Метеорологические условия переноса и рассеивания примесей в атмосфере

Атмосфера, как и вся природная среда в целом, обладает способностью к самоочищению. Вредные вещества, поступающие в атмосферу от техногенных источников, оседают на поверхности растений, почвы, вымываются атмосферными осадками или переносятся на значительные расстояния от места выброса. Все эти процессы происходят с помощью ветра и зависят от температуры воздуха, солнечной радиации, атмосферных осадков и других метеорологических факторов.

Влияние температуры воздуха на условия переноса и рассеивания примесей.

Перенос примесей в верхние слои атмосферы определяется характером распределения температуры в атмосфере с высотой. Степень изменения температуры с высотой характеризуется вертикальным градиентом температуры (⁰С) на единицу высоты от поверхности земли, обычно на 100 м.

Состояние атмосферы бывает равновесным, устойчивым и неустойчивым. Степень устойчивости атмосферы определяет поведение воздушной частицы, выведенной из первоначального положения в выше- или нижележащий слой атмосферы.

Если градиент температуры в сухой атмосфере равен 1 ^оС на 100 м, то воздух на любой высоте будет находиться в равновесии. В таком случае говорят, что атмосфера находится в состоянии безразличного равновесия, или что наблюдается равновесная стратификация. В естественных условиях влажного воздуха равновесное состояние наблюдается при меньшем градиенте температуры (примерно 0,6 ^оС/100 м).

В соответствии с законами физики частица теплого воздуха поднимается вверх, холодного - опускается вниз.

Выбросы загрязняющих веществ, отходящие от источников, как правило имеют более высокую температуру и поэтому поднимаются вверх постепенно охлаждаясь и рассеиваясь.

При вертикальном градиенте температуры, значительно большем 1 ^оС/100 м, в приземном слое атмосферы создаются неупорядоченные движения воздуха - атмосферная турбулентность. Это приводит к нарушению закономерности распределения температуры воздуха с высотой.

Возрастание температуры с высотой называется инверсией температуры. Инверсия температуры может наблюдаться как у поверхности земли (приземная инверсия), так и на некоторой высоте (высотная инверсия). Если инверсия встречается на небольшой высоте от земли, ее называют приподнятой. Инверсия характеризуется вертикальной протяженностью (мощностью, т. е. разностью высот от верхней до нижней границы инверсии) и интенсивностью (т. е. разностью значений температуры на верхней и нижней границах инверсии).

Приземные инверсии возникают в результате выхолаживания воздуха над почвой. Инверсии свободной атмосферы развиваются в результате атмосферных циркуляционных процессов (циклонов и антициклонов, холодных и теплых атмосферных фронтов).

Если слой инверсии располагается непосредственно над трубой источника выбросов, то в приземном слое атмосферы могут создаваться опасные условия загрязнения, так как инверсионный слой ограничивает подъем выбросов, способствует их опусканию и накоплению в приземном слое.

Слой инверсии, расположенный ниже уровня выбросов, препятствует их переносу к земной поверхности. В этом случае слой инверсии оказывает благоприятное действие.

В городских условиях при наличии большого числа низких источников выбросов, особенно если температура выбросов близка к температуре окружающего воздуха, при приподнятых и при приземных инверсиях создаются условия накоп­ления примесей.

Влияние скорости ветра и розы ветров на условия переноса и рассеивания примесей в атмосферном воздухе.

Максимум концентрации обычно создается на расстоянии, кратном 10 - 20 высотам труб источника выбросов. Поэтому при проектировании размещения промышленных предприятий и жилых кварталов учитывается повторяемость различных направлений ветра (роза ветров), особенно со стороны предприятий, и расстояние до предприятия.

Необходимо принимать во внимание не только направление, но и скорость ветра. Выбросы низких и неорганизованных источников скапливаются в приземном слое при слабых ветрах. Наибольшие концентрации примесей в городах часто наблюдаются при скорости ветра 0 - 1 м/с.

При выбросах от промышленных предприятий с высотными трубами значительные концентрации примесей у поверхности земли создаются при так называемой опасной скорости ветра. Из высоких труб воздушная смесь (факел) выходит с определенной скоростью. Если эта смесь имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух, она поднимается вверх, и вредные примеси уносятся в верхние слои атмосферы. При слабых ветрах подъем факела увеличивается, и примеси почти не достигают земли. При сильных ветрах наблюдается перенос примесей на значительные расстояния от места выброса. Но имеется некоторая промежуточная скорость ветра, при которой факел опускается к земле (наблюдается эффект "задымления") и в приземном слое формируется наибольший уровень загрязнения. Эта скорость и является "опасной". Ее значение зависит от высоты, скорости и температуры выбросов из источника; например, для тепловых электростанций она равна 4 - 6 м/с.

