Сегодня - 23.11.2017

Сибирские ученые выяснили, как Енисей влияет на концентрацию вредных примесей над Красноярском

30 января 2017
 
Исследователи Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН и Новосибирского государственного университета совместно с коллегами из Делфтского технического университета (Голландия) выяснили, что накопление вредных примесей над Красноярском может быть связано с неравномерным нагревом воздушных масс, обусловленным, в свою очередь, большой разницей температур между незамерзающим Енисеем и окружающим пространством. Статья об этом опубликована в Boundary-Layer Meteorology.
 
Енисей на рассвете
 
Для понимания происходящих в атмосфере города процессов исследователи воспользовались моделью, разработанной группой под руководством Кемала Ханъялича (ранее НГУ, при участии ученых из ИТ СО РАН, выиграл мегагрант на организацию лаборатории моделирования энергетических процессов под руководством профессора). Однако модель пришлось существенно доработать, так как она ранее не тестировалась для расчетов в масштабах большого города.
 
— Мы хотели рассмотреть весь город, размеры которого примерно 20 на 40 километров, тогда как исследовательская группа в Делфте моделировала в основном отдельные районы или улицы. Кроме того, нам необходимо было учесть влияние горизонтальной неоднородности температур в приземном слое: Енисей, и сам город являются источниками тепла, создавая сложные конвективные потоки в воздухе. Хотя температура Енисея больше температуры Красноярска, остров тепла, создаваемый индустриальной активностью, существенно влияет на потоки воздуха из-за того, что город имеет большую площадь. Таким образом, два этих источника тепла взаимно дополняют друг друга, — объясняет научный сотрудник ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Михаил Юрьевич Хребтов.
 
Результаты моделирования показали, что над «теплым» Енисеем  возникает восходящее течение — атмосфера над рекой устремляется вверх, увлекая за собой воздух с правого и левого берегов. Однако на высоте примерно в один километр поднимающуюся массу ждет сюрприз — слой инверсии, который не позволяет воздуху продолжать движение вверх. Начинает действовать отрицательная сила плавучести, воздух перемещается горизонтально, а потом и вовсе вниз. В результате такого кругового движения образуются области, в которых перемещения воздушных масс нет вообще, где концентрируются и накапливаются вредные выбросы. Исследователи подчеркивают, что сознательно смоделировали самую неблагоприятную ситуацию — полное отсутствие какого-либо ветра. Понятно, что если ветер есть, то все эти выбросы будет постепенно относить от города. 
 

В атмосфере бывает устойчивая и неустойчивая стратификация, которая зависит от распределения температуры. Если с высотой температура падает, то горизонтальному и вертикальному движению воздуха ничего не мешает — это часто встречающаяся ситуация, так называемые адиабатические условия, при этом воздух может легко перемешиваться. Если же ситуация обратная, и с увеличением высоты растет температура воздуха — это устойчивая стратификация, то есть теплый воздух, поднимающийся от поверхности, сталкивается с еще более теплым, и дальше подняться уже не может. Слой, в котором температура растет с высотой, и есть слой инверсии, он работает как барьер для вертикального движения воздуха. 

 
Температурные инверсии довольно часто наблюдаются в Красноярске: примерно две трети всего времени. И это очень неблагоприятная ситуация для накопления примесей. Но помимо того, что есть «горячая» река, ещё и сам город создает эффект теплового острова 
 
— Этим термином принято обозначать эффект повышения температуры окружающей среды в местах концентрации промышленных объектов и населения. Как правило, наблюдается в крупных городах, где температура воздуха в течение всего года на несколько градусов выше, чем на прилегающих территориях. Причем уровень нагрева значительно различается в зависимости от времени суток (пик приходится на обеденное время) и удаленности от центра города (в центре — на 3—4 ̊С выше). Источники тепла бывают двух типов: первый — сами люди и их воздействие (машины, работа промышленных предприятий, отопление), второй — солнце. Летом эффект теплового острова большей частью обусловлен именно вторым источником, зимой в наших широтах солнце влияет гораздо слабее, — говорит Михаил Хребтов. 
 
Енисей
 
Ученые выяснили, что взаимодействие двух эффектов: от реки и от города — приводит к расширению площади циркуляционного течения. Ночью, когда мегаполис холоднее, всё движение воздуха сконцентрировано у реки (включая расстояние несколько километров от нее). А днем, когда город теплее, область, где ощущается воздействие, увеличивается. Возникающие движения воздушных масс сносят вредные примеси со всей территории города к его центру крупными вихрями (вращающимися горизонтальными трубками воздуха около километра в диаметре и до десяти километров в длину), которые возникают из-за естественной конвекции над тепловым островом.  С самолета иногда можно наблюдать «дорожки» облаков, которые появляются над такими вихрями.
 
— В статье мы рассматриваем еще один интересный вопрос: попадая в область восходящего течения, эти вихри разворачиваются вверх и формируют уже вертикальные потоки, напоминающие торнадо, только гораздо более слабые, при этом несколько горизонтальных вихрей могут объединяться в один вертикальный. Это явление также влияет на распространение вредных примесей и водяного пара, делая их более неоднородными, — комментирует Михаил Хребтов.
 
Новизна исследования заключается еще и в том, что ученые при моделировании учли скорость течения Енисея. Казалось бы, она не должна влиять на движение воздушных масс, летом так и происходит, а вот зимой картина меняется, так как восходящее течение над теплым Енисеем начинает взаимодействовать со сдвиговым слоем в воздухе, образующимся за счет течения реки. Ученые планируют более подробно исследовать эту проблему в ближайшее время, а также рассмотреть прикладной аспект — вариации распространения вредных примесей в зависимости от времени года. 
 
Работа имеет фундаментальное и прикладное значение. Она помогает понять причины негативной экологической ситуации в Красноярске: где, помимо высоких промышленных выбросов, влияют и атмосферные процессы, которые приводят к тому, что эти примеси задерживаются и концентрируются над городом. С одной стороны, понятно, что Красноярск находится на равнине в окружении холмов, что точно не способствует хорошей продуваемости и активному движению воздушных масс. Но с другой стороны, загрязнение зимой там гораздо больше, чем летом, и есть дополнительный фактор — незамерзающий даже в минус 30 ̊С Енисей. Моделирование позволило исследователям уточнить, как эти процессы связаны. 
 
Для фундаментальной науки были интересны физические процессы, происходящие в атмосфере при таких уникальных условиях. По словам исследователей, сейчас хорошо изучены так называемые бризовые течения воздуха, возникающие в городах на берегах океанов или морей, а ситуации с реками, а тем более теплыми реками, где город распложен на двух берегах, — редки и необычны. Поэтому было интересно посмотреть, что происходит с воздушными массами, как это может влиять на экологическую обстановку на данной территории. Отдельно ученых заинтересовал процесс образования вертикальных вихрей — «паровых дьяволов», их появление сопровождается рядом нелинейных эффектов, ученых очень занимает вопрос, как ими управлять. 
 
— В далеком-далеком будущем, предположим, мы сможем создать условия для генерации таких вихрей и использовать их для получения электроэнергии. Но на сегодняшнем этапе мы должны разобраться, как они образуются. Это «горячая» тема для исследователей, занимающихся атмосферными явлениями, — рассказывает Михаил Хребтов. 
 
«Наука в Сибири»
 
Фото Дианы Хомяковой 
 
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus