Распространение кислотных веществ в атмосфере

Распространение кислотных веществ в атмосфере. Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, естественно, не задерживают¬ся на одном месте, а распространяются в вертикальном и го¬ризонтальном направлениях, частично преобразовываясь при этом. Рассмотрим сначала вертикальное перемешивание, ко¬торое происходит посредством конвекционных (упорядочен¬ных вертикальных) или турбулентных (неупорядоченных) движений.

В зависимости от структуры атмосферы и еe состо¬яния в данный момент перемешивание может достигнуть только определенной высоты. Эта высота в первую очередь зависит от распределения температуры по вертикали в атмос¬фере. Как известно, начиная с поверхности Земли темпера¬тура воздуха по мере движения вверх обычно снижается, в среднем на 0, 6°С на каждые 100 м. На высоте 8-18 км от по¬верхности это понижение исчезает, более того, двигаясь вы¬ше, можно наблюдать потепление.

Этот слой, где происходит изменение температуры в обратном направлении, называется тропопаузой, а пространство между ней и поверхностью — тропосферой. Высота тропопаузы (8-18 км) зависит от географической широты и для данного места остается по¬стоянной.

Выше находится стратосфера, где потепление в вертикальном направлении происходит в результате погло¬щения коротковолнового излучения и протекания фотохими¬ческих реакций. Разделяющая две сферы тропопауза играет важную роль, она действует как экранирующий слой между тропосферой и стратосферой. Физическим условием движения потока вверх является снижение температуры воздуха в этом же направлении. Поэтому перемешивание в тропопаузе за¬медляется, и загрязняющие вещества уже могут проникнуть в стратосферу только с помощью диффузии (молекулярное движение). Последняя представляет собой очень медленный процесс и, таким образом, те загрязняющие вещества, кото¬рые находятся в тропосфере недолго, практически не могут попасть в стратосферу.

С другой стороны, вещества, имеющие длительное время жизни, могут попасть в стратосферу, на¬пример, фреоны, время нахождения кото¬рых в тропосфере исчисляется несколькими десятками лет. Микроэлементы, которые находятся в тропосфере в тече¬ние короткого времени (например, соединения серы и азота), могут попасть в более высокие слои воздуха другим путем, например, при сильном извержении вулкана или во время полетов в стратосферу.

Таким образом, возвращаясь к тропопаузе, можно ска¬зать, что в результате увеличения температуры с высотой пе¬ремешивание на этом уровне прекращается. В то же время часто уже в нижних слоях тропосферы, вблизи от поверхно¬сти, наблюдается инверсия температуры, т. е. изменение ее в противоположном направлении, которое также приводит к прекращению вертикального перемещения.

Местонахождение инверсии иногда хорошо видно невооруженным глазом. На¬пример, в Будапеште, особенно в зимние месяцы, над загряз¬ненными местами иногда можно превосходно разглядеть гра¬ницу между серым загрязненным нижним и верхним чис¬тым слоями воздуха. На этой границе прекращается верти¬кальное перемешивание загрязняющих веществ. Этот близ¬кий к поверхности слой называют слоем перемешивания. Высота его зависит от времени года и метеорологических ус¬ловий.

Тропопауза является верхней границей перемешива¬ния в том случае, если, например, инверсия находится ниже, чем источник загрязнения. Кислотные загрязняющие вещества, естественно, распро¬страняются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Этот процесс происходит под воздействием так называемой адвекции в направлении скорости ветра при упорядоченном движении воздуха или же в результате турбу¬лентного (неупорядоченного) движения.

На больших расстоя¬ниях (более 50 км) решающим фактором является адвекция. Расстояние, которое может в среднем пройти одна молекула загрязняющего вещества, зависит помимо скорости ветра и от времени ее пребывания в атмосфере. Все находящиеся в атмосфере вещества, в том числе и ее основные компоненты, через определенное время вступают в химическую реакцию либо выпадают из атмосферы на поверхность в виде осадка.

