8 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

В предыдущих главах мы получили некоторые сведения о высоте и массе атмосферы. Соответствующие цифры производят внушительное впечатление, особенно если учесть, что фактически все живое на земле в основном сосредоточено в тонком — не больше 50 м — атмосферном слое возле ее поверхности.

В том же слое расположены, за редкими исключениями, все источники загрязнений атмосферы. И уж, конечно, те источники, от которых в атмосферу поступает больше загрязнений (легковые автомобили, грузовики, автобусы), находятся прямо на поверхности земли. Большинство выхлопных труб находится от нее всего в одном , метре. Наиболее важный источник загрязнений, расположенный выше роста человека,— это дымовые трубы, но при определенных условиях дым даже из очень высокой трубы все равно достигает земли.

Всякий раз, когда возникает вопрос о том, насколько опасен тот или иной источник загрязнений, приходится рассматривать целый ряд факторов. Какие вещества, в каком количестве и каким способом выпускаются в атмосферу? Достаточно ли далеко находится источник загрязнений от человеческих жилищ, мест обитания животных и областей, заселенных растениями? В какое время суток и при каких метеорологических условиях загрязнения выпускаются в атмосферу?

К атмосфере часто относятся как к помойному ведру бесконечного объема. Бесспорно, это серьезная ошибка. К тому атмосферному слою, в котором мы живем, ни при каких обстоятельствах нельзя относиться как к свалке. Количество загрязняющих веществ, которое можно без вреда выбросить в атмосферу, зависит от ее свойств в этот самый момент времени и в дальнейшем. В некоторые периоды можно без особого опасения выпускать в атмосферу большое количество дыма. В другие — количество загрязнений необходимо удерживать на самом минимальном уровне. Чтобы убедиться в том, безопасно или нет для данного момента добавление в атмосферу значительного количества загрязнений, следует учитывать такие ее свойства, которые определяют площадь и высоту распространения загрязнений.

Диффузия

Метеорологи, занимающиеся вопросами распространения различных веществ в атмосфере, часто имеют дело с так называемым процессом диффузии. В общем смысле этот термин означает распределение, рассеяние того или иного вещества в пространстве. Применительно к процессам, происходящим в атмосфере, под диффузией обычно понимают процессы рассеяния, протекающие в небольших объемах воздуха, а не при устойчивых и охватывающих большие пространства перемещениях воздушных масс.

Вероятно, вы не раз наблюдали полет ракеты во время праздничного фейерверка. Когда ракета взлетает на высоту около сотни метров, ее заряд взрывается и рассыпается дождем разноцветных огней. После этого от нее остается только клуб дыма. Наблюдая за ним, вы сможете отметить некоторые особенности его движения. Сперва весь клуб движется по ветру как единое целое, причем объем, занимаемый дымом, постепенно увеличивается (рис. 15). Рассеивание дыма начинается в результате меняющихся перемещений воздуха в небольшом объеме. При этом воздух смещает частички дыма от центра клуба к его краям, т. е., как говорят, заставляет дым диффундировать из клуба наружу.

Рассеивание клуба дыма

Рассеивание клуба дыма

Наблюдая за движением клуба дыма, вы обнаружите, что воздух в нем пе всегда движется к внешней границе: в некоторых местах клуба дым перемещается внутрь, в других — наружу. Движение воздуха турбулентно. Суммарным результатом этой турбулентности является постепенный перенос дыма от участков высокой концентрации к участкам низкой концентрации.

Диффузия (в общем смысле этого слова) может проявляться самым различным образом. Например, она существует на молекулярном уровне. Если ниточку с водяной каплей на конце опустить в сосуд со спокойным воздухом, обладающим относительной влажностью 50%, то капля начнет медленно испаряться. Для этого необходимо, чтобы покидающие каплю молекулы воды уходили из слоя воздуха, находящегося непосредственно у капли. У самой поверхности капли относительная влажность воздуха равна 100%; в отдалении от нее она равна 50%. Содержание молекул водяного пара в воздухе с увеличением расстояния от капли резко падает. Все молекулы находятся в постоянном движении. Число молекул воды, двигающихся прочь от капли, больше, чем двигающихся по направлению к капле. Этот процесс называют молекулярной диффузией.

Молекулярная диффузия существует также и на открытом воздухе. Именно она действует при передаче тепла от нагретого воздуха к холодному или водяного пара от влажного воздуха к сухому. Однако процессы молекулярной диффузии играют очень малую роль по сравнению с процессами вихревой диффузии, которые вызываются турбулентным движением воздуха. Главная разница между ними состоит в том, что в то время, как среднее расстояние, которое молекула воздуха проходит между двумя столкновениями, равно всего 0,00001 см, турбулентные перемещения воздуха распространяются на расстояния от нескольких сантиметров до сотен метров.

Чтобы понять сущность вихревой диффузии, представим себе, что некоторый объем воздуха весь пронизан небольшими вихрями, каждый из которых можно рассматривать как быстро вращающийся шар. В клубе дыма, оставшемся от нашей праздничной ракеты, вихри могут быть диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров. В слое же задымленного воздуха, который лежит близ поверхности земли, существуют вихри диаметром до нескольких километров. Перемещаясь, вихри переносят дым от тех участков атмосферы, в которых его содержание велико, к тем, в которых оно мало. Важно иметь в виду, что размеры и количество вихрей могут быть самыми разными. Кроме того, вклад вихря той или иной величины в процесс диффузии будет зависеть от величины клуба дыма. В общем чем меньше клуб, тем меньше и вихри, вызывающие в нем диффузию. Очень большие вихри могут просто переносить с места на место весь клуб, не рассеивая его.

Скорость, с которой диффузия рассеивает то или иное вещество, зависит, помимо размера вихрей, и от ряда других факторов. Как нетрудно догадаться, рассеивание загрязняющих веществ идет тем быстрее, чем выше их концентрация внутри определенного объема воздуха по сравнению с окружающей средой. Применяя используемый специалистами термин, мы можем сказать, что с ростом градиента концентрации скорость рассеивания увеличивается. Величину градиента концентрации получают, измерив концентрации в двух точках и разделив их разность на расстояние между этими точками.

Какие свойства атмосферы порождают в ней вихревые движения? Ветры вызывают так называемую механическую турбулентность атмосферы. Когда движущийся воздух наталкивается на препятствия (скалы, деревья, строения и т. п.), он вынужден изменять направление своего движения (двигаться вверх и вниз, а также в поперечном направлении), замедляться или ускоряться. Кроме того, турбулентное движение проявляется при внезапных изменениях скорости ветра на небольших расстояниях (даже при отсутствии внешних препятствий).

Устойчивость атмосферы

Ветер вызывает диффузию загрязнений, и это очень важно, но еще важнее другое свойство атмосферы, которое называется устойчивостью и о котором мы уже несколько раз упоминали. Понятие устойчивости используют, в частности, применительно к тепловым характеристикам атмосферы.

Посмотрим, что вообще понимается под устойчивостью. О большом камне, который едва-едва держится в равновесии на краю обрыва, можно сказать, что он находится в неустойчивом равновесии. Если его не трогать, он может оставаться в неизменном положении еще много лет. Но стоит его чуть-чуть толкнуть, и он катится с обрыва. В таком случае говорят о проявлении потенциальной неустойчивости: после того как камень получил небольшое начальное смещение, оно продолжает увеличиваться.

Вот другой пример. Бросим в бочку с водой мячик. Он будет плавать на поверхности воды. Что случится, если с силой погрузить его в воду и потом отпустить? Он немедленно всплывет. В этом случае мы имеем дело с устойчивой системой. Небольшое начальное смещение не привело к дальнейшему его возрастанию. Мячик возвратился в исходное положение.

Хорошо известно, что атмосфера иногда бывает устойчивой, иногда неустойчивой, а иногда — ни той, ни другой. В последнем случае говорят, что атмосфера нейтральна. В устойчивой атмосфере некоторый объем воздуха, получивший смещение из своего исходного положения по высоте, стремится вернуться обратно. Причиной начального смещения может послужить, например, турбулентность, о которой мы упоминали выше.

В неустойчивой атмосфере объем воздуха, которому придано небольшое начальное смещение, не возвратится на исходную высоту. Он начнет с ускорением двигаться в направлении начального смещения (вверх или вниз).

Теперь вы, вероятно, уже догадались, что в нейтральной атмосфере объем воздуха, которому придано некоторое смещение, просто останется на той высоте, куда он был смещен. Он не будет ни ускоряться в направлении смещения, ни возвращаться на первоначальную высоту.

Будет ли атмосфера устойчивой, неустойчивой или нейтральной, зависит от того, в каком отношении находится ее температура к температуре смещаемого объема воздуха. Представим себе, например, что ветер над холмистой местностью заставил небольшой объем воздуха (скажем, 1 м3) подняться на 100 м от первоначальной высоты. Если к тому времени, когда этот объем воздуха достигнет указанной высоты, он окажется теплее, чем окружающий воздух, его плотность будет соответственно меньшей, чем у последнего. Поэтому он будет продолжать подниматься вверх с ускорением. Это означает, что атмосфера неустойчива. И наоборот, если поднимающийся объем окажется холоднее и, следовательно, плотнее, чем окружающий воздух, он вновь начнет опускаться. Это происходит в устойчивой атмосфере. Если же, наконец, окажется, что этот небольшой объем воздуха, поднявшись на 100 м вверх, будет иметь такую же температуру (и плотность), как окружающий воздух, то он, очевидно, на новой высоте и останется. Тогда мы скажем, что атмосфера нейтральна. Таким образом, устойчивость атмосферы определяется относительной температурой перемещенного объема воздуха и окружающей среды на одной и той же высоте.

Теперь надо выяснить еще один вопрос: что именно влияет на относительную температуру? Ответ простой: скорость, с которой температура падает по мере увеличения высоты. Ее называют температурным градиентом. Если, например, температура вблизи от поверхности земли равна 31,2°, а на высоте 200 м равна 30,0°, то температурный градиент равен

31,2-30,0/2=0,6°/100 м

Температурный градиент атмосферы может изменяться в широких пределах. В среднем он равен 0,6°/100 м. Но в тропической пустыне вблизи поверхности земли он может достигать 20°/100 м. При температурное инверсии температура с высотой увеличивается и температурный градиент становится отрицательным, т. е. может быть равен, например, —0,6°/100 м. Если температура воздуха одинакова на всех высотах, то температурный градиент равен пулю. В этом случае говорят, что атмосфера изотермична.

Говоря об устойчивости атмосферы, мы обычно предполагаем, что окружающая среда неподвижна и что изменение температуры на любой высоте происходит медленно. В отличие от этого температура подымающегося или опускающегося объема воздуха может изменяться быстро.

Рассмотрим снова небольшой объем воздуха, поднимающийся от поверхности земли со скоростью 1 м/сек. Примерно через полторы минуты он достигнет высоты 100 м. Предположим также, что теплообмен, этого объема воздуха с окружающей средой за счет процессов излучения или теплопроводности полностью отсутствует. Если бы мы ввели внутрь рассматриваемого объема термометр, то обнаружили бы, что его температура уменьшилась на 1°. За счет чего?

