Роль метеорологических факторов в загрязнении атмосферного воздуха

Введение

Атмосфера представляет собой среду, в которой происходит распространение атмосферных загрязнителей от их источника; при этом влияние каждого данного источника определяется продолжительностью времени, частотой выпуска загрязнений и той концентрацией, воздействию .которой подвергается какой-либо объект. С другой стороны, метеорологические условия играют лишь незначительную роль в уменьшении или устранении загрязнения воздуха, поскольку, во-первых, они не изменяют абсолютную массу выброса, во-вторых, в настоящее время мы еще не умеем воздействовать на основные протекающие в атмосфере процессы, определяющие степень рассеивания загрязняющих веществ. Проблема атмосферных загрязнений может решаться по трем направлениям: а) путем устранения образования отходов; б) путем установки оборудования для улавливания отходов на месте их образования; в) путем улучшения рассеивания выбросов в атмосфере.

Если допустить, что наилучшим способом устранения атмосферных загрязнений является контроль источников их образования, то практическая задача сводится к тому, чтобы привести расходы по снижению степени загрязнения в соответствие с объемом работ, уменьшающих до приемлемого уровня количество отходов. Величина требуемого для этого уменьшения абсолютной массы выброса загрязнений данным источником, зависит непосредственно от метеорологических условий и их изменения во времени и пространстве над данным районом.

Основные параметры, определяющие распространение и рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере, могут быть описаны качественно и полуколичественно. Такие данные позволяют сопоставить различные географические пункты или определить возможную частоту условий, при которых будет происходить быстрая или замедленная диффузия в атмосфере. Наиболее характерным свойством атмосферы является ее непрерывная изменчивость: температура, ветер и осадки широко варьируют в зависимости от широты местности, времени года и топографических условий. Эти условия хорошо изучены и довольно подробно представлены в литературе.

В меньшей мере изучены и описаны в литературе другие важные метеорологические параметры, влияющие на концентрацию атмосферных загрязнений, а именно турбулентная структура ветра, низкие уровни температуры воздуха и градиенты ветра. Эти параметры широко изменяются во времени и пространстве и представляют собой на деле почти единственные метеорологические факторы, которые человек может изменить существенным образом и то лишь локально.

Загрязнение атмосферного воздуха населенных мест рассматривают обычно как результат индустриализации, однако оно включает не только вещества, выделяющиеся в процессе промышленного производства, но и естественные загрязнения, возникающие в результате вулканических извержений (Wexler, 1951), пылевых бурь (Warn, 1953), океанских прибоев (Holzworth, 1957), лесных пожаров (Wexler, 1950), спорообразования растений (Hewson, 1953) и т. д. Оценка физиологического воздействия природных загрязнений атмосферы часто может быть более легкой, чем оценка влияния сложного загрязнения промышленными отходами. Характер природных загрязнений, а часто и их источники, как правило, лучше изучены.

Для того чтобы оценить роль атмосферы в качестве рассеивающей среды, необходимо рассмотреть физические процессы, способствующие рассеиванию различных веществ в атмосфере, а также значение таких неметеорологических факторов, как топография и география местности.

