Влияние метеорологических параметров на состояние загрязнения воздушного бассейна
Вредные вещества, попадающие в атмосферу, подвергаются физико-химическим превращениям, рассеиваются и вымываются из атмосферы.
Повышение концентраций примесей в конкретном районе зависит от определенных сочетаний метеорологических параметров.
Сочетание метеорологических параметров, определяющих возможный при заданных выбросах уровень загрязнений атмосферы, называют потенциалом загрязнения атмосферы(ПЗА). Она противоположна рассеивающей способности атмосферы(РСА), чем выше РСА, тем ниже ПЗА.
Различают метеорологический и климатический ПЗА.
Метеорологический ПЗА включает сочетание наблюдаемых(или ожидаемых) метеорологических параметров в определенный период(час, сутки) и используется при прогнозировании возможных изменений уровня загрязнений на короткие временные интервалы.
Климатический ПЗА включает многолетние климатические характеристики.Он позволяет оценить ожидаемый в данном физико-геогр.районе средний уровень загрязнения.
Поскольку формирование уровня загрязнения атмосферы связано с условием вертикального и горизонтального переноса и рассеивания примесей, то ПЗА может представляться в виде различных сочетаний метеорологич. параметров.
Часто для характеристики устойчивости атмосферы ПЗА(потенциал загрязнения атмосферы) используют высоту слоя перемешивания - l0.
l0 - толщина слоя воздуха, в котором происходит основное рассеивание примеси.
С уменьшением l0 определяют для дневного времени и антициклонической погоды, полагая при этом, что она равна высоте приземной инверсии к концу предшествующей ночи. Прогноз этой высоты осуществляются по данным аэрологического зондирования.
Исходя из знания величины l0, интенсивности источника выбросов М(г/сек.м2) и скорость ветра V0 можно оценить среднюю концентрацию примеси над городом протяженностью lr
C=M*lr/2*l0V0
Величина концентрации сравнивается со значением ПДК данной примеси.
Сводные данные о высотах перемешивания над Россией можно найти в литературе.
Наименьшая высота слоя перемешивания, наблюдается в зимнее время.
Влияние ветра на загрязнение атмосферы
Влияние направления ветра на загрязнение городского воздуха определяет целый ряд факторов, а именно: размещение источников выбросов, рельеф, местная циркуляция, влияние самих объектов на ветровой режим, а также взаимосвязь всех факторов
Скорость ветра, основной показатель горизонтального распространения примеси, по разному влияет на распространение веществ, поступающего в атмосферу от высоких и низких источников. При выбросах от пром.предприятий с высокими трубами, значительные концентрации примеси у земли наблюдаются при опасной скорости ветра. Вызвано тем, что выбрасываемая газовоздушная смесь имеет определенную скорость выхода из трубы и в случае ее перегрева относительно окруж. воздуха обладает плавучестью. В результате вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей в верхние слои атмосферы. При малых скоростях ветра увеличивается эффективный подъем факела и концентрация у земли снижается.
По работам Горошко, видно, что максимальная концентрация примеси на разных расстояниях от крупного источника при скоростях ветра 0-2 м/с.
В случаях выбросов из низких и неорганизованных источников увеличение концентрации примеси наблюдается при слабых ветрах за счет скопления примесей в приземном слое атмосферы. В городах с большим количеством низких источников рост уровня загрязнения происходит при снижении скорости ветра до 1-2 м/с.
По данным наблюдения в нескольких городах показано, что при слабом ветре средний уровень загрязнения воздуха пылью, сернистым газом, двуокисью азота и окисью углерода повышается на 30-140% по сравнению с уровнем при других скоростях ветра.
Во время анализа загрязнения городского воздуха выявлены два максимума концентраций в зависимости от скорости ветра на уровне флюгера: при штиле и при скорости 4 – 7 м/с. Во время штиля основную роль в загрязнении воздуха играют низкие выбросы, особенно зимой. Усиление второго максимума концентраций (при скорости ветра 4 – 7 м/с) летом связано с часто возникающими конвективными условиями, во время которых имеет место интенсивное поступление к земле выбросов от высоких источников. Общими для всех городов и сезонов являются следующие закономерности: при устойчивой стратификации загрязнение воздуха уменьшается с усилением ветра; при неустойчивой стратификации максимум загрязнений воздуха отмечается при скоростях ветра, приближенных к опасным для основных источников выбросов;
Влияние термической стратификации на загрязнение городского воздуха в зависимости от скорости ветра в приземном слое следующие: загрязнение воздуха в большей мере зависит от термической стратификации при очень слабых ветрах. При этом с усилением устойчивости концентрации примесей в городском воздухе увеличивается; при умеренных ветрах (приблизительно 3 – 7 м/с) с распространением устойчивости загрязнение воздуха уменьшается; при сильных ветрах связь между загрязнением воздуха и атмосферной устойчивостью практически отсутствует.