Когда воздух поднимается, он попадает в область меньшего давления. В результате он расширяется. То же самое случается с воздушным шаром, поднявшимся на большую высоту, где давление заметно меньше, чем у поверхности земли. Молекулы газа, которым наполнен воздушный шар, заставляют его оболочку растягиваться до тех пор, пока внутреннее давление не сравняется с наружным. При этом шар увеличивается в объеме. Поднимающийся объем воздуха, как мы уже говорили, расширяется, и на это требуется затратить некоторую энергию. Ученые говорят, что расширяющийся воздух производит некоторую работу в окружающей среде. И в результате его температура уменьшается. Факт этот очень интересен, если над ним призадуматься. Температура поднимающегося вверх объема воздуха уменьшается, хотя окружающая среда и не отнимает у него тепло: на нее затрачивается энергия (работа), но не тепло. Это похоже на парадокс. Но вспомните, что теплота — это всего лишь одна из форм энергии. Подробное обсуждение этой проблемы могло бы увести нас слишком далеко. Главное помнить, что расширение газа приводит к его охлаждению, а сжатие — к нагреву.

Изменение температуры некоторого объема сухого воздуха, перемещающегося по вертикали, постоянно и равно 1°/100 м. Метеорологи называют эту величину адиабатическим температурным градиентом сухого воздуха. Прилагательное «адиабатический» означает, что какой-либо теплообмен между данным объемом воздуха и окружающей средой отсутствует, а «сухой» — что процесс идет без конденсации или парообразования. Если же в перемещающемся объеме воздуха происходит конденсация или парообразование, то соответствующий температурный градиент называют адиабатическим температурным градиентом для влажного воздуха. Эта величина меньше 1°/100 м, и она изменяется в зависимости от температуры и высоты. Однако в большинстве исследований по загрязнению атмосферы мы можем ограничиваться случаем сухого воздуха.

Вернемся теперь к устойчивости атмосферы. Рис. 16 показывает температурную структуру атмосферы в такой день, когда она неустойчива. Температурный градиент равен 2°/100 м. Пусть вначале рассматриваемый объем воздуха находится на высоте А. Если по той или иной причине он переместится на высоту В, то его температура будет изменяться в соответствии с графиком, нанесенным пунктиром и представляющим адиабатический температурный градиент для сухого воздуха. Иными словами, этот объем воздуха будет охлаждаться на 1° при подъеме на 100 м. Достигнув высоты В, он будет иметь большую температуру и меньшую плотность, чем окружающая среда, и его подъем продолжится. Если бы данный объем воздуха переместился на высоту С, его температура оказалась бы меньше, а плотность больше, чем у окружающего воздуха, и он стал бы опускаться. На рис. 17 показано, что происходит в случае температурной инверсии. Поднимающийся объем воздуха снова охлаждается в соответствии с адиабатой для сухого воздуха. В этом случае, однако, достигнув высоты В, он оказывается более холодным и более плотным, чем окружающая среда. Поэтому он вновь снизится до уровня А, причем его обратный нагрев будет происходить по тому же закону. Если бы этот же объем был перемещен на высоту С, то он оказался бы более теплым и менее плотным, чем окружающая среда. Возникла бы подъемная сила, которая вновь вернула бы его на уровень А. Этим и объясняется, почему инверсии приводят к устойчивости атмосферы и препятствуют ее перемешиванию.

Адиабатический температурный градиент для сухого воздуха

Адиабатический температурный градиент для сухого воздуха

Как мы уже отмечали, температурный градиент атмосферы может изменяться в широких пределах. По этой причине степень устойчивости атмосферы может быть самой различной. Графики, подобные приведенным на рис. 16 и 17, можно использовать как для того, чтобы определить, устойчива ли атмосфера, так и для того, чтобы найти степень этой устойчивости или неустойчивости. Можно заметить, что график адиабатического температурного градиента для сухого воздуха является граничной линией между областями, представляющими устойчивую и неустойчивую атмосферу. Когда температурный градиент окружающей среды выше адиабатического, атмосфера неустойчива. Когда он ниже адиабатического,— устойчива. Наконец, когда они в точности равны между собой, атмосфера нейтральна. В этом случае объем воздуха, смещенный в вертикальном направлении из своего первоначального положения, достигнув новой высоты, будет иметь такую же температуру и плотность, как и окружающая среда.

