Распространение загрязняющих веществ и рациональное размещение производства

После первичной эмиссии или сброса загрязняющее вещество попадает в воздух, воду или на почву1. В дальнейшем оно может переходить многократно из среды в среду (рис. 4.1) — в этом случае говорят о вторичной эмиссии или реэмиссии в данную среду (пример реэмиссии — испарение в воздух ранее выпавшего на почву вещества). Распространение загрязнений по поверхности Земли происходит в атмосфере и в воде. Оно может быть локальным, — в пределах нескольких десятков километров, региональным, — до нескольких тысяч километров, и глобальным, — по всему земному шару. Закономерности распространения загрязняющих веществ должны строго учитываться при планировании размещения производства.

Атмосферные примеси (загрязняющие вещества — частный случай примеси) перемещаются в атмосфере благодаря атмосферной циркуляции (см. п. 2.2). При переносе они могут подвергаться химическому распаду или трансформации (а также радиоактивному распаду), вымываться из атмосферы осадками и осаждаться на поверхность как под действием собственного веса {гравитационное осаждение), так и вследствие поверхностного сухого осаждения. Гравитационное осаждение свойственно только очень тяжёлым газам и крупным частицам пыли.

Примеси могут менять в атмосфере своё агрегатное состояние, в частности, переходить из газовой фазы в аэрозольную. Аэрозольными или эоловыми частицами называют мельчайшие пылинки, всегда присутствующие в атмосферном воздухе. Размеры этих частиц меняются в диапазоне 0,01 — 10 мкм, причём частицы с размерами меньше 1—2 мкм ведут себя как практически невесомая примесь (броуновские частицы) и влияют на прохождение света только на очень больших расстояниях, создавая дымку[1] [2].

Перенос, распад и трансформация в атмосфере и воде

Источник

в почве

Диффузия, распад и трансформация

Рис. 4.1. Загрязняющее вещество после эмиссии из источника переносится в воздухе и воде, одновременно подвергаясь химическим превращениям. Из атмосферы оно может осаждаться вследствие захвата поверхностью (сухое поверхностное осаждение), гравитационного оседания и вымывания осадками

Другая возможность изменения агрегатного состояния вещества в атмосфере — захват примеси облачными каплями или растворение в них. Дождевые капли и падающие снежинки весьма эффективно захватывают и выводят большинство примесей на подстилающую поверхность, и для многих видов загрязняющих веществ выпадение с осадками является практически единственным механизмом выведения из атмосферы.

Поверхностное сухое осаждение связано со многими процессами. Это может быть физическая адсорбция, при которой молекулы газа или частицы прилипают к поверхности под действием взаимного притяжения молекул, растворение примеси в поверхностной воде, захват примеси растительностью или её химическое взаимодействие с поверхностью. Параметром сухого осаждения является его скорость

Уа = ДД/СД/, (4.3)

где А/) — количество примеси, захваченное поверхностью за интервал времени А/, и С — концентрация примеси у самой поверхности. Если примесь равномерно распределена в столбе воздуха высотой //, то она будет захвачена поверхностью за время А/=#/Й^, и, следовательно, выпадения её будут равны А/) = = Ус,С/Н. Скорость сухого осаждения зависит от типа примеси и свойств поверхности, но не зависит от концентрации примеси. Значения варьируются в широких пределах — от 0 до 50 мм/с.

Два процесса, протекающие одновременно, ответственны за распространение атмосферных примесей: ветровой перенос или адвекция и турбулентная диффузия. Молекулярная диффузия — слишком медленный процесс по сравнению с ними и потому не играет существенной роли. Турбулентная диффузия — результат движений атмосферных вихрей. Размер этих вихрей меняется от сантиметров до тысяч километров (циклоны, антициклоны, ячейки Гадлея — см. п. 2.2), и они возникают вследствие совместного действия конвекции, силы Кориолиса и трения воздуха о поверхность и подвижных слоёв воздуха друг о друга. Атмосферная турбулентность практически отсутствует у поверхности, возрастает с высотой примерно до половины пограничного слоя и потом затухает на верхней его границе до сравнительно малой интенсивности.

