Определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе г. Минска

Направление и скорость ветра в приземном слое атмосферы формируется вращением Земли (кориолисовой силой), рельефом местности, атмосферным давлением и температурным градиентом. Вследствие этого для северного полушария Земли наиболее характерны юго-западные и северо-восточные ветры, а для южного – северо-западные и юго-восточные ветры.

Скорость ветра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. Ветер стремится заполнить разреженные зоны за счет зон повышенного давления, или антициклонов. При этом в зонах разрежения возникают восходящие, а в антициклонах – нисходящие потоки воздуха. Наиболее высокие скорости ветра наблюдаются зимой, т.к. этот период характеризуется высокими горизонтальными и вертикальными температурными градиентами и градиентом давления.

На большей части Европы сила ветров ослабевает к концу осени и началу зимы. Скорость воздушного потока у поверхности земли ниже, чем на высоте 500-1000 м (слой трения) вследствие торможения воздушных масс о шероховатости подстилающей поверхности. Профиль скорости ветра изменяется в течение суток. Как правило, днем воздух перемещается тепловыми конвективными потоками вверх. Ночная конвекция намного слабее дневной, поэтому у поверхности земли скорость ветра больше днем, а на высоте – ночью.

Атмосфера является термодинамической системой, в которой вертикальное перемещение масс воздуха при определенных условиях может рассматриваться как адиабатический процесс, т.е. как процесс, протекающий без притока или отдачи теплоты. При этом воздух, поднимающийся вверх, будет охлаждаться, а опускающийся – нагреваться. Это происходит потому, что при подъеме воздуха вверх его объем будет возрастать вследствие уменьшения давления атмосферы, а температура снижаться. При опускании происходит обратное явление – объем уменьшается, а температура возрастает. Изменение при этом температуры составляет примерно 0,6-1°С на каждые 100 м вертикального столба воздуха. В этом случае состояние атмосферы называется безразличным (нейтральным). Оно характерно для сухой ясной погоды.

Если температура окружающего воздуха понижается с высотой так, что его вертикальный градиент больше адиабатического (что наблюдается в случае сильного нагрева поверхности земли), то движущийся снизу объем воздуха получает ускорение. Нагретые конвекционные струи поднимаются вверх, а взамен их вниз опускаются холодные потоки воздуха. Такие условия называются неустойчивыми конвективными.

Если вертикальный температурный градиент воздуха близок к нулю или становится отрицательным (т.е. температура с высотой возрастает), то вертикально поднимающийся объем воздуха оказывается холоднее окружающих масс, и его движение затухает. Такие условия называются устойчивыми инверсионными.

Инверсии температуры могут начинаться от поверхности земли (приземная инверсия) или с некоторой высоты (приподнятая инверсия). И в одном и во втором случае они препятствуют перемешиванию воздуха и способствуют накоплению в приземном слое примесей, включая и продукты конденсации влаги в воздухе, образующие туманы, дымку, низкие облака. Таким образом, опасный уровень загрязнения воздуха при инверсии часто сопровождается туманом или дымкой. Влияние температурной инверсии и застоев воздуха на формирование опасных уровней загрязнения воздуха в приземном слое проявляется по разному в зависимости от типа источника загрязнения и параметров выброса. Для г. Минска количество дней с приземными инверсиями составляет 150-165 дней в году, с приподнятыми – 80-90 дней.

На рис.4.3. показаны схемы распространения в атмосфере примесей в зависимости от вида инверсии и характеристики выбросов. При низких источниках (трубах) с холодными выбросами наибольшие концентрации примесей в приземном слое создаются при отсутствии ветра или слабом ветре (1-2 м/с) в сочетании с приземной инверсией. При этом максимальное загрязнение воздуха наблюдается непосредственно у источника. Максимальные загрязнения от высоких источников с горячими выбросами создаются при приподнятых инверсиях и наличии под инверсией слоя турбулентного перемешивания воздуха, способствующего переносу примесей от труб вниз. При этом, чем ниже под трубой граница слоя с инверсией температуры, тем сильнее загрязнение воздуха в приземном слое. Максимум загрязнения находится на некотором расстоянии от источника по направлению ветра.

Высокое загрязнение воздуха может образоваться и при отсутствии инверсий и даже тогда, когда в пограничном слое атмосферы (до 1-1,5 км) вертикальный градиент температуры больше 1°С на 100 м высоты. В таких случаях высокое загрязнение воздуха в приземном слое возникает при сильном ветре. Максимум его находится на расстоянии нескольких километров от источника.

Для количественного выражения состояния устойчивости атмосферы используют соотношение вертикального температурного градиента и скорости ветра, т.н. критерий стратификации атмосферы А. Этот критерий используется при всех расчетах рассеивания примесей в атмосфере.

Рис. 4.3 Схемы распространения в атмосфере загрязняющих веществ от организованных

источников выбросов: а – при приземных инверсиях; б – при приподнятых инверсиях;

в – при безинверсионном состоянии атмосферы

Устойчивость атмосферы может быть слабой, умеренной и сильной. Рассеяние примесей в условиях каждого класса устойчивости атмосферы имеет свои особенности, формирующие характерный вид дымовой струи, по которому можно судить о термодинамическом состоянии нижних слоев атмосферы.

Схематически формы струй одиночных дымовых труб в зависимости от вертикального температурного градиента изображены на рис. 4.4.

Рис. 4. 4Характерные формы дымовых струй от высоких труб

Образование волнообразной струи (а) происходит при очень неустойчивом вертикальном температурном градиенте. Эта форма обычно наблюдается днем при хорошей погоде и сильном нагревании земли солнцем. Конусообразная форма струи (б) встречается при слабом вертикальном градиенте температуры и ветреной погоде, особенно во влажном климате. Веерообразная форма струи (в) возникает при температурной инверсии. Ее форма напоминает извивающуюся реку, которая постоянно расширяется с удалением от трубы. Эта форма струи часто наблюдается при снежном покрове, слабом ветре и ясной погоде. Приподнятая форма струи (г) обычно возникает ночью и обычно в течение 1-3 ч, она является наиболее благоприятной для рассеивания вредных веществ. Наиболее неблагоприятна в гигиеническом отношении задымляющая форма струи (д), при которой падение температуры воздуха обычно начинается у поверхности земли и распространяется на некоторую высоту (зимой – сильнее, летом – слабее). В этих условиях выбрасываемые из трубы дымовые газы с высокой концентрацией примесей тепловыми вихрями приносятся к земле вдоль всей струи. Задымляющая струя приводит к образованию максимальной приземной концентрации примесей в воздухе, и как наиболее неблагоприятная, принимается для расчета рассеивания выбросов в атмосфере.

Штили и облачность, особенно низкая, сопровождающиеся плотными туманами, часто являются причиной длительных приземных инверсий, которые могут сохраняться в течение многих дней. В связи с этим даже при общем небольшом уровне загрязнения воздуха в городе может образоваться опасная ситуация. В крупных городах концентрации вредных примесей могут достигать критических уровней, что и происходило в разные годы в таких городах, как Лондон, Лос-Анжелес, Нью-Йорк, Токио и других и вошло в историю под интегральным названием «смог».

Международный термин «смог» является комбинацией английских слов дым – (smokе) и туман – (fog). Смог (токсический туман) – это опасное атмосферное явление, возникающее при неблагоприятных метеорологических условиях и характеризующееся высокими концентрациями вредных веществ в приземном слое воздуха и низкой видимостью атмосферы. Существует три типа смогов – восстановительный, или смог Лондонского типа; окислительный, или фотохимический; смог ледяного типа.

Восстановительный смог – это атмосферное явление, характерное для крупных промышленных центров, представляющее собой смесь дыма, сажи и диоксидов серы и азота на фоне неблагоприятных метеорологических условий. Обычно этот смог достигает максимального уровня рано утром, при температуре около 0°С и высокой влажности. За счет раздражающего действия образующихся азотной и серной кислот на бронхи и дыхательные пути, он оказывает прямое отрицательное влияние на здоровье людей. В 1952 и 1962 годах этот смог привел к смерти несколько тысяч человек в Лондоне.

