Глава 1. Особенности метеорологических процессов в атмосфере карьеров
1.1 Строение атмосферы, основные процессы, протекающие в ней.
Метеорология - наука, изучающая физические явления и процессы, происходящие в атмосфере, и их взаимодействие с поверхностью Земли. Физика атмосферы представляет собой учение о физических явлениях и процессах, происходящих в атмосфере. Динамическая метеорология это научная дисциплина, задачей которой является изучение атмосферных движений и связанных с ними преобразований энергии в атмосфере путем решения уравнений гидродинамики и термодинамики. Синоптическая метеорология изучает закономерности изменения погоды и возможности ее предсказания.
Климатология это учение о закономерностях формирования климата в различных географических районах. Климатом называют многолетний, характерный для данного района режим погоды, обусловленный притоком солнечной радиации, свойствами земной поверхности и атмосферной циркуляцией. Задачами прикладной метеорологии являются разработки методов обеспечения различных отраслей хозяйства такой информацией о погоде и в таком количестве, чтобы эта отрасль смогла до минимума свести свои потери от погодных условий.
Основной особенностью атмосферы является неоднородность ее свойств в пространстве и изменчивость их во времени. Это объясняется весьма сложным характером взаимодействия атмосферы с земной поверхностью, с космической средой и Солнцем.
По признаку взаимодействия атмосферы с земной поверхностью атмосферу делят на пограничный слой (иногда называемый также слоем трения) и свободную атмосферу. В пограничном слое (высотой до 1 -2 км) на характер движения большое влияние оказывают земная поверхность и силы турбулентного трения. В этом слое хорошо выражены суточные изменения метеорологических величин. Внутри пограничного слоя выделяется приземный слой атмосферы высотой 50-250 м, в пределах которого метеорологические величины (например, температура воздуха и скорость ветра) резко изменяются с высотой.
Погодой называется состояние атмосферы в определенный момент или промежуток времени над любым пунктом или районом земного шара. Погода характеризуется совокупностью значений метеорологических величин, важнейшими из которых являются давление, температура и влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки, атмосферные явления (туман, гроза, метель, пыльная буря и др.).
В атмосфере Земли наблюдаются обширные области, в которых метеорологические величины изменяются по горизонтали сравнительно медленно, и узкие зоны, где эти
изменения происходят значительно быстрее. Большие объемы воздуха, сравнимые по своим горизонтальным размерам с размерами материков и океанов и обладающие определенными физическими свойствами, носят название воздушных масс. Вертикальные размеры воздушных масс составляют, как правило, несколько километров. Внутри одной и той же воздушной массы метеорологические величины также изменяются, но значительно медленнее, чем при переходе из одной воздушной массы в другую. Поэтому для каждой воздушной массы можно указать некоторые характерные значения метеорологических величин. Переходные зоны между различными воздушными массами, в которых наблюдается достаточно быстрые изменения метеорологических величин по горизонтали, называются фронтальными зонами.
Рисунок 1 - Фронтальная система в циклоне.
ХФ- холодный фронт, ТФ- теплый фронт
С фронтальными зонами связаны барические образования: циклоны, антициклоны, ложбины, гребни, седловины и др. Барическими системами называются области пониженного и повышенного атмосферного давления, образующиеся в связи с неоднородностью его распределения. Циклон - область пониженного давления с минимальным его значением в центре. Линейные размеры циклонов по горизонтали составляют до 3000 км, вертикальная их протяженность может достигать 9-11 км. Циклон подвижная барическая система, скорость горизонтального перемещения циклонов колеблется от 50 до 70 км/час. Антициклон - область повышенного давления с максимальным его значением в центре. Антициклон малоподвижная барическая система, значительное время располагается над каким-то определенным районом. Относительно теплой (или просто теплой) называется воздушная масса, температура которой на данном уровне выше температуры на том же уровне в соседней относительно холодной (или просто холодной) воздушной массе. Если теплая масса движется на более холодную подстилающую поверхность, то она под влиянием земной поверхности, как правило, охлаждается. При движении холодной массы на более теплую подстилающую поверхность эта масса, как правило, прогревается. Если воздушная масса длительное время находится над однородной подстилающей поверхностью, то она приобретает свойства, которые определяются свойствами этой поверхности и факторами географического характера (широта места, время года, приток солнечной радиации и др.).
