Материал: Гончарук учебник

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

суток под действием солнечных лучей отрицательный температурный гради­ ент развивается во всем нижнем слое атмосферы. Тепло, излучаемое поверх­ ностью земли после полудня, способствует образованию приземной инверсии. Когда слой инверсии углубляется, приподнятая струя ГВС переходит в ните­ видный факел. При таких условиях загрязнения рассеиваются во время пере­ мещения примесей в направлении ветра, и значительной приземной концент­ рации не наблюдается.

Рассеивание вредных веществ в атмосфере является следствием трех ос­ новных механизмов: 1) усредненного движения масс воздуха, переносящего загрязнения в направлении ветра; 2) турбулентных флюктуации, рассеивающих примеси во всех направлениях; 3) массовой диффузии, связанной с градиен­ том концентрации. Вместе с тем такие общие аэродинамические характерис­ тики, как размер, форма и масса твердых аэрозольных частиц, влияют на про­ цесс их переноса и седиментации.

Большое значение в формировании загрязнения воздушного бассейна в городе имеет направление ветра. При относительно равномерном размещении промышленных объектов на территории населенного пункта зона повышенно­ го содержания ингредиентов смещается в подветренную сторону. Строитель­ ство промышленных объектов даже за чертой города по отношению к жилым кварталам без учета розы ветров может привести к тому, что выбросы будут переноситься в сторону города. Особенно большую роль играет направление ветра в городах, которые имеют вытянутую форму. Если вытянутость города совпадает с преобладающим направлением ветра, то имеет место наложение факелов выбросов от различных источников с образованием зоны повышенного загрязнения в подветренной части города. Поэтому при осуществлении преду­ предительного государственного санитарного надзора промышленные объек­ ты необходимо размещать в направлении, исключающем возможность созда­ ния неблагоприятной экологической ситуации. Установлено, что для одиноч­ ных источников выбросов максимум концентрации атмосферных загрязнений наблюдается при направлении ветра, вдоль этих источников, а если имеется группа параллельно расположенных источников, та неблагоприятным оказы­ вается ветер, направленный перпендикулярно к ним. Наряду с этим необходи­ мо учитывать, что под влиянием сезонных и суточных изменений направления ветра в районах с бризовой или муссонной циркуляцией перемещаются наи­ большие концентрации примесей. Так, в Лос-Анджелесе высокая концентра­ ция веществ перемещается на расстояние до 16 км. Утром, когда ветер дует с моря, область наибольшего загрязнения совпадает с центром города, а вече­ ром, когда он изменяет направление, центр максимального содержания приме­ сей смещается к побережью. Полученные данные дают возможность рациона­ льно размещать предприятия по отношению к жилым массивам и оценить до­ статочность размеров их СЗЗ.

Если бы уровень загрязнения атмосферного воздуха зависел только от ве­ личины выброса и направления ветра, то он не изменялся бы при постоян­ ном выбросе и одном и том же направлении ветра. Однако в реальных услови­ ях атмосферный цикл начинается с выброса примесей в воздух, после чего они

476

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

переносятся ветром и разбавляются воздухом. В этом процессе играет роль скорость ветра. Установлено, что наибольшая концентрация примесей в при­ земном слое атмосферного воздуха образуется при определенной скорости вет­ ра, которую называют опасной. Значение ее зависит от типа источника выбро­ сов и определяется по формуле:

где H — высота трубы (м); V — объем выбрасываемой ГВС (м3/с); AT — раз­ ница температур ГВС и атмосферного воздуха (°С).

По температуре выходящей ГВС выбросы подразделяют на: очень нагре­ тые (ЛТ = Тв ыб - Та т м в о з д > 100 °С), умеренно нагретые (20 °С < ДТ < 100 °С), слабо нагретые (0 °С < AT < 10 °С), изотермические (AT = 0 °С) и холодные (AT < 0 °С). Подъем горячих потоков ГВС в основном обусловлен тем, что температура выходящих газов выше температуры воздуха. При распростране­ нии потока ГВС в направлении ветра разбавление струи вдоль оси пропорцио­ нально средней скорости ветра на высоту потока. Чтобы предупредить откло­ нение потока вниз, вблизи горловины трубы скорость выбросов ГВС должна быть достаточно большой. Нисходящее движение потока от горловины трубы будет минимальным, если скорость выброса ГВС будет вдвое превышать ско­ рость ветра на уровне горловины трубы. Наряду с этим установлено, что при низких выбросах повышенный уровень загрязнения воздуха определяется при слабом ветре (0—1 м/с) за счет накопления примесей в приземном слое атмосферного воздуха. При такой скорости ветра концентрация примесей на 30—70% выше, чем при других его скоростях. При высоких выбросах повы­ шенный уровень загрязнения воздуха определяется при скорости ветра в пре­ делах 4—6 м/с. В современных промышленных центрах наблюдается два пи­ ка концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в зависимости от скорости ветра. Первый пик характерен для низких выбросов и обусловлен вы­ хлопными газами автотранспорта. Второй пик характерен для высоких выбро­ сов. Он обусловлен выбросами крупных промышленных предприятий. При штиле выброс ГВС приводит к росту концентрации твердых аэрозольных час-

477

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

матом в периоды влияния антициклона. Ослабление ветра для большей тер­ ритории страны наблюдается лишь до 20 м по вертикали. Поэтому на такой территории основное значение в повышении концентрации атмосферных за­ грязнений будут иметь низкие выбросы промышленных предприятий и выхлоп­ ные газы автотранспорта. Штили наблюдают обычно в утренние часы, макси­ мум их повторяемости приходится на зимний период года.