Воздушные течения

Основным параметром, определяющим распространение атмосферных загрязнителей, является ветер, его скорость и направление, которые в свою очередь взаимосвязаны с вертикальным и горизонтальным градиентами температуры воздуха в больших и малых масштабах. Основная закономерность заключается в том что чем больше скорость ветра, тем больше турбулентность и тем быстрее и полнее происходит рассеивание загрязнений с атмосфере. Taк как вертикальный и горизонтальный градиенты температуры зимой увеличиваются, то и скорость, ветра обычно возрастает. Это особенно характерно для умеренных и полярных широт и менее отчетливо проявляется в тропиках, где сезонные колебания невелики. Однако иногда и в зимнее время, особенно в глубине крупных континентов, могут возникать продолжительные периоды слабого движения воздуха или полного штиля. Изучение частоты длительных периодов слабого движения воздуха на североамериканском континенте к востоку от Скалистых гор показало, что такие ситуации возникают наиболее часто поздней весной и ранней осенью. На значительной части европейского континента слабые ветры наблюдаются поздней осенью и ранней зимой (Jalu, 1965). Кроме сезонных колебаний, на многих территориях отмечаются дневные изменения в движении воздуха, которые могут быть даже более заметными. На большинстве континентальных территорий в ночные часы обычно наблюдается устойчивое слабое движение воздуха. В результате ухудшения условий для вертикального распространения атмосферных загрязнений последние рассеиваются медленно и могут концентрироваться в относительно малых объемах воздуха. Содействующий этому слабый, изменчивый ветер может привести даже к обратному распространению загрязнений по направлению к их источнику. В противоположность этому в дневное время ветры характеризуются большей турбулентностью и скоростью; вертикальные токи усиливаются, поэтому в ясный солнечный день происходит максимальное рассеивание загрязняющих веществ.

Местные ветры могут заметно отличаться от общего потока воздуха, характерного для данной области. Разница температур суши и воды вдоль побережья континентов или крупных озер является достаточной для возникновения местных движений воздуха с моря на сушу днем и с суши на море ночью (Pierson, I960); Schmidt, 1957). В умеренных широтах такие закономерности движения морского бриза хорошо заметны лишь летом, в другие времена года они маскируются общими ветрами. Однако в тропических и субтропических районах они могут являться характерными чертами погоды и наблюдаться почти с часовой регулярностью изо дня в день.

Помимо закономерностей движения морского бриза в приморских районах, очень важными факторами являются также топография местности, расположение на ней источников загрязнений или объектов их воздействия. Следует отметить, однако, что замкнутость пространства не является необходимым условием для создания чрезвычайного уровня атмосферных загрязнении, если в этом пространстве имеется достаточно интенсивный источник загрязнения. Лучшим доказательством этого являются эпизодически наблюдающиеся токсические туманы (smog) в Лондоне, где топографические условия не играют почти, или совершенно никакой роли. Однако, за исключением Лондона, все крупные воздушные катастрофы, вызванные загрязнением атмосферы, о которых мы знаем, возникали там, где движение воздуха значительно ограничивалось рельефом местности, так что движение воздуха происходило лишь в одном направлении или в пределах относительно малой территории (Firket, 1936; US Public Health Service, 1949), движение .воздуха в узких долинах характеризуется тем, что днем нагретые солнцем воздушные потоки направляются по склонам долины вверх, тогда как непосредственно перед или после захода солнца воздушные потоки опрокидываются и стекают по склонам долины .вниз (Defant, 1951). Поэтому в условиях долины атмосферные загрязнения могут подвергаться длительному застою на небольшом пространстве (Hewson a. Gill, 1944). Кроме того, поскольку склоны долин защищают их от влияния общей циркуляции воздуха, ветер здесь отличается меньшей скоростью по сравнению с равнинными территориями. B некоторых районах такие местные восходящие и нисходящие потоки воздуха в долинах могут происходить почти ежедневно, в других они наблюдаются лишь как исключительное явление. Существование местных воздушных течений и их изменения во времени являются одной из основных причин, обусловливающих необходимость детального исследования местности для исчерпывающей характеристики закономерностей загрязнения атмосферы (Holland, 1953). Обычная сеть метеорологических станций не в состоянии обнаружить эти небольшие воздушные течения.