Это выделение веществ на поверхность представляет собой седиментацию. Время, в течение которого в среднем молекулы соединений проводят в атмосфере, называется временем пре¬бывания. Обычно чем короче время пребывания заданного ве¬щества в атмосфере, тем выше его способность изменяться в пространстве и во времени. Например, концентрация закиси азота в тропосфере достаточно постоянна и не зависит от мес¬та и времени измерения, так как атмосферное (тропосферное) время ее пребывания составляет около 25 лет. Концентрация же двуокиси азота может в несколько раз изменяться в зави¬симости от места и времени.

Время ее пребывания составляет лишь 8-10 сут, а для серы оно еще короче — около 2 сут. Это, естественно, не означает, что каждая молекула двуокиси се¬ры точно через 2 сут исчезает из атмосферы, так как время жизни каждой молекулы статистически колеблется вокруг среднего значения. Что означают для двуокиси серы эти двое суток времени пребывания? На какое расстояние в среднем она может рас¬пространиться с помощью ветра? Возьмем скорость ветра 10 м/с, которая довольно часто бывает на высоте 1 км от повер¬хности Земли. Легко можно подсчитать, что одна "средняя" молекула двуокиси серы на "крыльях ветра" может удалить¬ся примерно на 2000 км от места выброса.

Если же мы при¬мем во внимание среднее значение скорости ветра у поверх¬ности почвы (в Венгрии приблизительно 3 м/с), то среднее пройденное молекулой расстояние составит около 500 км. Та¬ким образом, молекула двуокиси серы в среднем может по¬крыть расстояние 1000 км. Для двуокиси азота это расстоя¬ние из-за более продолжительного времени пребывания мо¬жет быть еще больше.

Распространение загрязняющих веществ в таких масшта¬бах создало много международных проблем. Поскольку за¬грязнение воздуха не знает границ, выброс загрязняющих веществ в одном государстве может загрязнить воздух друго¬го. Например, существует тесная связь между образованием кислотных дождей в Скандинавских странах и эмиссией дву¬окисей серы и азота в Средней и Западной Европе.

Европей¬ская экономическая комиссия ООН (ЕЭК) в рамках "Совмест¬ной программы наблюдения и оценки распространения за¬грязняющих воздух веществ на большие расстояния в Евро¬пе" (ЕМЕП) подсчитала, в какой степени то или иное ев¬ропейское государство несет ответственность, например, за выпадение кислотных дождей в Скандинавских странах. Необходимо принять во внимание также количества загрязняющих веществ, которые удаляются из определенной страны и посту¬пают туда из других стран.

Это можно вычислить исходя из круговорота веществ на данной территории. Если в какой-либо стране выброс загрязняющего вещества (например, дву¬окиси серы или окиси азота) на ее территории превышает его выпадение в неизменной или преобразованной форме, то ба¬ланс этой страны отрицательный, т.е. она больше загрязняет, чем загрязняется сама. Венгрия, например, имеет отрица¬тельный баланс по сере, т. е. может считаться загрязняющей страной, в то время как баланс кислотных соединений азота находится в относительном равновесии.

За передвижением масс воздуха между странами и рас¬пространением таким способом загрязняющих веществ мож¬но проследить. Используя различные метеорологические дан¬ные (например, направления ветра на различной высоте, ско¬рость ветра), можно определить, где находящаяся над опреде¬ленной территорией масса воздуха будет располагаться через 0; 3; 6; 36ч. Естественно, воздействие каждого источника загрязнения проявляется тем больше, чем ближе он находится от места измерения.

Расположенный близко менее значительный ис¬точник может перекрыть влияние более отдаленного мощного источника загрязнения. Таким образом, мы схематично ознакомились с верти¬кальным перемешиванием (конвекция) и горизонтальным распространением (адвекция) загрязняющих веществ. Однако их только теоретически можно отделить друг от друга, в дей¬ствительности оба эти процесса идут параллельно. Для мате¬матического описания (моделирования) распространения за¬грязняющих веществ необходимо также учитывать химиче¬ское взаимодействие, седиментацию микроэлементов, влия¬ние рельефа на формирование потока воздуха и т.д. Такие математические модели очень сложны.

Однако с некоторыми упрощениями можно получить относительно хорошие результаты.