Распространение загрязнителей в атмосфере

Рассеивание загрязнителей в атмосфере теснейшим образом связано с метеорологическими условиями, которые не только определяют скорость и дальность распространения вредных веществ, но и способствуют возникновению разного рода химических реакций в насыщенной компонентами выбросов среде. Оно происходит под влиянием турбулентности, свойственной приземному слою атмосферы. Благодаря турбулентности, различные слои воздуха интенсивно перемешиваются во всех направлениях, одновременно разрежая содержащиеся в них загрязнители, и снижая их концентрацию.

Общая циркуляция атмосферы связана с действием солнечного тепла, достигающего земной поверхности, вследствие чего образуются местные конвекционные восходящие и нисходящие потоки. При этом любая масса, поднимающаяся вверх, будет охлаждаться, а опускающаяся – нагреваться. Это происходит потому, что при подъёме массы воздуха, вследствие уменьшения давления, её объём возрастает, а температура при этом снижается. При опускании происходит обратное явление – объём уменьшается, а температура возрастает. Изменение температуры воздуха с высотой составляет приблизительно 1 ºС на каждые 100 м вертикального слоя воздуха.

В реальных условиях, рассматривают три типичных состояния атмосферы: безразличное, устойчивое и неустойчивое.

При безразличном состоянии атмосферы каждый элементарный объём в пределах общей массы воздуха имеет ту же температуру и плотность, что и окружающая его атмосфера и, следовательно, если вывести эту массу из состояния покоя, она не будет стремиться ни двигаться дальше, ни возвращаться в прежнее состояние. В этом случае наибольшая концентрация загрязнителей наблюдается непосредственно над их источником в виде факела конической формы, с неравномерным уменьшением по мере удаления от источника.

При неустойчивом состоянии атмосферы каждый элементарный объём в пределах общей массы воздуха, имеющий более низкую температуру и плотность, чем окружающая его атмосфера, будет осуществлять своё движение вниз и, наоборот, более тёплые объёмы будут устремляться вверх. Таким образом, состояние неустойчивого равновесия атмосферы в большей степени способствует рассеиванию и переносу загрязнителей, чем безразличное равновесие. При этом вредные вещества уносятся вверх конвективными потоками, а над трубами возникают вихреобразные клубы, или волны дыма.

Устойчивое равновесие атмосферы особенно неблагоприятно с точки зрения рассеивания загрязнителей. Одно из основных явлений, обусловливающих устойчивость атмосферы, носит название температурной инверсии, при которой температура воздуха в приземном слое, в силу ряда процессов в атмосфере, с высотой не понижается, а возрастает. В результате, в приземном слое возникает инверсия оседания, весьма неблагоприятная для быстрого рассеивания поступающих в атмосферу загрязнителей. Разные виды инверсий могут переходить друг в друга, увеличивая, тем самым, срок их существования и силу воздействия на другие атмосферные процессы. При устойчивом состоянии атмосферы факел вредных выбросов распространяется горизонтально в направлении движения ветра.

Существенное влияние на температурный режим в атмосфере оказывает рельеф местности. Так, в горных районах, в понижениях и долинах, могут накапливаться холодные массы воздуха и образовываться туманы. Такие долины при наличии источников вредных выбросов отличаются высокой концентрацией загрязнителей в атмосфере.

В городских условиях ход температуры отличается от её хода в окружающей местности, т. к. здания и другие сооружения, многие из которых являются мощными источниками тепла, изменяют тепловой режим приземного воздуха. Поэтому городская застройка увеличивает турбулентность атмосферы, создавая восходящие потоки значительной мощности, усиливающие вертикальную диффузию загрязнителей и способствующие очищению воздуха.

В то же время, повышенная загрязнённость воздуха над городами, по непонятым пока причинам, может влиять на метеорологические элементы, играющие существенную роль в возникновении температурных инверсий, приводящих атмосферу в состояние неопределённо долгого безразличного равновесия. Замечено лишь, что при сильных ветрах инверсии возникают реже; чаще они формируются при штилях или слабых ветрах в условиях низкой температуры воздуха. В этом случае возможно очень сильное загрязнение атмосферы («смог»), обусловленное длительным накоплением значительных концентраций вредных веществ.

Выброс загрязнённого воздуха из труб. Частицы диаметром менее 20 мкм ведут себя приблизительно так же, как и газы, в составе которых они находятся. Более крупные частицы выпадают из газового облака и оседают на почву на различных расстояниях от источника выброса. Концентрация загрязнителей снижается по мере удаления от места выброса, а её абсолютные значения тем выше, чем больше мелких фракций содержится в момент выброса.

Правильный выбор высоты трубы имеет большое значение не только для предупреждения повышенной загрязнённости зоны выброса, но также и для снижения её концентрации у поверхности земли. Например, при низких трубах загрязнители аккумулируются в пределах зоны приземной инверсии, тогда как из высоких труб, возвышающихся над границей инверсии, приземный слой не загрязняется.

Чем больше отношение скорости газов на выходе из трубы к скорости ветра, тем выше факел. Наличие окрестной застройки также может изменять скорость и турбулентность воздушных потоков, деформировать форму факела выброса, «прижимая» его к земле.

В настоящее время по данным Геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова, качество воздуха в городах России оценивается по двум показателям:

1. Стандартный индекс (СИ) – наибольшая, измеренная за короткий период времени (20 мин.) концентрация вещества, делённая на ПДК. При СИ меньше единицы заметного влияния на здоровье людей не обнаруживается. Если СИ больше 10 – очень высокое загрязнение.

2. Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), который рассчитывается как сумма делённых на ПДК средних за год концентраций веществ. Если ИЗА до 5 – низкое загрязнение, 7-13 – высокое загрязнение.

Общая оценка атмосферных загрязнений по России следующая. Сохраняется тенденция снижения объёмов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников: в 1998 году они составили 18,7 млн. т. Вместе с тем, более чем в 200 городах (62% городского населения России) средние годовые концентрации различных вредных веществ в атмосфере выше ПДК.

В списке городов с СИ более 10 насчитывается около 90 наименований, причём, это в основном крупные города (в их числе и Великий Новгород). Список городов с ИЗА более 14 (очень высокий уровень загрязнения) в 1995 году состоял из 45 наименований. Тенденция качества воздуха обнадёживает (возможно, за счёт спада производства): количество городов с СИ более 10 снизилось со 102 в 1991 году, до 80 – в 1995 г.