Основная масса атмосферы (более 99%) сосредоточена в тропосфере и стратосфере, т. е. в слое толщиной до 50-60 км, в т. ч. 90% массы атмосферы заключены в слое до высоты 16,3 км и 99% - до 31,2 км.
Именно в тропосфере и нижней части стратосферы происходят основные процессы и явления, которые формируют погоду и климат планеты, циркуляцию воздушных потоков, что связано с особенностями вертикального распределения температуры, давления и плотности воздуха.
Воздух в тропосфере движется не только в вертикальном и горизонтальном направлениях, но и непрерывно перемешивается. Следовательно, физические и химические изменения, возникающие в воздушных массах в зоне контакта их с почвенно-растительным покровом, за короткое время сказываются на вышележащих слоях.
В тропосфере выделяют планетарный пограничный слой толщиной -1-1,5 км, где скорость течений ослаблена трением о земную поверхность, которое убывает с высотой. В этом слое идет интенсивный обмен количеством движения, теплом и водяным паром между атмосферой и поверхностью Земли и океана, формируются свойства фронтов, возникают местные ветры (например, бризы), особые формы слоистых облаков и пр. Нижнюю часть этого слоя толщиной 50 м, называют приземным слоем, условия которого наиболее благоприятны для накопления примесей [2,3].
Основной тип движения воздуха - зональная и меридиональная циркуляция. Средне-суточный (преобладающий) ветер – западный, дует с запада на восток в зимнем полушарии с максимумом в средних широтах на высоте 60 км и достигающий значения 80 м/с, и восточный - в летнем полушарии с максимумом в средних широтах на высоте 70 км и достигающий 60 м/с. Западный ветер, преобладающий в значительной части тропосферы и нижней стратосферы за пределами 30-340 ю. и с. ш., можно рассматривать как термический ветер, создаваемый направленным к полюсам градиентом температур, наибольшим между 30 и 700 с. ш. Ближе к полюсу и градиенты и ветры ослабевают [18].
Длительное время полагали, что стратосфера отличается слабым перемешиванием воздушных масс. Однако современными исследованиями установлен наличие интенсивной циркуляции и вертикального передвижения воздуха. Это весьма важное обстоятельство, свидетельствующее о том, что многие газообразные и тонкодисперсные соединения, имеющие почвенный и антропогенный генезис, могут проникать через тропосферу в стратосферу и оказывать влияние на озоновый слой.
Одной из особенностей циркуляции тропосферы и иногда и стратосферы являются струйные течения (СТ). Так называют узкое течение большой скорости, чаще всего западное, небольшого вертикального протяжения и значительной длины - иногда более 10000 км, временами возникающее в атмосфере. Если положить боковые ( и вертикальные) границы СТ там, где скорость превышает 100 км/ч=28,9 м/с, то например, над Европейской территорией бывшего СССР (ЕТС) средняя ширина СТ порядка 950 км (иногда, она уменьшается до 40 км) и вертикальная протяженность 2-3 км (при очень сильных СТ - до 6 км). На оси течения скорость достигает до 100-150 м/с, с удалением от оси скорость уменьшается в среднем 6,3 м/с через 100 км.
Часть атмосферы Земли, расположенная выше 90-100 км, характеризуемая быстрым изменением относительного содержания основных газов с высотой. Отличительная особенность атмосферы (выше 100 км) - непосредственная зависимость ее состояния от солнечной активности.
Атмосфера верхняя находится в непрерывном движении. Основные типы движений: средне-суточная циркуляция, как зональная, так и меридиональная, термический и гравитационный прилив; внутренние. гравитационные и акустические волны; турбулентность. Выше 200 км средне-суточный ветер имеет такой же сезонный ход, как и в нижележащих слоях, но с обратной циркуляцией и меньшей величиной скорости (в спокойных геомагнитных условиях. Выше 140-160 км образуются глобальные ячейки циркуляции, различные в солнцестояние и равноденствие. Обратная ячейка в зимнем полушарии обусловлена действием высокоширотного источника нагревания. Т. н. метеорная зона 75-105 км с центром 95 км находится как раз на границе слоев с разной циркуляцией. Дрейфы метеорных слоев показывают здесь полугодовой сезонный ход; в течение года - западный ветер, но в период равноденствий наблюдается обращение ветра на восточный или резкое ослабление западного ветра.
Благодаря суточной смене нагрева и охлаждения верхняя атмосфера расширяется и сжимается с суточным периодом, возбуждая приливные волны, которые приводят указанную область в движение в горизонтальном направлении. Суточные амплитуда ветра нарастает от 10-30 м/с на высоте 95 км до 100-150 м/с на высотах более 200 км. В области высот 100-200 км преобладает полусуточная мода приливного ветра, происхождение которой - распространение прилива из стратосферы и мезосферы (термический прилив вызван поглощением УФ-излучения Солнца озоном). Важную роль в динамике термосферы играют столкновения и трение нейтральных частиц с заряженными, концентрация которых с высотой падает значительно медленнее нейтральных.
Таким образом, даже неполный анализ математических и физических моделей. используемых для оценки трансграничного переноса примесей говорит о чрезвычайной сложности их численной реализации.
При рассмотрении проблем загрязнения атмосферы на региональном уровне, говоря о трансграничном переносе, мы имеем ввиду перенос загрязняющих веществ в (за) пределы конкретного региона. Здесь, по нашему мнению, заслуживает внимания использование упрощенных (инженерных) методик. Одна из таких методик была разработана авторами статьи, основываясь на методе аналогий. Ниже приведены некоторые результаты ее реализации на примере Днепропетровской области.
