Влияние изменения климата на авиацию: интервью с Гербертом Пюмпелем

На сессии в июле 2014 г., которая частично проводилась одновременно со специализированным совещанием Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по метеорологии, КАМ приняла решение создать экспертную группу для рассмотрения некоторых сложных задач, стоящих перед авиацией, которые связаны с атмосферными науками и климатом. Глобальный аэронавигационный план ИКАО и блочная модернизация авиационной системы обеспечили 15-летнюю перспективу развития глобальной системы управления воздушным движением, предназначенной для того, чтобы помочь отрасли справиться с неотложными проблемами роста воздушного движения и связанного с ним влияния на окружающую среду. Метеорологические и климатологические научные сообщества могут поддержать эту перспективу, предоставляя свои самые лучшие оценки потенциального влияния изменения климата. Эта информация позволила бы заинтересованным авиационным организациям принимать обоснованные решения. В то время как ИКАО будет принимать соответствующие меры по снижению выбросов, связанных с ее отраслью, ВМО будет поддерживать долгосрочные стратегии адаптации заинтересованных авиационных организаций.

Герберт Пюмпель, председатель экспертной группы КАМ по науке, авиации и климату, является представителем ВМО в Комитете ИКАО по охране окружающей среды от воздействия авиации (САЕР) с 2000 г. Его объяснения потенциального влияния изменения климата на полеты играют важную роль в повышении интереса заинтересованных авиационных организаций к связанным с климатом рискам для авиатранспортного сектора. В этом интервью г-н Пюмпель дает нам представление о том, как могут осуществляться полеты в изменившихся атмосферных условиях в ближайшем будущем.   

Определены ли стоящие перед авиацией сложные проблемы, связанные с изменением климата?

Вопрос влияния изменения климата на авиацию рассматривался в свете Четвертого (2007 г.) и Пятого (2014 г.) оценочных докладов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Цель состояла в том, чтобы определить влияние на авиацию, которая является важной частью транспортной отрасли. Однако ощущалась потребность выйти за рамки интерпретации «общих» результатов, представленных в двух оценочных докладах, и выявить конкретные научные проблемы и проблемы пользователей, которые необходимо рассматривать в рамках специализированных исследований. Такие целевые исследования выполняются несколькими учеными, и в настоящее время мы можем различать воздействия, вызванные крупномасштабными явлениями, а также мелкомасштабные и микромасштабные воздействия.

Каковы последствия крупномасштаб ных явлений, связанных  с общим повышением температуры?

Установлен научно обоснованный факт воздействий повышенных приземных температур на авиацию, который основан на четком понимании физических процессов, вовлеченных в повышение этих температур. Предполагаемые максимальные значения повышенных температур в сочетании с повышенными значениями удельной влажности в некоторых районах могли бы оказать серьезное влияние на взлетные характеристики в высокорасположенных аэропортах или аэропортах с короткими взлетно-посадочными полосами, ограничивая грузоподъемность или потребление топлива.

Эти воздействия потребуют проведения более детальных анализов для различных регионов, но особое беспокойство они доставят аэропортам, расположенным на возвышенной местности в субтропиках. На традиционный метод планирования вылета дальних авиарейсов на более прохладные вечерние и ночные часы в некоторых регионах (высоко расположенные аэропорты на Ближнем Востоке, в Центральной и Южной Америке) дальнейшее влияние будет оказывать сокращение периода ночной прохлады,  при котором часто наблюдается высокая облачность, частично обусловленная долго сохраняющимися конденсацион­ными следами самолетов. В этих случаях эффект нагревания, вызываемый перистыми облаками, возни­кающими по причине конденсационных следов, который замедляет радиационное охлаждение в ночной период, может представлять собой дополнительную проблему. В некоторых районах это может еще больше сократить и без того ограниченное время работы.

Что касается крупномасштабных явлений, какую опасность для воздушного транспорта представляет подъем уровня моря?

Подъем уровня моря, являющийся следствием повышения температур, обусловленный увеличением таяния ледяных шапок и ледников и тепловым расширением океанов, достаточно хорошо изучен и документально подтвержден. В регионах с сильными муссонами тропические циклоны, подъем уровня моря и штормовые нагоны, связанные с более интенсивными внетропическими циклонами, будут представлять угрозу для жизнедеятельности аэропортов в прибрежных районах, если не будут приняты защитные меры. Очень интенсивные осадки, связанные с циклонами, могут усугубить эти факторы влияния в этих районах. Интенсивные осадки могут привести к наводнениям там, где дождевой сток напрямую сталкивается с ливневыми волнами, как, например, экстремальные наводнения, произошедшие в Мьянме во время прохождения тропического циклона «Наргис». Для эффективного планирования новых аэропортов в таких районах требуются гидрологическая, климатологическая и техническая экспертизы.

Зависит ли авиационная отрасль от глобальных климатических явлений, таких как Эль-Ниньо, и какие меры адаптации могут быть приняты?