Атмосферными фронтами рис.1 (фронтальными зонами) называются узкие переходные зоны между соседними теплой и холодной воздушными массами, которые характеризуются резкими изменениями погоды. Различаются фронты теплые, холодные и стационарные (малоподвижные). Теплым называется фронт, перемещающийся в сторону холодной воздушной массы; холодным - фронт, перемещающийся в сторону теплой воздушной массы; стационарным - фронт, не изменяющий существенно своего положения. Перемещение фронтов определяется системой воздушных течений. У фронтальной поверхности в теплом воздухе обычно развиваются устойчивые восходящие движения воздуха, с чем связано образование фронтальной системы облаков и выпадение фронтальных осадков. Фронтальные разделы связаны с барическими образованиями пониженного давления (циклоны, ложбины). С прохождением атмосферных фронтов через определенный пункт или район связаны наиболее резкие непериодические изменения погоды в этом пункте или районе.
Как известно, температура является мерой внутренней энергии тела, поэтому температурой воздуха является та температура, которую показывает термометр в условиях его полного контакта с атмосферным воздухом. Земная поверхность нагревается солнечной коротковолновой радиацией, а атмосфера нагревается длинноволновым излучением земной поверхности.
Ветром называется движение воздуха относительно земной поверхности. Обычно под ветром подразумевается горизонтальная составляющая этого движения. Движущей силой является сила барического градиента. Направление ветра - это направление, откуда дует ветер. Обычно направление ветра измеряют в угловых градусах или в румбах горизонта. Скорость ветра измеряется в м/с, км/час, узлах и баллах.
Известно, что ветер это движение, т.е. перемещение масс воздуха. Мы мало задумываемся над тем, какие на самом деле массы воздуха переносят силы барического градиента. А между тем, если скорость ветра всего 3 м/с, то за 30 секунд каждого из нас «обдувает» масса воздуха, равная весу нашего тела.
Под влажностью воздуха понимается содержание водяного пара в атмосфере, которое характеризуется целым рядом величин. Основными из них являются абсолютная влажность, дефицит влажности, относительная влажность, отношение смеси, точка росы, массовая доля водяного пара и упругость водяного пара. Мы, в дальнейшем, будем пользоваться в основном понятием «относительная влажность воздуха». Итак, относительная влажность является отношением фактической упругости водяного пара в атмосфере к упругости насыщенного водяного пара при той же температуре. Она может быть выражена или в процентах, что наиболее часто, или десятичной дробью. Относительную влажность можно также определить как отношение фактической абсолютной или удельной влажности к абсолютной или удельной влажности при насыщении при той же температуре воздуха.
1.2 Термодинамика атмосферы карьеров.
Температура воздуха в атмосфере меняется в значительных пределах, как по горизонтали, так и по вертикали. Атмосфера слабо поглощает проходящую через нее солнечную радиацию, она мало нагревается непосредственно солнечными лучами. В основном воздух нагревается или остывает от земной поверхности. Подстилающая поверхность может быть как нагревателем («печкой»), так и «холодильником». Установлено, что передача тепла от земной поверхности воздуху может происходить по следующим причинам:
- за счет молекулярной теплопроводности воздуха,
- за счет лучеиспускания почвой длинноволновой радиации и поглощения этого тепла нижними слоями атмосферы, от которых потом нагреваются и более высокие слои;
- за счет тепловой конвекции (перенос тепла в вертикальном направлении);
- за счет турбулентного потока тепла, при котором происходит наиболее значительное перемешивание воздуха.
Теоретическими исследованиями установлено, что основными причинами, приводящими к переносу тепла в атмосфере, являются тепловая конвекция, турбулентность и фазовые превращения воды.
Общий баланс поступления и потерь тепловой энергии в атмосфере от природных источников по периодам года относительно сохраняется, но в отдельные моменты постоянно нарушается, что приводит к изменению состояния атмосферы, к усилению или прекращению процесса обмена воздушными массами между карьером и атмосферой. Энергия, поступающая в систему, либо накапливается там, либо выносится из нее. Накопление определенного запаса тепловой энергии в приземном слое атмосферы приводит к постепенному переходу ее в неустойчивое состояние, которое характеризуется развитием конвекции. Накопление и распределение энергии по высоте атмосферного столба описывается кривой стратификации. Кривая стратификации это кривая распределения температуры воздуха в зависимости от давления или высоты в определенном конкретном случае. Изменение температуры воздуха с высотой в атмосфере может быть трех видов:
- адиабатическое (падение с высотой, grad 1о/100м);
- изотермическое (не меняется с высотой, grad 0°/100м);
- инверсионное (с высотой растет).
При адиабатическом распределении температуры воздуха с высотой (неустойчивое состояние) хорошо развиты конвективные процессы и обеспечивается хорошее естественное проветривание атмосферы карьера. При изотермическом распределении естественное проветривание затруднено. При инверсионном состоянии атмосферы (устойчивое состояние) конвективные процессы отсутствуют, естественное проветривание карьерного пространства невозможно.
Атмосфера карьеров это неотъемлемая часть всей атмосферы, а это значит, что на нее распространяются физические законы, действующие в атмосфере.
Земная поверхность нагревается солнечной коротковолновой радиацией, которая проходит сквозь атмосферу, практически не влияя на нее. Атмосфера нагревается длинноволновым излучением земной поверхности.
Значительный перенос тепла от подстилающей поверхности в атмосферу осуществляется водяным паром. При нагреве поверхности создаются условия для испарения воды. Для того чтобы испарить 1 кг воды требуется 2500 кДж тепла. Конвекция и турбулентные потоки переносят водяной пар в атмосферу, где он конденсируется, выделяя то тепло, которое было затрачено на его испарение
Подстилающая поверхность суши больше нагревается и больше отдает тепла воздуху, чем водная поверхность. Поэтому в теплое время года воздух над сушей оказывается намного теплее, чем над водой. Зимой в ночное время, наоборот, суша выхолаживается больше, чем водная поверхность, и воздух над сушей холоднее.
В термодинамике атмосферы наиболее широко используются выводы, вытекающие из первого начала термодинамики или закона сохранения энергии. Наиболее краткой формулировкой первого начала является следующая: невозможно возникновение или уничтожение энергии, возможен лишь переход одних видов энергии в другие. Количественно это положение выражается в виде уравнения притока тепла.
Земная атмосфера без внешних энергетических воздействий представляет собой абсолютно устойчивую систему, из которой даже при 100% влажности и температуре воздуха порядка +200С не выделяется ни одной капли воды.
Термодинамический процесс называется адиабатическим, если он протекает без теплообмена частицы с окружающей средой. При подъеме воздушной частицы объем ее увеличивается, а давление падает. В случае адиабатического подъема температура воздушной частицы всегда понижается. Это связано с расходом внутренней энергии на работу расширения. Сухоадиабатическим градиентом называется падение температуры при адиабатическом подъеме сухой воздушной частицы, отнесенное к единице высоты. После проведения необходимых расчетов получаем значение сухоадиабатического градиента равное 0,98°С/100м. Приближенно можно считать сухоадиабатический градиент равный 1°С/100м, т.е. температура адиабатически поднимающейся сухой воздушной частицы падает примерно на 1°С при подъеме на каждые 100м высоты.
Кривая состояния на адиабатной (аэрологической) диаграмме это кривая графически представляющая адиабатические изменения состояния вертикально смещающейся воздушной частицы. Если воздух сухой, кривая состояния является сухой адиабатой,
проходящей через точку, координатами которой являются характеристики состояния воздуха на исходной высоте; если воздух влажный, кривая состояния до уровня конденсации является сухой адиабатой, а, начиная с этого уровня, совпадает с влажной адиабатой.
