite peamised emissioonid on kasvuhoonegaasid: süsihappegaas ja veeaur. Nad jahutavad stratosfääri ning see mõjutab osooni osalusel toimuvate keemiliste reaktsioonide kiirust jne. Külmemas atmosfääris tekivad polaarlaiustel kergemini polaarsed stratosfääripilved, mis on osoonikihi kevadise hõrenemise peapõhjuseks. 2.1 Atmosfääri koostis Atmosfääri materjaliks on pika aja jooksul stabiliseerunud koostisega gaaside segu. Atmosfääri praegune koostis on väga erinev esialgse atmosfääri omast ja on selliseks kujunenud elusaine toimel. Ilma fotosünteesiva eluta oleks ka Maa atmosfääris väga vähe hapnikku, nagu seda ongi vähe naaberplaneetide atmosfäärides. Atmosfääri gaasisegu üheks esmaseks iseloomustajaks on keskmine molekulmass. See on segu koostises olevate gaaside molekulmasside kaalutud keskmine ja tema praegune väärtus on 29 (täpsemalt ). Atmosfääri suhtelist koostist väljendatakse kas massi või ruumala järgi. Vastavalt siis, millise osa iga gaas moodustab, kas õhu ühikulisest massist või ühikulisest ruumalast. [8] Gaas Molekulmass Suhteline sisaldus ruumalas, % Lämmastik, N Hapnik, O Argoon, Ar Süsinikdioksiid, CO Neoon, Ne Heelium, He Heelium, He Metaan, CH Krüptoon, Kr Vesinik, H Dilämmastikoksiid, N 2 O Süsinikoksiid, CO Tabelis 3: Kuiva õhu koostis ruumala ja molekulmassi järgi 7

8 Õhus leidub veel veeauru, troopikas mahu järgi kuni 5%, mitmesuguseid tahkeid osakesi nn aerosoole (soolakristalle, jääkristalle, lumehelbeid, tolmu). Põhigaasideks on lämmastik ja hapnik. Kui veel suhteliselt ohtralt sisalduv argoon juurde arvata, siis on üle 99.9 % kuiva õhu ruumalast täidetud. Ülejäänud gaase nimetatakse viimasel ajal lisandgaasideks. Atmosfääris toimuvates keemilistes reaktsioonides ja kiirguse neelamise-taaskiirgamise protsessides on just lisandgaasidel juhtiv osa. Neid nimetatakse vahel ka klimaatiliselt aktiivseteks gaasideks, kuna nende sisalduse muutused atmosfääris avaldavad mõju kliimale. [25] 2.2 Atmosfääri ehitus Joonis 2: Atmosfääri ehitus Maakera ümbritseb õhukiht, mille ülapiir on üsnagi kokkuleppeline. Kõrgusega muutuvad nii atmosfääri koostis kui tema dünaamilised omadused. Umbes 100 km kõrgusel asub nn von Karmani piir, millest alates atmosfäär avaldab väljastpoolt sissetungivatele kehadele olulist mõju. Veidi kõrgemal, umbes 120 km kõrgusel, on turbosfääri ülapiir ehk turbopaus. Sealt kõrgemal on õhk nii hõre, et ei teki turbulentsi. Õhukihi paksus on muutuv: pooluste kohal on ta õhem, ekvaatori kohal paksem. [8] Atmosfääri jagatakse kihtideks, lähtudes mitmest erinevast alusest. Kõige selgemalt avalduvad kihtide erinevused õhutemperatuuri vertikaalses jaotuses, mille alusel eristatakse viis kihti ja neli vahekihti. 8

9 2.2.1 Atmosfääri kihtide ja vahekihtide lühike iseloomustus Atmosfääri kihid kilomeetri kõrguseni koosnevad peamiselt gaaside püsiva koostisega segust ja neid tunneme homosfääri ehk homogeense atmosfääri nime all. Selle piirides jääb õhu keskmine molekulmass muutumatuks. Kõrgemal hakkab see kahanema, kuna kiirgus hakkab järjest enam molekule aatomiteks lammutama. Selle protsessi nimi on fotodissotsiatsioon. Kõrgusi, millistel keskmine molekulmass pidevalt kahaneb, nimetatakse heterosfääriks. [8] Õhu tihedus ja rõhk kahanevad kõrguse kasvades sujuvalt eksponentsiaalse seaduse järgi. Keskmiselt iga 16 kilomeetriga muutub õhk kümme korda hõredamaks. Erinevalt tihedusest ja rõhust, käitub atmosfääri temperatuur vertikaalsihis iseäraselt, ta kord kahaneb kord kasvab jõnksuliselt. See iseäralik käik on määratud energeetikaga. Temperatuur on kõrgem seal, kus õhk saab rohkem energiat ja madalam seal, kus ta saab vähem või ei saa üldse. Eespool toodud kõige enam tuntud atmosfääri kihtideks jagamine ongi tehtud temperatuuri vertikaalse käigu alusel. [8,25] Troposfäär paikneb vahetult maapinna kohal, kõrguste vahemikus 0-11 km. See kiht sisaldab ligikaudu 80% kogu maakera ümbritsevast õhu massist. Troopikavööndis küünib troposfäär km kõrguseni, polaarjoone taga piirdub aga 8-9 km kõrgusega. Kogu inimtegevus toimubki põhiliselt seal. Troposfääri peamine tunnus on õhutemperatuuri langus vertikaalsuunas. See langus võib olla väga kiire, kuid ka aeglasem, erandjuhtudel võib temperatuur mingis kõrguste vahemikus jääda muutumatuks või isegi hakata tõusma. Troposfääris lendavad peamiselt alahelikiirusega lennukid. [25] Tropopaus on vahekiht troposfääri ja stratosfääri vahel. Tema kõrgus on muutuv: polaaralade kohal on see 8-10 km, keskmiste geograafiliste laiuste kohal km, ekvaatori kohal km. Umbes 0.5 km paksune kiht. Tema iseloomulikuks tunnuseks on õhutemperatuuri languse lõppemine või selle languse vähenemine. Tropopausis esineb reeglina lokaalne temperatuurimiinimum. Troopilise tropopausi temperatuur on reeglina oluliselt madalam, kui see on kesklaiustel ja pooluse lähistel. Troopilise tropopausi temperatuuri tüüpiline väärtus on - 83 o C, mujal aga keskmiselt -53 o C. Tropopaus on sageli pilvede ülemiseks piiriks. [25] Stratosfääri alumises osas jääb õhutemperatuur muutumatuks (keskmiselt -56,5 o C), ülemises osas tõuseb ta pikkamööda kuni väärtuseni -1 0 o C. Tema kõrgus keskmiselt on km. Stratosfäär neelab suure osa päikese ultraviolettkiirgusest ja soojeneb selle arvel. 23 km kõrgusel on kõige rohkem osooni õhu ruumalaühikus. Osooni kontsentratsioon on aga suurim 9

10 stratopausi kõrguse lähedal. Sellepärast seal ka kõrgeim temperatuur. Stratosfääris lendavad peamiselt ülehelikiirusega lennukid. [25] Sratopaus on vahekiht stratosfääri ja mesosfääri vahel, umbes 51 km kõrgusel. Mitu kilomeetrit paks. Selles kihis lõpeb õhutemperatuuri tõus ja algab uuesti langus. Stratopausi temperatuur on keskmiselt 0 o C (ehk 273 K) lähedal, kuid võib osutuda ka kuni 30 o C võrra soojemaks või külmemaks. [8, 25] Mesosfäär on järgmine kiht atmosfääris, kus õhutemperatuur pidevalt langeb, sõltudes aastaajast, ning ülemisel piiril saavutab väärtuse ligikaudu 90 o C, suvel isegi o C. Õhk on siin väga hõre. Mesosfääri kõrgus piirdub suvel umbes 85 km-ga, talvel on aga ligi 100 km. [25] Mesopaus on vahekiht mesosfääri ja termosfääri vahel. See on kõige külmem kiht atmosfääris. Mesopausi kõrgus sõltub hoopis enam aastaajast kui tropopausi ja stratopausi kõrgus. Seejuures väärib eraldi märkimist, et talvel on mesopaus soojem ja kõrgemal. Suvine mesopaus paikneb km vahemikus, talvine aga keskmiselt 100 km kõrgusel. Mesopausi temperatuur on talvel vähemalt 50 o C võrra kõrgem kui suvel. Suvine temperatuur langeb kohati kuni 160 o C tasemele. Selline esmapilgul paradoksaalne olukord tuleneb atmosfääri dünaamikast. Nimelt moodustab mesosfääri ja mesopausi energiavarustuses kiirgus vaid poole. Teise poole moodustab mehaaniline energia, mis kantakse sinna troposfääris genereeritud lainete leviga. Nii lainete genereerimise kui nende vahepealsetest kihtidest läbipääsu võimalused on oluliselt suuremad talvel. Hõredamasse õhku levivate lainete amplituudid kasvavad järjest kuni nad lõpuks murduvad sarnaselt mere murdlainetega ja nende energia muundub läbi turbulentsi soojuseks. Lainetest vabanenud energia tekitab suvel ka õhu vertikaalse ülesvoolu. Adiabaatilise paisumise tõttu see õhk jahtub, mis ongi suvise mesopausi madala temperatuuri põhjuseks. [8,25] Termosfääris tõuseb õhutemperatuur pidevalt. Tema kõrgus on keskmiselt km. Alates umbes 112 km muutub temperatuur positiivseks ning kihi ülemisel piiril ulatub kuni 2000 o C. Temperatuur tõuseb pidevalt termosfääri alaosas. Kõrgemal jääb ta enam-vähem konstantseks. Päikese aktiivsuse maksimumide ajal on termosfääri temperatuur mitmesaja kraadi võrra kõrgem kui aktiivsuse miinimumide ajal. Termosfääris muutub õhk kõrguse kasvades järjest enam ioniseeritumaks ja neutraalse õhu koostises domineerivad molekulide asemel järjest enam aatomid. Põhiliselt toimub termosfääri piires hapniku molekulide lagunemine aatomiteks. Lämmastiku molekulid on seotud tugevama sidemega ja nende lagunemine toimub termosfääri 10

11 alumises pooles hapniku kaasabil. Moodustub arvestataval määral lämmastikoksiidi NO, millest omakorda tekib kiirguse mõjul ohtralt positiivseid NO ioone. [8,25] Termopaus on termosfääri ja eksosfääri vahel, umbes 800 km kõrgusel. Eksosfäär on viimane kiht, mis paikneb kõrgusel km. Maa atmosfääri ja planeetidevahelise kosmilise ruumi piiriks loetakse kõrgust 500 km. Maa atmosfääri tavalise koostisega õhk puudub, seal on juba planeetidevaheline gaas kontsentratsiooniga kuni 1000 aatomit 1 km³-s. Gaasi aatomid liiguvad kolossaalse kiirusega ning võivad lahkuda maailmaruumi. [8,25] 2.3 Standardatmosfäär Maakera atmosfääri igas punktis on erinev õhurõhk, õhutemperatuur, tuule kiirus ja suund, õhuniiskus jne. Selleks, et erinevate punktide ilma võrrelda, on kasutusele võetud standardatmosfääri mõiste. Standardatmosfääriks loetakse üle laiuskraadide ja pikkuskraadide keskmistatud atmosfääri tingimusi ehk standardtingimusi. Nulltasandiks on merepind. Selline taust osutub otstarbekaks tingimuste omavahelisel võrdlemisel. Konkreetselt päris atmosfääris ei tarvitse standardatmosfääri tingimused kusagil esineda. Kasutatakse ka teisi standardatmosfääri lähedasi referentse nagu troopiline atmosfäär, suvine ja talvine polaaratmosfäär või suvine ja talvine subboreaalne atmosfäär. [21] Õhutemperatuur + 15 o C Õhurõhk 1013,25 hpa (mb) ehk 760 mmhg Õhutihedus 1,225 kg/m³ Õhutemperatuuri vertikaalne gradient 11 km kõrguseni 0,65 o C 100 m kohta Vaba langemise kiirendus 9,8 m/s ² Tabel 4: Standardatmosfääri põhikarakteristikud merepinna tasemel Standardatmosfääri tingimused vastavad atmosfääri keskmisele seisundile laiusel 45 o kõrguste vahemikus 2 m allpool merepinda kuni atmosfääri ülemise piirini. Standardatmosfäär kirjutab ette ka kõigi suuruste vertikaalsed käigud, millest juhinduda anomaaliate detekteerimisel. [21] 11

12 2.4 Osoon Osoon (kreeka keeles ozün - lõhnav ehk trihapnik ) on looduses esinev gaas, mis koosneb hapniku aatomeist. Teda kutsutakse ka aktiivhapnikuks tänu tema eriti tugevale oksüdeerimisvõimele. Osoon on kolmeaatomiline hapniku molekul, mille keemiline sümbol on O 3. [9] Ta on iseloomuliku terava, veidi kloori meenutava lõhnaga sinakas, suhteliselt ebapüsiv gaas, mille sulamistemperatuur on -192 o C ja keemistemperatuur 112 o C. Ta lahustub vees paremini kui dihapnik. Osoon laguneb kergesti di- ja monohapnikuks. [10] O 3 + hν O + O 2, O + O 3 O 2 + O 2. [8] Osoon hakkas tekkima siis, kui vees olnud fotosünteesivad ainuraksed olid atmosfääri saatnud piisavalt hapnikku. Ilma selleta poleks elu maismaal osutunud võimalikuks. Põhiosa osoonist asub kilomeetri kõrgusel, enamasti siiski km juures. Seal on tema sisaldus kuni 1000 ppb (osakest miljardi osakese kohta) ja kujuteldava puhtast osoonist koosneva kihi paksus on normaaltingimustele taandatult 0,2-0,7 cm. Praegune osoonisisaldus troposfääri alumiste kihtide õhus on umbes kolm korda suurem kui see oli XIX sajandi lõpus. [8,25] Kesklaiustel on stratosfääri osoonikihi paksus suurim varakevadel, sügiseks langeb see miinimumini ja talve jooksul tõuseb tasapisi taas maksimaalse väärtuseni. Osooni tekib kõige enam troopilistel laiustel, kust siis atmosfääri meridionaalne tsirkulatsioon kannab teda pooluste suunas suvel ja talvel erineva intensiivsusega. Osoonikihi efektiivse paksuse iseloomustamiseks kasutati varem sentimeetreid, viimasel ajal aga nn Dobsoni ühikuid (DU) ehk atmosfääri millisentimeetreid. Need iseloomustavad arvud näitavad, kui paksu kihi osooni saaks kõigi tema atmosfääri vertikaalses sambas olevate molekulide toomisel nn normaaltingimustele. Ekvaatori lähistel on see paksus DU. Põhjapoolkera polaarlaiustel on maksimaalseks väärtuseks registreeritud 675 DU. [8] Eesti kohal on suvekuudel osoonikihi efektiivne paksus 350 DU lähedal. Kevadel küünib see 450 DU ümbrusesse, kuid just kevadel esineb praegu sageli varasemast keskmisest väiksemaid väärtusi. Aasta esimese 100 päeva jooksul on praegusel ajal osoonikiht meie laiuskraadil märgatavalt häiritud. Sügisel (oktoobris-novembris) langeb osoonikihi paksus veidi alla 300 DU. [8] Kõige õhem osoonikiht (90 DU) on registreeritud Antarktika osooniaugus. Osooniaugu tekkimiseks on vaja, et oleks polaaröö, stratosfääri õhk nii külm, et tekivad külmunud lämmastikhappe trihüdraadi kübemetest koosnevad polaarsed stratosfääri pilved. Nende pilvede osakeste pinnal toimubki suur osa osooni lagunemist põhjustavatest keemilistest reaktsioonidest. Sageli esinevad osoonikihi paksuse 150 DU lähedased väärtused ka ekvaatori lähistel intensiivse äikese ja stratosfääri tungivate vertikaalsete õhuvoolude tsoonides. [8] 12

13 Osooni põhiliseks ülesandeks on kaitsta elu maakeral liigse ultraviolettkiirguse eest. Tema neelav mõju ultraviolettkiirgusele kasvab kiiresti kiirguse lainepikkustel alla 320 nm ja lainepikkusega alla 290 nm päikesekiirgus maapinnani peaaegu üldse ei jõua. [11,25] Mida lühem on ultraviolettkiirguse lainepikkus, seda suurem on kahju, mida ta võib põhjustada kõigele elavale, ning seda paremini neelab teda osoonikiht. Suhteliselt lühikese lainepikkusega ultraviolettkiirgus, mida tuntakse UV-C ( nm) nime all, on kõigele elavale surmavalt kahjulik, kuid osoonikihis praktiliselt täies ulatuses neeldunud ja tagasi peegeldatud. Pikema lainepikkusega ultraviolettkiirgus UV-A ( nm) on suhteliselt kahjutu ning selle laseb osoonikiht peaaegu täielikult läbi. Nende vahele jääb keskmise lainepikkusega kiirgus UV-B ( nm), mis on ka ohtlik, ning ka sellest neelab osoonikiht või peegeldab tagasi suurema osa. [12] Osoonikihi hõrenemine võib olla põhjustatud nii looduslike protsesside kui ka inimtegevuse poolt. Looduslikku saastatust põhjustavad metsatulekahjud, vulkaaniline tegevus jne. Inimtegevus mõjutab osoonisisaldust atmosfääris fossiilkütuste põletamise, energiamahuka tootmise ja transpordiga. Osooni hävimise peasüüdlased on ikkagi sünteesitud keemilised ühendid freoonid ja halonid, mis troposfääris on inertsed ja kahjutud, kuid stratosfääris lagunevad UV-kiirguse toimel ja neist vabanevad halogeenide Cl, Br aatomid on osoonile ohtlikud. Sedagi mitte alati, vaid siis, kui NO, NO 2 kontsentratsioonid osutuvad ebatavaliselt väikeseks. Antud töös vaadatakse ainult antropogeenset saastatust, konkreetselt lennukite mõju atmosfäärile ja mõnevõrra ka osoonikihile. Viimasel ajal on märgatud olulist osoonikihi õhenemist ja osooniaugu teket, millele aitavad lisaks looduslikele teguritele (talvine külm polaaröö) kaasa ka üleheli- ja alahelikiirusega lennukid, paisates stratosfääri osooni lagundavaid gaase. Kahjuks antud töös ei arvutata lennukite emissioonide otsest mõju osoonile, sest see on bakalaureusetöö raamide jaoks liiga mahukas Troposfääri osoon Maapinnalähedane ehk troposfääri osoon on oluline atmosfääri saasteaine, mille liigset tekkimist tuleb pidurdada. Kogu atmosfääris olevast osoonist paikneb troposfääri piires 10 %, kuid Euroopa kohal kasvab tema sisaldus praegu ligi 1.5 % aastas. Üldine troposfääri osoonisisaldus on, võrreldes üleeelmise sajandi lõpu olukorraga, kasvanud ligi kolmekordseks. Selle põhjuseks on vingugaasi, süsivesinike ning lämmastikoksiidi juurdekasv õhus transpordi massilise saaste tõttu. Troposfääris on lämmastikoksiidid ühed peaosalised osooni tekkeprotsessis. [8] Troposfääris osoon on tugev oksüdeerija: 13

14 O 3 + SO 2 SO 3 + O 2, 2 NH O 3 NH 4 NO O 2 + H 2 O, H 2 S + O 3 SO 2 + H 2 O [14] Stratosfääri osoon Ligikaudu 90% atmosfääri osoonikogusest paikneb stratosfääris. Seal moodustab osoon osoonikihi, mis kaitseb Maa elustikku Päikeselt lähtuva rakke hävitava ultraviolettkiirguse eest. Tema kontsentratsioon stratosfääris on mitu korda suurem kui troposfääris ja tema hulk hakkab kiiresti kasvama tropopausist alates. [16,17] Osoon tekib kõige intensiivsemalt stratosfääri ülakihtides troopikavööndi kohal. Kiirguse neeldumine osoonil ongi põhjuseks miks stratopausi kihi temperatuur nii kõrge on. Stratosfääri õhuringlus ehk nn Brewer-Dobsoni tsirkulatsioon kannab teda sealt madalamale ja pooluse suunas, kus osooni molekulidel on paremad väljavaated ellu jääda. See tsirkulatsioon toimub talvisel poolaastal ja on aastast-aastasse erineva intensiivsusega. Mõnel aastal kantakse suuremate laiuskraadide kohale rohkem osooni, teisel aastal vähem. [8] Kõige rohkem lennukimootoritest emiteeritud saasteaineid paiskub just otse tropopausi kõrgustele ja stratosfääri alaossa. Seal toimub kuni 80% osoonikihi lagunemisest katalüsaatorite kaasabil. Katalüsaatorid on ühendid, mis osalevad O 3 tagasi O 2 -ks regenereerivas protsessis, kuid lõppproduktidesse endast jälgi ei jäta. [13] Alles aastal jõuti järeldusele, et stratosfääri osooni tasakaalus peab oluline osa olema katalüütilistel reaktsioonidel. Ühtlasi pakkusid J. Hampton ja B. Hunt katalüsaatoriks hüdroksüüli radikaali OH, mis toimiks järgnevalt: OH + O 3 HO 2 + O 2, HO 2 + O 3 OH + 2O 2. [8] Praeguste teadmiste kohaselt langeb OH arvele umbes 50 % stratosfääri osooni katalüütilisest lagunemisest. Järgmise katalüsaatorina pakkus P. Crutzen aastal välja NO: NO + O 3 NO 2 + O 2, NO 2 + O NO + O 2. [8] Lämmastikoksiidi kui katalüsaatori ilmumine vallandas süüdistused lennunduse vastu, mis osalt pole kadunud tänini. Praeguste teadmiste kohaselt tuleb lämmastikoksiidide arvele alla 20 % osooni katalüütilisest lagunemisest. [8] 14

15 Kaks sõltumatut uurijate tandemit F. S. Rowland ja M. J. Molina ning R. S. Stolarski ja R. J. Cicerone pakkusid osooni lagunemist põhjustavate katalüsaatoritena halogeenid kloori ja broomi. Siin vaadatakse ainult reaktsioone klooriga kuna broomi omad on täpselt samasugused: Cl + O 3 ClO + O 2, ClO + O Cl + O 2. [8] Halogeenid põhjustavad kokku umbes 30 % osooni lagunemisest, kuid suure antropogeense panuse tõttu on just nemad osoonikihi häirete peapõhjuseks. [8] Lennuki heitgaaside mõju atmosfääri osoonile Lennukimootorite iseärasuseks õhu saastamise mõttes on see, et saasteained heidetakse peamiselt kõrgetesse õhukihtidesse. Nagu oli eespool öeldud, lendavad lennukid peamiselt 9-13 kilomeetri kõrgusel troposfääri ja stratosfääri kihtides. Kuna neid kaht atmosfääri kihti iseloomustatakse erinevate dünaamiliste režiimidega ja fotokeemiaga, siis lennukite heitgaaside jaotust nendes kihtides tuleb vaadelda, hinnates eri heitgaaside mõju atmosfääri osoonile. Nende jaotuse määramine kummaski atmosfääri kihis sõltub tropopausi kõrgusest ja paksusest, aga ka tropopausi saasteainete sisaldusest koostisest. Tõenäoliselt just sageneva lennuliikluse tõttu on tropopaus viimastel kümnenditel muutunud saastatumaks. [18,19] Nende küsimuste selgitamine vajaks mahukamat ja põhjalikumat analüüsi kui bakalaureusetöö tingimused seda võimaldavad. Joonis 3: Lennukite emissioonidega seotud protsessid 15

16 Lennukikütuse keemilised põlemisproduktid paiskuvad välja põlemiskambrist ja lennuki järel tekivad inversiooni jäljed (ingl. condensation trail ehk contrail). Jälg koosneb peamiselt kondenseeruvast veeaurust. Selline jälg on gaasiline osakeste juga, mis on moodustatud kütuse põlemise abil, mis omakorda toimub tänu keemilistele ja dünaamilistele protsessidele. Selle tulemusena mõned väljapaiskuvatest osakestest ja gaasidest reageerivad atmosfääris leiduvate looduslike ning antropogeense tekkega keemiliste ühenditega ja muudavad osooni sisaldust Maa atmosfääris. [19] NO ja teiste gaaside väljapaiskumine alahelikiiruse- ja ülehelikiirusega lennukitest, mis lendavad ülemises troposfääris ja madalamas stratosfääris, võivad märkimisväärselt muuta osoonikihi koostist. [19] Tänu Rahvusvahelise Meteoroloogia Organisatsiooni WMO UNEP (Ühinenud Rahvaste Keskkonnaprogramm) (1995) uuringute tulemustele on võimalik hinnata nii kvaliteedi kui kvantiteedi seisukohalt, kuidas lennukite erinevad heitgaasid mõjuvad atmosfäärile. [19] Emissioonid lennukitest Lennukite peamiseteks saasteaineteks on gaasid ja tahked heitmed, mis osutuvad veeauru jaoks kondensatsioonituumadeks ja kutsuvad esile pilvisuse suurenemise. Õhu läbipaistvust vähendab ülehelikiirusega lennukitest stratosfääri muidu väga kuiva õhku heidetav veeaur. Lennukitest peamiste väljapaiskuvate gaaside hulka kuuluvad süsihappegaas, lämmastikoksiidid, vääveldioksiid jne. Heitgaaside emissioone iseloomustatakse kokkuleppeliselt emissiooniindeksitega, mis näitavad kui palju mingit saasteainet tekib ja satub atmosfääri ühe kg põletatud kütuse kohta. Põhiliste heitgaaside emissiooniindeksid on toodud lisas 3. [18] Veeaur Süsinikdioksiid (CO 2 ) ja veeaur (H 2 O) on peamised reaktiivkütuse põlemisproduktid (emissiooniindeksid vastavalt CO 2, ja H 2 O jaoks 3.15 kg/kg ja 1.23 kg/kg põletatud kütuse kohta). Antud alahelikiirusega lennukite emissioonid võivad lokaalselt muuta osoonisisaldust mitme protsendi võrra. Kuid tulevane ülehelikiiruseline lennundus, mis laseks heitegaase välja suuremates kõrgustes, võib muuta märkimisväärselt ümbritsevat H 2 O taset. [19] Suurem osa veeaurust paiskub troposfääri alahelikiirusetega lennukitest, kust see kiiresti, 1-2 nädala jooksul, väljub sademete kujul. Väiksem osa veeaurust paisatakse alumistesse stratosfääri kihtidesse, kus see võib pikema aja jooksul koguneda. Lennukitest emiteeritud veeauru püsimine stratosfääris on võrreldes troposfääriga pikem, mitu kuud või isegi aasta. Veeauru sisalduse suurenemine nendes kihtides võib omada kahte efekti: otsene mõju kiirgusele, 16