Рациональное размещение предприятий основывается на расчётах распространения примесей в атмосфере. Покинув источник, струя примеси движется по ветру и одновременно благодаря диффузии расширяется (рис. 4.2). Состояние атмосферы решающим образом влияет на это движение. Особую роль играют температурные инверсии. Если слой тёплого воздуха располагается над слоем холодного, и граница между слоями находится выше источника, то такая приподнятая инверсия запирает примесь у поверхности земли. При слабом ветре это приводит к скоплению загрязняющих примесей у поверхности вблизи источника — наихудшая ситуация с точки зрения загрязнения воздуха. Когда источник — труба расположен выше инверсионного слоя, то примесь распространяется вверх. Это одна из главных причин строительства высотных труб.

Если источник приподнят над поверхностью, то примеси требуется некоторое время, чтобы достичь поверхности. Поэтому максимум приземной концентрации примеси возникает не непосредственно «под трубой», а на некотором расстоянии. Соответствующие зависимости показаны на рис. 4.3. При удалении от источника примесь рассеивается как по вертикали, так и в горизонтальном направлении, поэтому максимум приземной концентрации уменьшается. Это вторая причина строительства высотных труб.

На расстояниях от источника, превышающих «50 км, высота источника перестаёт влиять на вертикальное рассеяние примеси,

Зависимости максимальной приземной концентрации С и расстояния от источника С, на котором она возникает, от высоты источника. Со — концентрация возле поверхностного источника

Рис. 4.3. Зависимости максимальной приземной концентрации С и расстояния от источника С, на котором она возникает, от высоты источника. Со — концентрация возле поверхностного источника

Основные типы дымовых струй

Рис. 4.2. Основные типы дымовых струй: а — при устойчивом состоянии атмосферы; б — приподнятая инверсия прижимает струю к поверхности; в — при неустойчивой стратификации атмосферы; г — низкая инверсия отделяет струю от поверхности. На графиках показаны изменение температуры Т с высотой Z (сплошная линия) и изменения температуры в равновесной — нейтральной атмосфере, когда температурный градиент равен 0,7 °С/100 м (штриховая линия)

  • 12.0 10,0 1:8.0 6.0
  • 4.0
  • 2.0
  • 0.0

и кончается область локального переноса. Отсюда начинается региональный перенос примеси, в котором основную роль играют циклоны и антициклоны. Эти вихри создают чрезвычайно сложную картину движения атмосферных масс и, соответственно, примесей, так как на вращательное движение внутри вихрей накладывается поступательное движение самих вихрей. Вертикальное распределение примеси теперь зависит от турбулентности, скорости сухого осаждения и осадков и обычно имеет вид, показанный на рис. 4.4. Поверхностное сухое осаждение выедает примесь вблизи поверхности, и максимум концентрации смещается вверх. Турбулентное рассеяние доставляет примесь вниз, к поверхности, и здесь возникает подвижное равновесие между потоком сухого осаждения и турбулентным диффузионным потоком.

Концентрация, % от максимальной

Рис. 4.4. Типичная зависимость концентрации атмосферной примеси от высоты

на большом расстоянии от источника

Если время пребывания примеси в атмосфере достаточно велико — больше недели, то примесь рассеивается в глобальном масштабе, постепенно распределяясь во всей атмосфере по горизонтали и проникая в верхние слои атмосферы.

Существует и другой механизм глобального распространения загрязняющих примесей в атмосфере — через повторную эмиссию примеси с подстилающей поверхности после её осаждения (реэмиссия). Многие летучие вещества при охлаждении осаждаются на поверхность земли непосредственно или вместе с захватившими их частицами атмосферного аэрозоля. Впоследствии при повышении температуры они испаряются и снова оказываются в атмосфере. Реэмиссия может происходить и за счёт подъёма частиц с поверхности при сильном ветре.

Помимо атмосферного рассеяния загрязняющие вещества переносятся реками, морскими течениями и талыми водами. Эти механизмы взаимосвязаны. Смытые с поверхности суши или попавшие в грунтовые воды загрязняющие вещества оказываются в реках и с речной водой попадают в моря и океаны. Особенно от этого страдают внутренние моря, например, Балтийское, Чёрное и Средиземное.

  • [1] В последнее время началось и засорение околоземного космического пространства, но пока к счастью этот вопрос не приходится рассматривать как экологическую проблему.
  • [2] Частицы крупнее 10 мкм = 10-2 мм могут задерживаться в воздухе только при пыльных бурях. В обычных ситуациях они быстро выпадают под действием собственного веса.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >