2.4. Метеорологічні аспекти охорони атмосферного повітря від забруднення

Загальні проблеми забруднення атмосфер­ного повітря. Охорона атмосферного повітря від забруднення є надзвичайно актуальною і багатоплановою проблемою сьогодення. Загальне уявлення про коло питань, які найчастіше доводиться вирішувати при розв’язанні проблеми забруднення атмосфери дає рис. 2.3.

Оцінка якості атмосферного повітря у містах і промислових центрах • Моніторинг якості атмосферного повітря • Моделювання забруднення атмосфери • Оцінювання й моніторинг викидів  Оцінка експозиції населення • Розташування різних груп населення • Концентрація забруднюючих речовин в різних районах міста • Виявлення вразливих до забруднення повітря груп населення  Оцінка наслідків забруднення атмосфери для здоров'я населення • Встановлення кількості випадків для різних експозицій населення • Оцінка ступеня небезпечності цих наслідків  Управління якістю атмосферного повітря • Виявлення джерел, видів шкідливих речовин та територій для реалізації заходів з охорони атмосферного повітря • Розробка стратегій атмосфероохоронної роботи за співвідношенням "витрати – ефект"

Рис. 2.3. Послідовність кроків з організації управління якістю атмосферного повітря

По-можливості, детальніше розглянемо метеорологічні аспекти цієї проблеми. В Україні їх вивчають в УкрНДГМІ і Центральній геофізичній обсерваторії та деяких ВНЗ країни. Свого часу в Україні виконувалися широкомасштабні експедиційні дослідження забруднення атмосфери спільно з ГГО, ІПГ, ІЕМ та деякими іншими зацікавленими організаціями з Росії.

Як зазначалося у п. 2.3, забруднення атмосфери полягає у наявності в атмосферному повітрі певних атмосферних домішок: крупнодисперсних аерозолів – зважених твердих і рідких частинок, а також газів, іноді шкідливих, які не належать до постійних складових повітря. Ці домішки потрапляють в атмосферу різними шляхами, ступінь їх токсичності, здатність до хімічної взаємодії та фізичні властивості також відрізняються. Вельми різною може бути їх поведінка в атмосфері та ступінь санітарно-гігієнічної небезпечності.

Джерела забруднення поділяються на природні та антропогенні. Вони значно відрізняються за своєю потужністю, просторовою локалізацією та тривалістю дії.

Для оцінки основних закономірностей поширення забруднень важливо знати висоту, на якій здійснюються ці викиди (низькі чи високі), а також їх температуру (гарячі викиди чи холодні).

Метеорологічна зумовленість і регулювання забруднення атмосфери. Залежно від своїх фізико-хімічних властивостей та характеру погодних процесів, шкідливі інгредієнти можуть розсіюватися, трансформуватися або ж накопичуватися у приземному шарі атмосфери. Розсіюванню шкідливих домішок від низьких джерел сприяють сильний вітер та перемішування повітря по вертикалі. Водночас, ці ж чинники сприяють надходженню у нижні шари атмосфери шкідливих домішок від високих заводських труб. По-різному на поведінку викидів від гарячих і холодних, а також від низьких і високих джерел впливають затримуючі шари, в яких температура повітря з висотою не змінюється (шари ізотермії) або навіть зростає (інверсії). Тож за певних метеорологічних умов високі труби не завжди ефективно розсіюють промислові викиди. За сприятливих обставин вони знижують рівень забруднення на локальному рівні, але жодним чином не сприяють оздоровленню екологічної ситуації на регіональному і глобальному рівнях.

Особливо високі приземні концентрації шкідливих речовин створюються при поєднанні одразу декількох несприятливих метеорологічних умов, наприклад в ситуаціях застою повітря (відсутність вітру та вертикального перемішування повітря) або під час туманів, де застій повітря поєднується з високою його вологістю. Завдяки інерційності розвитку метеорологічних процесів сприятливі умови для акумулювання шкідливих домішок можуть утримуватися по декілька діб підряд.

