Роль метеорологических факторов в загрязнении атмосферного воздуха

Удаление загрязняющих веществ из атмосферы

Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере означает но удаление их, а простое разведение в большем объеме. Бели бы основная масса загрязнений не подвергалась со временем удалению из воздуха при некоторых процессах, то условия в приземном слое атмосферы давно уже стали бы непереносимыми для человека. При достаточно большом размере загрязняющих воздух частиц они могут эффективно удаляться из атмосферы путем гравитационного осаждения. Более мелкие частицы, которые часто составляют основную массу загрязнений, могут удаляться из атмосферы в (результате столкновения с поверхностью земли, растениями, зданиями и т.д. Наиболее эффективным фактором самоочищения атмосферы являются, по-видимому, осадки. Крупные частицы легко вымываются из атмосферы падающими дождевыми каплями (Langmuir, 1948). Недавно было показано (Greenfield, 1957), что и более мелкие частицы могут накапливаться в дождевых каплях и таким образом удаляться из атмосферы. Отсюда можно сделать заключение, что в засушливых районах воздух должен быть значительно более загрязненным, хотя наблюдения как будто и не подтверждают этого вывода. Однако действительно засушливые районы редко бывают развитыми промышленными районами, а Южная Калифорния и западное побережье США, где осадки незначительны, могут служить примерами высокого уровня загрязнения атмосферы, создающегося в условиях слабых ветров <и незначительных осадков. Имеются данные, доказывающие, что сами атмосферные загрязнения могут замедлять процессы формирования осадков (Gunn a. Phillips, 3957).

Газообразные загрязнения атмосферы удаляются из нее главным образом в процессе абсорбции, особенно крупными водными поверхностями, а также осадками. Наблюдаются и другие процессы в виде химических реакций с другими веществами и последующего удаления, однако они играют гораздо меньшую роль.

В результате фотохимических или химических реакций с другими веществами первоначальный характер поступивших в атмосферу загрязнений может измениться в сторону усиления (или ослабления) их влияния на растения, животных и здания.

Загрязнение атмосферы и видимость

Основной вредностью загрязнения атмосферы в прошлом считалось снижение видимости вследствие черного дымового покрова, который часто повисал над промышленными районами. В последнее время это снижение видимости создает значительные помехи торговым перевозкам, в особенности воздушному транспорту, а иногда при крайних степенях загрязнения, и автомобильному. Однако видимость не может являться прямым показателем общей загрязненности атмосферы, поскольку понижение видимости вызывается лишь пылевидными загрязнениями, такими, как сажа и летучая зола, размеры которых достаточны для того, чтобы воспрепятствовать прохождению и рассеять видимый свет. Газовые, а также радиоактивные выбросы могут создавать значительно более высокое загрязнение атмосферы без какого-либо нарушения видимости. Все же изменения видимости могут быть использованы для оценки резкого повышения степени загрязненности воздуха или для оценки эффективности мер борьбы с загрязнениями. В результате наблюдений над видимостью в Лос-Анжелосе (Nciburgcr, 1956) установлено, что за несколько последних десятилетий средняя видимость понизилась менее значительно, чем этого можно было бы ожидать, исходя из быстрого развития промышленности в данном районе за тот же отрезок времени. И, наоборот, повышение видимости в районах Сен-Луи и Питтсбурга (Ely, 1955) после внедрения противодымных мероприятий явилось показателем эффективности принятых мер.

Однако отрицательное значение понижения видимости в результате загрязнения атмосферы обусловлено не столько уменьшением предела видимости, сколько тем, что поступление солнечной энергии к земле снижается. В условиях крайнего застоя воздуха, как, например, но время токсических туманов (smog) в Доноре или Лондоне, загрязнения достигают столь высоких концентраций, при которых значительно уменьшается поступление на землю солнечной радиации. Это в свою очередь способствует длительному застою в нижних слоях атмосферы, образуя "обратную связь".