Оказалось, что детальный анализ явления ЭльНиньо/Южное колебание (ЭНСО), выполненный на основе последнего поколения климатических моделей, поддерживает выводы палеоклиматических исследо­ваний, которые указывают на рост интенсивности Эль-Ниньо. Эту тенденцию можно увидеть на примере Эль-Ниньо 2015/2016. Такие высокоамплитудные воздейст­вия Эль-Ниньо повлияют на многие регионы мира, усугубляя экстремальные засухи и волны тепла. Все эти экстремальные ситуации окажут сильное негативное влияние на все виды транспорта, включая авиацию.

Однако, чтобы понять роль сезонных, межгодовых и десятилетних колебаний, таких как ЭНСО, Североатлантическое колебание и другие повторяющиеся явления, потребуется значительно больше усилий в области исследований. Учитывая огромное количество данных, полученных на основе прогнозов с помощью климатических моделей, первоначальным подходом к пониманию будущего состояния климата стал анализ нового квазиравновесного состояния, спрогнозированного на конец XXI века, когда климат станет более теплым в соответствии с повышением уровня СО₂. Это новое равновесное состояние описано на основе широтных и региональных средних значений температуры и осадков за продолжительные периоды времени, чтобы выделить противоречивые сигналы. Однако у многих прогнозов на основе климатических моделей при сравнении с текущим климатом обнаруживаются заметные отклонения по некоторым районам и параметрам, например по температурам экваториальной части Тихого океана.

Меры адаптации должны учитывать будущее среднее состояние климата, а также локальные и региональные экстремальные явления, которые могут происходить в ближайшие десять или несколько десятков лет. Эти экстремальные явления уже могут отражать типичные условия, хотя ожидалось, что такие условия будут наблюдаться регулярно лишь в конце текущего столетия.

Чтобы предоставить заинтересованным сторонам обоснованные научные рекомендации, научному сообществу потребуется заняться рассмотрением типичных сценариев и попытаться описать последствия, связанные с этими сценариями. В качестве примера можно рассмотреть новые данные о режимах высокоамплитудного низковолнового атмосферного потока в годы отсутствия Эль-Ниньо. Например, действуя над Восточной Атлантикой и Европой, эти режимы привели к парадоксальному  распространению интенсивных снегопадов и низких зимних температур на восточном побережье Северной Америки и больших территориях Европы. По контрасту с этими данными наблюдалось значительное смещение к северу западных струйных течений с очень мягкими температурами в годы экстремального явления ЭльНиньо, что, вероятно, ближе к тому, что давали более ранние основанные на средних значениях прогнозы (интенсивные осадки и сильные ветры в северных широтах и засуха в Средиземноморье). Преобладание продолжительных периодов квазистационарных планетарных волн большой амплитуды может сохраняться даже в эти годы.

Что Вы можете сказать  о потенциальных воздействиях более мелкомасштабных локальных явлений, которые влияют  на безопасность полетов?

Научные исследования будущих воздействий изменения климата на авиацию сталкиваются с проблемой, заключающейся в том, что многие метеорологические явления со значительными воздействиями и последствиями связаны с пространственными и временными масштабами, значительно уступающими по величине тем масштабам, которые реализованы в  современных прогностических моделях. Эта проблема становится еще более очевидной при использовании климатических моделей со значительно более низким разрешением, поэтому для получения, как минимум, статистически надежных результатов для мелко- и микромасштабных явлений потребуются интеллектуальные  методы даунскейлинга, статистическая последующая обработка и более передовые методы использования концептуальных моделей. Это касается метеорологических явлений со значительными воздействиями и последствиями, таких как конвекция и связанные с ней явления от низкоуровневого сдвига ветра до града и ударов молний, турбулентности при ясном небе (САТ) и турбулентности орографических горных волн, а также турбулентности вблизи верхней границы грозы, обледенения и низкоуровневого сдвига ветра, плохой видимости и низкой облачности.  

Здесь может помочь более четкое понимание физики зарождения мелкомасштабных вращательных движений в атмосфере, которые способствуют уменьшению вертикального сдвига ветра, который испытывают на себе члены экипажа и пассажиры в виде турбулентности различной интенсивности. Например, хотя САТ происходит на уровне микромасштаба, наши знания физики сообщают нам, что генерирующий эту турбулентность сдвиг ветра обусловлен явлениями значительно более крупных масштабов. Поэтому существует возможность решить эту проблему с помощью современного поколения метеорологических и климатических моделей. Чтобы лучше понять эти мелкомасштабные воздействия, требуются более фундаментальные научные исследования. Для этого нужны более качественные наблюдения за атмосферой и оперативные данные с самолетов (например, о турбулентности).^[1]

Еще одна область исследований касается изменения поведения атмосферных струйных течений в ответ на изменение климата. Струйное течение на средних широтах в каждом полушарии возникает и поддерживается за счет разницы температур между холодными полярными районами и теплыми тропиками. Климатические модели, спутниковые наблюдения и физическая теория предполагают, что эта разница температур подвержена сложным изменениям. Она уменьшается на уровне земли из-за потепления полярных районов, но возрастает на крейсерской высоте полета из-за охлаждения нижней стратосферы. Один из возможных вариантов состоит в том, что изменения в преобладающих характеристиках струйных течений могут изменять оптимальные маршруты полетов, продолжительность полетов и расход топлива. Другой возможный вариант состоит в том, что увеличение сдвига в струйных течениях на крейсерской высоте полета может уменьшить устойчивость атмосферы и увеличить вероятность появления САТ.