В таких умовах вдаються до спеціальних заходів з регулювання забруднення атмосфери, аж до часткової і навіть повної зупинки деяких небезпечних виробництв. Здебільшого ж обмежуються переведенням котелень та інших промислових установок на екологічно чистіше паливо і якіснішу сировину, а також тимчасовою оптимізацією деяких технологічних процесів і схем. Успішність таких заходів забезпечується прогнозуванням несприятливих метеорологічних умов, доведенням цих прогнозів і попереджень до відповідних інстанцій та виконавською дисципліною на місцях.

Складніше регулювати автотранспортні викиди. У деяких країнах у несприятливі дні жорстко обмежують транспортні потоки, дозволяючи рух транспортних засобів з парними або непарними номерами. Так, зокрема, намагалися боротися з високим забрудненням повітря під час літньої олімпіади у Пекіні.

У 1964 р. Всесвітньою організацією охорони здоров'я (ВООЗ) було рекомендовано розрізняти чотири рівня небезпеки забруднення повітря (відсутність впливу, подразнення, хронічні захворювання і гострі захворювання). До першого рівня відносяться випадки, коли жодного прямого або опосередкованого впливу забруднення на людину не виявляється.

В країнах СНД при встановленні гранично допустимих концентрацій (ГДК) приймається перший, найнижчий із зазначених ВООЗ рівнів. Для його визначення використовуються високочутливі тести, зокрема зміна біопотенціалів головного мозку, які дозволяють виявити найменші впливи токсичних речовин на організм людини при короткочасному їх вдиханні. Для визначення хронічного (тривалого) впливу токсичних речовин проводяться експерименти на тваринах у спеціальних камерах із застосуванням фізіологічних, біохімічних, імунобіологічних та інших тестів, а також використовуються матеріали епідеміологічних обстежень населення. До отриманих таким чином лабораторних даних про поріг впливу у деяких випадках додатково вводяться коефіцієнти запасу, які значно знижують ці пороги (іноді до 100 разів).

Розрізняють максимальні разові та середньодобові ГДК, які використовуються для оцінки рівня забруднення атмосферного повітря при короткочасній (близько 20–30 хв) і тривалій (від 8 год до року і більше) експозиції (дії) хімічної речовини на людину, відповідно.

Для забезпечення прийнятного рівня забруднення атмосфери окремим промислових підприємствам доводяться гранично допустимі викиди (ГДВ), дотримання яких має забезпечити належну якість повітря у місці їх розташування. За недотримання встановлених екологічних нормативів на підприємства-порушників накладаються значні штрафи або вживаються інші заходи впливу відповідно до національного законодавства у галузі охорони атмосферного повітря.

Підвищена вологість повітря в окремих випадках може сприяти перетворенню вихідних хімічних речовин у ще небезпечніші сполуки, наприклад, діоксиду сірки в аерозоль сірчаної кислоти.

Атмосферні опади вимивають шкідливі домішки з підхмарного шару атмосфери. Залежно від інтенсивності, рідкі і тверді опади можуть впливати на аерозолі і газові домішки по-різному. На початковій стадії опадів або при слабкій інтенсивності вони можуть спричинити й зростання приземних концентрацій за рахунок перерозподілу забруднень за висотою.

Опрацювання результатів одночасних спостережень за концентрацією атмосферних домішок у найбільших містах і промислових центрах та супутніми метеорологічними умовами дозволило отримати важливі кліматологічні узагальнення.

Основні напрями кліматологічних досліджень забруднення атмосфери. Кліматологічні дослідження забруднення повітря міст розвиваються за двома основними напрямами.

1. Перший напрям пов'язаний з проведенням вимірювань концентрацій шкідливих домішок в атмосфері і подальшим опрацюванням зібраної інформації для отримання достовірних відомостей про рівні забруднення повітря міст, закономірності поширення забруднень в атмосфері, їх просторово-часову мінливість. Далі серед усіх виявлених особливостей поведінки домішок в атмосфері виділяють загальні закономірності формування рівня забруднення повітря для міст, розташованих у різних фізико-географічних умовах. Результати таких досліджень використовуються для виявлення основних джерел забруднення і визначення черговості проведення різних природоохоронних заходів, обґрунтовування пропорцій і взаємного розміщення територій з різним функціональним навантаженням, ширини санітарно-захисних зон, оптимізації самої мережі контролю забруднення атмосфери тощо.

2. Другий напрям включає вивчення метеорологічних чинників, які визначають умови перенесення і розсіювання домішок, а також видалення їх з атмосфери разом з опадами. Крім того, у формуванні режиму забруднення міст важливу роль відіграють процеси хімічного і фотохімічного перетворення домішок в атмосфері, перебіг яких залежить від температури і вологості повітря, інтенсивності сонячної радіації і багатьох інших чинників. Зв'язок забруднення повітря з умовами поширення домішок в атмосфері встановлюється як для окремих метеорологічних величин, так і для деяких їх комбінацій. Як узагальнюючу характеристику поєднання найважливіших метеорологічних чинників, які зумовлюють рівень можливого забруднення атмосфери (при фіксованих викидах), звичайно розглядають синоптичне положення району дослідження або деяку штучну побудову, яка називається метеорологічним потенціалом забруднення атмосфери (ПЗА).

Метеорологічний потенціал забруднення атмосфери. На сьогоднішній день використовуються різні методи визначення ПЗА. В країнах СНД найбільше поширення отримав фізико-статистичний метод визначення ПЗА, який ґрунтується на результатах вивчення впливу метеорологічних умов на величину концентрації домішки, а також на припущенні про особливий характер статистичного розподілу приземних концентрацій шкідливих речовин. У чисельному вигляді ПЗА виражається через показник можливого рівня забруднення повітря (в умовних одиницях), створюваного під впливом метеорологічних чинників при фіксованих параметрах викидів у заданому географічному районі.

На території країн СНД ПЗА змінюється у досить широких межах: від 2,1 до 4,0 (відносні значення), тобто при однакових параметрах викидів у містах середній рівень забруднення може відрізнятися майже удвічі за рахунок різної повторюваності несприятливих метеорологічних умов для розсіювання шкідливих інгредієнтів.

На території України виділяють дві зони з помірним і підвищеним ПЗА від низьких джерел викидів. Зона підвищеного потенціалу забруднення охоплює Донбас, Кримський півострів, Карпати і Закарпаття; помірним потенціалом забруднення характеризується решта країни. Таким чином, більш несприятливі кліматичні умови ускладнюють проблему охорони повітряного басейну у Донбасі, який зазнає найбільшого в СНД техногенного навантаження на природне середовище за сукупністю антропогенних дій. Зокрема, тут надзвичайно високі питомі викиди шкідливих речовин. Порівняно несприятливі для розсіювання домішок кліматичні умови у районах визнаних зон відпочинку і туризму накладають додаткові обмеження на розвиток промисловості та соціальної інфраструктури і тому є також дуже небажаними.

Для південно-східних регіонів України характерна найбільша повторюваність слабких вітрів та умов застою повітря. Повторюваність приземних інверсій становить 30–45 %, а середня їх потужність та інтенсивність – 300–600 м і 2–6 °C відповідно. Максимальна потужність та інтенсивність приземних інверсій досягається узимку (500–1 000 м і 5–10 °C, відповідно), а мінімальна – улітку. На серпень – вересень припадає найбільша повторюваність слабких вітрів. Середнє число днів з туманом за рік досягає 80–100 на Донецькому кряжі, Приазовській височині, у гірських районах Українських Карпат і Криму, найбільше – 110–200, сумарна тривалість туману становить 800–1 700 год. У нижчих формах рельєфу середнє число днів з туманом звичайно становить 30–50. За рахунок частих туманів узимку можуть створюватися дуже несприятливі санітарно-гігієнічні ситуації. Рідкісні дощі за наявності слабких вітрів і приземних інверсій сприяють акумуляції шкідливих домішок у літній період року, особливо уночі. Усі ці чинники мають вирішальний вплив на річний хід забруднення атмосфери, який характеризується, як правило, одним (літнім) або двома (літнім і зимовим) максимумами. Інтенсивне вимивання домішок з підхмарного шару в Українських Карпатах (тут річна кількість опадів перевищує 1 000 мм) значною мірою перекривається іншими чинниками, які сприяють накопиченню забруднювальних речовин у приземному шарі атмосфери.