Адиабатический температурный градиент для сухого воздуха

Адиабатический температурный градиент для сухого воздуха

Из рис. 16 и 17 можно видеть, что неустойчивость атмосферы тем выше, чем большую величину имеет температурный градиент окружающей среды.

Рассуждая об устойчивости атмосферы, мы рассматривали ограниченный объем воздуха (поднимающегося или опускающегося). Такой объем можно истолковать как некоторый вихрь. Когда подобные вихри перемещаются вверх или вниз, у воздуха, их образующего, сохраняются те же показатели, которыми он обладал на исходной высоте (рис. 18). По всей вероятности, в восходящем вихре воздух будет более загрязненным, чем в нисходящем, так как на больших высотах воздух, как правило, чище.

Перенос и рассеивание загрязнений по большим глубинам атмосферы

Перенос и рассеивание загрязнений по большим глубинам атмосферы

Из всего сказанного ясно, что наиболее благоприятные условия для выбрасывания загрязняющих веществ в атмосферу существуют в случае, если температурные градиенты велики. В случаях, когда атмосфера устойчива, и особенно когда в ней имеются мощные инверсии, выбрасывание загрязнений надо по возможности уменьшать или же вовсе прекращать.

Заводские трубы и метеорология

Обычно мы считаем, что загрязнения уносятся прочь от земли за счет вихревой диффузии, но это не всегда верно. Когда источниками загрязнений являются дымовые трубы, диффузия иной раз, напротив, способствует их возвращению к поверхности земли. Поскольку удаление вредных газов и аэрозолей наиболее часто производят с помощью дымовых труб, было проведено большое число исследований того, каким образом они действуют при различных метеорологических условиях. Одной из важнейших целей этих исследований является накопление знаний о том, как правильно проектировать и строить дымовые трубы.

Выходящая из высокой трубы струя дыма в зависимости от силы ветра и устойчивости атмосферы выглядит по-разному. Изучив, как выглядят дымовые струи у большого числа труб, ученые создали основу для классификации таких струй. Три наиболее распространенных класса показаны на рис. 19.

Выход дыма из трубы при разной скорости ветра

Выход дыма из трубы при разной скорости ветра

При слабом ветре и неустойчивой атмосфере появляется завихренная струя (рис. 19, а). Для нее характерна большая размытость. Иногда часть струи поблизости от трубы касается земли. Вторая особенность завихренной струи состоит в том, что благодаря диффузии она быстро рассеивается. Последнее объясняется тем, что в неустойчивой атмосфере диффузия велика.

Мы уже говорили, что, когда загрязненный воздух находится вблизи от земной поверхности, возникающие высокие температурные градиенты приводят к быстрому диффундированию воздуха вверх. Можно убедиться в том, что при тех же условиях слой задымленного воздуха, расположенный на большой высоте, будет быстро диффундировать вниз.

При скорости ветра более 30 км/час и нейтральной атмосфере дымовая струя бывает конусообразной (рис. 19, б). Это означает, что дым рассеивается по конусу, причем имеют место лишь незначительные перемещения оси струи в горизонтальном и вертикальном направлениях.

При очень слабом ветре и устойчивой атмосфере наблюдается веерная струя (рис. 19, в). Дым остается в очень тонком слое, постепенно рассеиваясь в поперечном направлении по мере того, как ветер относит его от трубы, и он приобретает форму веера. Условия для появления веерной струи наиболее часто создаются ночью и ранним утром, когда в результате радиационного охлаждения земли возле самой ее поверхности возникают температурные инверсии. Дым, который выпускается в очень устойчивый воздух инверсионного слоя, не рассеивается ни кверху, ни книзу.