Метеорологические наблюдения при изучении атмосферных загрязнений

Существует немало хорошо известных работ по изучению загрязнения воздуха в городах (например, в Лейчестере, Доноре, Лос-Анжелосе, Лондоне, Питтсбурге). Некоторые из этих работ не включали проведение одновременных метеорологических наблюдений, что в дальнейшем приводило к определенным затруднениям при интерпретации полученных данных. Лучше всего это видно на следующем гипотетическом примере. При определении концентраций атмосферных загрязнений в одной или нескольких точках за данный отрезок времени обычно обнаруживаются определенные различия в уровнях концентраций, определяемых в отдельных пунктах. Задача заключается в том, чтобы определить, обусловлены ли эти различия влиянием разных источников, изменением силы одного и того же источника во времени или различием метерологических условий. Без одновременного изучения метеорологических условий нельзя сделать определенных выводов относительно влияния погоды на чистоту атмосферного воздуха. Так как с изменением условий погоды могут изменяться и концентрации атмосферных загрязнений, то и другие выводы становятся менее точными, если недостаточно хорошо известны метеорологические параметры, в связи с возможностью существенных микроклиматических различий как между разными районами, так и между отдельными пунктами одного и того же района объем требуемых метеорологических наблюдений в большой степени зависит от топографии местности, количества точек отбора проб, продолжительности и щели исследования. В случае определения среднегодового изменения уровня атмосферных загрязнений в каком-либо пункте для получения необходимых сведений может оказаться достаточным наличие одной показательной метеорологической станции для измерения скорости ветра, солнечной (радиации, температурного градиента и т. п. С другой стороны, при изучении атмосферных загрязнений во многих пунктах требуется гораздо более сложная сеть метеорологических наблюдений. Программа таких наблюдений была разработана недавно при исследовании загрязнения воздуха в Луисвилле (Leavitt, Pooler a. Wanta, 1957).

Климатология загрязнений атмосферного воздуха

Обор метеорологических данных для оценки уровней атмосферных загрязнений - непростая задача. Те станции, где в течение длительного периода производятся метеорологические наблюдения, обычно не размещаются в оптимальных условиях для исследования загрязнений атмосферного воздуха. В добавление к этому судить о способности атмосферы к самоочищению приходится на основании анализа замеров направления ветра, его скорости и температурного градиента в нижних слоях атмосферы, поскольку прямых определений турбулентности воздуха в прошлом не производилось (как и в настоящее время). Если частота определения параметров ветра довольно высокая (не менее одного измерения в час), то этого обычно достаточно для изучения сезонных колебаний этих параметров, их корреляции с осадками, уровнями атмосферных загрязнений и т. д. Основная трудность при определении параметров ветра заключается в выборе достаточно типичного пункта, где проводятся эти наблюдения. С другой стороны, измерения вертикальной тепловой структуры атмосферы стали широко проводить только после 1930 т., причем эти ранние измерения проделывали обычно лишь раз в день. Основная цель заключается в измерении вертикальной температурной структуры атмосферы по возможности на наибольшей высоте. В последние годы эти наблюдения производятся с помощью радиозондов, которые очень быстро поднимаются лишь на высоту нескольких тысяч футов над землей и не являются идеальным источником получения детальных сведений о структуре температурного градиента в низших слоях атмосферы. Только совсем недавно измерения с помощью радиозондов начали производить на многих участках по 4 раза в день. Таким образом, наблюдения, проводимые с помощью радиозондов, не дают возможности проанализировать истинные суточные колебания температурного градиента в низших слоях атмосферы и его сезонные изменения. В связи с исследованием атмосферных загрязнений был построен ряд метеорологических вышек, где ведутся непрерывные измерения температурного градиента в нижних слоях атмосферы. Таких вышек сравнительно немного и вследствие разного рода ограничений они редко размещаются в пределах крупных городских районов. Даже при непрерывной регистрации соответствующих параметров дефектом большинства метеорологических вышек является недостаточная высота, приблизительно менее 150 м, вследствие чего структура атмосферы выше этого уровня остается либо неизвестной, либо для ее изучения приходится применять привязные шары, обладающие почти такими же недостатками, как и традиционные радиозонды. Возведение в последние годы во многих странах телевизионных башен высотой 300-600 м обеспечивает возможность непрерывной регистрации температурного градиента в наиболее важном слое атмосферы, но устройство и содержание таких башен требуют значительного труда и расходов.