У зоні помірного ПЗА ( = 2,4–2,7), яка охоплює решту території України, великий вплив на формування режиму забруднення повітря мають піднесені інверсії, утворення яких часто зумовлене руйнуванням приземних інверсій. Невисокі, але потужні та обширні піднесені інверсії можуть сприяти накопиченню шкідливих домішок і від високих джерел забруднення атмосфери. Звичайно повторюваність приземних інверсій пересічно за рік становить 30–40 %, не перевищує цього рівня і повторюваність слабких вітрів. Максимальна повторюваність приземних інверсій та швидкості вітру 0–1 м/с спостерігається улітку і досягає у нічний час 60–80 %. Періоди тривалого збереження слабких вітрів спостерігаються 1–5 разів на місяць. Підвищений рівень забруднення атмосфери у цій зоні може спостерігатися у зв'язку зі скороченням літньої кількості опадів, або ж при розвитку більше звичайного зимових інверсій і туманів. Упродовж року режим забруднення приземного шару повітря набуває рівнішого характеру.

Особливості методики оцінки забруднення атмосфери у великих містах і промислових центрах. Річний і добовий хід концентрацій шкідливих домішок є природним наслідком метеорологічної зумовленості забруднення атмосфери. Однак, навіть ці очевидні ефекти не завжди можна достатньо надійно встановити в умовах реального міста, що пов'язано з рядом об'єктивних обставин.

По-перше, саме надходження більшості шкідливих домішок в атмосферу значно змінюється у часі. Деякі з цих коливань також мають періодичний характер. Наприклад, у роботі промислових підприємств та автотранспорту виявляються річні, тижневі і добові цикли. Розвиток виробництва і транспорту, а також здійснення на них деяких природоохоронних заходів визначають повільні направлені зміни рівнів забруднення. Загальні закономірності надходження домішок в атмосферу порушуються під впливом багатьох інших, переважно нерегулярних, чинників: залпових викидів при несправності очисних споруд, тривалих зупинках роботи найпотужніших джерел забруднення під час реконструкції основного виробництва, проведення капітального, профілактичного або позапланового ремонту різного устаткування на окремих крупних підприємствах міста. Крім того, на планомірне зниження викидів за несприятливих погодних умов орієнтовано заходи регулювання промислових викидів в атмосферу. Відомо, що найбільші підприємства чорної металургії, важкого машинобудування, хімічної промисловості і промисловості будівельних матеріалів приступили до регулювання викидів в атмосферу шляхом зміни технології і режиму роботи у періоди несприятливих метеорологічних умов, які прогнозуються відповідними службами з 1975 року. В середині 1980-х років такі заходи здійснювалися більш як на 1 тис. великих підприємств у 140 містах колишнього Радянського Союзу (М.Е. Берлянд, 1985).

По-друге, метеорологічні умови поширення шкідливих домішок в атмосфері також змінюються від року до року. У результаті зміни повторюваності несприятливих метеорологічних умов розсіювання можливе збільшення або зменшення середньої концентрації домішки на 20–40 %. Водночас, під впливом господарської діяльності у крупних містах спостерігається істотна зміна кліматичного режиму. Деякі із цих змін (формування "острова тепла", зміни вертикального профілю температури, повторюваності серпанків, туманів тощо) зумовлені забрудненням повітря у містах.