Влияние температуры на загрязнение атомосферы
Характер общего влияния термической стратификации и скорости ветра на состав примесей в городском воздухе для различных городов и всех сезонов года приблизительно одинаковый. С увеличением температуры воздуха уменьшается высота подъема горячих выбросов и следовательно увеличиваются концентрации примесей в приземном слое атмосферы. Такой эффект может быть особенно существенным при не очень нагретых выбросах. В ситуациях застоя воздуха наибольшее скопление примесей в приземном слое атмосферы отмечается при относительно повышенных температурах. Если при данных условиях наблюдается очень низкая температура, то концентрация примесей в городском воздухе обычно не бывает экстремально высокими. Можно сказать, что влияние температуры воздуха на концентрации примесей в некоторой степени определяет и годовой ход загрязнения воздуха. Летом по сравнению с зимой сильно уменьшается нагрев выбросов относительно окружающего воздуха. Возможно, данное обстоятельство является одной из причин того, что, не смотря на снижение летом общего количества выбрасываемых примесей, во многих городах максимум концентраций в годовом ходе чаще всего отмечается именно в этот период.
Повышению концентрации примеси способствуют приземные инверсии.
Инверсия - это такое состояние атмосферы, когда над слоем холодного воздуха находятся слои теплого воздуха. При инверсии воздух быстро теряет свою подъемную, т.к. охлаждается до температуры несколько меньше, чем температура окружающей Среды. Восходящий поток, например из дымовых труб, не может дольше подниматься вверх и сносится ветром в горизонтальном направлении.
Увеличение концентрации примеси от высоких источников может достигать 50-70%, если инверсионный слой располагается непосредственно над источником выбросов и ограничивает их подъем. Слой инверсии температура ниже устья трубы будет препятствовать поступлению выбросов вредных веществ в приземный слой.
В городских условиях при наличии большого числа низких выбросов опасные условия скопления примесей создаются при приземных и низких приподнятых инверсиях температур, поскольку и те и др. указывают на ослабление вертикального обмена. При наличии инверсионного слоя над городом содержание примесей в атмосфере на 10-60% выше.
Также на содержание примесей в атмосфере влияет вертикальная протяженность и интенсивность инверсий. При увеличении вертикальной протяженности слоя инверсии от 100 до 600 м концентрация сернистого газа в среднем возрастает в 3 раза, а пыли в 1,7 раза.
Зависимость концентрации примеси от одного отдельно взятого метеорологического параметра выделить довольно трудно, влияние оказывает весь комплекс.
Инверсии температуры в сочетании с различными скоростями ветра могут усиливать опасность накопления примесей или создать условия для их рассеивания. Большую опасность для городов представляют застойные ситуации, когда приземная инверсия сопровождается слабым ветром.
Накопление примесей в атмосфере усиливается в тумане.
Влияние туманов на содержание примесей сложное, т.к. при этом изменяется
- профиль температуры(инверсии становятся приподнятыми)
- прозрачность воздуха и условия его прогревания.
Туманы делятся на речные и радиационные.
Речные - когда холодный воздух, не насыщен влагой, натекает на более теплый воздух над рекой. Различия температур должно быть существенным. Туманы такого рода наблюдаются осенью после ночных заморозков или зимой над незамерзающими водотоками и водоемами.
Для возникновения радиационного тумана не требуется наличие водного объекта, необходимым условием является ночное радиационное выхолаживание, приводящее к приземным инверсиям и устойчивости нижних слоев воздуха.
Как было сказано, при поглощении примесей влагой могут образовываться более токсичные вещества.
Например, в тумане происходит окисление сернистого газа до серной кислоты. При этом возрастает массовая концентрация примеси, по скольку вместо 1г сернистого газа образуется 1,5г H2SO4, доказано,что при образовании тумана происходит увеличение концентрации примеси на 40-110% по сравнению с концентрацией ее до тумана.
Прямое и косвенное влияние на содержание примесей в атмосфере оказывает температура воздуха. В зависимости от температуры меняется расход топлива на обогрев помещений, выбросы вредных веществ в атмосферу. В результате зимой при повышении температуры воздуха загрязнение снижается. Зимой идет поток чистого воздуха с окраины в центр.
Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.
Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ.
Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода.
Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона.
В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.
Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.
Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-
Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.