高空飞行时飞机客舱臭氧浓度的评估

高空飞行时飞机客舱臭氧浓度的评估 第,,卷第,,期,,,,年,月,,,,—,,,,(,,,,),,,,,,,—,, 科学技术与工程 ,;,,,;,,,;,,,,,,,,,, ,,,(,,,,(,, ,,,(,,,, ,,百,,,,,,, ?,,,, ,;,(,,;,(,,,,,( 环境科学 袁敏 (中国民用航空飞行学院，空中交通管理学院，广汉,,,,,,) 摘要利用高空臭氧资料，根据飞机对客舱臭氧浓度的控制计算了高空飞行时客舱内的臭氧浓度，估算了飞机在臭氧浓度最大区域内(,,。,,,,,,、,,,,,,,,,,)飞行时，客舱臭氧浓度可能会超出最大臭氧浓度的高度(最大飞行高度层)。 结果表明:对于没有臭氧催化转换器的飞机，从,月到,月，最大飞行高度层大都在商业飞机的巡航高度之下(,,的最大飞行高度层最低，为,,关键词客舱臭氧浓度 ——————————————————————————————————————————————— ,,, ,,, ,,)，,月 ,,，从,月到,,月，最大飞行高度层大都在,,, ,,, ,, ,,以上。对于臭氧催化转换器老化的飞 ,,,,,。 机，最大飞行高度层的高度都在,,,,以下，只有在,月份位于,,。,一,,,,的纬度上飞行时，最大飞行高度为,, 臭氧催化转化器 最大飞行高度层 最大客舱臭氧浓度 中图法分类号,,,;文献标志码, 臭氧是一种强氧化剂，化学性质活泼。臭氧是由氧气分子和紫外线通过光化学反应而形成，主要分布在对流层顶以上的高层大气中。臭氧浓度的最高值一般出现在大约,,,,的高度，绝大部分臭氧集中在,,,,,,,高度范围内„。民航飞机的巡航高度和最佳飞行高度大多集中在,,,,(,,,之内，因此对于高空飞行的飞机，如果外界大气进入客舱之前没有保护措施，机组和乘客会受到臭氧的危害。臭氧与呼吸道黏膜、肺泡等组织表面接触会引起组织损伤，甚至出现咳嗽、胸痛、呕吐、头痛和极度疲劳等症状伸,,,，特别在——————————————————————————————————————————————— 长途飞行中，这种危害尤为 明显。 机，乘客暴露在较高客舱臭氧浓度环境中的可能性就显著增加,,,。基于以上的背景，用最大客舱臭氧浓度作为，计算了在臭氧浓度最大区域内，客舱内臭氧浓度可能超出最大臭氧浓度的高度和纬度，为高空飞行时预防臭氧危害提供了理论参考。 ,资料及方法 ,(,资料 利用,,,,—,,,,年的欧洲中期天气预报中心的月平均臭氧资料作为外界大气臭氧浓度资料。,(,计算方法 客舱臭氧浓度主要受到外界大气臭氧浓度、臭氧催化转换器和空气再循环系统的影响，其估算为 , 中国民用航空局颁布的《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定》中从事载客运输的商业航空公司要对客舱臭氧浓度进行控制:飞行高度超过,,,的飞行，在任何时间里，客舱内的臭氧浓度不能超过海平面当量的百万分之,(,, ,,, ,,。蛐。,,,础,,,。吾(,一,), , (,) , ——————————————————————————————————————————————— (最大客舱臭氧浓度)。 臭氧催化转换器是控制客舱臭氧浓度的重要装置，外界空气经过臭氧催化转化器的过滤之后，能进入客舱的臭氧是很少的。但臭氧催化转换器处于发动机产生的高温高压气体的工作环境中，分解臭氧的效率也会因老化而降低,,,。因此，对于臭氧催化转换器老化的飞机或者没有臭氧催化转换器的飞 ,,,,年,月,,日收到作者简介:袁 敏，男。博士研究生，讲师。研究方向:航空气象。 式(,)中,，。曲,。。。为外界大气中的臭氧浓度，单位为,,,,。臭氧在大气中的分布随着纬度和季节变化，在北半球，大气臭氧浓度随纬度增加而增加，浓度最大的地区位于北极，东亚大槽、北美大槽等高纬度地区;而就季节变化而言，臭氧浓度最高值出现在春季 ,,,月。 ,为座舱压力，是气密座舱内空气的绝对压力，又叫座舱高度(座舱内空气绝对压力在标准大气中所对应的海拔高度)。根据实验得出，旅客机舒适的座舱高度为,—,,,,,，安全座舱高度为,,,,,，最大座舱高度不超过, ,,, ,,飞机在飞行各阶 ,，,,,:,,,,,,,,,,,(,,,。 段座舱高度并不是固定的，如果座舱内气压始终保持海平面气压，——————————————————————————————————————————————— 对人最为舒适，但飞机在高空时，较大的座舱余压(飞机气密客舱内外大气压力之差) 万方数据 科学技术与工程 ,,卷 会对机身结构造成损伤，长期使用的飞机会有爆炸减压的潜在危险。解决办法就是在满足人体生理需要的气压值的基础上，又控制座舱余压的值不超过最大座舱余压。喷气式飞机最大余压为,,,,,,,,,,;涡桨式飞机最大余压为,,,—,,,,,,【,,,。以波音,,,—,,,为例，当飞行高度大于,,,,,,,时，座舱余压的值固定为,(,,,,,,,,,(,,,,,,)。现采用 ,,, ,,,作为飞机巡航时的座舱余压，得出飞机在高 空几个典型的等压面上飞行时的座舱压力值，如 表,。 ,。为标准大表,不同等压面上的气的海乎面气压，座舱压力以及座舱压力其值为, ,,,(,, 与标准大气的海平面 ,,,。,,,,为座舱 气压的比值 ——————————————————————————————————————————————— 压力与标准大气的,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,;,,,,海平面气压之比，,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, 飞机在不同高度飞,,,,,,,,,,,,, ,,, 行时座舱压力是变,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,;,, 化的，因此，客舱内等压面,座舱压力 的臭氧浓度值要转,,,, 。 ,,,,,,,,换为在标准海平面,,,,,,(,,(,,,,,,,,(,,(,,气压时的浓度才有,,,,,,(,,(,,比较意义。表,中】,, ,,,(, ,(,, 给出了飞机在高空 几个典型的等压面上座舱压力与标准大气的海平面气压的比值。 ,为臭氧催化转换器的效率。臭氧催化转换器的工作寿命为,,,,,,,,,,,飞行小时，新的臭氧催化转换器分解臭氧的效率可达到,,,以上，而老化的臭氧催化转换器的效率只有,,,(,——————————————————————————————————————————————— ,,。,)。然而并非所有的飞机都装有臭氧催化转换器，根据空客和波音公司公布的数据显示,,,，除了空客的,,,,、,,,,以及波音的,,,,、,,,,,,,,,,这样的长程机型都装有臭氧催化转换器以外，其余的机型都是选择性安装。例如，,,,,年空客公司生产的,,,,和,,,,，只有,,,的飞机装有臭氧催化转换器，而,,,,,,,,飞机则都没有安装。没有安装臭氧催化转换器的分解臭氧的效率,,,。本文选取,,,和,,,(,两种情况讨论。 ,为经过空气再循环系统后进人客舱的臭氧和外界大气臭氧的比例，外界空气进入客舱后，空气再循环系统也能起到降低客舱臭氧浓度的作用。再循环系统给客舱提供的空气一半来自压气机的外界空气，一半来自再循环空气，因此可以使外界大气臭氧进入客舱的比例维持在,(,,,(,之间，现取 ,,,(,。 万方数据 ,结果与探讨 ,(, 客舱臭氧浓度超过最大客舱臭氧浓度的区域选取北半球大气臭氧浓度最大值的,月，计算 了在, ,,,, ,,以上不同等压面上飞行的飞机，当没 ——————————————————————————————————————————————— 有安装臭氧催化转换器(,,,)和臭氧催化转换器老化(,,,(,)时，客舱臭氧浓度可能会超出最大客舱臭氧浓度值的区域，如表,。 表,无臭氧催化转换器和臭氧催化转换器老化的飞机在不同等压面上客舱臭氧浓度超出 最大座舱臭氧浓度的区域 ,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, (,,,,,,,,),,,,,(,(,,,,;,,,;, ,,,励,,,),, ,,俄,,,, ,,,,,,,;,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,, ,,,,,油,,, ;,,,, ,,,,, ;,,;,,,,,,,,, 等压,面,,,, 无臭氧催化转换器 臭氧催化转换器老化 ——————————————————————————————————————————————— ,,,无 无,,,,,。,,,,,,却。,,,,,,, 无,,,,,。,以北大部分地区 无 ,,, ,,。,以北大部分地区,,。,一,,。,、,,。,,,,,。, 从表,中可以看出，对于没有安装臭氧催化转换器的飞机(,,,)，当等压面高度上升时，外界臭氧浓度增加，客舱臭氧浓度超过最大客舱臭氧浓度的区域也在增大。其中，在,,,,,,等压面上，在任何区域内，飞机客舱臭氧浓度都不会超过最大客舱臭氧浓度;在,,,,,,上，飞机客舱臭氧浓度会超过最大客舱臭氧浓度的区域位于,,。,一,,。,、,,,,一,,,。,范围内，该区域位于北美大槽以北的加拿大北部和北极地区，是春季北半球臭氧的极大值区之一。 在,,,,,,和,,,,,,上，中高纬的大部分区域内， 客舱臭氧浓度都会超过最大客舱臭氧浓度。而对于臭氧转换器老化的飞机(,,,(,)，只有在,,,,,,上的,,,,一,,,,、,,。,一,,,。,区域内，客舱臭氧浓度会超过最大客舱臭氧浓度，该区域也是春季北半球臭氧的极大值区。 ,(,最大飞行高度层随高度和纬度分布 在,,,,以上高度，臭氧浓度随着高度升高而增加。因此，当——————————————————————————————————————————————— 飞行高度增加时，客舱臭氧浓度会超过逐渐增大，当客舱臭氧浓度刚好超过最大客舱臭氧浓度时的高度称为最大飞行高度层。选取春季北半球臭氧的极大值区:加拿大北部和北极的,,。,一,,。,、,,。,,,,,。