По-третє, концентрація домішок залежить не тільки від сумарного надходження забруднень в атмосферу і метеорологічних умов їх розсіювання, але й від самих джерел шкідливих викидів: особливостей їх розміщення, висоти, ступеня перегріву газів, що відходять, відносно навколишнього повітря, інших технологічних параметрів.

По-четверте, враховуючи відмінність розсіювання домішок від різних типів джерел й одночасність дії багатьох параметрів середовища, де це розсіювання відбувається, можна очікувати, що ефекти, зумовлені різними чинниками, частково компенсуватимуть один одного.

І, нарешті, дослідники забруднення атмосфери мають зважати на високу похибку визначення концентрацій атмосферних домішок (державними стандартами допускається похибка у 25 %).

Треба сказати, що усі вищезазначені чинники утруднюють вивчення не тільки особливостей добового або річного ходу забруднення повітря, але й інших закономірностей поведінки домішок в атмосфері, що добре відображено у спеціальній літературі. І якщо по суті конкретної проблеми забруднення атмосфери у різних дослідників суперечок практично не виникає, то діапазон кількісних оцінок багатьох ефектів у реальних умовах, визначений ними, більш ніж широкий.

З оглядку на сказане, в галузі охорони атмосферного повітря часто оперують спеціальними показниками на кшталт параметра Л.Р. Сонькіна, який представляє собою співвідношення числа випадків з високим рівнем забруднення (у 1,5 рази вищим за його середнє сезонне значення) на усіх пунктах спостереження упродовж одного дня до загальної кількості спостережень, виконаних у той же день. При високому забрудненні перевищує 0,30 або навіть 0,35, низькі рівні забруднення мають місце при .

Врахування поширення домішок при плануванні розвитку міст і промислових центрів. Відомо, що вплив міста поширюється на відстані у декілька десятків кілометрів, за особливих атмосферних умов – до 150–200 км і більше. Тож при проектуванні розвитку міст і промислових центрів вкрай необхідно враховувати повторюваність напрямків вітру та їх поєднань з несприятливими метеорологічними умовами розсіювання шкідливих домішок.

При рівномірному розподілі джерел викидів максимальне забруднення формується у центральній частині міста. Середня концентрація домішки на околиці звичайно на декілька десятків відсотків нижча, ніж у центрі. Найсильніше цей ефект виявляється у крупних промислових центрах. Водночас, найбільші міста нерідко характеризуються дуже складним містобудівним плануванням, коли промислові зони, житлові квартали та інші функціональні зони незакономірним чином чергуються у просторі. Для максимальної ефективності заходів з охорони повітря і прийняття компетентного рішення щодо подальшого розвитку міста необхідно зважати на результати фізико-математичного моделювання поширення домішок в атмосфері.

При моделюванні забруднення атмосфери викидами від низьких і холодних джерел в особливо несприятливих умовах, коли піднесена інверсія розташовується дещо вище рівня ефективної висоти площадкового джерела, встановлено, що максимальна концентрація для площадкового джерела може збільшитися до 5–10 разів, тоді як для точкового джерела – не більше ніж удвічі. Пояснюється це тим, що у такому разі для точкових джерел, які формують площадкове джерело, убування концентрації з деякої відстані, де досягається максимальний рівень забруднення, сповільнюється. Тому тільки за рахунок зменшення числа труб у 8–10 разів за інших однакових умов можна забезпечити зниження максимальної концентрації приблизно удвічі.

Проведений для ряду заводів аналіз показав, що звичайно залежно від об'єму і температури газів, що відходять, приземна концентрація домішки змінюється у 4–6 разів, а від висоти труб – у 15–40 разів. Максимальні концентрації важкої і легкої домішок для промислових викидів за інших однакових умов відрізняються у 2–2,5 рази.

Поблизу крупних водоймищ середня концентрація домішки знижується приблизно удвічі порівняно із її значенням у центрі міста. Значно знижується вміст атмосферних домішок на добре провітрюваних вершинах пагорбів і височин. Крім того, дуже ефективним засобом боротьби із забрудненнями є зелені насадження.