Методические аспекты оценки трансграничного переноса в атмосфере загрязняющих веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, Днепропетровск

Методические аспекты оценки трансграничного переноса в атмосфере загрязняющих веществ

C.З. Полищук

В.Ю. Каспийцева

А.Н. Бугор

Е.Ю. Минко

Возникшая в последние годы проблема дальнего (трансграничного) переноса заметного количества загрязняющих природную среду веществ антропогенного происхождения поставила задачу решения ряда сложных экологических и технических вопросов [1].

Загрязнение воздушного бассейна антропогенными примесями, выделяемыми источниками в промышленно развитых странах (регионах), в последнее время стало внушать опасение не только в областях, расположенных в непосредственной близости от источников выбросов, но и на отдаленных территориях, зачастую принадлежащих другим странам (регионам).

Впервые проблема трансграничного переноса возникла в связи с распространением на большие расстояния радиоактивных выбросов. В настоящее время основное внимание уделяется распространению на большие расстояния: диоксида серы и продуктов ее превращения, окислов азота и продуктов их превращений, тяжелых металлов (и особенно ртути), пестицидов и радиоактивных веществ.

Вымывание диоксида серы и окислов азота ведет к образованию серной и азотной кислот (и их солей) и выпадению кислотных дождей. Это явление приобрело в наше время широкомасштабный характер и привело к общему закислению природной среды и существенным экологическим изменениям на территории земного шара.

В атмосферу Земли выбрасывается огромное количество загрязняющих веществ и, в частности, двуокиси серы - более 100 млн.т. в год. Особенно это характерно для Европы и Северной Америки. Значительное количество сернистых соединений переносится на территорию других стран, например, в Скандинавию из стран Западной Европы, в Канаду - из США и обратно. На территорию Восточной Европы, в страны бывшего СССР, через западную границу поступает около 5 млн. т сернистых соединений, в обратном направлении - в пять-десять раз меньше [1].

Подсчитано так же, что доля трансграничного загрязнения территории России по окисленному азоту и окисленной сере составляет по различным данным от 40% до 60%. Очевидно, что и для Украины эта проблема представляет не меньшее значение.

Украина, будучи равноправным членом мирового содружества государств, активно участвует в подписании международных договоров, конвенций и других документов, регулирующих отношения между странами в таких сферах как политической, экономической и в частности экологической. Далеко не последним среди вопросов, требующих урегулирования на международном уровне является проблема миграции (переноса) вредных веществ через государственные границы, которые для загрязнений полностью прозрачны. Значение этой проблемы можно осознать, если познакомиться с посвященным возможностям её решения документами. Приведем перечень наиболее важных документов, в порядке их ратификации Украиной.

1. Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. Подписана от имени СССР 13 ноября 1979 г. Ратифицирована Президиумом Верховного Совета СССР 29 апреля 1980 г.

2. Конвенция об оценке влияния на окружающую среду в трансграничном контексте. Подписана от имени Украины 25 февраля 1991г. Ратифицирована 19 марта 1999 г.

3. Конвенция о трансграничном воздействии промышленных аварий. Подписана 17 марта 1992 г.

4. Стокгольмская конвенция про устойчивые органические загрязнители. Конвенция ратифицирована Законом Украины № 949-V от 18.04.2007 г.

Переходя к изложению сути документов, следует привести ряд важных определений, используемых в международных документах. «Загрязнение воздуха» означает введение человеком, прямо или косвенно, веществ или энергии в воздушную среду, влекущее за собой вредные последствия такого характера, как угроза здоровью людей, нанесение вреда живым ресурсам, экосистемам и материальным ценностям, а также нанесение ущерба ценности ландшафта или помехи другим законным видам использования окружающей среды. «Трансграничное загрязнение воздуха на большие расстояния» означает загрязнение воздуха, физический источник которого находится полностью или частично в пределах территории, находящейся под национальной юрисдикцией одного государства, и отрицательное влияние которого проявляется на территории, находящейся под юрисдикцией другого государства, на таком расстоянии, что в целом невозможно определить долю отдельных источников или групп источников выбросов.

Основополагающие принципы подписанных конвенций заключаются в следующем.

Договаривающиеся Стороны, учитывая должным образом соответствующие факты и проблемы, выражают решимость охранять человека и окружающую его среду от загрязнения воздуха и будут стремиться ограничивать и, насколько это, возможно, постепенно сокращать и предотвращать загрязнение воздуха, включая его трансграничное загрязнение на большие расстояние.

В рамках конвенции Договаривающиеся Стороны посредством обмена информацией, консультаций, научно-исследовательской деятельности и мониторинга разработают возможно скорее политику и стратегию в качестве средств борьбы с выбросами загрязнителей воздуха, принимая во внимание усилия, уже прилагаемые на национальном и международном уровне.

Договаривающиеся Стороны обмениваются информацией и рассматривают свою политику, научную деятельность и технические меры, направленные на борьбу, по мере возможности, с выбросами загрязнителей воздуха, которые могут иметь отрицательные последствия, способствуя, таким образом, уменьшению загрязнения воздуха, включая трансграничное загрязнение воздуха на большие расстояния.

Определен перечень видов и объектов экономической деятельности, которые могут оказывать значительное вредное трансграничное воздействие: тепловые электростанции и прочие установки для сжигания тепловой мощностью 300 МВт или больше, а также электростанции и прочие сооружения с ядерными реакторами; установки, которые предназначены исключительно для производства или обогащения ядерного топлива, регенерации отработанного ядерного топлива или сбора, ведение и переработка радиоактивных отходов; большие установки для доменного и мартеновского производства и предприятия цветной металлургии; установки для переработки; химические комбинаты; строительство автомагистралей, скоростных дорог, трасс для железнодорожных путей дальнего сообщения и аэропортов; нефте- и газопроводы с трубами большого диаметра; торговые порты, а также внутренние водные пути и порты для внутреннего судоходства; установки по удалению отходов для сжигания, химической переработки или захоронения токсичных и опасных отхо- дов; большие плотины и водохранилища; деятельность по забору подземных вод в случае, если годовой объем воды, которая забирается, достигает 10 млн.куб. м или больше; производство целлюлозы; крупномасштабная добыча, изъятие и обогащение на месте металлических руд и угля; добыча углеводородов на континентальном шельфе; вырубка лесов на больших площадях.

Материалы оценки воздействия на окружающую среду (в трансграничном контексте) должны содержать, как минимум следующую информацию:

описание запланированной деятельности и ее цели;

описание, при необходимости, разумных альтернатив (например, географического или технологического характера) запланированной деятельности, в том числе варианта отказа от деятельности;

описание тех элементов окружающей среды, которые, вероятно, будут существенно затронуты запланированной деятельностью или ее альтернативными вариантами;

описание возможных видов влияния на окружающую среду запланированной деятельности, ее альтернативных вариантов и оценка масштабов влияния;

описание предупредительных мер, направленных на то, чтобы свести к минимуму вредное влияние на окружающую среду;

конкретное указание мероприятий прогнозирования и исходных положений, которые лежат в их основе, а также соответствующие данные об окружающей среде, которые используются;

описание пробелов в знаниях и неопределенностей, которые выявлены при подготовке нужной информации;

при необходимости, короткое содержание программ мониторинга и управления, всех планов послепроектного анализа;

резюме нетехнического характера, при необходимости, с использованием визуальных средств представления материалов.

Установлен перечень опасных веществ для целей определения опасных видов деятельности и их предельные количества.

При этом под промышленной аварией подразумевается событие, возникающее в результате неконтролируемых изменений в ходе любой деятельности, связанной с опасными веществами, либо:

1) на промышленном объекте, в ходе производства, использования, хранения, перемещения или удаления; либо

2) при транспортировке.

«Опасная деятельность» обозначает любую деятельность, в ходе которой одно или более чем одно опасное вещество присутствует или может присутствовать в количествах, равных или превышающих предельные количества.

Конвенция не применяется в отношении следующих промышленных аварий:

ядерные аварии, чрезвычайные ситуации, связанные с радиоактивным заражением;

аварии, вызванные деятельностью на военных объектах;

разрушения плотин, за исключением воздействия промышленных аварий, вызванных такими разрушениями;

аварий на наземном транспорте, за исключением транспортных операций на промышленной площадке, на которой осуществляется опасная деятельность;

случайных выбросов генетически модифицированных организмов;

аварий в результате деятельности в морской среде, включая разведку или разработку морского дна;

разливов в море нефти или других вредных веществ.

Особое внимание обращено на стойкие органические соединения, так как они имеют токсические свойства, выявляют стойкость к разложению, характеризуются биоаккумуляцией и являются объектом трансграничного переноса по воздуху, воде и мигрирующим видам, а также осаждаются на большом удалении от источника их выброса, аккумулируясь в экосистемах суши и водных экосистемах.

Далее стоит более подробно остановиться на задекларированных исследованиях и разработках.

Договаривающиеся Стороны, исходя из своих потребностей, приступят к проведению и будут сотрудничать в проведении исследований и/или разработок по следующим вопросам:

a) имеющаяся и предлагаемая технология сокращения выбросов соединений серы и других основных загрязнителей воздуха, включая технико-экономические обоснования и последствия для окружающей среды;

b) аппаратура и другие средства наблюдения и измерения уровня выбросов и концентраций загрязнителей воздуха в атмосфере;

c) усовершенствование модели для улучшения понимания трансграничного переноса загрязнителей воздуха на большие расстояния;

d) воздействие соединений серы и других основных загрязнителей воздуха на здоровье людей и окружающую среду, включая сельское хозяйство, лесное хозяйство, материалы, водные и другие природные экосистемы, имея в виду создание научной основы для установления соотношений доза/эффект в целях охраны окружающей среды;

e) экономическая, социальная и экологическая оценка альтернативных мер для достижения целей в области охраны окружающей среды, включая сокращение трансграничного загрязнения воздуха на большие расстояния;

f) программы обучения и подготовки кадров, связанные с экологическими аспектами загрязнения соединениями серы и другими основными загрязнителями воздуха.

К настоящему времени по этим направлениям выполнен целый ряд работ. Были определены два эквивалентных подхода к обмену информацией относительно вкладов в трансграничный перенос. Могут представляться либо данные о выбросах загрязняющих веществ через отрезки границы страны, либо данные о выбросах загрязняющих веществ по квадратам территории страны. Была осуществлена совместная программа наблюдения распространения загрязняющих воздух веществ на большие расстояния в Европе, созданы метеорологические синтезирующие центры (восточный и западный) в Москве и Осло. Регулярно проводились расчеты трансграничных потоков, осуществлялся прямой траекторный анализ, объективный анализ поля ветра, обмен расчетными данными метеорологических элементов с достаточной заблаговременностью. Был также организован мониторинг дальнего распространения двуокиси серы и продуктов ее превращений, в частности осуществлялся контроль трансграничных потоков двуокиси серы и сульфатов с самолетов и наземными средствами. В монографии [1] приведены данные о среднемесячных выпадениях серы с октября 1978 г. по сентябрь 1980 г. по данным Западноевропейского центра. По таблице можно приближено определить вклад любой из приведенных стран (страны-доноры) в выпадения соединений серы на территории любой европейской страны (страны-акцепторы).

Перенос загрязнений на большие расстояния сложный, динамичный процесс, распространяющийся по длине на тысячи километров, а во времени на несколько суток. Высота распространения примесей, при этом составляет 1,5-2 км. Количества переносимых загрязняющих веществ зависят от масштабов выбросов, высот дымовых труб, множества метеорологических и атмсферно-химических факторов, а также от свойств ландшафта, над которым осуществляется этот перенос.

В сложившейся ситуации для оценки экологического состояния регионов Украины, обусловленного трансграничными переносами, прежде всего возникает проблема организации специальных систем наблюдений, контроля и оценки состояния природной среды (мониторинга) как в местах интенсивного воздействия, так и в глобальном масштабе.

Возникает также проблема определения допустимых экологических нагрузок и соответствующего ограничения (нормирования) существующих антропогенных воздействий с учетом совокупности вредного влияния многих факторов, а также возможных экологических, экономических и социальных последствий.