,区域，该区域是东亚各国至北美航线的必经区域，计算了该区域内最大飞行高度 层(,,,,,,,,,,,，,,，单位为:,,,,,)随纬度和月份的 分布。表,为没有臭氧催化转换器的情况(,,,)，表,为臭氧催化转换器老化的情况(,,,(,)，座舱 高度统一取, ,,,,,。 表,座舱高度为, ,,, ,时没有臭氧催化转换器的 飞机的最大飞行高度层随月份和纬度分布,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,, ,,丽,，，,,,(,,,,,,,,),,, , ——————————————————————————————————————————————— ;,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,,,,,,,,, ,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, 表,座舱高度为, ——————————————————————————————————————————————— ,,, ,,时臭氧催化转换器 效率为,(,的飞机的最大飞行高度层随 月份和纬度分布,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,喇,,,,(,(,,,,;,,,;,,,, ,,,,,,),,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,,, ,,,,昀,,,,,,,,,,,,,,, ,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,月,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,月,,,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,, ,,月 ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, 由于从事商业运输的飞机的飞行高度层一般在 ,,,,, ,,(,, ,,, ,)以下，因此，只讨论,,,,, ,,以 下的最大飞行高度层。从表,中可看出，对于没有 臭氧催化转换器的飞机，从,月到,月，在,,。,,,,,,、 ,,,,一,,,,,区域内飞行的商业飞机的最大飞行高度层大 都在,, ,,, ,,以下，其中,月的最大 飞行高度层最低，为,, ,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,，出现在,,。,一,,。, 的纬度范围内。,,月和,月，在,,,,以北区域内最大飞行高度层也在,,,,,,,以下。,月，仅在,,。,以北的地区最大飞行高度层在,,,,,,,以下。从万方数据 ,月到,,月，该区域内的最大飞行高度层大都在,, ,,, ,,以上，超出了商业飞行的一般高度，因此，客舱臭氧浓度不会超过最大客舱臭氧浓度。 从表,中可看出，对于臭氧催化转换器老化(,,,(,)的飞机，最大飞行高度层都比没有臭氧催化转换器时的情况有显著提高，在大多数月份和纬度，最大飞行高度层的高度都在,,,,,,,以下，只有在,月份位于,,。,,,,。,的纬度上飞行时，最大飞行高度为,, ,,, ,,，客舱臭氧浓度可能会超出 最大客舱臭氧浓度。而在其他月份和纬度上，最大飞行高度都很高，客舱臭氧浓度不会超过最大客舱 臭氧浓度。, 结论 加拿大北部和北极的,,,,,,,,,、,,,,, ,,,。,区域内，客舱臭氧浓度可能超出最大客舱臭氧浓度。在该区域内，对于没有臭氧催化转换器的飞机，从,月到,月，最大——————————————————————————————————————————————— 飞行高度层大都在,,,,,,,以下，,月的最大飞行高度层最低，为,,,,,,,。,,月和,月，在,,,,以北区域内最大飞行高度层也在,,,,,,,以下。,月，仅在,,。,以北的地区最大飞行高度层在,,,,,,,以下。从,月到,,月，该区域内的最大飞行高度层大都在,,,,,,,以上。对于臭氧催化转换器老化的飞机，在大多数月份和纬度里，最大飞行高度层的高度都在,, ,,,,,以 下，只有在,月份位于,,。,一,,。,的纬度上飞行时，最大飞行高度为,,,,,,,。 参考文献 ,王庚辰(大气臭氧层和臭氧洞(北京:气象出版社，,,,,:,, ,,,,,,(,,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,(,,,,,,,:,,,,,,,,,,;,, ,,,,,，,,,,:,, , ,,,,,,,,,，,,,,,,,,,，,,,,,,,,,，,, ,,(,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,, ;,,,, ,,,,, 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