17 mis mõjutab kliima muutust, ja stratosfääri osoonisisalduse keemiline muutus, mida põhjustab polaarsete stratosfääri pilvede tekke sagenemine. [19] Veeaur, mis on koos teiste põlemisjääkidega paisatud välja lennukimootoritest, võib tunduvalt suurendada stratosfääri niiskust. M.-L. Chanini (1993) andmeil ilmneb veeauru sisalduse kasv mitme keemilise protsessi intensiivistumise, mitte tema enese kuhjumise kaudu. Veeauru hulga suurenemise tõttu tekib rohkem hüdroksüüli radikaale, mis omakorda võivad reageerida atmosfääris leiduvate molekulidega, sealhulgas ka osooni molekulidega: O 3 + OH HO 2 + O, HO 2 + O OH + O 2, kokku O 3 + O 2O 2. [13] Inversiooni jäljed Lennukimootoritest emiteeritud veeauru panus, mis on troposfääris, võrreldes stratosfääriga suhteliselt väike, viib lennuki inversioonijälje moodustumiseni. Sõltuvalt lennuki inversiooni jälje koostisosadest võivad veeaurust kondenseerunud osakesed toimida pinnana erinevate heterogeensete reaktsioonide jaoks, sõltuvalt ümbritseva atmosfääri koostisest ja temperatuurist. Hinnanguliselt katsid aastal lennukite joonekujulised inversiooni jäljed keskmiselt 0,1% taevast ja see võiks kuigivõrd soodustada maapinna soojenemist. Vastavalt prognoosidele kasvab aastaks nende jälgedega haaratud pindala kuni 0,5%-ni, kusjuures kasvukiirus tuleneb kahest põhjusest. Lennuliiklus hakkab kasvama peamiselt troposfääri ülemistes kihtides, kus moodustuvad peamiselt jäljed. Teiseks põhjuseks võib olla lennukite kütuse efektiivsuse kasv. Veeauru paiskumine lennukimootoritest soodustab inversiooni jälje moodustumist ning nende jälgede optilised omadused sõltuvad lennuki heitgaasidest tekkivate osakeste koostisest ja ümbitsevas atmosfääris valitsevatest tingimustest. [19] Süsinikoksiidid Süsiniku hapendeist esinevad õhus niihästi süsinikdioksiid (CO 2 ) kui ka süsinikoksiid ehk vingugaas (CO). Süsinikoksiidi esinemine heitgaasis tuleneb kütuses sisalduva süsiniku mittetäielikust põlemisest. Lennuki emissiooni vingugaas (CO) on sama oluline lennukite heitgaas (tema indeksid on 1-2 g/kg ülehelikiirusega lennuki (Concord) jaoks ja 1-10 g/kg alahelikiirusega lennuki jaoks). [19] 17

18 Rahvusvahelise Meteoroloogia Organisatsiooni andmetel moodustas lennunduse emissioonide maht aasta seisuga ligikaudu 0,14 gigatonni (Gt) C aastas ja see vastas umbes 2%-le üldisest antropogeensest süsiniku emisioonist või siis 13% süsinikdioksiidi emissioonist kõigist transpordiallikatest. Vastavalt uuringutele hakkab lennukiemissioonide süsinikdioksiidi maht pidevalt kasvama ja saavutab aastaks 0,23 1,45 Gt tonni C aastas, teisisõnu hakkab moodustama 3% kogu prognoositavast antropogeensest CO 2 emissioonist. Süsinikdioksiidi sisalduse kahekordistumine atmosfääris võiks arvutuslike hinnangute kohaselt põhjustada keskmise temperatuuri tõusu suvel kuni 4 o C ja talvel kuni 17 o C. Selliste hinnangute tulemused sõltuvad muidugi olulisel määral eeldustest, millistest lähtuvalt nad on tehtud. [8,19] Sõltumatult lennukite panusest, ei osale CO 2 vahetult osooni fotokeemias selle ühendi termodünaamilise ja fotokeemilise stabiilsuse tõttu. Süsinikdioksiidi panus võib avalduda kaudselt, tema põhjustatud stratosfääri jahtumise kaudu, mis võib omakorda viia muutusteni atmosfääri termilises kihistuses. Võib suureneda polaarsete stratosfääri pilvede moodustumine ja nende sagedasema esinemise tõttu väheneda osooni kontsentratsioon. [19] Metaan Süsinikdioksiidi kõrval on veel üks oluline süsinikku sisaldav kasvuhoonegaas metaan, mille tekitatud efekt ühe molekuli kohta on umbes 25 korda suurem. Metaani sisaldus atmosfääris on industriaalse perioodi eelsel ajal olnud keskmiselt 0.65 miljondikku mahuosa ja jääaegadel vaid 0.35 miljondikku mahuosa. Praegu on keskmine globaalne metaanisisaldus atmosfääris 1.7 miljondikku mahuosa, põhjapoolkeral isegi üle 1.8 miljondiku. Metaanisisalduse aastane juurdekasv atmosfääris on ligikaudu 1 %. [8] Lennukid otseselt ei emiteeri metaani, kuid temast tekkinud vesi on tähtis. Metaani kontsentratsiooni kasv tingib niiskuse kasvu stratosfääris ja mesosfääris. Osa metaanist neeldub maapinnal, kui osa tõuseb stratosfääri, mis on väga kuiv. Keskatmosfääris toimub järgmine reaktsioon: CH 4 + 2O 2 CO 2 +2H 2 O [13] Lämmastikoksiidid Lämmastikuühendeist on peamised õhu saasteained lämmastikoksiid (NO) ja lämmastikdioksiid (NO 2 ). Keskkonnakaitses on nende ühine tähis NO x. NO x kui põlemisega paratamatult kaasneva saasteaine emissiooni indeks lennukimootoritest on diapasoonis 5 kuni 25 g NO 2 põletatud kütuse kilogrammi kohta. Osooni 18

19 fotokeemia suhtes on NO x kõige tähtsam ja kõige rohkem uuritud komponent. Selle sisaldus lennuki emissioonis on piisav, et mõjutada ülemise troposfääri ja alumise stratosfääri kihte. [19] aasta andmetel suurendas NO x emissioon osooni kontsentratsiooni põhjalaiustel umbes 6% võrra, võrreldes atmosfääriga, mida ei mõjuta lennukite emissioon. Prognoositakse, et aastaks 2050 suureneb antud näitaja umbes 13%-ni. Keskmiselt hakkab mainitud kontsentratsiooni muutus soodustama troposfääri ülakihtide soojenemist. [19] Atmosfääris kujuneva NO ja NO 2 suhte määravad oksüdeerumistingimused. Nendest tuleneb, et öösel, millal oksüdeerijate sisaldus õhus on väike, esineb valdavalt NO. Päeval aga, eriti tugeva päikesevalguse korral, muutub NO kiiresti palju mürgisemaks NO 2 -ks. [18] Väävliühendid Lennukimootoritest atmosfääri paiskuvatest gaasilistest saasteainetest on väävliühendid vähem levinumad, aga, võrreldes teiste ühenditega, põhjustavad kõige mitmekesisemaid kahjustusi. Neist tekkinud väävelhape moodustab kondensatsioonituumi jääkristallide ja veepiiskade moodustumiseks. Keskkonnanõuete tõttu kasutatakse lennukite jaoks võimalikult väävlivaba kütust, kuid absoluutselt pole võimalik väävlist vabaneda. Väävel esineb õhus peamiselt kahe oksiidina gaasilise vääveldioksiidina (SO 2 ) ja kiiresti aerosooli moodustava vääveltrioksiidina (SO 3 ). Kuna enamik väävliühendeist hapendub õhus SO 2 -ks ja seejärel võrdlemisi aeglaselt SO 3 -ks, arvestatakse väävlit õhu saasteainana tavaliselt SO 2 kujul. [18] Stratosfääri kihis, ekvaatori kohal umbes km kõrgusel ja meie laiuskraadidel umbes 18 km kõrgusel, toimuvad reaktsioonid hüdroksüüli radikaaliga, mille tulemusel vabaneb veeaur ja SO 3. Reaktsioonid on nii kiired, et atmosfääris ei leidu peaaegu kunagi märkimisväärsel hulgal HSO 3 : SO 2 + OH HSO 3, HSO 3 + O 2 SO 3 + HO 2, kokku SO 2 + OH + O 2 SO 3 + HO 2. [13] Vääveldioksiidi (SO 2 ) emissiooniindeksid lennukitest on väiksemad kui 1g kg kütuse kohta ehk märkimisväärselt väiksemad, kui eelnevalt kirjeldatud heitegaaside indeksid. Vääveldioksiidi emissioonide esmased potentsiaalsed mõjud on seotud sulfaatsete aerosoolide moodustamisega, mis võivad olla heterogeense keemia toimumise kohaks. [19] 19

