Физические механизмы и экологические проблемы загрязнения атмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями

Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ им. А. М. ОБУХОВА РАННа правах рукописиГранберг Игорь ГригорьевичФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯНАД НЕОДНОРОДНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИСпециальность 03.00.16 – «Экология»Авторефератдиссертации на соискание учёной степенидоктора физико-математических наукМосква 20081Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институтефизики атмосферы им. А. М. Обухова РАННаучный консультант:доктор физико-математических наук,академик Георгий Сергеевич ГолицынОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор,главный научный сотрудник НПО «Тайфун»Арефьев Владимир Николаевич;доктор физико-математических наук, профессор,заведующий кафедрой физики атмосферыфизического факультета МГУКуницын Вячеслав Евгеньевич;доктор физико-математических наук, профессор,главныйнаучныйсотрудникИнститутаокеанологии им.

П. П. Ширшова РАНЛапшин Владимир Борисович.Ведущая организация:Российский государственныйгидрометеорологический университетЗащита диссертации состоится «16» апреля 2009 года в 14:00 часов назаседаниидиссертационногосоветаД501.002.11приМосковскомгосударственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2,Москва, Воробьевы горы, МГУ им. М. В. Ломоносова, д. 1, стр. 2, физическийфакультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультетаМГУ им.

М. В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «»2009 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукГ. Б. Хомутов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯНАД НЕОДНОРОДНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИАктуальность темы исследованияВлияние неровностей поверхности Земли различных масштабов насостояние атмосферного пограничного слоя (АПС) огромно и с учетомпроцессовзагрязненияатмосферыформируетвозникновениерядаэкологических проблем.

Оно определяет и климатический режим, и текущуюпогоду не только в горных регионах, высота которых часто превышает высотуАПС, но и в крупных городах, особенно расположенных в холмистой илипредгорной местности, где вследствие температурных инверсий в АПСзначительно возрастает уровень загрязнения атмосферы и зачастую возникаютсмоги. Многие регионы Земли подвержены процессам опустынивания врезультате антропогенных нагрузок и изменения климата.

В пустынныхрегионахилиместностях,подверженныхпроцессамопустынивания,существенное влияние на структуру и состояние приземного слоя атмосферыоказывают даже небольшие неровности – песчаные барханы, которые за счетнеравномерного нагрева верхушки барханов и межбарханных пониженийвызывают явления отрыва и выноса аридного аэрозоля. При этом одним изважнейших процессов, влияющих на состояние атмосферы и почвы, являетсятепломассообмен в системе почва-атмосфера, что, в конечном счете, и влияет наклимат. Таким образом, проблема опустынивания является актуальнойобщемировой климатической и социальной проблемой.Исследование экологических проблем, связанных с влиянием неровностейповерхности Земли на загрязнение атмосферы является актуальнейшей задачейи она может быть решена путем вначале феноменологического описаниясоответствующего явления, а затем изучения физических механизмов этихпроцессов и математического моделирования этих явлений.В конце 70-х – начале 80-х годов одной из наиболее актуальных проблем1стала проблема взаимодействия атмосферы с горными системами, для чего былпроведен ряд экспедиций посвященных анализу влияния реальных горныхмассивовна процессыв различныхслоях атмосферы.Подавляющеебольшинство гидродинамических моделей в это время были двумерными.

Этобыло связано с трудностью моделирования полной трехмерной задачиобтекания реальных горных массивов реальными воздушными потоками. Длярешения этих актуальных задач автором была создана новая трёхмернаянегидростатическая модель обтекания препятствий произвольной формыпотокомнесжимаемойсоответствующимжидкостиреальномусосвободнойпрофилемповерхностьюскоростидляисрешенияпространственной задачи обтекания воздушными потоками реальных горныхмассивов , что было принципиально новым подходом.

В 1987-1989 гг. эта модельбыла использована для моделирования обтекания Украинских Карпат. Далеемодель применялась и развивалась уже как модель слабосжимаемойадиабатической жидкости в целях решения актуальных задач обтекания горныхмассивов воздушными потоками для некоторых стран Средиземноморскогорегиона (Израиля, Кипра). Такая проблема теперь решалась уже не только какгидродинамическая задача обтекания горных массивов, но и как частьактуальной задачи о переносе примеси над такими горными регионами.Заметим, что при этом процессе, вследствие образования застойных зон,возникают экологические проблемы, приводящие к опасным последствиям дляздоровья людей и сообществ.В настоящее время одной из актуальных и важных задач исследованияокружающей среды является изучение и прогнозирование глобальных ирегиональных изменений в атмосфере и гидросфере Земли в связи с ихвоздействием на окружающую среду. К числу таких изменений относятся какприродные катастрофы, так и более медленные, продолжающиеся месяцами игодами локальные изменения местного климата, в частности опустынивание,засухи и другие локальные мезо-метеорологические явления.