К категории серьезных экологических проблем необходимо отнести и возможное изменение климата (в глобальном масштабе).

Для организации оптимального развития системы контроля за уровнем загрязнения в регионах Украины, обусловленного трансграничными переносами, прежде всего необходим детальный анализ существующего состояния загрязнения природных сред в данном и прилегающих регионах, а также соседних странах; анализ должен включать гидрометеорологические знания, знания о гидрометеорологических и физико-географических особенностях в рассматриваемом регионе.

Общий контроль (наблюдения, оценка, элементы регулирования состояния природной среды) должны осуществляться, главным образом, различными геофизическими службами, большая часть которых находиться в ведении Государственного комитеты Украины по гидрометеорологии.

Расчет трансграничных потоков, касающихся вкладов регионов или государств в проблему трансграничного переноса, может быть реализован различными методами [1-8]. Одной из первых работ этого направления, в которой алгоритм был доведен до расчетной методики, является работа [6]. Она основывается на известном аналитическом решении для точечного источника, осредненном по высоте, и траекторном анализе порциями на стандартных интервалах времени. Метод основан на следующих положениях: граница государства представляется контуром, состоящим из прямолинейных отрезков равной длины (150 х 150 км); положение примеси в пространстве рассматривается лишь в дискретные моменты времени, разделенные стандартными интервалами, равные приблизительно четырем суткам; поток примесей вычисляется через элемент границы, представляющий собой вертикальный прямоугольник бесконечной высоты, в основании которого лежит стандартный отрезок принятой длины.

По данным об источниках загрязнения и метеорологическим данным производится расчет распространения примесей в атмосфере, охлаждения (сухого и влажного) с осадками на подстилающую поверхность по порциям времени вдоль траектории своего перемещения.

Подход позволяет анализировать различные ситуации, включая и случаи, когда происходит импорт примеси от внешних источников, экспорт примесей от внутренних источников, импорт ранее экспортированной примеси от внутренних источников, а также экспорт ранее импортированной примеси от внешних источников, а также выделить вклад конкретных источников в поток примеси через определенные элементы границы и в определенное время.

Расчету распространения загрязнений из различных источников в атмосфере и осаждению их подстилающую поверхность посвящена обширная литература [1-5]. Проводится расчет для распространения как от мгновенных точечных, так и непрерывных источников различной высоты на малые и большие расстояния примесей с различными скоростями осаждения на подстилающую поверхность и поверхность со сложным рельефом. Значительный прогресс в развитии вычислительной техники и вычислительной математики обусловил и проблему математического моделирования процессов распространения загрязняющих веществ на основе конечно-разно-стных методов. Хорошо известны имена Р.Д. Рихтмайера, Г.И. Марчука, К.У. Мортона, А.А. Самарского, П. Роуча, С.К. Годунова, О.Н. Белоцерковского, Н.Н. Яненко и др., внесших значительный вклад в исследования разностных методов для решения эволюционных физических задач [4, 5].

Заметим, что в общем случае основы математических моделей динамики атмосферы составляют законы сохранения массы, момента и энергии, которые совместно с законами химии и термодинамики описывают процессы, происходящие в атмосфере, почве, а также их взаимодействие. Главной задачей вычислительных методов аэродинамики окружающей среды в такой общей постановке является расчет полей скорости, температуры и концентраций, вызываемых выбросами в атмосфере и поверхностных водах. Распространение загрязняющих примесей в этих средах поэтому будет определяться двумя процессами: конвективным переносом вследствие осредненного движения среды и диффузией за счет турбулентности. Поэтому математическая модель должна правильно описывать как поля средних скоростей, так и характеристики турбулентной диффузии. В математическом выражении этот процесс описывается системой многомерных нестационарных уравнений, включающих ряд входных данных, таких как коэффициенты уравнений, начальные поля, характеристики области интегрирования и т. д. Естественно, что эти уравнения не могут быть решены точно методами математической физики. Поэтому основными методами их решения служат численные методы. Известно, что вычислительные трудности существенно зависят и от размерности задачи. Переход от двумерных пространственных задач к трехмерным - это не просто формальный акт увеличения числа измерений на единицу. При таком переходе резко увеличиваются объемы перерабатываемой информации, а значит и время работы алгоритма. Эти трудности могут быть преодолены двумя путями: 1) увеличением быстродействия и памяти ЭВМ; 2) разработкой эффективных алгоритмов, позволяющих расширить класс решаемых задач и уменьшить время расчетов.