20 Aerosoolid Aerosool on tahke aine või vedeliku osakesi sisaldav gaas. Aerosoolid tekivad kas aine pihustamisel või kondensatsioonil, s.t auru muutumisel vedelikuks või tahkeks aineks mingis füüsikalises protsessis või keemilise reaktsiooni käigus. Pihustunud tahked osakesed moodustavad tolmu, põlemisel tekib suits: õhu, kondenseerunud veeauru ja mõnede muude ühendite ning tahkete osakeste hõljuv segu. [18] Aerosooli tekkimist soodustavad mitmed protsessid atmosfääris. Stratosfääris on tüüpiline sulfaatne aerosool, mis koosneb valdavalt mõnekümne kuni mõnesaja nanomeetrise raadiusega väävelhappetilgakestest. Selle aerosooli sisalduse kasvule annab oma küllalt suure panuse lennuliiklus. Lennukid paiskavad aerosoole üsna suurtes koguses ja see on üks põhjustest, miks tekivad lühiajalised kohalikud osooniaugud. [13] Aerosooli optilised omadused ja tervist kahjustav toime sõltuvad oluliselt osakeste mõõtmetest, mistõttu need on üheks õhu saasteaineks olevate aerosoolide rühmitamise aluseks. Viimasel ajal on hakatud tõsist tähelepanu osutama mitmete õhus aerosoolidena esinevate raskmetalliühendite, strontsiumi, vismuti, nikli, vase jms tervist kahjustavale toimele. [18] Atmosfääri aerosool mängib tähtsat rolli nii UV-kiirguse levi kui ka globaalse soojenemise puhul. Ta vähendab atmosfääri läbipaistvust UV-kiirguse suhtes ja töötab seega vastu osooni vähenemisest tingitud maapinnale jõudva UV-kiirguse kasvule. [20] Globaalse soojenemise kontekstis on aerosoolil kahepidine mõju: kui atmosfääris on rohkem aerosooliosakesi, siis neelavad nad rohkem päikeseenergiat ja atmosfäär soojeneb. Teiselt poolt aga tekitab suurem hulk osakesi rohkem pilvi, mis suurendavad päikesekiirguse tagasipeegeldumist, nii et atmosfääri ja maapinnale jõuab vähem päikesekiirgust ning nad jahtuvad. [20] 20

21 3. Lennukid Käesolevas peatükis vaadatakse põhilisi reisilennukite tüüpe seisukohalt, millised mootorid neil on, kui palju nad kasutavad kütust ja kui palju emiteerivad saasteaineid atmosfääri. 3.1 Lennukite klassifikatsioon Õhusõidukeid võib klassifitseerida mitmelt aluselt lähtuvalt. Näiteks võib aluseks võtta mootorite arvu, tiibade kuju, materjali, millest õhusõiduk on ehitatud. Selles töö raames vaadatakse kõigepealt klassifitseerimist mootori tüübi järgi. Mootoriks nimetatakse masinat, mille abil võib pidevalt mingit energiat muuta mehaaniliseks tööks. Energiatüübi kasutamise järgi eristatakse mootoreid: soojusmootorid, hüdromootorid, elektrimootorid, tuulemootorid jm. [22] Lennukimootorid kuuluvad soojusmootorite klassi. Neid kasutatakse lennukites selleks, et luua veojõud, mis on vajalik lennuks. Lennukimootoreid võib jagada veojõu loomise mooduse järgi kolmeks suureks grupiks: kolb-, turbiin- ja reaktiivmootoriga lennukid. Kaasaegsetel lennukitel kasutatakse reaktiiv- ja kolbmootoreid. [22,24] Kolbmootoriks nimetatakse klassikalist sisepõlemismootorit, mida paigaldatakse lennukitele ja muudele lennumasinatele ja mis loovad vajaliku veojõu propelleri pöörlemise abil. Põhimõte on järgmine: kolb pannakse silindris edasi-tagasi liikuma ja see liikumine muudetakse väntvõlli abil pöörlevaks liikumiseks, mida on juba võimalik kasutada mehhanismide käimapanemiseks. Kütuseenergia muutmine mehaaniliseks toimub töökeha gaasi, oleku pideva muutmisega. Neid gaasioleku muutusi kolbmootoris võib jagada viieks iseseisvaks järjestikku toimuvaks protsessiks: sisselask, kokkusurumine, põlemine, paisumine ja väljalask. [22] Reaktiivmootoriks nimetatakse soojusmootoreid, milles kütuseenergia muutub kineetiliseks energiaks, mis voolab mootorist välja gaasijoana ja sellest saadavat reaktsiooni jõudu kasutatakse liikumapaneva jõuna veojõuna. Sellepärast nimetatakse neid otsereaktsiooni - mootoriteks. Reaktiivmootoritest kasutatakse peamiselt kompressoriga turboreaktiivmootoreid ja propelleriga turbomootoreid. Turboreaktiivmootoritega saavutatakse lendamiseks vajalik reaktiivtõuge mootori düüsist väljuva gaasijoa reaktsioonina mootorile ja selle kaudu lennukile. Propelleriga turbomootori kasutamisel annab lendamiseks vajaliku peamise veojõu turbomootori võllile kinnitatud propeller, millele lisandub mootori düüsist väljuva gaasijoa reaktiivtõuge. [22,24] Mootorite hulga järgi eristatakse ühe, kahe ja rohkema mootorite arvuga lennukeid. 21

22 Käesolevaks tööks on valitud neli erinevat klassi lennukit, mis eristuvad omavahel mootorite, tüüpide, kaalu ja kiiruse järgi. Lennuliiklusteeninduse AS andmete järgi on need kõige sagedamini üle Eesti lendavad lennukid. Model Class Weight loaded Engine Cruising speed Boeing /300/400 M (middle) 52,390kg two Pratt & Whitney JTD-9 turbofans of 6575kg thrust each 925km/h at 9145m Boeing /200 H (heavy) 322,050kg four Pratt & Whitney JT9D-3 turbofans of 19,730kg thrust each 958km/h at 9150m Tupolev-154M M (middle) 100,000kg three Soloviev D-30-KU turbofans of 10,591kg thrust each 950km/h Airbus A-300B4-200/B-2 H (heavy) 157,000kg two General Electric CF6-50C turbofans of 23,133kg thrust each 917km/h at 9145m Tabel 5: Kõige sagedamini üle Eesti lendavad lennukid 3.2 Kütuste klassifitseerimine Sisepõlemismootorid, mis on paigutatud lennukitele, moodustuvad veojõu kütuseenergia abiga. Aineid, mida kasutatakse kütuseenergia saamiseks, nimetataksegi kütuseks. Mootorites antud energia gaasilise töökeha abil moodustab mehaanilise töö väljapaiskuva gaasijoa või propelleri pöörlemise näol. [28] Energia eraldumine kütusest võib toimuda keemiliste protsesside tulemustel. Tavalised keemilised kütused (petrooleum, bensiin jms) eraldavad energiat põlemisel kiiresti kulgevas oksüdeerumise protsessis, mille käigus nende keemiline energia muutub peamiselt soojuseks, aga kütus ise gaasitaoliseks produktiks. Tänapäeval on kütuse koostises põlevateks elementideks süsinik ja vesinik. Oksüdeerimise põhimõte seisneb selles, et välised elektronid lähevad põleva elemendi aatomitelt üle oksüdeerija aatomitele. Kütuse aatomid, saades selle tagajärjel positiivse laengu, tõmbuvad negatiivselt laetud oksüdeerija aatomite juurde, milleks on näiteks hapnik, ja moodustuvad oksüdeerimise produkti molekulid süsihappegaas, veeaur, lämmastikoksiidid jne. [27,28] Kütused erinevad aurustumise temperatuuri järgi: aviobensiin aurustub temperatuuride vahemikus o C, aviopetrooleum o C, raske petrooleum o C. Kasutatakse ka bensiini ja petrooleumi segusid. [28] Lennupikkust ja kestvust määratakse eelkõige kütusekulu ja lennurežiimiga (kõrguse ja kiirusega). Igale režiimile vastab teatud kütusekulu ühe kilomeetri või ühe tunni kohta. 22

23 Kütuse mahtu, mis kulutatakse lennuteekonna ühele kilomeetrile, nimetatakse kilomeetri kütusekuluks. Kütuse mahtu, mis kulutatakse lennu ühe tunni jooksul, nimetatakse tunnikuluks. Lisas 4 on toodud erinevate lennukite tunnised kütusekulud. Neid näitajaid arvestatakse lennuki tankimise korral, mis peab võimaldama lennu ettenähtud pikkuse ja kestvuse, kuid vältima ka ülearuse kütuse kaasavedamise. 3.3 Kütusekulu arvutamine Põlemisproduktide koostised ja nende osa heitgaaside üldises koguses on täielikult määratud tehniliste karakteristikute ja lennukimootorite töörežiimidega. Selleks, et arvutada üldist atmosfääri paiskuvate heitegaaside ruumala, on vaja teada ainult iga klassi lennuki varustust (mootorite tüüp, arv ja nende iseloomustus) ning lennukite maršruudikaarti. Nii saab arvutada summaarset aega, kui kaua iga klassi lennuki veedab õhus etteantud trassil. Selleks, et arvutada kütusekulu, on vaja teada aega, kui kaua iga lennuk lendab üle teatud territoriumi ja muidugi tema lennurežiimi. kus S on teepikkus (km), S = v v on lennuki kiirus (km/h) ja t on aeg (h). t t = S v, 23

