Механизмы, определяющие зависимость качества воздуха от высоты и широты при высоковысотных выбросах NOx

Почему важно, на какой высоте летают самолеты

Большинство из нас замечают самолеты лишь тогда, когда они грохочут над головой или появляются в билете. Но то, что происходит с их выхлопом, особенно когда реактивные самолеты летят высоко над облаками, может незаметно изменить воздух, которым мы дышим у поверхности. В этом исследовании рассматривается простой, но удивительно недооцененный вопрос: как высота и место выбросов оксидов азота (NOx) от самолетов и других высоковысотных источников влияют на качество воздуха у поверхности, включая озон и вредные мелкие частицы (PM2.5)? Ответы имеют решающее значение по мере роста авиации и выхода сверхзвуковых и космических полетов в более высокие слои атмосферы.

Два типа загрязнения с очень разными последствиями для здоровья

Газы NOx, образующиеся в двигателях, при молниях и в промышленности, не остаются на месте выброса. Оказавшись в атмосфере, они запускают химические реакции, которые создают или разрушают озон и формируют мелкие частицы, которые мы вдыхаем. Возле земли озон раздражает дыхательные пути и усугубляет астму, а PM2.5 проникает глубоко в организм и связан с сердечно‑сосудистыми и легочными заболеваниями. Регуляторы уже ограничивают выбросы NOx от авиационных двигателей, чтобы защитить воздух вокруг аэропортов, но эти правила в основном предполагают обычные дозвуковые высоты крейсерства. В статье рассматривается, что происходит, когда те же самые количества NOx выпускаются не только на привычных 9–12 км, но и вплоть до 22 км, а также в разных широтных поясах от тропиков до полюсов.

Низкие высоковысотные рейсы повышают наземный озон

Используя подробную глобальную химико‑транспортную модель GEOS‑Chem, авторы смоделировали выпуск одинакового количества NOx (1 тераграмма азота в год) на различных сочетаниях высоты и широты. Когда NOx выбрасывается на высоте 8–10 км над средними широтами Северного полушария (примерно над Северной Америкой и Европой), это увеличивает озон в верхней тропосфере. Дополнительный озон постепенно смешивается вниз, повышая концентрацию озона у поверхности по всему миру. В пересчете на население поверхностный озон повышается примерно на 0,52 части на миллиард, с особенно сильными увеличениями над возвышенностями вроде Скалистых гор и Тибетского плато, а также над сухими регионами с низким фоновым уровнем NOx, такими как Сахара и прилегающие океаны, где местное загрязнение меньше разрушает поступающий озон.

Очень высокие полеты сокращают озон, но увеличивают вредные частицы

Выше примерно 16 км картина меняется на обратную. Выбросы NOx на высоте 20–22 км приводят к чистой потере озона в верхних слоях атмосферы, истончая защитный слой, который обычно экранирует ультрафиолетовое (УФ) излучение. Вследствие этого больше УФ‑излучения достигает нижней атмосферы, ускоряя химические реакции, которые как разрушают озон у поверхности, так и образуют более агрессивные окислители. В результате поверхностный озон фактически снижается — примерно на 1,7 частей на миллиард в пересчете на население для выбросов в средних широтах с большой высоты — в то время как уровень мелких частиц резко растет. Модель показывает увеличение PM2.5 примерно на 310 нанограммов на кубический метр, что примерно в девять раз больше на единицу NOx по сравнению с типичными дозвуковыми высотами крейсерства. Большая часть этого дополнительного PM2.5 — сульфат, образующийся из диоксида серы (в основном выбрасываемого у поверхности), который быстрее превращается в частицы в более окисляющей среде, создаваемой усиленным УФ‑облучением.

Где вы выбрасываете — так же важно, как и насколько высоко

Широта вносит ещё один фактор. На более низких высотах одинаковый NOx, выпущенный в более чистом Южном полушарии, создаёт больше озона, чем в более загрязнённом Северном полушарии, потому что воздух там менее насыщен NOx и химия работает эффективнее. Однако население сосредоточено в Северном полушарии, поэтому влияние на здоровье от одного и того же выброса там больше, даже если химические ответы слабее. Для очень высоких выбросов NOx потери озона и увеличение частиц наиболее сильны над Северным полушарием, отчасти потому, что исходные уровни озона там выше, а нисходящие воздушные потоки дольше сохраняют озон над океанами. Это означает, что планируемое смещение роста авиации в сторону Южного полушария, возможное возвращение пассажирских сверхзвуковых самолетов и увеличение ракетной и спутниковой активности могут все вместе по‑разному изменить глобальные паттерны качества воздуха у поверхности.

Что это означает для будущих полетов и нашего здоровья

Для неспециалиста ключевое сообщение таково: «выхлопы на большой высоте — не все одинаковы». NOx от современных дозвуковых самолетов, как правило, повышает как наземный озон, так и часть частиц, тогда как NOx от значительно более высоких летательных аппаратов — например будущих сверхзвуковых самолетов или ракет — может снижать поверхностный озон, но сильно увеличивать вредные мелкие частицы, изменяя освещённость и химию во всей атмосфере. Действующие нормы для двигателей, разработанные с учетом обычных уровней полета, не полностью учитывают эти зависимости от высоты. Исследование предполагает, что будущая политика может потребовать регулирования не только количества NOx, которое выбрасывают самолеты, но и того, где и на какой высоте они летают, а также учёта роли наземных выбросов серы в формировании загрязнения частицами, вызванного высоковысотной активностью.

Цитирование: Oh, L.J., Eastham, S.D. & Barrett, S.R.H. Mechanisms driving altitude- and latitude-dependent air quality variations from high-altitude NO_x emissions. npj Clim Atmos Sci 9, 54 (2026). https://doi.org/10.1038/s41612-026-01324-9

Ключевые слова: выбросы авиации, NOx в верхних слоях атмосферы, поверхностный озон, мелкие твердые частицы, суперзвуковые самолеты