Кроме изменений движения воздуха во времени и по горизонтали, обычно наблюдаются значительные различия в его движении и .по вертикали. Неровности земной поверхности, как естественные, так и созданные человеком, образуют препятствия, обусловливающие механические завихрения, уменьшающиеся с увеличением высоты. Кроме того, в результате нагревания земли солнцем образуются термические завихрения, максимальные у земной поверхности и убывающие с высотой, что приводит к уменьшению порывистости ветра по вертикали и последовательному снижению скорости рассеивания загрязнений с увеличением высоты (Magi 11, Holder) a. Ackley, 1956),

Турбулентность, или вихревое движение, представляет собой механизм, обеспечивающий эффективную диффузию в атмосфере. Поэтому изучение спектра распространения энергии в вихрях, проводящееся значительно более интенсивно в настоящее время (Panofsky a. McCormick, 1954; Van Dcr Hovcn, 1957), теснейшим образом связано с проблемой рассеивания атмосферных загрязнений. Общая турбулентность состоит в основном из двух компонентов - механической и термической турбулентности. Механическая турбулентность возникает при движении ветра над аэродинамически шероховатой поверхностью земли и пропорциональна степени этой шероховатости и скорости ветра. Термическая турбулентность возникает в результате нагревания земли солнцем и зависит от широты местности, величины излучающей поверхности, и стабильности атмосферы. Она достигает максимума в ясные летние дни и снижается до минимума в течение длинных зимних ночей. Обычно влияние солнечной радиации на тепловую турбулентность измеряется не непосредственно, а путем измерения вертикального градиента температуры. Если вертикальный градиент температуры нижних слоев атмосферы превышает адиабатическую скорость падения температуры, то возрастает вертикальное движение воздуха более заметным становится рассеивание загрязнений, особенно по вертикали. С другой стороны, в стабильных атмосферных условиях, когда различные слои атмосферы имеют одинаковую температуру или когда температурный градиент с увеличением высоты становится положительным, необходимо затратить значительную энергию для увеличения вертикального движения. Даже при эквивалентных скоростях ветра стабильные атмосферные условия обычно приводят к концентрации загрязнений в относительно ограниченных слоях воздуха.

Типичный дневной цикл изменения температурного градиента над открытой местностью в безоблачный день начинается с образования неустойчивой скорости падения температуры, усиливающейся днем благодаря интенсивному тепловому излучению солнца, что приводит к возникновению сильной турбулентности. Непосредственно перед или вскоре после захода солнца приземный слой воздуха быстро охлаждается и возникает устойчивая скорость падения температуры (повышение температуры c высотой). В течение ночи интенсивность и глубина этой инверсии возрастают, достигая максимума между полуночью и тем временем суток, когда земная поверхность имеет минимальную температуру. В течение этого периода атмосферные загрязнения эффективно задерживаются внутри слоя инверсии или ниже его благодаря слабому или полном отсутствию рассеивания загрязнений по вертикали. Следует отметить, что в условиях застоя загрязнители, сбрасываемые у поверхности земли, не распространяются в верхние слои воздуха и, наоборот, выбросы из высоких труб в этих условиях большей частью не проникают е ближайшие к земле слои воздуха (Church, 1949). С наступлением дня земля начинает нагреваться и инверсия постепенно ликвидируется. Это может привести к "фумигации" (Hewson a. Gill. 1944) благодаря тому, что загрязнения, попавшие в течение ночи в верхние слои воздуха, начинают быстро перемешиваться и устремляются вниз, поэтому в ранние предполуденные часы, предшествующие полному развитию турбулентности, заканчивающей дневной цикл и обеспечивающей мощное перемешивание, часто возникают высокие концентрации атмосферных загрязнений. Этот цикл может быть нарушен или изменен при наличии облаков или осадков, препятствующих интенсивной конвекции в дневные часы, но могущих также препятствовать и возникновению сильной инверсии в ночное время.