24 ARVUTUSED JA HINNANGUD Selles peatükis arvutatakse kütusekulu, see tähendab kui palju tarbib kütust iga ülalpool nimetatud nelja tüüpi kuuluv lennuk, lennates üle teatud territooriumi. Teades seda, võib hinnata, kui palju paiskub lennukist välja atmosfääri saastavaid gaase. Aja arvutamine Käesolevas töös ei arvestata temperatuuri ja rõhu muutusi erinevates atmosfääri kihtides, seetõttu saame kasutada ülaltoodud lihtsat valemit. Võttes lennu maršruutide pikkused tabelist 2 ja lennukite andmed tabelist 5, saab arvutada, kui kaua iga lennuk lendab vastavat maršruuti Eesti kohal. Tulemused on toodud tabelis 6: Boeing km/h Boeing km/h Tupolev km/h Airbus km/h 412,629 km 26min 46s 25min 51s 26min 4s 26min 59s 405,698 km 26min 19s 25min 25s 25min 37s 26min 33s 212,354 km 13min 46s 13min 18s 13min 25s 13min 54s 313,185 km 20min 19s 19min 37s 19min 47s 20min 30s 229,010 km 14min 51s 14min 21s 14min 28s 14min 59s Kütusekulu arvutamine Lisas 4 on antud erinevate lennukite kütusekulu tunnis, mille abil saab arvutada, kui palju kütust lennuk tarbib maršruudi läbimisele vastavas ajavahemikus. Selleks on vaja korrutada kütusekulu tunnis ajaga. Tulemused on toodud tabelis 7: Lennukite kütusekulu levinumatel trassidel Kütusekulu tunnis TODNA- NEBSI- DOBAN- LOGNA- VALGA- Lennuk RANVA NOTAR SOKVA SUDAT MOHNI Boeing ,8 t/h 1,25 t 1,23 t 0,64 t 0,95 t 0,69 t Boeing /400 2,6 t/h 1,16 t 1,144 t 0,598 t 0,88 t 0,64 t Boeing ,5 t/h 6,25 t 6,13 t 3,19 t 4,74 t 3,47 t Tupolev 154M 5,3 t/h 2,30 t 2,26 t 1,19 t 1,75 t 1,28 t Airbus ,4 t/h 1,98 t 1,94 t 1,02 t 1,50 t 1,1 t Teades kütusekulu, saab arvutada lennukite tekitatud emissioonid atmosfääri. Iga heitgaasi kohta on need toodud järgmistes tabelites. 24

25 Tabel 8: Veeauru emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,5 kg 1524,2 kg 798,6 kg 1177 kg 861,1 kg Boeing / ,9 kg 1415,3 kg 741,5 kg 1092,9 kg 799,6 kg Boeing ,4 kg 7605,5 kg 3955,6 kg 5879,5 kg 4287,2 kg Tupolev 154M 2852,2 kg 2806,2 kg 1472,1 kg 2168,8 kg 1583,9 kg Airbus ,2 kg 2411,6 kg 1265,8 kg 1866 kg 1364 kg Tabel 9: Süsinikdioksiidi emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,2 kg 3884,27 kg 2035,04 kg 2999,47 kg 2194,30 kg Boeing / ,34 kg 3606,82 kg 1889,68 kg 2785,22 kg 2037,57 kg Boeing ,42 kg 19381,86 kg 10080,4 kg 14983,14 kg 10950,98 kg Tupolev 154M 7268,63 kg 7151,4 kg 3751,55 kg 5526,84 kg 4036,27 kg Airbus ,8 kg 6145,57 kg 3225,73 kg 4755,17 kg 3476 kg Tabel 10: CO emissioon On võetud keskmiseks indeksi väärtuseks 2,25 g 1kg kütuse kohta. Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,81 kg 2,77 kg 1,45 kg 2,14 kg 1,56 kg Boeing /400 2,61 kg 2,57 kg 1,35 kg 1,98 kg 1,45 kg Boeing ,06 kg 13,80 kg 7,18 kg 10,67 kg 7,8 kg Tupolev 154M 5,18 kg 5,09 kg 2,67 kg 3,94 kg 2,87 kg Airbus ,46 kg 4,38kg 2,3 kg 3,39 kg 2,48 kg Tabel 11: Lämmastikoksiidide emissioon Selle emissiooni arvutamiseks on võetud keskmiseks indeksi väärtuseks 11,65g 1 kg kütuse kohta. Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,55 kg 14,32 kg 7,50 kg 11,06 kg 8,09 kg Boeing /400 13,51 kg 13,3 kg 6,97 kg 10,27 kg 7,51 kg Boeing ,81 kg 71,46 kg 37,16 kg 55,24 kg 40,37 kg Tupolev 154M 26,8 kg 26,37 kg 13,83 kg 20,38 kg 14,88 kg Airbus ,07 kg 22,66 kg 11,89 kg 17,53 kg 12,82 kg 25

26 Tabel 12: Vääveldioksiidi emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,25 kg 1,23 kg 0,64 kg 0,95 kg 0,69 kg Boeing /400 1,16 kg 1,14 kg 0,6 kg 0,88 kg 0,64 kg Boeing ,25 kg 6,13 kg 3,19 kg 4,74 kg 3,47 kg Tupolev 154M 2,30 kg 2,26 kg 1,19 kg 1,75 kg 1,28 kg Airbus ,98 kg 1,94 kg 1,02 kg 1,50 kg 1,1 kg Tabel 13: Aerosooli emissioon Selle emissiooni arvutamiseks on võetud keskmiseks indeksi väärtuseks 0,75 g 1 kg kütuse kohta. Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,94 kg 0,92 kg 0,48 kg 0,71 kg 0,52 kg Boeing /400 0,87 kg 0,86 kg 0,45 kg 0,66 kg 0,48 kg Boeing ,69 kg 4,60 kg 2,39 kg 3,56 kg 2,6 kg Tupolev 154M 1,73 kg 1,7 kg 0,89 kg 1,31 kg 0,96 kg Airbus ,49 kg 1,46 kg 0,77 kg 1,13 kg 0,83 kg Üleval toodud tabelites on näidatud ühekordsed lennukite kütusekulud ja emissioonigaasid. Kasutades lisa 5, kus on antud lendude hulgad nädalas igal trassil, saab arvutada palju emissioone paiskub aasta jooksul atmosfääri. Esmalt arvutatakse nädalased emissioonid ja korrutatatkse nad seejärel nädalate arvuga aastas. Lennuliiklus siin eraldi välja toodud neljal maršruudil moodustab ligi 83 % kogu üle Eesti kulgevast reisilennukite liiklusest. Ülejäänud 17 % osas ei olnud alati võimalik tuvastada lennukite marke ja seetõttu on selle osa kohta tehtud hinnangutes kasutatud nn keskmist lennukit ja keskmist trassi pikkust. Tabel 14: Veeauru emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,04 t 6419,92 t 6229,08 t 244,92 t 895,44 t Boeing / ,08 t 5961,28 t 5783,96 t 227,24 t 831,48 t Boeing t 32034,6 t 30853,68 t 1223,04 t 4458,48 t Tupolev 154M 6199,44 t 11819,6 t 11482,64 t 451,36 t 1647,36 t Airbus ,76 t 10157,68 t 9873,24 t 387,92 t 1418,56 t 26

27 Tabel 15: Süsinikdioksiidi emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,52 t 16360,76 t 15873,52 t 623,844 t 2282,28 t Boeing / ,88 t 15191,8 t 14739,4 t 579,28 t 2119 t Boeing ,68 t 81636,36 t 78627,12 t 3116,36 t 11389,04 t Tupolev 154M ,08 t 30121,52 t 29261,96 t 1149,72 t 4197,96 t Airbus ,68 t 25885,08 t 25160,72 t 989,04 t 3615,04 t Tabel 16: CO emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,84 t 11,44 t 11,44 t 0,468 t 1,612 t Boeing /400 56,68 t 10,92 t 10,4 t 0,416 t 1,508 t Boeing ,76 t 58,24 t 56,16 t 2,184 t 8,112 t Tupolev 154M 112,32 t 21,32 t 20,8 t 0,832 t 2,964 t Airbus ,72 t 18,2 t 17,68 t 0,728 t 2,6 t Tabel 17: Lämmastikoksiidide emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,16 t 60,32 t 58,76 t 2,29 t 8,42 t Boeing / ,8 t 56,16 t 54,6 t 2,13 t 7,8 t Boeing ,36 t 301,08 t 289,64 t 11,49 t 41,96 t Tupolev 154M 582,4 t 111,28 t 107,64 t 4,26 t 15,496 t Airbus ,28 t 95,68 t 92,56 t 3,64 t 13,31 t Tabel 18: Vääveldioksiidi emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,14 t 5,179 t 5,04 t 0,21 t 0,73 t Boeing /400 25,22 t 4,78 t 4,68 t 0,18 t 0,68 t Boeing ,82 t 25,84 t 24,91 t 0,99 t 3,59 t Tupolev 154M 49,97 t 9,52 t 9,26 t 0,36 t 1,35 t Airbus ,06 t 8,22 t 7,96 t 0,31 t 1,14 t 27

