CC BY
8
ACTIVE REST IN THE DAILY REGIMEN OF EVENING SCHOOL PUPILS
1. M. Orlick, G. G. Latysheva
Observations were performed over adolescent pupils of an evening school. A 7 min interval for physical exercises was introduced into the school schedule of an experimental group (15 pupils). The finding was that physical evercise carried out at the beginning of the long recess had a favorable effect on the inhibition-excitation processes, tonicized the cardiovascular system and increased the working capacity of the pupils.
УДК 614.78:[614.71 +623.52
ОБ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА АТМОСФЕРУ ДЛЯ БОРЬБЫ С ЛОКАЛЬНЫМИ ЗАГРЯЗНЕНИЯМИ
А. В. Быховский, Л. А. Козаков
С развитием промышленности и транспорта все большее значение приобретает охрана воздушного бассейна городов от загрязнения аэрозолями, токсичными и радиоактивными газами. К мерам борьбы с загрязнениями атмосферы относятся следующие: ограничение количества выбрасываемых в воздух загрязняющих веществ; регулирование высоты, скорости и температуры выброса; взаимное размещение мест выброса и возможных объектов загрязнения с учетом направления господствующих ветров; учет климатических условий соответствующего района.
Однако способы, позволяющие ускорить процесс рассеяния вредных примесей при возникновении интенсивного локального загрязнения атмосферного воздуха, до настоящего времени отсутствуют. Вместе с тем локальное загрязнение более или менее ограниченных объемов приземного воздуха, как известно, нередко возникает при определенных метеорологических условиях в городах, карьерах, вблизи крупных промышленных предприятий.
В простейшем случае принято различать следующие состояния устойчивости атмосферы определяющие возможность развития неупорядоченных вертикальных движений воздуха: во-первых, неустойчивое состояние, которое характеризуется значительным падением температуры с высотой; при нем частица, получившая начальную вертикальную скорость, начнет двигаться с ускорением; во-вторых, особо устойчивое состояние, когда с высотой температура возрастает (инверсия); поскольку в этих условиях частица, получившая начальную вертикальную скорость, будет возвращаться к своему исходному положению, такое состояние препятствует развитию вертикальных движений воздуха; и, наконец, в-третьих, состояние безразличного равновесия, при котором градиент падения температуры с высотой равен критической величине, а частица, получившая начальный импульс, будет двигаться, пока не исчерпает своей энергии.
Метеорологическая обстановка, способствующая возникновению локального загрязнения атмосферы, обычно характеризуется штилем или слабым ветром у поверхности земли в сочетании с приземной инверсией. Особенно неблагоприятны условия, при которых нижняя граница инверсии располагается над источниками загрязнения (рис. 1). Если
1 Более подробно вопросы устойчивости атмосферы освещены Л. Т. Матвеевым.
1м
300
200
±У>'
-it'С 6Ум/сек
boo
при такой метеорологической обстановке вследствие тех или иных причин происходит интенсивное поступление в атмосферу вредных примесей, то может возникнуть зона опасных загрязнений, сохраняющаяся длительный срок — от нескольких часов до нескольких суток.
Инверсионные условия в приземном слое атмосферы — нередкое явление. Они систематически наблюдаются в ночное время при отсутствии облачности нижнего и среднего яруса и сильного ветра. Особенно интенсивны инверсионные условия зимой, при наличии снежного покрова, когда длительность существования инверсионного состояния достигает в некоторых случаях 5—7 суток. Повторяемость инверсии, как указывают Н. Ф. Накоренко и Ф. Г. Токарь, на европейской территории Союза ССР составляет 80—100% для районов Советской Арктики, где она наибольшая, и 60—80% для всей остальной территории; минимальная повторяемость инверсии отмечается в мае — июне. Мощность приземных радиационных1 инверсий над этой территорией составляет от 100—150 м до нескольких сотен метров, а разность температуры воздуха у поверхности земли и на нижней границе инверсии — от 1—2 до 10°.
Широко известные случаи вредного воздействия атмосферных загрязнений на здоровье населения в Лондоне (1952) и Манчестере (1955) связаны с неблагоприятными метеорологическими условиями, в частности с интенсивной инверсией. Эти и другие многочисленные примеры свидетельствуют о необходимости создания средств, позволяющих рассеять возникающие высокие концентрации вредных веществ путем активного воздействия на метеорологическое состояние атмосферы в зоне локального загрязнения. Очевидно, даже местное разрушение устойчивого инверсионного слоя должно способствовать выносу скопившихся вредных примесей в высокие слои
атмосферы и последующему естественному рассеянию загрязнений.
Проблема теплового воздействия на приземный слой атмосферы с целью снижения концентрации вредных примесей разрабатывалась еще в период первой мировой войны (Г. В. Хлопин). Для защиты русских солдат от отравляющих веществ предлагалось использовать восходящие потоки теплого воздуха, возникающие над специально подготовленным и зажженным в нужное время горючим материалом впереди линии окопов. Были проведены в лабораториях и в поле эксперименты (В. К. Аркадьев).
