Bức xạ

Vận tốc gió có ảnh hưởng lớn nhất tới mức ô nhiễm khí quyển trong thành phố và các vùng lân cận. Bên cạnh dòng tạp chất bình lưu trực tiếp phụ thuộc vào tốc độ gió, dòng tạp chất rối có ảnh hưởng đáng kể tới sự biến đổi nồng độ tạp chất theo thời gian trong bầu không khí thành phố, dòng rối cũng liên quan mật thiết với tốc độ gió.

Vai trò không kém quan trọng của gió thể hiện ở tác động động lực của nó lên tất cả những công trình vươn cao trên mặt đất, trước hết đó là các tháp truyền hình và vi ba, chân đế cột đường dây truyền điện, tháp nước, ống khói các nhà máy phát điện và các hệ thống lò đốt, các tòa nhà cao tầng. Tải trọng gió cũng cần phải tính tới trong khi thực thi công tác xây dựng và bốc dỡ, lắp ráp cầu v.v... Thông tin về gió, nhiệt độ và độ ẩm không khí cần thiết để lựa chọn chế độ sưởi ấm các tòa nhà, do đó, quyết định khối lượng nhiên liệu được chuyển tới thành phố, trong khi đánh giá điều kiện lao động và nghỉ ngơi ngoài trời của con người.

Từ những dẫn liệu này suy ra rằng sự suy yếu tương đối của tốc độ gió ở thành phố với gió nhẹ và vừa diễn ra mạnh hơn so với điều kiện gió mạnh.

Sự suy yếu gió mạnh nhất quan sát thấy ở gần mặt đất. Phải nhấn mạnh rằng bên trong thành phố phân bố gió, nhiệt độ và độ ẩm không khí rất đa dạng. Phía dưới mái các công trình, hướng gió bị quy định bởi vị trí các tòa nhà và đường phố tương đối so với hướng của dòng không khí bên trên thành phố. Trong thành phố thống trị hướng gió dọc theo đường phố. Nếu gió thổi ngang đường phố, tốc độ gió ở phía khuất gió của các tòa nhà nhỏ hơn 2-3 lần so với phía đón gió.

Hiệu nhiệt độ không khí ở phía hứng nắng và phía khuất của đường phố trong thời tiết ít mây ngày hè có thể đạt tới 5 ^oC, còn độ ẩm tương đối khi phun nước đường phố thì tăng lên tới 30-40 %.

Trong điều kiện xây dựng thoáng ở các khu phố mới, chưa có thảm cây xanh, thì sự suy yếu gió đáng kể trong khu nhà ở thường ít xảy ra. Ngược lại, nhiều trường hợp ở lân cận các khoảng thoáng giữa các tòa, nhà tốc độ gió có thể tăng (tới 20-50 %) so với tốc độ bên ngoài thành phố. Khi gió thổi vuông góc với mặt tiền tòa nhà, dòng gió bị đổi hướng 90^o, còn tốc độ không biến đổi đáng kể. Nếu gió thổi dọc theo mặt tòa nhà, tốc độ tăng một chút (10-20 %). Vườn cây - bụi cây lân cận các tòa nhà làm giảm tốc độ gió từ 20 đến 35 %. Những công trình cây xanh diện tích không dưới 5-8 ha có thể ảnh hưởng mạnh hơn nữa đến chế độ gió và chế độ nhiệt.

Những tòa nhà công nghiệp và chung cư làm biến đổi tốc độ và hướng dòng không khí, có ảnh hưởng lớn tới sự phân bố các chất ô nhiễm bên trong thành phố. Nếu gió thổi vuông góc các dãy nhà của nhà máy nhôm, thì ở phía khuất gió của khuôn viên nhà máy, hàm lượng flo hyđrua 2,5-24 lần lớn hơn phía đón gió, còn hàm lượng các hợp chất florit rắn lớn hơn 3-28 lần. Tại tâm của khuôn viên, nồng độ tạp chất xấp xỉ như nhau trong mọi hướng gió, nhưng hơi cao hơn trị số trung bình nồng độ của phía khuất gió và phía đón gió. Những kết quả tương tự cũng nhận được đối với khu khuôn viên nhiều tòa nhà: trong gió thổi dọc theo trục khuôn viên nồng độ các chất ô nhiễm lớn hơn ở phía khuất gió; trong gió thổi vuông góc trục khuôn viên, ô nhiễm cực đại sẽ thấy ở những điểm nằm gần tâm khuôn viên.

Sự phụ thuộc giữa mức ô nhiễm và tốc độ gió có thể phát hiện nếu lấy trung bình các số liệu. Nồng độ tạp chất đáng kể nhất đã quan trắc được với tốc độ gió 2-4 m/s. Ở đây phải lưu ý rằng trong thời gian thí nghiệm thực tế không xảy ra những trường hợp lặng gió hoặc gió với tốc độ dưới 1 m/s, nên không thể nghiên cứu sự phân bố nồng độ tạp chất trong trường hợp gió rất yếu. Tại tốc độ gió 9 m/s hàm lượng các muối florit nhỏ hơn 3-5 lần so với trường hợp gió 2-4 m/s.

Sự biến thiên tốc độ gió theo độ cao bên trên thành phố được mô tả bằng chính những phương trình và công thức đã nhận được đối với các bề mặt tự nhiên có độ gồ ghề cao, chẳng hạn như đối với rừng. Trong các phương trình chuyển động trong trường hợp các bề mặt như vậy bên cạnh gradient áp suất, lực Koriolis và lực ma sát rối, cần phải tính tới lực trở kháng xuất hiện khi dòng tương tác với các vật cản.

Trong lớp sát đất với độ cao dưới 100-200 m phụ thuộc của tốc độ gió u(z) vào độ cao z với độ chính xác đủ cho các mục đích thực tiễn được mô tả bằng công thức logarit

Với tốc độ gió lớn, tại độ cao trên mực mái nhà một ít thường thấy tạo thành dòng siết. Thật vậy, theo số liệu quan trắc trên tháp truyền hình ở Tokyo, với tốc độ gió hơn 30 m/s, tại độ cao 30 m trên mực trung bình của các mái nhà, tốc độ gió thường lớn hơn đến 10 m/s.

Nói chung, ảnh hưởng làm nhiễu của thành phố lớn thường lan đến toàn bộ lớp biên, tức đến độ cao 1,0 - 1,5 km.

Sự hội tụ các dòng không khí là nguyên nhân của hiện tượng vào ban đêm gió trên thành phố yếu đi nhanh như ban ngày, đôi khi có thể gió lớn hơn so với các vùng ngoại vi. Hiệu ứng này đặc biệt lộ rõ trong trường hợp tốc độ gió nhỏ và phân tầng nghịch. Thí dụ, ở trung tâm Luân đôn, tốc độ gió ban đêm (lúc 01 giờ) về trung bình năm lớn hơn so với ở sân bay là 0,3 m/s; hiệu này biến đổi từ 0,1 m/s vào mùa xuân đến 0,6 m/s vào mùa hè. Ban ngày (lúc 13 giờ) tương quan ngược lại: tốc độ gió ở trung tâm nhỏ hơn so với ở sân bay là 0,7 m/s (dao động từ 0,4 m/s vào mùa đông đến 1,2 m/s vào mùa xuân).

Sự phân bố các công trình không đều đặn và sự bất đồng nhất địa hình khu vực dẫn tới chỗ không phải khi nào cũng chúng ta cũng phát hiện thấy các dòng hội tụ vào phía trung tâm thành phố, mà nếu như có phát hiện được thì sự phân bố chúng theo bề rộng thành phố cũng không được đều đặn (không đồng tâm) như lẽ ra phải có trong trường hợp bề mặt đồng nhất.

Có thể nhận xét rằng không hiếm khi chuyển động của không khí vào phía bên trong thành phố và hiện tượng nói chung mang tính chất của sóng chanh chấp (frontal): ở rìa của vùng mật độ xây dựng cao, người ta thấy sự tương phản mạnh nhất của nhiệt độ và thăng giáng vận tốc của không khí lạnh hơn bị lôi cuốn vào thành phố ban đêm.

Sự hội tự của các dòng không khí do đảo nhiệt sinh ra thúc đẩy sự vận chuyển các chất ô nhiễm từ các vùng ngoại vi vào phía trung tâm thành phố. Dưới góc độ này thì việc phân bố các cơ sở công nghiệp ra phía ngoại thành không giải quyết được vấn đề giảm thiểu mức ô nhiễm ở trung tâm thành phố: phát thải của các xí nghiệp nằm ở ngoại thành bị các dòng hội tự mang vào phần trung tâm thành phố.

Sự ô nhiễm khí quyển thành phố bởi các tạp chất, biến đổi nhiệt độ không khí, tốc độ gió và các đại lượng khí tượng khác không thể không ảnh hưởng tới những điều kiện hình thành và độ lặp lại của những hiện tượng quan trọng để giải quyết các bài toán thực dụng như khói, sương mù và khói mù, những hiện tượng này làm giảm mạnh tầm nhìn trong khí quyển.