28 Tabel 19: Aerosooli emissioon Lennuk TODNA- RANVA NEBSI- NOTAR DOBAN- SOKVA LOGNA- SUDAT VALGA- MOHNI Boeing ,28 t 3,9 t 3,74 t 0,146 t 0,541 t Boeing /400 18,72 t 3,59 t 3,48 t 0,135 t 0,504 t Boeing ,92 t 19,396 t 18,67 t 0,738 t 2,704 t Tupolev 154M 37,44 t 7,12 t 6,97 t 0,26 t 0,998 t Airbus ,24 t 6,14 t 5,98 t 0,234 t 0,858 t Viimasena on hinnatud, kui palju emissiooni satub troposfääri ja palju stratosfääri. Siin on edasisteks täpsemateks hinnanguteks vaja teada tropopausi kõrguste jaotumist Eesti kohal. E.- S. Kerneri lõputöös olid toodud tropopausi kõrguse jaotused kuude kaupa graafikutes Joonlaua abil võib teha neist tulpadest ligilähedase hinnangu ja saada, et märtsis on lennukõrgused 19 % stratosfääris, detsembris 13 % ja juulis ainult 0.2 %. See on andmete põhjal, aga eks praegugi ole asi umbes samamoodi. Tabelis 20 on toodud lennukitest emissioonid, mis satuvad stratosfääri. Nad on arvutatud, kasutades tabelit 21, kus on toodud lennukite aastasi emissioone. Ülejäänud emissioonigaasid paiskuvad lennukid peamiselt troposfääri ning tropopausi. Stratosfäär CO 2 SO 2 NOx CO Märts ,77 t 75,27 t 876,76 t 169,16 t Juuli 2503,17 t 0,79 t 9,23 t 1,78 t Detsember ,79 t 51,5 t 599,89 t 115,74 t Tabel 20: Lennukitest aastased emissioonid stratosfääris 28

29 JÄRELDUSED Käesoleva töö eesmärk oli hinnata, kui palju paiskavad üle Eesti lendavad reisilennukid atmosfääri emissioonigaase Eesti õhuruumis. Neid gaase võib käsitleda atmosfääri saasteainetena, mis lisanduvad Eesti maapealse saaste mahtudele. Hinnangu tegemiseks oli vaja teada, kui palju lennukeid lendab Eesti õhuruumis kulgevates lennukoridorides ja mis tüüpi need lennukid on. Mootorite töörežiim ülelennu koridorides ei vasta täisvõimsusele, mida on vaja rakendada õhkutõusmisel. Hinnangute tegemisel on sellega arvestatud ning kasutatud vastavaid andmeid. Saasteainete kogus ja koostis, mida iga lennuki tüüp paiskab atmosfääri sõltub selle lennuki mootorite tüübist ja mootorite arvust. Juba eespool on mainitud, et lennukite tüüpe eristatakse omavahel mootorite arvu, kaalu, klassi ja kiiruse järgi. Vastavaid andmeid on kogutud mitmest allikast. Esiteks on omavahel võrreldud lennukite kütusekulusid. Eesti õhuruumis lendavatest lennukitest on Boeing 747 kõige mahukam, kiirem ja raskem lennuk. Sellest tuleneb, et ta kulutab ka kõige rohkem kütust, umbes 14,5 tonni tunnis ning temast väljub kõige rohkem heitgaase. Tabelist 5 on näha, et Boeingil 747 on neli mootorit. Järelikult ta peab kasutama ka rohkem kütust, võrreldes teiste lennuki tüüpidega. Kõige ökonoomsemad on Boeing /400 tüüpi lennukid. Nendel on kaks korda vähem mootoreid kui Boeingil 747, kuid nad kulutavad kütust umbes 5 korda vähem. Sellest tuleneb, et nende lennukite emissioonid on umbes sama palju kordi väiksemad. Teiseks on võrreldud lennukite kiiruseid, ehk seda kui kiiresti iga lennuki tüüp läbib teatud vahemaa, see tähedab teepikkuse oma lennukoridori Eesti õhuruumis paiknevas osas. Saaste mahud olenevad ajast ja mootorite arvust ning omadustest. Kui eeldada, et mõlematel lennukitel on kaks mootorit, näiteks Boeing 737 ja Airbus A-300 tüüpi lennukitel, siis näeme, et nende kiirused on enam-vähem võrdsed. Kuid nendel kahel lennukitüübil on oluliselt erinevad massid, Boeing 737 kaalub 52 t, kuid Airbus 320 umbes 3 korda rohkem. Järelikult ei saa võtta võrdlemiseks ainult kiirust, sest oluliselt mõjuvad ka teised lennuki omadused. Mootorid ja nende saasteindeksid on erinevad. Kolmandaks on võrreldud heitgaaside suhtelist koostist, see tähendab mitu protsenti moodustab iga huvialune gaas heitgaaside kogumahust. Jooniselt 5 on näha, et kõige rohkem, umbes 71,7%, emiteeritakse lennukite heitgaasidega atmosfääri süsinikdioksiidi. Teisel kohal on veeaur. Need süsinikkütuse põlemise loomulikud lõppproduktid moodustavad ligikaudu 99,6% kõigist lennukitest väljapaiskuvatest gaasidest. Mõlemad toimivad atmosfääris 29

30 kasvuhoonegaasidena. Kõigest 0,4% lämmastikoksiidid, vingugaas ja muud gaasid ning tahked osakesed. kokku moodustavad aerosoolid, vääveldioksiid, Joonis 5: Lennukitest emissiooni kogus Nüüd vaadatakse, palju nendest gaasidest jääb troposfääri ja kui palju stratosfääri. Tabelis 5 on toodud erinevate lennukitüüpi lennukõrgused. Peamiselt kõik nad lendavad ühel ja samal kõrgusel, umbes 9150 m. Peatüki 2.2 põhjal võib määrata, et polaaralade kohal lendavad lennukid alumises stratosfääri kihis, troopikavööndi kohal troposfääris, aga keskmiste geograafiliste laiuste, sealhulgas Eesti kohal, tropopausis ja selle lähedal nii troposfääris kui stratosfääris. Siin on edasisteks täpsemateks hinnanguteks vaja teada tropopausi kõrguste jaotumist Eesti kohal. E.-S. Kerneri lõputöös olid toodud tropopausi kõrguse jaotused kuude kaupa. Suvel paikneb tropopaus üldiselt kõrgemal ja talvel madalamal, seega suvel asuvad lennukõrgused valdavalt troposfääri ülaosas, talvel võib küllalt sageli juhtuda, et lend toimub stratosfääris. [33] Lõpuks on hinnatud, kasutades lisa 5, kui palju gaase emiteerivad üle Eesti lendavad reisilennukid aasta jooksul. Nende emissioonide kogused on antud tabelites Jooniselt 6 on näha, et lennukid, lennates ülal näidatud maršruutidel, paiskavad aasta jooksul Eesti õhuruumi atmosfääri kokku umbes tonni summaarset emissiooni. Joonis 6: Emissiooni kogus aasta jooksul (tonnides) 30

31 Järgnevalt on võrreldud lennukite aastasi emissioone Eesti maapealsete allikate summaarsete emissioonidega. CO2 SO2 NO x CO Emissioon antud lennukitest t 396,14 t 4614,53 t 890,34 t Maapealne emissioon t t t t Lennukite ja maapealse emissiooni suhe Tabel 21: Eesti mõned gaasiliste heitmete kogused [31] 7,88% 0,42% 31,92% 4,25% Sellest tabelist on näha, et suhteliselt kõige suurema panus võrreldes Eesti maapealsetele allikate omaga, annavad lämmastikoksiidid NOx. Loomulikult tuleb arvestada, et hinnangu tegemisel on arvestatud lennukite keskmiste heitgaaside kogustega ja arvesse oli võetud ainult 4 kõige rohkem kasutatavat lennukitüüpi 5 põhilisel üle Eesti kulgeval marsruudil. Siiski ei ole põhjust arvata, et täpsemad hinnangud annaksid oluliselt erineva tulemuse. Veeauru atmosfääri lisanduva panuse arvutamisel on vaja võtta aluseks tropopausi piirkonna keskmine looduslik õhuniiskus, arvutada see veeauru hulgaks ja võrrelda lennukitest väljuva veeauru hulgaga. Kahjuks, see on mahukas eraldi ülesanne, mis ei mahu antud töö raamidesse. Põhiliselt avaldub lisanduva vee mõju kiudpilvede tekke soodustamises troposfääri ülakihtides. Eesti kohal katavad kiudpilved suvekuudel, mil nende hulka on võimalik määrata, keskmiselt 35 % allpool paiknevatest pilvedest vabast taevast. Lennuki järel tekkiv kondenseeruva veeauru jälg on ise sisuliselt pilv, kuid lennukite heitgaasidena troposfääri ülaossa lisanduv veeaur aitab kergemini moodustuda ka tavalisi kiudpilvi. [32] 31