Основными источниками загрязнения воздушного бассейна области являются промышленные предприятия горно-металлургиче-ского, топливно-энергетического, химического комплексов. Размер трансграничного потока загрязняющих веществ формируется за счет выбросов предприятий, которые имеют высокие дымовые трубы (свыше 50 м).
Наибольший вклад по данным статотчетности в загрязнение атмосферы региона вносят металлургическое производство и производство готовых металлических изделий, а также производство и распределение электроэнергии (соответственно 53.53% и 20.96% от общего объема выбросов за 2006 год). Таким образом, величина потенциально возможного трансграничного потока будет складываться, в основном, с выбросов именно этих предприятий и влиять на изменение степени загрязненности атмосферного воздуха как над рассматриваемой территорией, так и соседних областей.
Известно, что неблагоприятными для трансграничного переноса являются дни с осадками, туманами, инверсиями, штилем. Таким образом, учитывая их суммарное количество, можно определить максимально возможное количество дней в году, в течение которых трансграничный перенос возможен.
Анализ отраслевой специфики, характеристик источников выбросов, качественного и количественного состава выбросов и климатических условий (количество дней с осадком, туманами, инверсиями, штилем) показал, что максимально возможная доля для трансграничного переноса загрязняющих веществ от территории Днепропетровской области составляет ~23.4 % от общего объема выбросов стационарных источников. На основании анализа по соответствующим характеристикам для соседних областей (Донецкой, Запорожской, Кировоградской, Николаевской, Полтавской, Харьковской, Херсонской) оценен вклад максимально возможного трансграничного переноса загрязнений с их территорий в атмосферный воздух Днепропетровской области.
Таблица - Максимально возможное загрязнения атмосферного воздуха Днепропетровской области за счет трансграничный переноса (в долях от общего объема выбросов каждой области)
|
Украины | Валовый выброс от стационарных источников, тыс. т | Доля от общего объема выбросов, % | |
1589,9 | 2.4 | ||
231,2 | 11.4 | ||
44,3 | 1.12 | ||
11,4 | 1.4 | ||
60,4 | 2.72 | ||
142,9 | 4.55 | ||
11,5 | 4.9 |
Результаты расчетов приведены в таблице. Также в таблице показаны направления ветра, при которых возможно это загрязнение.
Наибольший объем загрязнений поступает от источников расположенных на территории Донецкой и Запорожской областей.
Таким образом, в решении сложной проблемы трансграничного переноса загрязнений разумным является, исходя из масштабов рассматриваемой территории, совместное использование строгих математических моделей, требующих трудоемкую численную реализацию и инженерных методик, допускающих аналитические решения.
Перечень ссылок
1. Израэль и контроль состояния окружающей природной среды. Изд 2-е, дополненное. – М.: Гидрометеоиздат, 1984. – 260 с.
2. и др. Кислотные дожди. – М.: Гидрометеоиздат, 1989. - 280 с.
3. Л. Хорват. Кислотный дождь. – М.: Стройиздат, 1990. – 81 с.
4. Марчук моделирование в проблеме окружающей среды. – М.: Наука, 1982. – 320 с.
5. , Пепенко применения методов оптимизации в проблеме окружающей среды // Вычислительные методы в прикладной математике. – Новосибирск: Наука, 1982. – С. 3-21.
6. , , Просман для оперативной оценки антропогенных примесей. – М.: ДАН СССР, 1980. - Тр. 254. - № 4. – С. 848-852.
7. , , Хрущ качества окружающей среды методом вычислительного эксперимента. – Днепропетровск: Наука и образование, 2000. – 208 с.
8. Самарский разностных схем. – М.: Наука, 1983. – 616 с.
9. Параллельные вычисления / Под ред. Г. Розрига. Пер. с англ. / Под ред . – М.: Наука, 1986. – 376 с.
10. П. Роуч. Вычислительная гидродинамика. – М.: Мир, 1980. – 616 с.
11. О численно-аналитическом методе решения задач механики жидкости и газа // Прикладные вопросы аэродинамики летательных аппаратов. – Киев: Наукова думка, 1984. – С. 87-97.
12. О построении вычислительных алгоритмов произвольного порядка точности на решениях задачи Коши // Вестник ДГУ. Механика. – Днепропетровск: ДГУ, 1999. – Вып. 2, Т. 2, С. 156-162.
13. Шмукин задачи Стефена для оплавляющихся тел // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1982. - № 2. – С. 167- 172.
14. , О математическом моделировании трансграничного загрязнения окружающей природной среды прямыми и обратными методами.
15. , , Чудов моделирование процессов тепло - и массообмена. – М.: Наука, 1984. – 288 с.
16. Хргиан атмосферы. - М.: Издательство МГУ, 1986. – 313 с.
17. Лоренц и теория общей циркуляции атмосферы. - Л. Гидрометеоиздат, 1976. - 256 с.
18. Атмосферные приливы. - М.: Мир, 1972. - 293 с.
S. Z. Polishschuk, V.Yu.Kaspijcteva, A. M.Bugor, E. Yu. Minko | Methodical aspects of an estimation transfrontal carry to an atmosphere of polluting substances |
Institute on Problems of Nature Management and Ecology, National Academy of Sciences of Ukraine, Dnepropertrovsk, Ukraine | |
The international aspects of problem transfrontal air pollutions are considered. Methodical approaches to calculation of volumes of carry of polluting substances in an atmosphere at global and regional levels are offered. |
Поступила в редколлегию 29 октября 2007 г.
Рекомендовано членом редколлегии канд. техн. наук
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