Энергия вертикального столба единичного сечения атмосферы в кучево – дождевом облаке составляет примерно 1014 Дж. Если время разрешения неустойчивости один час, то мощность развиваемая облаком будет примерно 1010 Вт. Для сравнения мощность крупных ГЭС составляет 109-1010 Вт. Энергия типовой атомной бомбы 1014 Дж, а термоядерной 1017 Дж. Таким образом, энергия неустойчивости, которая реализуется в отдельном кучево- дождевом облаке, не меньше, чем энергия атомной бомбы, а энергия системы облаков ( R 100 км) соизмерима с энергией водородной бомбы.
Энергия конденсации имеет такой же порядок, что и энергия неустойчивости.
1.3 Особенности микроклимата карьеров
Основой, определяющей климатические условия карьеров, является их географическое положение. В него входит положение по широте и долготе, орография района расположения (горный, холмистый или равнинный), близость крупный водоемов (моря, озера и др.), лесных массивов или открытых пространств (степи, болота, тундра и др.). Климатическая характеристика карьеров составляется по тем же метеорологическим параметрам и по такой же методике, как и для других объектов.
Для нас основное значение имеют метеорологические условия в объемах карьеров, способствующие скоплению вредных примесей в их атмосфере.
Эти условия определяются двумя метеорологическими факторами: конвективными условиями и ветровым режимом. Конвективные условия определяются по изменению температуры воздуха с высотой. Для этого строятся кривые стратификации по фактическим данным. Для определения господствующих направлений ветра и продолжительности штилевых условий по многолетним данным строятся розы ветров по восьми или шестнадцати румбам. С высотой в объеме карьера в общем случае скорость ветра увеличивается. Здесь возможны незначительные частные вариации, зависящие от орографии самого карьера и места его расположения.
Среди факторов, способных изменить состояние воздуха в карьере (уровень его загрязнения), основным является поток тепла, который получает поверхность Земли от Солнца. Потоки тепла от почвы нагревают приземный слой атмосферы, тем самым, уменьшая его плотность и, соответственно, устойчивость, Поднимаясь, теплый приземный слой воздуха уносит с собой и загрязнители. Так работает естественный механизм очистки приземного слоя воздуха, где наблюдается конвекция. Конвекция обычно характеризуется высотой слоя перемешивания, мощность которого в свою очередь зависит от степени устойчивости атмосферы (градиент температуры воздуха), и при благоприятных условиях может достигать нескольких километров. Если температура воздуха с высотой падает (отрицательный градиент температуры), то состояние атмосферы неустойчивое, развиваются восходящие и нисходящие потоки, что способствует естественному проветриванию карьерного пространства. Если температура воздуха с высотой растет (положительный градиент температуры), то состояние атмосферы устойчивое, нет восходящих и нисходящих потоков, нет обмена массами воздуха между атмосферой карьера и окружающей атмосферы, а значит, и нет выноса вредных примесей за пределы карьера. Состояние атмосферы при росте температуры с высотой называется инверсионным состоянием (инверсией). Инверсии бывают радиационными (при выхолаживании подстилающей поверхности и охлаждении нижних слоев атмосферы) и адвективными (связанными с адвекцией теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность). Устойчивое состояние атмосферы карьера (инверсия), в отличие от неустойчивого, не только не способствует развитию конвективных течений, но и, наоборот, подавляет их, что приводит к накоплению вредных веществ в атмосфере карьера. В атмосфере карьеров может наблюдаться несколько инверсионных слоев одновременно. Инверсионные градиенты достигают значительных величин 80С/100м и более. Продолжительность инверсий может составлять 60% и более времени года, в зависимости от региона.