В двадцатом векехозяйственныеидругиевозмущенияповерхностипочвыпривелик2значительному увеличению масштабов опустыниванияТакие территории являются серьезным источником аридного аэрозоля,который поступает в атмосферу во время пыльных бурь и, какпоказали нашиисследования 1991−92, 1995−2007гг., также в сухую жаркую погоду вотсутствие сильного ветра. Кроме хорошо известной эмиссии почвенныхчастиц, происходящей в организованных вихревых структурах пограничногослоя (например, пыльные дьяволы), существуют и другие механизмы подъемааридного аэрозоля, включающего тонкодисперсные фракции (<2.5 мкм). Хотятонкодисперсный аэрозоль составляет относительно небольшую часть потокамассы в атмосферу, но, учитывая его долгое время жизни в атмосфере испособностьвлиятьфизико-химическихнапроцессыпроцессах, онконденсацииоказываетиважноеучаствоватьклиматическоевиэкологическое влияние.

Поэтому особое внимание автора и его коллег былоуделено решению актуальной и новой проблемы исследования процессоввыноса тонко- и нанодисперсного аэрозоля из опустыненных регионов, ранеенедостаточноизученныхиз-затехническихтрудностейизмеренийвзапыленной и очень жаркой атмосфере.Экспериментальноеизучениеосновныхфактороваэрозольногозагрязнения атмосферы, вызывающих различные экологические проблемы вРоссии, также является одной из наиболее актуальных задач. Актуальнымизадачамивэтомнаправленииявляются:получениеинформацииобэкологическом состоянии различных регионов России, включая исследованиевлияниярегиональнойурбанизациинакачествовоздухаиэкологиюокружающей среды; проведение самолетных измерений трансконтинентальногопереноса атмосферных загрязнений над территорией России; оценка влиянияпусковракет-носителейнаокружающуюсредуирешениедругихэкологических задач в этом направлении, которые выполнены в рамкахдиссертационного исследования.Опасными явлениями для здоровья населения также являются процессыглобального потепления и вследствие этого изменения климата, которые3сопровождаются резкой перестройкой атмосферных процессов и учащениемповторений опасных атмосферных явлений.

Это приводит к серьезнымпоследствиям для здоровья жителей различных возрастных групп в регионахРоссии, сельчан и горожан. В больших городах основными причинамигоспитализации и даже смертельных исходов в жаркие дни становятсяишемическая болезнь сердца,заболевания органов дыхания, центральнойнервной системы, несчастные случаи и суициды. В зимнее время в среднейполосе и на севере России в последние годы на физическое и ментальноездоровье дополнительное негативное воздействие оказывают продолжительныепериоды аномально теплой и пасмурной погоды, как, например, зимой2006−2007гг.,чтотакжеувеличиваетзаболеваемостьнаиболеераспространенными социально-значимыми заболеваниями.В этой связи чрезвычайно важными актуальным становится решениезадач, связанных с оценкой влияния климатических и метеорологическихвариаций различного пространственно-временного масштаба на состояниепопуляционного здоровья людей.Цель работыЦелью настоящей работы является теоретическое и экспериментальноеисследование физических механизмов процессов аэрозольного загрязненияатмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями, а такжевлияния вызванных ими экологических проблем на здоровье населения.Задачи работы1.Созданиетрёхмернойнегидростатическоймоделиобтеканияпрепятствий произвольной формы потоком несжимаемой и слабосжимаемойадиабатической жидкостиреальномупрофилемсо свободной поверхностью и соответствующимскоростиприменительнокзадачамобтеканиявоздушными потоками реальных горных массивов Украинских Карпат,некоторых стран Средиземноморского региона (Израиля, Кипра), а также ееиспользование как части актуальной задачи переноса загрязнений над горнымирегионами и возникающих при этом процессе экологических проблемах4вследствиеобразования застойных зон.2.