300
200
100
1 \ \ /■ '
-I-1 / / / г инверсия
;/ / у
1 / / j /
( ч ч /
-8
-К -5 -ь t°[ 2 <* HVM/een
Рис. 1. Локальное загрязнение атмосферы при различной метеорологической обстановке.
а — неустойчивое состояние; б — устойчивое состояние. Приподнятая инверсия; 1 — температура (V); 2 — скорость движения воздуха.
1 Радиационными называются инверсии, возникающие при охлаждении земной поверхности ночью вследствие ее теплового излучения.
Известно, что при больших пожарах наблюдаются мощные восходящие течения, образуются облака и осадки и возникает ветер, направленный в сторону очага пожара (П. А. Куцер). Известны опыты по проветриванию карьеров свободными турбулентными струями, образованными вертолетом и реактивными авиационными двигателями (Б. А. Се-мененко, О. А. Богаевский, В. Г. Кибальников).
В последние годы опубликован ряд работ (Л. Берне; Dypon, 1962, и др.) об активном воздействии на метеорологические процессы путем создания мощных нагретых струй воздуха. Основные публикации связаны с работами Dessen (1962), создавшего специальную установку из 100 нефтяных форсунок мощностью 1,66-108 ккал/сек (7-Ю5 квт). Эта установка, названная автором метеотроном, образует интенсивный восходящий поток со скоростью до 3—4 м/сек, который достигает высоты нескольких километров. С помощью метеотрона изучается искусственное образование облаков и торнадо. В печати высказывались предположения и о возможности использования метеотрона для борьбы с загрязнением городов, тем не менее этот вопрос не подвергся специальному теоретическому или экспериментальному изучению.
Оценить возможность использования струйных установок типа метеотрона для борьбы с локальным загрязнением атмосферы на основании только теоретических расчетов нельзя, в частности потому, что теория струй в реальной атмосфере из-за ее сложности разработана только для точечного источника (стационарного или мгновенного) без достаточного учета изменения состояния устойчивости, ветра и турбулентности в окружающей струю атмосфере. Поэтому для получения надежных оценок требуется одновременно усовершенствовать теорию и проводить экспериментальные работы. Однако ряд предварительных оценок можно сделать на основании косвенных соображений и приме-ч нения существующих теорий.
За счет какой энергии летом происходит разрушение приземной радиационной инверсии? Обычно она разрушается через 2—3 часа после восхода солнца. За это время величина суммарной радиации, т. е. притока тепла от солнца и атмосферы к земной поверхности, утром в ясные дни составляет 2 • 105 кал/м2.
Если даже считать, что все полученное земной поверхностью тепло идет на нагревание воздуха, то это соответствует только '/s величины теплового потока, образуемого метеотроном при горении в течение 2 мин. с площади 1 м2. Следовательно, если тепловой поток от метеотрона не рассеется (при отсутствии ветра и слабом турбулентном перемешивании), т. е. образуется вертикальная струя теплового воздуха, то она может достичь верхней границы инверсии, разрушив ее на своем пути.
С другой стороны, количество энергии, необходимое для пробивания инверсии, может быть рассчитано по формуле, предложенной Priestley для расчета высоты подъема тепловой струи при инверсионных условиях. Для этого случая формулу можно записать в следующем виде:
Q = СглрСр О^/сек).
где С =^0,1; Zc — высота инверсии; Га —средняя абсолютная темпере
ратура слоя; —градиент потенциальной температуры; р — плотность воздуха; Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении.
Формула Priestley получена для штиля, источник предполагается точечным и стационарным (для уточнения можно ввести зависимость от скорости ветра по формуле: С2 = 0,04 + 0,2 и). Расчеты по этой фор-
муле показывают, что для пробивания инверсии высотой до 100 м и интенсивностью (разность температур на границах инверсий) 3° требуется тепловой источник мощностью 8,7- 104 кал/сек, что в 2000 раз меньше мощности метеотрона.
Spurr рассчитал мощность источника, необходимую для пробивания слоя инверсии при лондонском смоге (1959), пользуясь приведенной выше формулой Priestley, а также формулами Сеттона, и получил близкие значения. Это совпадение свидетельствует о правильном учете основных факторов упоминаемыми формулами, тем не менее недостатком подобных расчетов является отсутствие учета ветра и турбулентности в окружающем воздухе. Известно, что скорость ветра в инверсии возрастает с высотой, достигая 3—5 м/сек, уже на высоте 50 м, а турбулентность, хотя и значительно меньше, чем при неустойчивом состоянии атмосферы, все же существует.
Рассматривая метеотрон как единый источник и допуская в качестве первого приближения использование теории Priestley, мы провели расчеты максимальных вертикальных скоростей и высоты подъема струи. Они показали, что скорости могут достигать 10 м/сек, а высоты — нескольких километров, что согласуется с экспериментальными фактическими материалами Dessen. Эти же расчеты показывают, что струя от одного источника мощностью 2 • 106 кал/сек будет пробивать обычно наблюдаемые приземные радиационные инверсии.
Для того чтобы оценить пригодность струйной установки как средства борьбы с загрязнением воздуха, следует хотя бы приближенно рассчитать, какие горизонтальные скорости будут образовываться в нескольких метрах от поверхности земли при отсутствии ветра в этом слое. Значение средних горизонтальных скоростей можно определить на основе теории Priestley по приближенной формуле:
где и — средняя горизонтальная скорость в слое от поверхности земли до высоты 2; г' — радиус струи на высоте г; г" — расстояние от оси струи; до— средняя вертикальная скорость в сечении струи на высоте г.
В качестве примера приведем подобный расчет, исходя из приближенных оценок параметров струи, образованной кольцом газовых горелок с мощностью каждой из них порядка 106 кал/с№. При этих условиях на высоте г, равной 5 м, г' будет составлять 3 м, до 10 м/сек, а зависимость между горизонтальной скоростью и и расстоянием г" выражается следующей таблицей:
г" 3 5 10 20 50 100
й (в м/сек) 3,0 1.8 0,88 0,44 0,18 0,09
Как следует из этого примера, эффект действия такого источника при полном штиле и указанных ограничениях должен сказаться до расстояний 30—50 м.
Другой подход к оценке пригодности струйной установки для воздействия на локальные загрязнения состоит в определении расхода воздуха (2 м3/сек, проходящего через поперечное сечение струи на заданной высоте.
Для рассмотренного примера на высоте 5 м Q = 282 м3/сек, а на высоте 15 м Q увеличивается до 850 м3/сек. Вовлечение в струю окружающего воздуха происходит на всех высотах и определяется вертикальным профилем w и изменением г' с высотой.
При работе подобной струйной установки в течение 5 мин. будет отсасываться около 25- 104 м3 воздуха, что соответствует, например,
объему карьера высотой 15 м, шириной 100 м и длиной 200 м.
В 1964 г. нами была проведена первая серия экспериментов с малой струйной установкой, состоящей из 15 газовых горелок, расположенных по кольцу радиусом 2 м (рис. 2); мощность установки 2-104 кал/сек. Эксперименты показали, что в случае абсолютного штиля при состоянии атмосферы, близком к инверсионному, происходит полное отсасывание дыма работающей установкой с расстояний, достигающих нескольких метров (рис. 2, б). Такое же задымление при неработающей установке приводило к распространению дыма вблизи земной поверхности и его более медленному рассеянию. Таким образом, положительный эффект качества работы струйной установки оказался несомненным. Однако для окончательного суждения об эффективности использования струйных установок при ветре и для получения количественных результатов необходимы экспериментальные исследования с установками большей мощности. Лишь это позволит получить надежные данные.
Таким образом, целесообразность дальнейшего развития теоретических и экспериментальных работ по развитию способов воздействия на приземный слой атмосферы с помощью струй для устранения локальных загрязнений совершенно очевидна.
ЛИТЕРАТУРА
Аркадьев В. К. Научно-технические основы газовой борьбы. М., 1917, с. 145.— Берне Л. Техника молодежи, 1963, № 12, с. 28. — Накоренко Н. Ф., Токарь Ф. Г. Климат свободной атмосферы. Л., 1959, с. 28. — Семененко Б. А., Богаев-ский О. А., Кибальников В. Г. Горный ж., 1962, № 1, с. 32. — Хлопин Г. В. Военно-санитарные основы противогазового дела. Л., 1930, с. 81. — Dessen H., Vaillant J., С. R. Acad. sci., 1963, v. 256, p. 1818. — S pu rr G., J. Meteorology, 1959, v. 16, p. 30.
Рис. 2. Струйная установка.
а — горелки до включения; 1 — стол с горелками; 2 — подставка с датчиками для ции профиля температуры в сечениях струи горелки работают.
газовыми регистра-руи; о —
Поступила I8/VIII 1965 г.
ACTIVE ACTIONS ON THE ATMOSPHERIC TO PREVENT LOCAL CONTAMINATIONS
A. V. Bykhovsky, L. A. Kozakov
An intensive local air pollution depends on meteorological conditions, characterized by the presence of inversion and calm or weak wind on the ground surface. The creation of powerful (104 cal/sec) nonisothermic currents, penetrating the inversion strata and drawing aerosols together with mass of the air drawn into the current, should produce a considerable fall in the level of contaminants in the air of the quarries in limited areas of the ground surface.
The article presents data of calculations and preliminary tests, that point to the theoretical possibility of using the described method for air purification in small quarries at the time of complete calm, and substantiate the expediency of further more precise definition of the calculation formula and the carrying out of tests with more power ful model air jetting installations.