Фотохимический смог – характерен для южных промышленных и крупных административных городов с высокой интенсивностью ультрафиолетовой радиации Солнца. При этом типе смога оксиды азота и углеводороды, содержащиеся в выхлопных газах автотранспорта, под влиянием солнечной радиации образуют оксиданты, в состав которых входят озон, формальдегид, акролеин, органические озониды, органические кислоты, пероксиды (диацетилпероксид, диметилпероксид, пероксиацетилнитрат), большинство из которых более токсичны по сравнению с исходными веществами. Фотохимический смог достигает максимального уровня около полудня при температурах 24-32°С и низкой влажности и дополняется нисходящей инверсией. Он вызывает раздражение глаз, нарушает процессы вегетации растений, окисляет резину и обуславливает быстрое ее старение и разрушение, а также имеет неприятный запах. Кроме этого снижается прозрачность атмосферы, что связано с образованием аэрозолей, одной из составляющих которых является триоксид серы – продукт окисления соответствующего диоксида.

Ледяной смог – опасное атмосферное явление, возникающее в северных широтах при неблагоприятных метеорологических условиях под воздействием мелкодисперсной пыли, оксидов серы и азота, высокой влажности и низкой температуры. В данном случае эффект воздействия на органы дыхания человека аэрозолей кислот усиливается механическим действием мелких кристалликов льда.

Таким образом, на качество атмосферного воздуха существенное влияние оказывают среднегодовые метеорологические характеристики, такие как приземные инверсии, их повторяемость, мощность и интенсивность, скорость и направление ветра, его повторяемость, высота слоя перемещения воздуха над поверхностью земли, продолжительность туманов и др. Сочетание этих метеорологических характеристик определяет потенциал загрязнения атмосферы.

К неблагоприятным метеорологическим условиям (НМУ) относятся туман, штиль, слабый ветер, повышение температуры воздуха в слое атмосферы над источником выбросов, неблагоприятное направление ветра и другие подобные метеорологические условия, способствующие увеличению загрязнения атмосферного воздуха.

При НМУ может сложиться обстановка, способствующая повышению концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. В этом случае необходимо предпринимать организационные и технические мероприятия по регулированию выбросов загрязнителей в атмосферу.

При неблагоприятных метеорологических условиях природопользователи обязаны производить регулирова­ние выбросов в атмосферу в соответствии с планами мероприятий на период НМУ и Инструкцией о порядке регулирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух в период неблагоприятных метеорологических условий, утвержденной Постановлением Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь 9 июня 2009 г. № 39.

Прогнозы и предупреждения об ожидаемом повышении уровня загрязнения атмосферного воздуха разрабатываются Республиканским центром радиационного контроля и мониторинга окружающей среды и в зависимости от опасности могут быть первой, второй и третьей степени. При получении сообщения соответствующей степени природопользователь должен перейти на один из трех режимов работы, позволяющий сократить концентрацию загрязняющих веществ в приземном слое воздуха на 15-20% (по 1 режиму), 20-40% (по 2 режиму) и 40-60% (по 3 режиму).

Механизм прогнозирования НМУ состоит из расчета параметра Р, анализа аэросиноптических данных, прогноза НМУ и составления штормового предупреждения. Параметр Р является мерой фонового загрязнения воздуха и изменяется в зависимости от метеоусловий.

Р = m/ n,

где m – количество наблюдений в течение дня с концентрациями приоритетных примесей, превышающих среднесезонные в 1,5 раза; n – общее число наблюдений за концентрацией примесей на всех стационарных постах мониторинга города в течение дня.

Для каждого города имеется перечень приоритетных примесей, по которым рассчитывается параметр Р. Например, для г. Минска берутся следующие загрязнители: пыль, диоксиды серы и азота, оксид углерода, фенол, формальдегид, аммиак. Предупреждения составляются при величине фактического параметра Р>0,30 и ожидаемых НМУ, способствующих накоплению примесей в атмосфере; затем они передаются разными видами связи по трем степеням опасности, соответствующих трем режимам работы предприятий в условиях НМУ.

Предупреждение первой степени опасности, соответствующее первому режиму работы предприятия, составляется при следующих ожидаемых НМУ (табл.4.6).

Таблица 4.6. Неблагоприятные комплексы метеорологических