Прогресс в развитии ЭВМ в настоящее время очевиден. Так, замедление темпа роста производительности однопроцессорных ЭВМ и поразительное уменьшение стоимости аппаратуры, необходимой для выполнения арифметических операций, стимулировали ход пользователей высокопроизводительных ЭВМ, так и их разработчиков к проведению исследований и возможности создания вычислительных устройств, обладающих высокой степенью параллельности. По оценкам специалистов темп роста производительности однопроцессорных ЭВМ снизился на порядок в 60-70-е годы. При таком состоянии вычислительной техники не представлялось возможным адекватно рассчитывать трехмерные задачи. Вместе с тем возросшие трудности и сложность рассматриваемых задач приводили к необходимости проведения все более детальных расчетов. Поэтому, если не произойдет чуда с производительностью однопроцессорных ЭВМ, то необходимая вычислительная мощность должна быть обеспечена с помощью внедрения параллельной обработки. Конечно, чтобы воспользоваться преимуществами этих и будущих усовершенствований ЭВМ, необходимо создавать новые алгоритмы и методы распараллеливания алгоритмов [9].

В отношении же разработки эффективных вычислительных алгоритмов, то здесь уместно сослаться на П. Роуча [10]. В разделе «Направления будущих исследований» им высказана мысль о том, что наиболее важной область развития методов являются, вероятно, полуаналитические (или, что, то же самое, полудискретные) методы расчетов. Это название охватывает различные методы (метод усеченных рядов, метод интегральных соотношений, метод прямых и т.д.). В данном разделе нами будут подробно описаны численно-аналитические методы дискретизации рассматриваемых уравнений, основанные на отрезках рядов Тейлора, на решениях задач Коши, методах интегрального преобразования Лапласа [11-13], позволяющих конструктировать схемы повышенного порядка точности.

Конечно, в каждом конкретном случае общая система дифференциальных уравнений, описанная выше, может быть и упрощена. Например, как правило, при расчете распространения загрязнений в атмосфере используется задача моделирования переноса примесей на фоне атмосферных явлений, когда информация о состоянии атмосферы (поле скоростей и температуры) считаются заданными. Конечно, решению задачи в такой постановке должно предшествовать составление климатической карты полей ветра с учетом особенностей рельефа подстилающей поверхности.

Возможен и такой вариант. Можно постулировать, что состояние окружающей среды, например, региона состоит из глобальной циркуляции и локальных циркуляций, развивающихся на фоне глобальной циркуляции. В такой постановке исходную полную задачу можно расщепить по физическим процессам и тем самым упростить ее реализацию на ПЭВМ.

Отметим еще и следующее обстоятельство. Решение конкретной той или иной задачи математического моделирования определяется не только как функция пространственных координат и времени, но и как функция входных параметров. По-видимому, будет более наглядным интерпретация начально-краевых задач из рассматриваемого класса с точек зрения соотношений причина-следствие. К причинным характеристикам процесса переноса загрязнений отнесем начальные и граничные условия и их параметры, коэффициенты исходных уравнений, источники загрязнений и их параметры, а также геометрические параметры, в которых определяются вектора искомых решений. Тогда следствием будет то или иное состояние окружающей среды, определяемое полями скоростей, температуры и концентрации.

Таким образом, установление причинно-следственных связей будет составлять цель прямых задач экологии. И наоборот, если по определенной информации о векторах решений, известной из эксперимента, требуется восстановить причинные характеристики, то имеем ту или иную постановку обратной задачи. Следовательно, наличие программного обеспечения по решению поставленных задач, в зависимости от поставленной цели, позволит реализовать решение как прямых, так обратных задач. Например, задач идентификации моделей турбулентности, задач трансграничного переноса [14] и т.д. Конечно, к алгоритму решения прямых задач при этом необходимо подключить дополнительный этап - этап идентификации математической модели и ее уточнение по данным измерений обратными методами. Выбрав в качестве критерия идентификации функционал, например, в виде среднеквадратичной навязки между расчетной и экспериментальными значениями той или иной физической субстанции, обратную задачу можно интерпретировать как задачу оптимального управления. При таком подходе, по-видимому, можно будет в конечном счете построить математическую модель более или менее адекватную физической модели.

Основу современных моделей динамики атмосферы Земли составляют законы сохранения массы, момента и энергии, которые вместе с законами химии и термодинамики описывают процессы, происходящие в атмосфере, океане, почве, а также их взаимодействие. В математическом выражении это системы многомерных нелинейных дифференциальных задач, которые решаются в предположении, что внешним источником является солнечная энергия. Эти системы включают ряд параметров. Под параметрами обычно подразумевают коэффициенты уравнений, начальные поля, характеристики области интегрирования и т.д.

В каждом конкретном случае можно с какой-то достоверностью на основе априорной информации описать некоторое допустимое множество входных параметров и по результатам обработки данных измерений в реальной физической системе земля-почва оценить начальное состояние. Решение конкретной задачи поэтому будет определяться не только как функция пространственных координат и времени, но и как функция входных параметров. Поэтому, чтобы оценить полученное решение, необходимо исследовать поведение вариационных параметров. Именно в этом и состоит суть изучения чувствительности модели к вариациям входных данных. Теория чувствительности математических моделей нашла свое развитие в теории оптимального управления и идентификации систем [5].

Рассмотрим структуры математических моделей к расчету распространения загрязнений из различных источников в атмосфере регионов, обусловленного трансграничным переносом.

Динамическая модель ветра. Будет исходить из того, что течения газов можно рассматривать приближенно как несжигаемые среды, если число Маха остается малым по сравнении. С единицей, другими словами, при условии, что скорость течения мала по сравнению со скоростью наука. Для воздуха, в котором звук распространяется со скоростью С=330 м/с, число Маха приблизительно равно 0,3. Поэтому модель вязкой несжигаемой жидкости будет для нас определяющей при построении динамической модели ветра.

В общем случае течение газа описывается уравнения Навье-Стокса [6]. Вывод уравнений Навье-Стокса может быть сделан либо феноменологическим путем, либо на основе молекулярно-кинетической теории. Для несжигаемых течений система уравнения Навье-Стокса значительно упрощается даже в случае непостоянной температуры внутри жидкости. В самом деле. Прежде всего, уравнение неразрывности получает более простой вид. Далее, поскольку в несжигаемых течениях разности температур в общем случае малы. То коэффициент вязкости можно рассматривать как постоянную величину и поэтому уравнение состояния и уравнения энергии становятся ненужными для расчета полей скорости течения. Следовательно, этот расчет может производиться независимо от термодинамических уравнений. В результате уравнения движения и неразрывности упрощаются и, если члены, содержащие ускорение, выписать в раскрытом виде, принимают вид

есть оператор Лапласа;

субстанционная производная, которая складывается из локальной и конвективной производных;

,

вектор массовых сил, - вектор ускорения свободного падения (gx,gy,gz), - коэффициент кубического расширения, =T-T - повышение температуры нагретой частицы жидкости по сравнению с температурой частиц, остающихся нагретыми.

Модель неоднородной жидкости в приближении Буссинеска. С расширением масштабов хозяйственной деятельности человека возрастает количество производимой энергии и одновременно количество выбросов тепла и примесей в атмосферу. Выброшенные примеси испытывают различные превращения и распространяются на большие расстояния, загрязняя природную среду. При этом модель несжимаемых течений воздуха может оказаться несостоятельной. Модель неоднородной среды должна учитывать изменение плотности по пространственным переменным. Причиной неоднородности среды может быть изменение ее состава или температуры, что приводит к ряду новых физических эффектов, которые отсутствуют в случае однородной изотермической среды (конвекция, тепло- и массоперенос). Уравнения движения для двух переменных в переменных функции тока-вихрь, уравнение энергии и диффузии в приближении Буссинеска объединяются в единую заметную систему дифференциальных уравнений [15].