Следующим фактором, который играет определенную роль в рассеивании примесей в атмосферном воздухе, является температурная стратификация, или распределение температуры по высоте. Атмосфера — это термодинамическая система, в которой вертикальное перемещение воздушных масс при определен­ ных условиях может рассматриваться как адиабатический процесс. При этом каждая масса, поднимающаяся вверх, будет охлаждаться, а опускаясь, — на­ греваться. Во время подъема массы воздуха атмосферное давление уменьша­ ется, объем массы воздуха увеличивается, а температура снижается. Во время опускания массы воздуха ее объем уменьшается, а температура повышается.

Изменение температуры воздуха на каждые 100 м подъема, выраженной в градусах Цельсия, называется вертикальным температурным градиентом.

Величина вертикального температурного градиента колеблется. В летний пе­ риод она приближается к 1 °С, а в холодный — снижается до десятых долей и минусовых величин. Международная стандартная атмосфера определена на основании усредненных метеорологических данных. Усредненная температу­ ра в средних широтах уменьшается линейно на высоте до ~ 10,8 км. При этом средняя температура на высоте 10,8 км составляет 288 К. Стандартный, или нормальный, температурный градиент равен 0,66 °С/100 м.

Изменение температуры воздуха на 1 °С на каждые 100 м вертикального слоя воздуха соответствует сухоадиабатическому градиенту. Сухоадиабатический вертикальный температурный градиент (минусовый температурный

Рис. 85. Безразличное состояние атмосферы

478

Рис. 86. Неустойчивое состояние атмосферы:

1 — сверхадиабатический градиент; 2 — сухоадиабатический градиент

Рис. 87. Устойчивое состояние атмосферы:

1 — ниже адиабатического градиента; 2 — сухоадиабатический градиент

градиент) является индикатором устойчивости атмосферы (способности атмо­ сферы препятствовать вертикальным движениям и сдерживать турбулент­ ность). Исходя из представления о сухоадиабатическом температурном гради­ енте и фактических изменениях температуры по вертикали, определяют три типичных состояния атмосферы: безразличное (рис. 85), неусточивое (рис. 86) и устойчивое (рис. 87).

При безразличном (нейтральном) состоянии атмосферы вертикальный тем­ пературный градиент примерно равен сухоадиабатическому вертикальному. И любой объем воздуха, перемещающийся вверх или вниз, будет иметь такие же свойства (плотность, температуру в °С), как и масса воздуха, его окружающая.

479

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

При неустойчивом состоянии атмосферы (конвективном, сверхадиабатичес­ ком) вертикальный температурный градиент больше сухоадиабатического. Это означает, что вертикальный температурный градиент более отрицательный, чем сухоадиабатический вертикальный температурный градиент. Такое состояние бывает в том случае, если поверхность почвы сильно нагрета солнцем. Нагре­ тые конвективные потоки поднимаются на значительную высоту, а холодные плотные массы опускаются вниз. В этом случае каждый объем воздуха, кото­ рый опускается, будет холоднее и тяжелее, чем окружающая его среда, и по­ этому будет продолжаться его движение вниз. И, наоборот, поднимаясь, воз­ дух становится теплее и легче окружающей его среды, и поэтому будет продо­ лжаться его движение вверх.

При устойчивом состоянии атмосферы вертикальный градиент атмосфер­ ного воздуха меньше сухоадиабатического вертикального градиента. При этом объем воздуха, перемещающегося в вертикальном направлении, будет пытать­ ся вернуться в начальное положение и наоборот. Когда с увеличением высоты температура повышается, градиент температуры отрицательный и атмосфер­ ные условия определяются как инверсия. Наличие инверсии уменьшает верти­ кальное перемешивание загрязнений, что приводит к увеличению их концент­ рации в приземном слое атмосферного воздуха. Наиболее часто встречаются инверсия оседания (приземная) и радиационная (приподнятая) инверсия. Ин­ версия оседания формируется путем адиабатического сжатия и нагревания слоя воздуха (за счет положительного градиента температуры в слое) в процессе его опускания, в области центра высокого давления. Таким образом, воздуш­ ная масса, которая опускается, наподобие огромной крыши размещается ниже слоя инверсии. Инверсия оседания появляется над источниками выбросов. Если она существует несколько суток, то приводит к накоплению загрязнений.

Радиационная инверсия образуется при потере радиационного тепла зем­ ной поверхностью. В этом случае поверхностные слои атмосферы в течение суток нагреваются за счет теплопроводности, конвекции и излучения земной поверхностью. Это отражается на температурном профиле нижней атмосфе­ ры, который характеризуется отрицательным температурным градиентом. Если затем наступает ясная ночь, то земная поверхность излучает тепло и быстро остывает. Слои воздуха, прилегающие к ней, охлаждаются. Слой атмосферы, прилегающий к земной поверхности, прикрывается стойким инверсионным слоем. Этот тип инверсии наблюдается в утренние часы, периоды ясного неба и несильных ветров. Инверсия разрушается после нагревания земли лучами утреннего солнца, что приводит к подъему потоков теплого воздуха. Радиаци­ онная инверсия играет важную роль в загрязнении атмосферы, так как нахо­ дится внутри того слоя атмосферы, который содержит источники загрязнения (в отличие от инверсии оседания) и препятствует рассеиванию загрязнений

ввертикальном направлении. Выброс распространяется в направлении ветра между двумя поверхностями — землей и основанием слоя приподнятой инвер­ сии. Радиационная инверсия чаще всего наблюдается в безоблачные и безвет­ ренные ночи. Инверсия оседания и радиационная инверсия могут наблюдаться

ватмосфере одновременно. Это к явление называется ограниченным потоком.

480