Người ta quy ước gọi khói là trạng thái khí quyển trong đó do ảnh hưởng của ô nhiễm không khí bởi các tạp chất, tầm nhìn khí tượng SM nằm giữa 1 và 10 km. Khi SM<1 km hiện tượng được gọi là sương mù. Tuy nhiên, ngay từ khi SM<10 km, các hạt tạp chất thường đã mang nước, trong đó độ ẩm tương đối của không khí càng cao thì tỉ phần của nhân ngưng kết trong tổng khối lượng hạt nước càng nhỏ. Nếu bán kính hạt nước tăng đến 1 μm - đây đã là những hạt nước nhỏ xíu của sương mù - thì tỉ phần của các nhân ngưng kết được gọi là khổng lồ (với bán kính gần 0,1 μm) giảm xuống đến 0,001 của tổng khối lượng hạt nước. Áp suất hơi nước bão hòa trên các hạt nước với bán kính lớn hơn 1 μm không tùy thuộc vào bản chất của nhân ngưng kết mà từ đó hạt nước được tạo thành, thực tế không khác biệt với áp suất trên bề mặt nước. Điều này có nghĩa rằng trong sương mù hạt - chất lỏng ổn định (không tan) độ ẩm tương đối của không khí gần bằng 100 %, còn điều kiện tồn tại và lớn lên của các hạt nước trong sương mù thì do sự biến đổi nhiệt độ hay độ ẩm tuyệt đối của không khí quyết định. Chúng ta cũng cần chú ý rằng, theo dữ liệu thí nghiệm thì các hạt hấp thụ ẩm - các nhân ngưng kết - có thừa trong khí quyển, không chỉ ở các thành phố, mà ở mọi vùng khác của Trái Đất, trên đại dương; nhưng các hạt sương và mây chỉ tạo thành trên một số ít các nhân. Sau những nhận xét chung này, chúng tôi sẽ dẫn ra những kết quả quan trắc khói và sương ở các thành phố lớn và những vùng ngoại vi lân cận.

Sự ô nhiễm khí quyển các thành phố bởi những tạp chất nguồn gốc nhân sinh đương nhiên làm giảm tầm nhìn, tăng độ lặp lại của khói và giảm độ lặp lại của trạng thái tầm nhìn tốt.

Thật vậy, theo số liệu quan trắc các năm 1969-1974, độ lặp lại P của các trạng thái khí quyển với SM<10 km ở Lêningrat và các trạm cách xa 20-80 km vào mùa đông như sau:

Như vậy, ở Lêningrat tầm nhìn không xấu (SM>10 km) quan trắc được hiếm hơn nhiều, còn tầm nhìn xấu (SM>10 km) - thường xuyên hơn nhiều so với ở những điểm dân cư không lớn tại các vùng ngoại vi. Các trị số đối với những thành phố khác cũng gần như vậy.

Bảng 5.4. Độ lặp lại (%) của tầm nhìn khí tượng

(độ dài tập mẫu theo mỗi trạm - 3608). Các mùa đông thời kỳ 1969-1974

Tuy nhiên, chỉ có độ lặp lại của khói nhẹ (SM=1-2 km) và khói vừa (SM=2-6 km) trong thành phố là tăng đáng kể do ảnh hưởng của các tạp chất nhân sinh (bảng 5.4): độ lặp lại của các đợt khói như vậy ở Lêningrat khoảng 2 lần lớn hơn so với ở Sosnovo và Belogorka. Còn về khói nặng (SM=1-2 km) và đặc biệt là sương mù (SM<1 km), thì độ lặp lại của chúng ở thành phố lớn không những không lớn hơn, mà nhỏ hơn so với các vùng ngoại vi: độ lặp lại của các trạng thái với SM<1 km ở Lêningrat 2-3 lần nhỏ hơn so với các địa điểm khác.

Ở Matxcơva, số ngày trung bình năm có sương cũng ít hơn so với các vùng ngoại vi của nó 2-2,5 lần:

Ta nhận thấy rằng cho tới gần đây đã phổ biến rộng một ý kiến được phản ánh trong các sách chuyên khảo và giáo khoa cho rằng ở các thành phố thì sương mù được tạo thành thường xuyên hơn so với các vùng ngoại vi (thí dụ xem cuốn chuyên khảo của Smith và Ramada, theo đó, độ lặp lại của sương mù ở các thành phố lớn hơn so với vùng nông thôn, mùa hè hơn 30 %, mùa đông 100 %). Với tư cách là nguyên nhân, người ta đã chỉ ra các nhân ngưng kết mà trong thực tế ở thành phố nhiều hơn so với ở ngoài thành phố.