где Т - температура; С - концентрация примеси; - угол проекции гравитационной составляющей на координатные оси; T, C - коэффициенты термического и концентрационного расширения; , D - коэффициенты температуропроводимости и диффузии; g - ускорение свободного падения; , cp - плотность и коэффициент удельной теплоемкости при постоянном давлении.

Для обоснования граничных условий при построении моделей ветра необходимо проанализировать строение и динамику атмосферы.

Атмосфера - газообразная оболочка Земли, которая находится в постоянном движении, от самых нижних приземных до наиболее разреженных высоких ее слоев.

В атмосфере различают движения нескольких масштабов (размеров):

А) движение “шкалы А”, или “макро-шкалы” - размеров L10000 км, т.е. сравнимые с размером земного шара, материков и океанов течения общей циркуляции атмосферы;

В) движения “шкалы В” (синоптического масштаба) с L от 200 до 2000 км и более - длинные волны, циклоны и антициклоны, а также фронты;

С) движение “шкалы С” (мезомасштабные) c L=2-200 км, к которым относятся местные ветры, шквалы, облачные скопления, грозовые ячейки и т.д.;

D) движения “шкалы D” (микромасштабные) с с L2 км, в том числе смерчи, конвективные ячейки и подветренные волны [16, 17].

В целом течения атмосферы сходны с движением идеальной жидкости без трения.

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.

Максимально возможное загрязнение атмосферного воздуха Днепропетровской области за счет трансграничный переноса (в долях от общего объема выбросов каждой области)

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

трансграничный загрязнение воздух

1. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния окружающей природной среды. Изд 2-е, дополненное. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 260 с.

2. Израэль Ю.А. и др. Кислотные дожди. - М.: Гидрометеоиздат, 1989. - 280 с.

3. Л.Хорват. Кислотный дождь. - М.: Стройиздат, 1990. - 81 с.

4. Марчук Т.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. - М.: Наука, 1982. - 320 с.

5. Марчук Г.И., Пепенко В.В. Некоторые применения методов оптимизации в проблеме окружающей среды // Вычислительные методы в прикладной математике. - Новосибирск: Наука, 1982. - С. 3-21.

6. Израэль Ю.А., Михайлова Ж.Э., Просман А.Я. Модель для оперативной оценки антропогенных примесей. - М.: ДАН СССР, 1980. - Тр. 254. - № 4. - С. 848-852.

7. Беляев Н.Н., Коренной Е.Д., Хрущ В.К. Прогнозирование качества окружающей среды методом вычислительного эксперимента. - Днепропетровск: Наука и образование, 2000. - 208 с.

8. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М.: Наука, 1983. - 616 с.

9. Параллельные вычисления / Под ред. Г. Розрига. Пер. с англ. / Под ред Ю.Г. Дадаева. - М.: Наука, 1986. - 376 с.

10. П. Роуч. Вычислительная гидродинамика. - М.: Мир, 1980. - 616 с.

11. Шмукин А.А. О численно-аналитическом методе решения задач механики жидкости и газа // Прикладные вопросы аэродинамики летательных аппаратов. - Киев: Наукова думка, 1984. - С. 87-97.

12. Шмукин А.А. 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 А.А. Решение задачи Стефена для оплавляющихся тел // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1982. - № 2. - С. 167-172.

14. Шмукин А.А., Бугор А.Н. О математическом моделировании трансграничного загрязнения окружающей природной среды прямыми и обратными методами.

15. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов П.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. - М.: Наука, 1984. - 288 с.

16. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. - М.: Издательство МГУ, 1986. - 313 с.

17. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. - Л. Гидрометеоиздат, 1976. - 256 с.

18. Чемпен С., Линдзен Р. Атмосферные приливы. - М.: Мир, 1972. - 293 с.

Размещено на Allbest.ru