Несмотря на эти недостатки, все же в основании стандартных метеорологических наблюдений можно сделать достаточно обоснованные выводы о частоте возникновения таких метеорологических условий, которые способствуют созданию высокого уровня загрязнений атмосферы. Эта фраза сформулирована так потому, что могут встретиться районы, где частота возникновения и продолжительность условий, благоприятствующих интенсивному загрязнению воздуха, гораздо больше, чем в других индустриальных районах, но где обнаруживаются незначительные концентрации благодаря отсутствию источников атмосферных загрязнений. Метеорологическая оценка потенциального загрязнения атмосферного воздуха должна основываться лишь на учете метеорологических условий независимо от мощности существующих в настоящее время источников загрязнений. Вполне возможно, что районы, известные теперь чистотой своей атмосферы, могут превратиться в наиболее загрязненные районы мира.

Следует быть весьма осторожным при использовании имеющихся данных по климатологии. Для ответа на различные вопросы требуются и различные толкования материала. В зависимости от того, ждет ли речь о кратковременных высоких концентрациях какого-либо вещества или о постоянном загрязнении тем же веществом, но в малых концентрациях (Eisenbud et al., 1949), продолжительность и периодичность соответствующих метеорологических наблюдений будут значительно отличаться. В дополнение к основной регистрации случаев неблагоприятных метеорологических условий чрезвычайно важно производить статистический анализ крайних значений различных параметров и там, где возможно определять их повторяемость (Itoo и др., 1955). Вопрос о продолжительное и периодов крайне неблагоприятных метеорологических условий имеет непосредственное отношение к проблеме здоровья населения. Это требует анализа временных промежутков, на протяжении которых различные крайние значения не могут быть независимыми. Теоретическая статистика до сих пор не решила эту проблему, вследствие чего в каждом случае требуется эмпирический подход. Такой подход требует непрерывных измерений.

Полезные данные можно получить путем анализа распределения по частоте таких факторов, как скорость ветра, направление ветра и стабильность, направление ветра, величина осадков, направление и скорость ветра в разное время суток (Wanta a. Stern, 1957).

Эти сведения могут быть использованы дли определения суточных и сезонных колебаний условий, способствующих высокому уровню атмосферных загрязнений, а также для характеристики микроклимата данной местности в плане потенциала загрязнения воздуха.

Как уже упоминалось, не всегда имеются необходимые метеорологические данные по интересующему нас району или же они могут быть использованы лишь для отдельного пункта в этом районе. Таким образом, требуется, по крайней мере качественное определение пространственных колебаний соответствующих метеорологических факторов. Часто удается определить степень девиации ветрового потока (по направлению и скорости) и изменения температурного градиента ори переходе к другой территории и, таким образом, применить имеющиеся данные для характеристики интересующего нас другого района. Более трудным является вопрос о соотношении между продолжительностью метеорологических замеров и длительностью отбора проб для определения концентрации атмосферных загрязнений. Различные рабочие формулы для расчета диффузионных измерений обычно исходят из кратковременного отбора проб для определения концентрации загрязнений в воздухе. Sutton (1053), например, определил коэффициенты диффузии применительно к трехминутной продолжительности отбора пробы. С увеличением длительности этого периода до часов, дней или даже месяцев коэффициенты диффузии перестают соответствовать действительности, что требует внесения соответствующих поправок (Smith, 1955). С другой стороны для таких длительных периодов могут оказаться достаточными и простые средние цифры ветра и стабильности, если только учитывать колебания направлений ветра и суточные изменения изучаемых параметров.

