ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Основные параметры атмосферы, определяющие её способность рассеивать загрязняющие вещества до безопасных концентраций (предельно допустимые концентрации - ПДК) это: температура, относительная влажность и скорость ветра. Процесс рассеивания загрязняющих веществ, в специальной литературе, называется ассимиляцией – от латинского assimilation – уподобление себе, усвоение. В данном случае, подразумевается возвращение веществ в естественный биотический круговорот. Ассимиляционная способность воздушной массы во многом определяет общую ассимиляционную способность любой экосистемы. Не ассимилированные атмосферным воздухом загрязняющие вещества могут быть перенесены воздушными массами на значительные расстояния и, выпадая на земную поверхность с атмосферными осадками, будут вызвать вторичные загрязнения воды, почвы, наносить ущерб здоровью людей и животных и растений и даже вызывать их гибель.
В связи с этим обстоятельством во всём мире в настоящее время проводится контроль выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и мониторинг состояния приземного слоя атмосферы – нижней тропосферы.
В тропосфере постоянно проходят сложные погодообразующие процессы, называемые метеорологическими. Наблюдения за ними ведут специальные синоптические службы, имеющие наблюдательную сеть по всему миру. Они обеспечивают население и заинтересованные организации синоптическими прогнозами и рекомендациями для решения вопросов от того, как одеться, выходя на улицу, до экологической оптимизации режимов работы промышленных предприятий, транспорта и связи. Очень часто неблагоприятные погодные условия вынуждают приостанавливать промышленные предприятия и транспорт и переводить на особый режим службы связи и МЧС.
Однако обсерватории, станции и наблюдательные посты наземной сети гидрометеорологических наблюдения дают только общую картины погодообразующих процессов и рассеивания выбросов в атмосфере. Поскольку, ответственность за экологический ущерб несёт виновник выброса, превысившего ассимиляционные возможности экосистемы, на предприятиях, для соблюдения установленных предельно допустимых выбросов (ПДВ), организуются свои экологические службы, обеспечивающие, в частности, и проведение самых необходимых локальных метеорологических наблюдений, с целью самоконтроля за динамикой своих факелов выброса. В состав этих наблюдений, кроме контроля объёма и скорости выброса загрязняющих веществ, входят постоянные измерения таких основных параметров как температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра и атмосферное давление. Все эти показатели могут в городах и промышленных центрах значительно отличаться, как от полученных на метеорологических площадках метеослужбы, характеризующих состояние «свободной атмосферы» лишённой специфического, локального влияния промышленных объектов и городской инфраструктуры, так и, от полученных на территории двух предприятий или городских микрорайонов. Так в Москве, в районе Балчуга и в Измайловском парке, температура воздуха порой может отличаться на целых 10°С.
Одна из основных задач экологический службы промышленного предприятия -обеспечивать своё руководство рекомендациями по экологически безопасным режимам работы каждой технологической линии и всего производства в целом и, делается это на основе собственных наблюдениях и синоптических данных гидрометеорологической службы.
С подписанием нашей страной «Киотского протокола» - международного соглашения, предусматривающего для каждого государства квоты на выбросы, такая служба приобретает новое эколого-экономическое значение.
НормыПДВ лимитируют общий объём за определённый срок, обычно за год. Однако это количество выбрасываемого загрязняющего вещества не может выбрасываться в атмосферу равномерно и независимо от характера погоды. Существуют благоприятные и неблагоприятные погодные условия ассимиляции. Причём, эти неблагоприятные условия часто могут быть очень локальными и, даже для соседних предприятий в одно и тоже время приемлемые для экосистемы выбросы будут существенно отличаться. Это зависит от рельефа местности, направления и силы ветра, вертикального распределения температуры воздуха и относительной влажности. Так, при высокой относительной влажности, выбросы могут провоцировать конденсацию и выпадение загрязнённых осадков.
Зависимость рассеивания выбросов от стратификации атмосферы
По вертикальному градиенту температур выделяют три вида стратификации: конвекция, инверсия и изотермия.
Конвекцией - называют такое состояние атмосферы, при котором температура воздуха монотонно убывает с высотой. Происходит это, по известному закону физики в связи с падением с высотой давления. Средний градиент температур – минус 6° С на каждые1000 м высоты над земной поверхностью. В приземном слое этот градиент может быть несколько иным за счёт теплообмена с подстилающей земной поверхностью и адиабатических процессов. В наших широтах он обычно составляет один градус на 100 м.
При конвекционной стратификации температур и слабом ветре (не более 5 м/с) нагретые у подстилающей поверхности воздушные массы начинают подниматься до тех пор, пока их температура, за счёт падения давления и теплообмена, не сравняется с температурой воздуха на высотах. При этом в восходящих потоках воздух почти всегда содержит довольно значительное количество водяных паров. С подъёмом давление и температура падают и, на определённой высоте начинается бурная конденсация водяных паров. При этом в восходящих потоках образуются характерные только для конвекции малоподвижные кучевые облака с плоской подошвой. Они могут то увеличиваться в размерах, то уменьшаться, но оставаться на одном месте как привязанные, т.к. держатся на стационарных восходящих потоках. Такие облака служат верным признаком конвекции а, следовательно, и благоприятной для ассимиляции выбросов погоды, при которой выбросы, подхваченные восходящими потоками, легко рассеиваются на больших высотах.
Рис. Факел выбросов при конвекции
Инверсией – (от латинского inversio - переворачивание) называют такое состояние атмосферы, когда монотонное убывание температуры воздуха с высотой нарушается тёплыми прослойками инверсионного задерживающего слоя. При этом монотонное убывание температуры нарушается, и слои более тёплого воздуха задерживают восходящие потоки. Под этими задерживающими инверсионными слоями тоже образуется облачность, но совсем иного характера. Здесь конденсация водяных паров происходит за счёт их скопления (концентрации) под задерживающим слоем воздуха, при этом образуются слоистые облака, часто с рваным неровным нижним краем и гладкой, слегка волнистой верхней поверхностью.
В случае низкой инверсии, в приземном слое атмосферы могут создаваться крайне неблагоприятные условия для ассимиляции загрязняющих веществ. Концентрация вредных примесей в приземном слое может, в этих условиях возрасти очень быстро до показателей, многократно превышающих ПДК.
Рис. 6. Факел выбросов при инверсии.
Изотермией – (от греч. - изо…+ therme – теплота – «равнотёплый») – называется такое состояние определённого слоя атмосферы, в котором температура воздуха не меняется с высотой. При этом вертикальная циркуляция не приостанавливается, а только несколько затрудняется, главным образом за счёт интенсивных горизонтальных потоков воздуха. В таких условиях формируется горизонтально вытянутый факел выброса и, при недостаточно высоких дымовых трубах и пересечённой местности, возникает опасность задымления высоких зданий и вершин соседних возвышенностей.
Рис. 7. Факел выбросов при изотермии.
- Цель работы – определение основных параметров приземного слоя атмосферы для оценки его ассимиляционной способности к антропогенным загрязнениям с помощью простейших метеоприборов.
- Состав и порядок выполнения измерений.
Работа состоит из двух этапов.
Этап 1 – знакомство с устройством метеоприборов и методикой измерений, а также проведение пробных измерений в лаборатории с обработкой полученных данных.
Этап II – выполнение метеонаблюдений во время практикума. Проводится на прилежащей к МГУДТ территории с использованием освоенных в лаборатории приборов.
В данной работе, для измерения температуры воздуха и его относительной влажности используются аспирационный психрометр Ассмана. Для измерения скорости ветра – ручные анемометры двух модификаций: чашечный и крыльчатый.
Аспирационный психрометр Ассмана