32 KOKKUVÕTE Üle Eesti lendavate reisilennukite mõju atmosfäärile Igasugune transport, sealhulgas lennutransport, kahjustab ümbritsevat keskkonda. Põhiliselt töötab transport süsinikkütuste põletamise baasil ja peamisteks keskkonda kahjustavateks teguriteks on põlemise produktid. Kõigepealt põlemise loomulikud lõppproduktid süsinikdioksiid ja veeaur, mis mõlemad on kasvuhoonegaasid. Enamus veeaurust väljub atmosfäärist sademetena üsna kiiresti, kuid stratosfääri sattunud veeaur võib seal üsna kaua püsida. Süsinikdioksiid väljub atmosfäärist peamiselt sel teel, et rohelised taimed kasutavad seda bioproduktsioonil. Järjest enam atmosfääri lisanduvast süsinikdioksiidist jääb aga taimede poolt kasutamata ja selle kogus atmosfääris kasvab. Tänapäeval on palju programme, strateegiaid ja seadusi, näiteks Kyoto protokoll, mis on suunatud kahjuliku mõju vältimisele või vähemalt vähendamisele. Tänapäeval annavad õhusõidukid maailma ulatuses umbes 13 % kogu olemasoleva transpordi süsinikdioksiidi saastest. Reisiennukid lendavad peamiselt ülemises troposfääris ja alumises stratosfääris, ning just nendele atmosfääri kihtidele teevad nad kõige rohkem kahju. Lennukitest peamiste väljapaiskuvate gaaside hulka kuuluvad veeaur, süsihappegaas, lämmastikoksiidid, vääveldioksiid jne. Käesoleva bakalaurusetöö eesmärgiks oli selgitada, kuidas reisilennukitest paiskuvad emissioonigaasid mõjutavad atmosfääri Eesti kohal ja kui suur on lennukite põhjustatud saaste, võrreldes Eesti maapealsete saasteallikate omaga. Peamised küsimused, millele vastust otsitakse on, kui palju tarbib iga lennuk kütust läbides meie õhuruumi, kui palju tarbivad seda kõik Eesti õhuruumi läbivad lennukid kokku ning kui palju emissioone paiskavad nad atmosfääri Eesti kohal asuvas õhuruumis. Antud eesmärgi täitmiseks tuli kõigepealt koguda andmed nende reisilennukite, mis kõige sagedamini lendavad üle Eesti, kütuse tarbimise ja heitgaaside koostise kohta ja maršruutide kohta, mille kaudu nad läbivad eesti õhuruumi. Lisaks sellele on töö esimestes peatükkides antud lühike ülevaade atmosfääri koostisest ja ehitusest. Selles kirjeldatakse peamisi atmosfääri kihte, ning hinnatakse millistele kihtidele teevad lennukid kõige rohkem kahju. Töö käigus selgus, et kõige rohkem emiteeritakse lennukitest süsinikdioksiidi ja teisel kohal on veeaur. Need kaks kasvuhoonegaasi võivad tunduvalt muuta atmosfääri koostist, põhjustada maapealsete kihtide soojenemist ja stratosfääri jahtumist ning polaarsete stratosfääripilvide tekke sagenemist. Lisaks nendele gaasidele emiteerivad õhusõidukid 32

33 väiksemates kogustes lämmastikoksiide, vääveldioksiidi, vingugaasi ning aerosoole, kuid osoonikihi jaoks on nendel emissioonidel oluline tähtsus. Samuti ilmneb antud töö järeldustest see, et meie laiuskraadidel paiskavad lennukid saasteaineid peamiselt tropopausi ja selle lähedastesse kihtidesse. Üheks tagajärjeks võib olla see, et emissioonide kasv võib viia tropopausi temperatuuri tõusmisele. Loomulikult tuleb mainida seda, et uuritud lennukid annavad võrreldes maapealsete heitmekogustega suure panus eriti NOx osas. Käesolevas töös tehtud lihtsad kütusekulu leidmise ja emissioonide arvutused ei võta arvesse ilmastikutingimuste muutusi (temperatuur ja rõhk), mis kirjandusest leitud hinnangutel siiski tulemusi väga palju ei mõjuta. Sellegipoolest tasuks antud teemat edasi uurida ning lennukite mõju atmosfäärile põhjalikumalt analüüsida. 33

34 SUMMARY The influence on the atmosphere by civil aircrafts flying through Estonia Irina Krivonozhko The greenhouse gases damage the atmospheric environment. Today there are many programmes, strategies and acts, for example Kyoto Protocol, which are directed on the reduction of the harmful influence. The major sources of pollution are the production of energy and transport, including aviation. Civil aircrafts basically fly in the upper troposphere and the lower stratosphere and harm these atmospheric layers mostly. The main aircrafts emissions are water vapor, carbon dioxide, nitrogen oxides, sulfur dioxide, aerosols, etc. The aim of this bachelor s work is to explain how aircrafts emissions influence on the atmosphere of Estonia. The two main questions are discussed in the work. The first one is how much fuel an airplane burns while it passes through the air space of Estonia. The second question is the amount of emissions an airplane sends out into the atmosphere. In order to define the above-mentioned things, it is necessary to become acquainted with civil aircrafts, which fly through Estonia most, and with their route maps. In the present work a short review of the atmosphere s composition and structure is given. A special attention is paid to the atmosphere layers that are subject to harm most, especially to the ozone layer that is very important for the climate changing. The analysis has shown that carbon dioxide and water vapor are the most frequent gases which aircrafts emit. These two gases can significantly change the composition of the atmosphere causing the heating of the lower atmospheric layer, which has a drastic effect on the climate change. One of the results got during the work is that in our geographical latitude the civil aircrafts basically send out emissions into the tropopause and the troposphere and stratosphere that are contiguous to the first one. The growth of emissions can lead to the heating of the tropopause. In the present work a simple calculation of the expenditure of fuel and emissions is done. In the future it will be good to research and analyze the discussed issues in more detail in order to get precise results. 34

35 TÄNUAVALDUSED Tänud dr. Kalju Eermele, kes viis mind kokku huvitava ja vajaliku uurimisteemaga ning kelle juhendamisel valmis käesolev töö. Lisaks suur tänu Tartu Lennukolledži raamatukoguhoidjale Lilia Ingelile, kes aitas raamatute otsimisel. Samuti suur tänu AS Lennuliiklusteeninduse lennuandmete osakonna juhataja (The Chief of Flight Data Section) Svetlana Gorpintšenkole koostöö ja materjalide kasutamise võimaldamise eest. 35

36 KASUTATUD KIRJANDUS 1. Hanson, M., Eesti õhk on Euroopa ja Aasia ristmik, Äripäev, Riigi Teataja, Lennundusseadus, Lennujuhtimine, Lennuliiklusteenindus AS, viimati uuendatud Mardiste, P., Eesti transpordisektori areng ja keskkond, Juuni Lind, P., Transport, viimati uuendatud Niitra, N., Lennuk, ae! Kust tuled ja kuhu lendad?, Postimees, Lember, A., Saaremaa taevast läbib aastas lennukit, Oma Saar, Eerme, K., Sissejuhatus geofüüsikasse, Tartu, 1997, lk 75-83, Mis on osoon?, Radolain OÜ, viimati alla laetud Pleijel, H., Ökoloogia raamat, Tallinn, 1993, lk Veismann, U., Päike, osoonikiht ja inimene, Tallinn, 2007, lk Osoon ja osoonikiht, Keskkonnaministeerium, viimati alla laetud Osoonikihi olukord ja seda mõjutavad tegurid, Uurimistöö, viimati uuendatud Parts, T.-E., Keskkonnakeemia alused, Truumaa, I., Mis on osoon, viimati uuendatud Sepp, S., Kas osoon on hea või halb?, Äripäev, Post, P., Meteoroloogia ja kliimatoloogia I, õppematerjal, viimati uuendatud Luiga, P., Õhu saastumine ja selle piiramine, Tallinn,

37 19. Penner J. E., Aviation and the Global Atmosphere, Intergovernmental Panel on Climate Change, Chapters 1-4, Kikas, Ü., Kimmel V., Õhk, viimati uuendatud Jürissaar, M., Meteoroloogia, 1998, lk Справочник авиационного техника, Москва, Kalivoda, M. T., Final report on Air Traffic Emissions - Deliverable no: pr. D8, published March 2005, fichesresultats/ficheartemis/non_road4/artemis_del8_air.pdf 24. Post, V., Lennukid ja raketid, Tallinn, 1964, lk Veismann U., Veskimäe R., Universum valguses ja vihmas, Tallinn, 2005, lk Põiklik, K., Üld- ja agrometeoroloogia, 1964, lk Нефедов, Лещинер, Топливные системы современных самолётов, Москва, Резников, Топливные и смазочные материалы для летательных аппаратов, Москва, Журнал «Взлёт», Март Jackson, R., Civil Aircraft, Eesti keskkonnaseisund XXI sajandi lävel, Keskkonnaministeeriumi Info- ja Tehnokeskus, Tallinn, 2000, lk 18, Eerme, K. Changes in spring-summer cirrus cloud amount over Estonia, , International Journal of Climatology, 24, 2004, pp Kerner E.-S., Tropopausi temperatuur ja kõrgus ning osoonikihi kogupaksus seosed Tallinna kohal, Bakalaureusetöö, Tartu,

38 LISAD Lisa 1: Eesti lennumaršruutide kaart 38

39 Lisa 2: Lennukoridoride pikkused (km) 39

40 Lisa 3: Emissiooni indeksid [23] 40

41 Lisa 4: Lennukite tunnised kütusekulud [29] 41