Большую опасность представляют так называемые застои воз­духа, т. е. ситуации, когда приземные инверсии температуры наблюдаются при скорости ветра 0 - 1 м/с. В этой ситуации выбросы вредных веществ не могут подниматься в верхние слои атмосферы и уноситься от источника выбросов. При застоях воздуха все вредные вещества скапливаются у источника выбросов.

Влияние туманов, осадков и солнечной радиации на формирование уровня загрязне­ния атмосферы.

При туманах загрязнение воздуха усиливается. Капли тумана поглощают вредные вещества как вблизи поверхности, так и из вышележащих загрязненных слоев воздуха: концентрация примеси в тумане возрастает. Это связано с определенными процессами, например, при растворении в каплях тумана диоксида серы образуются капли более токсичной серной кислоты. При этом происходит возрастание массовой концентрации примеси, поскольку из 1 г двуокиси серы образуется 1,5 г серной кислоты. Аналогичным образом происходит переход двуокиси серы в серную кислоту в атмосферных осадках, что является одной из причин кислотных дождей.

Туманы, содержащие частицы дыма и вредных веществ, получили название смогов. С наличием смогов связывают периоды особо высокого загрязнения воздуха, сопровождающегося ростом заболеваемости и даже смертности населения.

Важную роль в процессе самоочищения атмосферы играют атмосферные осадки. Капли дождя либо снежинки захватывают частицы пыли и несут их к поверхности земли. Процесс самоочищения происходит в облаках, где облачные капли захватывают пылинки, частицы сажи и дыма, а также при прохождении дождевых капель и снежинок через слой атмосферы. Повышение концентрации примесей редко наблюдается после дождя. Чем больше количество выпавших осадков, тем чище атмосфера. Однако осадки становятся источником загрязнения почвы, водоемов вредными веществами.

Важную роль в формировании уровня загрязнения атмосферы играет солнечная радиация. При высокой интенсивности солнечного сияния, особенно в южных районах, в атмосфере происходят фотохимические реакции: окисление диоксида серы с образованием сульфатных аэрозолей. При наличии в атмосфере окислов азота и органических веществ в ясные солнечные дни возможны фотохимические процессы с образованием фотохимического смога. Наиболее вредный продукт фотохимической реакции - пероксиацетилнитрат (ПАН).

Таким образом, в реальной атмосфере выбросы промышленных предприятий и других источников подвергаются действию всего комплекса метеорологических факторов, который и определяет уровень загрязнения.

Сочетание метеорологических условий, обусловливающих накопление в атмосфере примесей, называют метеорологическим потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА), а обусловливающих рассеяние - рассеивающей способностью атмосферы (РСА).

Влияние различных составляющих ПЗА зависит от расположения источников, параметров выбросов, а также от повторяемости составляющих ПЗА. Чем больше повторяемость неблагоприятных условий, тем чаще происходит накопление примесей и тем выше средний уровень загрязне­ния.

Повторяемость условий, благоприятных для рассеивания примесей, существенно изменяется в течение года и от года к году. В зависимости от вида источников и характера их размещения по территории города изменчивость концентрации примеси, обусловленная изменениями метеорологических условий, может быть весьма значительной. Роль метеорологических условий в формировании среднего уровня загрязнения иногда может превышать роль количества и состава выбросов.

При разработке мероприятий по охране атмосферы с особым вниманием следует отнестись к метеорологическим условиям района, в котором расположен город. Большое значение имеет прогноз метеорологических условий и вероятности повышения загрязнения воздуха в отдельные периоды, который может составляться в одном из прогностических подразделений управления по гидрометео­рологии. Если прогнозируются неблагоприятные условия рассеивания, а в воздухе города содержание примесей велико, на промышленные предприятия передается предупреждение о возможном повышении уровня загрязнения. В такие периоды некоторые предприятия сокращают выбросы в атмосферу вредных веществ или приостанавливают запланированные ранее залповые выбросы, не проводят профилактические работы на пылеочистных сооружениях, не отключают пылеочистные аппараты. В настоящее время прогнозирование условий рассеивания примесей осуществляется практически во всех крупных городах. Однако не всегда предприятия откликаются на эти предупреждения регулированием или снижением выбросов.