Основные типы инверсий, оказывающие влияние на изменение естественного воздухообмена в приземном слое, являются приземные инверсии радиационного выхолаживания и адвективные инверсии. Инверсии радиационного выхолаживания образуются в результате интенсивного выхолаживания подстилающей поверхности и, вследствие этого, охлаждения приземных слоев атмосферы. Адвективные инверсии связаны с адвекцией теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность.
Устойчивый инверсионный слой атмосферы обычно возникает как относительно небольшой слой со слабой турбулентностью и наблюдается:
- над землей при ночном охлаждении поверхности;
- при появлении теплого воздуха над холодной поверхностью;
- в северных регионах при длительном охлаждении поверхности, когда доминирует наложенная стратификация.
Этот слой играет ключевую роль в климатическом и мезо-масштабном моделировании; в изучении взаимодействия воздух–подстилающая поверхность; в моделировании распространения загрязнений; в исследовании ветроэнергетики. Следует отметить следующие проблемы в исследовании устойчивого инверсионного слоя атмосферы:
- теория подобия Монина-Обухова не работает для условий долговременного статически устойчивого инверсионного слоя атмосферы и нуждается в доработке;
- численные модели прогноза погоды и климата для долгоживущей устойчивости дают не полностью оцененный турбулентный поток тепла от поверхности и, соответственно, прогнозируют несоответствующую действительности низкую температуру у поверхности. Этот эффект особенно важен для высоких широт и в период полярной ночи.
Существующие модели атмосферной инверсии для устойчивого инверсионного слоя плохо описывают процессы загрязнения из-за неправильной оценки высоты этого слоя и параметризации вертикальных профилей, неадекватной параметризации дисперсии и топографического эффекта. Например, для сильно устойчивого стратифицированного слоя атмосферы, традиционные методы для определения высоты этого слоя (как метод критического числа Ричардсона) дают переоценку слоя перемешивания.
Для района исследований устойчивый инверсионный слой становится таким тонким, что разрешения сеток моделей численного прогноза погоды становится недостаточно. Для таких условий модели дисперсии работают неудовлетворительно с метеорологическими данными моделей численного прогноза погоды и нуждаются в увеличении вертикального разрешения в приземном слое или параметризации вертикальной структуры устойчивого инверсионного слоя и других методах для оценки слоя перемешивания.
Еще одна проблема при оценке высоты устойчивого инверсионного слоя – существующие диагностические методы дают разнообразные оценки высоты этого слоя, отличающиеся друг от друга в большом диапазоне. Для условий северных районов важно разработать методы прогноза высоты устойчивого инверсионного слоя, учитывающие продолжительный характер устойчивой стратификации инверсионного слоя.
Анализ годового хода температуры воздуха по районам исследований показал, что данные температуры незначительно меняются в пределах района. Анализ данных о скорости и направленииветра показывает, что эти данные в достаточно близко расположенных пунктах наблюдений часто не совпадают. Это подтверждает необходимость восстановления и прогноза пространственной структуры метеорологических полей в условиях неоднородной подстилающей поверхности.
Другой фактор, изменяющий состояние воздуха в карьере - это работа ветра. Аэрация карьеров (обмен внутрикарьерного воздуха с атмосферным) под действием ветровых потоков также способствует выносу вредных примесей из объема карьеров и нормализации их атмосферы. Штилевые условия способствуют накоплению вредных примесей в атмосфере карьера. Продолжительность штилевых условий может составлять 40% и более времени года, в зависимости от региона.
При наличии в карьере источников вредности сохранить или изменить состояние воздуха по фактору его загрязнения можно только в результате внешнего воздействия - совершения определенного вида работы или подведения тепла. В то же время открытость карьера приводит к тому, что наряду с положительным воздействием появляется и возможность влияния внешней среды на внутрикарьерную атмосферу, масштабы проявления которых возрастают по мере увеличения открытости границ. Далеко не всегда это влияние способствует проветриванию внутрикарьерной атмосферы. Так, при наличии инверсии в приземном слое от земной поверхности в районе расположения карьера, для успешного проветривания внутрикарьерной атмосферы необходимо разрушить этот инверсионный слой.