Установлено, что в городских районах, где чаще всего наблюдается загрязнение атмосферного воздуха, типичный для открытых территорий режим падения температуры подвергается изменениям, особенно в ночное время (Duckworth a. Sandberg, 1954). Промышленные процессы, повышенное выделение тепла в городских районах и неровности поверхности, создаваемые зданиями, способствуют термической и механической турбулентности, усиливающей перемешивание воздушных масс и препятствующей образованию поверхностной инверсии. Благодаря этому основание инверсии, которое в условиях открытой местности располагалось бы на уровне земли, находится здесь над слоем интенсивного перемешивания обычно толщиной около 30-150 м. Эти условия могут свести на нет преимущества выброса загрязнений через высокие трубы, поскольку выпускаемые отходы будут концентрироваться в относительно ограниченном пространстве.

При анализе воздушных течений в большинстве случаев для удобства допускается, что ветер сохраняет постоянное направление и скорость на обширной территории в течение значительного периода. В действительности это не так, и при детальном анализе движения воздуха необходимо учитывать эти отклонения. Там где движение ветра вследствие различия градиента атмосферного давления или топографии местности меняется от места к месту или со временем, крайне важно производить анализы метеорологических траекторий при изучении влияния выпускаемых загрязнений или установлении возможного источника их (Nciburgcr, 1956). Вычисление детальных траекторий требует множества точных измерений ветра, однако и вычисление приблизительных траекторий, для чего часто бывает достаточно лишь немногих наблюдений над движением ветра, также может принести пользу.

При краткосрочных исследованиях атмосферных загрязнений, локализованных на небольших территориях, обычные метеорологические данные являются недостаточными. В значительной мере это объясняется затруднениями, возникающими вследствие использования приборов, обладающих различными характеристиками, неодинакового местоположения приборов, различных способов отбора проб и различных периодов наблюдения.

Диффузионные процессы в атмосфере

Мы не будем пытаться перечислять здесь разнообразные теоретические предпосылки к проблеме диффузии в атмосфере или рабочие формулы, которые разработаны в этой области. Исчерпывающие данные по этим вопросам приводятся в литературе (Bat-chelor a. Davies, 3956; iMagill, Bolden a. Ackley, 3956; Sutton, 1053; US Atomic Energy Commision a. US Wacther Bureau, 1955). Кроме того, специальная группа Всемирной метеорологической организации периодически представляет обзоры этой проблемы. Поскольку проблема 'Понимается лишь в общих чертах и формулировки имеют приблизительную точность, математические сложности, возникающие при изучении изменений ветра и тепловой структуры нижних слоев атмосферы, еще далеко не преодолены для всего разнообразия метеорологических условий. Точно так же в настоящее время мы располагаем лишь отрывочными сведениями относительно турбулентности, распределения ее энергии в трех измерениях, изменений во времени и пространстве. Несмотря на недостаточное понимание турбулентных процессов, рабочие формулы позволяют вычислить концентрации выбросов из отдельных источников, которые удовлетворительно согласуются с данными инструментальных замеров, если не считать высотных труб в условиях инверсии. Соответствующее применение этих формул дало возможность сделать полезные практические выводы об уровне загрязнений атмосферного воздуха из единичного источника. Очень немногие попытки (Frenkel, 1956; Lettau, 1931) сводились к использованию аналитических методов для расчета концентрации атмосферных загрязнений, выбрасываемых из множественных источников, как это имеет место в крупных городах. Такой подход обладает значительными преимуществами, но он требует выполнения очень сложных расчетов, а также разработки эмпирических приемов для учета топографических и зональных параметров. Несмотря на эти затруднения, точность методов аналитического расчета, по-видимому, в настоящее время соответствует точности наших знаний о распределении источников загрязнений, их мощности и колебаний во времени. Поэтому для получения полезных практических выводов эта точность достаточна. Периодическое выполнение аналитических расчетов этого типа позволило бы определять возможность повторения периодов высоких концентраций атмосферных загрязнений, определять их "хронический" уровень, оценивать роль (различных источников при разных метеорологических условиях и подвести математическую базу под различные меры снижения загрязнения воздуха (зонирование, размещение промышленных предприятий, ограничение выбросов и др.).