И.А. Литвенкова
Экология городской среды: урбоэкология
Курс лекций. – Витебск: Издательство УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2005 – 163 с.

Тема 7. Экология воздушной среды городов

3. Процессы формирования состава атмосферного воздуха в населенном пункте

Существенной особенностью крупных городов с населением более 500 тыс. человек является то, что с увеличением территории города и численности его жителей в них неуклонно возрастает дифференциация концентраций загрязнения в различных районах:

-невысокие уровни концентрации в периферийных районах;

— резкое увеличение концентрации загрязнения в зонах крупных промышленных предприятий;   

-значительная концентрация загрязнения в центральных районах города, несмотря на отсутствие в них крупных промышленных предприятий. Это вызывается несколькими причинами. Во-первых интенсивным движением автотранспорта. Во-вторых тем, что в центральных районах воздух на несколько градусов выше, чем в периферийных, — это приводит к появлению над центрами городов восходящих воздушных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промышленных районов, расположенных на ближней периферии.

Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере

На процесс рассеивания загрязняющих веществ существенное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота и диаметр источника выбросов, расположение источников, рельеф местности. Рассмотрим влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере городов.

Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурной стратификации), количество и режим осадков, туманы, солнечная радиация.  

Ветер может оказывать различное влияние на процесс рассеивания примесей в зависимости от скорости, типа источника и характеристики выбросов. Рассеивание выбросов в зависимости от скорости ветра и типа источника. Чем выше скорость ветра, тем быстрее происходи рассеивание выбросов. Однако эта прямая зависимость проявляется только на небольшой высоте от поверхности. Поэтому существует такое понятие как «опасная скорость ветра». При высоких выбросах порог «опасной скорости ветра» повышается до 4-7 м/сек, при низких выбросах – 1-2 м/сек. В воздухе городских агломераций различают два слоя повышенной концентрации загрязняющих веществ в зависимости от скорости ветра:

— первый характерен для низких выбросов (в основном автотранспорта);

— второй для высоких выбросов крупных промышленных предприятий.

Рассеивание примесей в зависимости от характеристики выбросов. Если выбрасываемые газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Этот подъем обуславливает уменьшение концентрации примеси у земли. При холодных источниках в сочетании со слабым ветром повышенный уровень загрязнения наблюдается в приземном слое.

Температурная стратификация. Уровень приземной концентрации газовых выбросов зависит также от температурной стратификации атмосферы. Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые массы воздуха поднимаются вверх (конвекция), а взамен их опускаются холодные. Такие условия называются конвективными.

Наличие в городах «островов тепла» приводит к образованию приземных и приподнятых температурных инверсий. Инверсионные условия создаются если температура возрастает с высотой. При этом поднимающийся поток становится холоднее окружающих воздушных масс и его движение затухает. Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхности земли, инверсию называют приземной, если же с некоторой высот над поверхностью земли – приподнятой. Инверсии затрудняют вертикальный воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере. Приземные инверсии способствуют концентрации низких выбросов, приподнятые инверсии – концентрации высоких выбросов.  

Туманы. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях тумана приводит к образованию сернистой кислоты.  

Осадки. Способствуют вымыванию загрязняющих веществ из атмосферы. После длительных интенсивных осадков высокие концентрации примесей в атмосфере практически не наблюдаются. Исключение составляют моросящие дожди, способствующие концентрации загрязняющих веществ, вследствие повышения влажности воздуха.

Солнечная радиация. Обуславливает фотохимические реакции в атмосфере с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выброса. Например, окисление сернистого газа с образованием аэрозолей.  

Таким образом, совокупность ряда метеорологических условий может создать крайне неблагоприятные ситуации. Для состояния атмосферы в городах наибольшую опасность представляет приземная инверсия в сочетании со слабыми ветрами, т.е. ситуация «застоя воздуха». Образованию фотохимических оксидантов способствуют: обилие солнечной радиации (свыше 400 кал/см²), температурные инверсии и малая скорость ветра.  

Суммарная оценка воздействия перечисленных выше метеорологических факторов, определяющих условия рассеивания и накопления вредных примесей в атмосфере, наиболее часто интегрируется одним показателем: метеопотенциалом загрязнения воздуха (Км).

,

где Рш – повторяемость скоростей ветра 0-1 м/с,%; Рт – повторяемость дней с туманами,%; Ро – повторяемость дней с осадками более 0,5 мм,%; Рв – повторяемость скоростей ветра более 6 м/с, %.

Другим комплексным показателем, характеризующим способность атмосферы рассеивать примеси, является потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА), включающий комплекс метеофакторов (таблица 11). Для специальных экоклиматических исследований определяют числовое значение величины ПЗА (П), которое показывает, во сколько раз средний уровень загрязнения атмосферы в конкретном районе (q_i), определяемый реальной повторяемостью неблагоприятных для рассеивания примесей метеорологических условий, будет выше, чем в условном (q_о).

Таблица 11

Показатели потенциала загрязнения атмосферы