Vậy phải giải thích như thế nào về hiện tượng độ lặp lại của sương mù và một phần các đợt khói nặng ở những thành phố lớn đã giảm rất mạnh như các dẫn liệu không thể trối cãi trên đây đã cho thấy, rất trái ngược với những quan niệm truyền thống? Dễ nhận thấy rằng, sự tăng nhiệt độ không khí trong thành phố đóng vai trò quyết định trong hiện tượng này. Thật vậy, giả sử tình thế khí tượng như sau: độ ẩm tương đối của không khí ở các vùng ngoại thành

mọi nơi phải tính tới ảnh hưởng của các điều kiện địa phương tới sự hình thành sương mù. Vì lý do đó mà độ lặp lại của sương mù ở các vùng ngoại vi của nhiều thành phố nhỏ hơn so với ở trong thành phố, đặc biệt khi giá trị trung bình ∆T không lớn.

Cần phải dừng lại nói về việc sử dụng khái niệm “khói mù”. Một số tác giả đồng nhất nó với các khái niệm “khói” và “sương mù”. Trong thực tế khói mù - một hiện tượng độc lập, khác biệt với khói và sương mù. Như đã chỉ ra trong mục 2.4, đặc điểm phân biệt của khói mù là nó có sắc nâu gây ra bởi các ôxit nitơ có trong thành phần của peroxilathetilnitrat (PAN) - thành phần chính của khói mù. Về phần mình, PAN được tạo thành khi bức xạ Mặt Trời, trước hết là bức xạ cực tím và tím, tác động lên các hyđrô cacbua và các ôxit nitơ, trong quá trình này chúng kết hợp với nhau. Khác với khói có màu xám và xanh lục, độ ẩm tương đối trong khói mù thường không cao. Theo dấu hiệu này khói mù gần giống không phải với khói, mà với mù - hiện tượng giảm tầm nhìn do ảnh hưởng của các tạp chất rắn ít thấm nước, thí dụ được tạo thành trong vụ cháy. Tầm nhìn xa trong khói mù biến thiên trong phạm vi rộng, tuy nhiên thường nhỏ hơn 10 km. Vì trong khi tạo thành PAN, vai trò quyết định thuộc về bức xạ Mặt Trời, nên khói mù được tạo thành trong các thành phố nằm ở các vĩ độ thấp.

Giáng thủy thuộc những đại lượng khí tượng biến đổi mạnh theo thời gian và không gian (thuộc tính tạo thành các vệt khi giáng thủy). Bằng những khảo sát của O. A. Đrozđov và S. A. Sver thực hiện ở vùng Lêningrat, đã xác lập được rằng bản thân thành phố và những đặc điểm địa hình vùng - vũng Nheva và vịnh Phần Lan, có ảnh hưởng tới sự phân bố giáng thủy. Theo số liệu quan trắc nhiều năm, ở vùng ngoại ô phía bắc (Levasovo) và phần phía bắc thành phố, trung bình trong năm lượng giáng thủy tuần tự lớn hơn 20 và 11 % so với ở phần trung tâm Lêningrat. Ngược lại, ở các phần phía nam và tây nam (cửa sông Nheva và vùng bờ vũng Nheva), lượng giáng thủy nhỏ hơn so với ở trung tâm (trung bình năm nhỏ hơn 5-7 %).

Phân bố mưa rào đặc biệt không đồng nhất theo lãnh thổ thành phố và các vùng ngoại ô: không ít trường hợp mưa mạnh ở một phần thành phố nhưng không mưa ở các phần khác. Phân bố độ dày thảm tuyết cũng không đồng đều theo lãnh thổ thành phố. Theo dữ liệu quan trắc, ở Lêningrat chỉ có 40 % trường hợp tuyết đồng thời rơi ở tất cả các khu của thành phố. Độ dày tuyết rơi ở các phần khác nhau của thành phố rất khác nhau: trong các đợt tuyết rơi mạnh chênh lệch độ dày tuyết rơi một ngày đạt tới 10-14 cm. Về trung bình các khu phía nam và đông nam là nơi nhiều tuyết nhất trong thành phố Lêningrat. Độ dày tuyết rơi một ngày biến thiên trong phạm vi rộng: 60 % trường hợp nó không quá 2 cm, 80 % trường hợp - 4 cm và 96 % trường hợp - 10 cm (với số ngày tuyết rơi trung bình trong năm bằng 76).