Существуют ли какие-либо исследования, в которых установлена связь других опасных для авиации явлений, таких как обледенение или песчаные/пыльные бури, с изменением климата?

Обледенение самолета традиционно считается проблемой для гражданской авиации, и в частности для местных авиалиний, самолеты которых имеют ограниченную мощность двигателей и несовершенные противообледенительные устройства. Тем не менее для прогноза будущих сценариев необходимо лучше понять это явление. Наличие крупных переохлажденных капель при диапазоне температур от −4 до −14 °С зависит от ряда условий. К таким условиям относятся наличие большого количества водяного пара, мезомасштабные полосы восходящих потоков воздуха и ограниченная концентрация соответствующих аэрозолей, выполняющих функцию ядер конденсации, которые способствуют образованию крупных переохлажденных капель.

Тенденция общего потепления и увеличение влажности на некоторых широтах при более активной динамике потока – все это указывает на повышенную вероятность появления условий, благоприятных для обледенения. Благодаря повышенным температурам они также приводят к распространению вверх верхней границы слоев обледенения.

Обледенение на высоких широтах вызвано образованием сосулек большой плотности при очень низких температурах (ниже −50 °С)  вблизи верхних границ конвективных облаков с содержанием льда более 5 граммов на 1 м³ воздуха. Вероятно, оно растет при более интенсивных кучево-дождевых облаках и повышениям тропопаузы за счет повышенных температуры и влажности тропических воздушных масс. Оказывается, что наиболее экономичные современные авиационные двигатели (работающие на бедных смесях) являются более чувствительными к этим явлениям по сравнению со старыми, надежными, но потребляющими больше топлива турбинами.

Возможное увеличение числа и интенсивности песчаных и пыльных бурь, обусловленное более длительными засухами и, возможно, более сильными ветрами на субтропических широтах, потребует тщательного анализа влияния на безопасность и регулярность полетов. Появляются данные о том, что из-за перехода к более экономичным двигателям (в частности, для того, чтобы уменьшить удельный расход топлива) рабочие температуры в камерах сгорания наиболее современных двигателей превысили 1  600 °С. При таких температурах силикаты, содержащиеся в типичных песчаных и пыльных бурях, будут таять при всасывании в двигатель и, таким образом, так же, как и вулканический пепел, будут влиять на требования к рабочим характеристикам и техническому обслуживанию.

Следует ли авиатранспортной отрасли заниматься управлением рисками, связанными с изменением климата?

Авиация подвержена влиянию метеорологических явлений не только на земле, но и на уровнях вплоть до верхней тропосферы и нижней стратосферы. Вероятно, авиация имеет самую прочную в транспортной отрасли традицию отдавать приоритет обеспечению безопасности, и поэтому является основным кандидатом на разработку рационального и сбалансированного управления рисками.

В случаях крупномасштабных бедствий авиация, возможно, является единственным надежным средством реагирования и оказания помощи. Например, представляется нереальным содержать или ремонтировать сотни и тысячи километров дорог или железнодорожных веток в районах, подвергшихся наводнениям, оползням, пожарам или бурям, чтобы облегчить жизнь и оказать помощь пострадавшим. Поэтому в рамках мер адаптации и управления рисками особое внимание необходимо обратить на укрепление  инфраструктуры авиации для обес печения надежного и устойчивого механизма оказания помощи.

Каким образом КАМ и авиационное сообщество планируют превратить аналитические оценки  в эффективные рекомендации?

Международным организациям, таким как ИКАО или Европейское агентство по безопасности полетов, необходимо разработать инструктивную документацию и модели передовой практики для поддержки управления рисками. Эти организации должны привлечь все заинтересованные стороны – от операторов, пилотов, начальников аэропортов и фирм-изготовителей до правительств и руководителей службы госнадзора по технике безопасности. Многодисциплинарная работа ученых совместно с экспертами по оперативной деятельности и по безопасности могла бы внести вклад в подготовку проектов такой инструктивной документации. Важно, чтобы инструктивная документация регулярно пересматривалась и обновлялась с тем, чтобы отражать возникающие и меняющиеся статистические данные о климате.

В последние месяцы и годы члены более широкого сообщества, включая заинтересованные стороны, такие как Комитет ИКАО по охране окружающей среды от воздействия авиации, Евроконтроль, Международный совет аэропортов и производители самолетов и авиационного оборудования, находятся в тесном контакте. Все больше представителей заинтересованных сторон разделяют мнение о необходимости проведения в ближайшем будущем многодисциплинарного рабочего семинара, ведущего к руководству для адаптации.