Метеорологические параметры

Использование метеорологии для прогноза загрязнения атмосферного воздуха может иметь место в виде статистического предсказания, базирующегося на климатологических факторах, или взаимного сопоставления двух и более районов для определения потенциальных уровней загрязнения атмосферы, наконец, в виде предсказания кратковременных концентраций загрязнений воздуха, создаваемых единичным источником (используя аналитические методики). Прогноз загрязнения атмосферы может быть дан также на более длительный период неблагоприятных метеорологических условий для обширных районов. В этом направлении недавно проведено исследование по поручению администрации долины Тенесси (Kleinsasser a. Wanta, 1956). Однако во избежание случаев тяжелого загрязнения атмосферного воздуха за предсказанием неблагоприятных метеорологических условий должны последовать соответствующие меры предупреждения. В настоящее время становится возможным предсказывать концентрацию загрязнений в воздухе промышленных районов. Если при этом можно установить, что какие-либо вещества достигнут определенной концентрации, при которой они становятся вредными, то на основании данного прогноза могут быть осуществлены выборочные меры контроля на соответствующих предприятиях, направленные на предупреждение создания нежелательных 'Концентраций отдельных веществ в воздухе тех или иных районов.

Большинство повсеместно имеющихся метеорологических станций в состоянии в настоящее время предвидеть наступление общих условий застоя атмосферы, могущих распространиться на обширные территории. Для тех районов, в которых должностные лица органов здравоохранения или службы контроля атмосферных загрязнений захотят быть особенно бдительными и активными, такой прогноз может оказаться полезным даже при отсутствии проведения мероприятий по предупреждению загрязнения воздуха.

Наконец, предсказание метеорологических условий, потенциально способствующих возникновению высокого уровня загрязнений атмосферы, может быть использовано для осуществления действительных мер борьбы с имеющимися выбросами загрязнений. Обычно это рассматривается только как последнее средство (Magill, Holden a. Ackley, 1956), поскольку это может быть экономически невыгодным, если только не существует угрозы достижения критического уровня загрязнений. Метеорологический контроль над всеми выбросами в крупных индустриальных районах, вероятно, никогда не будет осуществлен, хотя можно создать эффективный контроль отдельных источников, загрязняющих атмосферу особо опасными веществами.

Заключение

Б любой программе работ, направленных па общее снижение уровня атмосферных загрязнений, метеорология сама по себе не определяет окончательное решение. Тем не менее метеорологические наблюдения должны являться составной частью любого исследования атмосферных загрязнений независимо от того, исследуется отдельное промышленное предприятие, целый индустриальный район или все государство. Уже при составлении планов исследований по проблеме атмосферных загрязнений необходимо предусматривать в них метеорологические наблюдения. Проектирование сети пунктов для отбора проб атмосферного воздуха тесно связано с определением среднего воздушного течения и средней стабильности атмосферных условий. Если район источника загрязнений точно установлен, то метеорологические условия этого района будут определять наиболее экономичное и эффективное размещение пунктов отбора проб атмосферного воздуха.

Простой учет среднего воздушного течения и стабильности должен помочь в выборе места для строительства и зонировании городских районов; разработка методики расчета концентраций атмосферных загрязнений, поступающих от целого промышленного района, помогла бы выбору оптимального местоположения жилых районов.

Очень вероятно, что с растущей урбанизацией на обширных территориях влияние атмосферных загрязнений, создаваемых достаточно мощным промышленным источником, в конце концов начнет распространяться и на другие районы. По-видимому, такое положение уже имеет место во многих районах тяжелой промышленности Европы и США. Эта проблема приобрела международный характер, так как географические границы не препятствуют распространению воздушных масс. Если мы хотим добиться прогресса в этой области, то необходимы координация усилий и обмен информацией между всеми странами, разрабатывающими проблему борьбы с загрязнением атмосферного воздуха. Для полного использования всего, что может дать метеорология для понимания этой проблемы и уменьшения загрязнения атмосферного воздуха, необходимы стандартизация приборов и методики исследований, расширение сети метеорологических станций, фундаментальное понимание турбулентной структуры атмосферы и более полное использование имеющихся данных.

HARRY WEXLER, доктор наук