Довольно часто условия для диффузии таковы, что один тип дымовой струи переходит в другой. Например, веерная струя, о которой мы только что говорили, может перейти в завихренную. Ранним утром дым может быть заперт инверсионной ловушкой возле самой земли (до высоты в сотню-другую метров). После того как взойдет солнце и земля прогреется, инверсия исчезнет. Метеорологи говорят, что солнце «выжигает» инверсию. Воздух над самой поверхностью земли получает от нее тепло и прогревается. При этом он поднимается вверх и перемешивается со все более высокими слоями атмосферы. Когда слой, в котором происходит перемешивание, достигает уровня дымовой струи, то имеет место быстрое рассеивание дыма в направлении книзу. Это явление иногда называют «задымлением».

При проектировании дымовой трубы очень важно знать, насколько высокой она должна быть, чтобы количество дыма, достигающего поверхности земли, было сведено к минимуму. Как вы, вероятно, догадываетесь, чем выше труба, тем меньше дыма от нее попадает на землю. В общем концентрация дыма возле поверхности земли уменьшается пропорционально квадрату увеличения высоты трубы. Таким образом, увеличив высоту трубы вдвое, мы получим уменьшение концентрации дыма в четыре раза.

Важно также знать, в каком именно месте дым достигнет поверхности земли. Было установлено, что чем труба выше, тем на большем расстоянии от нее это произойдет.

Эти два правила общие, и, конечно, они не обходятся без исключений. При чрезвычайно сильном завихрении струи дым даже из самой высокой трубы может попасть на землю в очень большой концентрации, и притом очень близко к трубе. С другой стороны, при сильной инверсии на землю может попасть очень мало дыма даже из низкой трубы.

Точность, с которой можно предсказать характер дымовой струи, в сильной степени зависит от точности прогнозирования метеорологических условий. Последняя в свою очередь зависит от климата в интересующем нас районе земли. Вот почему метеорологи и климатологи сыграли важную роль в проведенных к настоящему времени исследованиях по загрязнению атмосферы.

В этом разделе мы лишь кратко обрисовали некоторые из проблем, с которыми приходится сталкиваться при проектировании и строительстве дымовых труб, причем дело не обошлось без некоторых чрезмерных упрощений. Цель, которую мы ставили перед собой при нашем беглом рассмотрении, состоит не в том, чтобы полностью охватить проблему, но лишь в том, чтобы обратить внимание читателя на всю важность учета атмосферных условий при проектировании дымовых труб. Не менее важно учитывать их и при определении тех моментов времени, когда выбрасывание в атмосферу значительных количеств дыма можно осуществлять без особых опасений.

Точечные, линейные и поверхностные источники загрязнений

Проще всего анализировать характер распространения загрязняющих веществ, рассматривая одиночный клуб дыма или непрерывную дымовую струю, выходящую из одной трубы. Однако необходимо иметь в виду, что па самом деле наиболее серьезные проблемы борьбы с загрязнением атмосферы чаще всего возникают в тех случаях, когда одновременно действует большое число источников загрязнений. Одиночную дымовую трубу в силу ее относительно малого поперечного сечения часто рассматривают как точечный источник загрязнений. Когда в одну линию вытянута целая цепочка дымовых труб, то удобно пользоваться понятием линейного источника загрязнений. В этом частном случае линейный источник, очевидно, поднят над поверхностью земли. С другой сто­роны, забитое автомашинами шоссе можно рассматривать как линейный источник, находящийся непосредственно на поверхности земли.

Наконец, современный город можно считать поверхностным источником загрязнений. Все имеющиеся в нем заводские и дымовые трубы, легковые автомобили, грузовики, автобусы и пр. вносят свой вклад в общее загрязнение воздуха над городом.

До настоящего времени ученые уделяли линейным и поверхностным источникам загрязнений меньше внимания, чем точечным. Одна из причин такого положения вещей заключается в том, что точечные источники легче поддаются исследованию. Однако с точки зрения практики точечные источники как раз представляют наименьший интерес, за исключением отдельных случаев промышленных катастроф. Следует ожидать, что нынешнее увеличение интереса к вопросам загрязнения атмосферы приведет к более интенсивному развитию исследований по линейным и поверхностным источникам загрязнений.