Кондратьев К. Я. Окружающая среда и климат. 1985

Горожане знают по собственному опыту, что зима наступает в таких больших городах, как Москва, Ленинград, на 1—2 недели позже, чем за городом. Соответственно весна приходит в город на такой же срок раньше. Когда за городом еще продолжают кататься на лыжах, в городе уже появляются велосипедисты. Жителям городов, делающим весеннюю уборку в доме, приходится затратить значительно больше труда, чтобы отмыть оконные стекла городской квартиры, чем обитателям деревенского дома. Никого не удивляет сообщение по радио, что температура воздуха в центре города на 1—2° выше, чем на его окраинах. Весенний, талый снег, покрытый многочисленными темными частицами сажи и других загрязнений, оконные стекла квартир с налетом пыли, сильные порывы ветра на одной улице и безветрие в соседнем квартале, дым промышленных предприятий на фоне ясного неба, — все это признаки влияния хозяйственной деятельности человека на окружающую среду, погоду и климат больших городов.

Результатом промышленной деятельности могут быть и такие факты, как смог в Лондоне в 1952 г., унесший 4000 жизней; регулировщики движения в респирационных масках на перекрестках Нью-Йорка и Токио; синтетические газоны и цветники на улицах Лос-Анджелеса, загазованность атмосферы выхлопами автомобилей; невозможность соседства промышленных предприятий и сосны; появление волка и лося в черте города в результате изменения среды его обитания. Газовые и пылевые облака над крупными промышленными центрами, которые видны космонавтам с орбитальных станций, являются одной из причин, массового выезда за город на выходные дни. В настоящее время загрязненность воздуха в городе на два порядка, а в деревне на порядок выше, чем I над морем или Антарктидой.

Специфика городского климата обусловлена следующими-основными факторами:

1)            пылевыми (аэрозольными) и газовыми загрязнениями атмосферы промышленными предприятиями;

2)            тепловыми выбросами в пределах городской черты;

3)            особенностями застройки, местонахождения города (на равнине, в ложбине, между гор и т. п.).

Следствием всего этого являются специфические особенности распределения температуры, ветра и влажности, радиационного режима города и его окрестностей. Все увеличивающаяся урбанизация может существенно влиять на климат не только отдельных регионов, но и планеты в целом, поэтому изучение климата города необходимо для прогнозирования дальнейших тенденций изменения погоды и климата Земли.

Комплексное изучение особенностей климата города и факторов, определяющих его изменчивость, было главной задачей исследований, проведенных в Советском Союзе по программам Комплексного энергетического эксперимента (КЭНЭКС) и Глобального аэрозольно-радиационного эксперимента (ГАРЭКС) в 70-х годах. Одним из этапов этих исследований были экспедиции Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова в содружестве с целым рядом институтов АН СССР и Госкомгидромета СССР в районы промышленных центров: Запорожье — Днепропетровск— Донецк (1972, 1978гг.), зоны городов: Тбилиси — Рустави— Гардани (1972 г.) и Алма-Ата (1973 г.) при наличии ясной и облачной погоды, различном рельефе местности, в разное время года. Изучение основных характеристик атмосферы и ее поверхности в городе и за его пределами проводились с Земли со специально оборудованных автомашин, вышек и телевизионных башен, а также с вертолетов и самолетов. Важное место в этой программе занимало изучение воздействия запыленности городской атмосферы на погоду и климат, для чего прежде всего потребовалось исследовать свойства и пространственную структуру аэрозоля.

Особенности структуры промышленного аэрозоля обусловлены в основном спецификой источников аэрозольных частиц в исследуемых районах, высокой концентрацией частиц в приземном слое атмосферы и закономерностями метеорологических и орографических условий этих городов. Различия в химическом составе и распределении частиц по размерам, в оптических свойствах промышленного аэрозоля определяют специфику радиационного режима городской атмосферы, в частности соотношение между поглощенной и рассеянной пылью радиацией, что в большой степени определяет особенности климата Городов.

Как правило, чем крупнее город, тем выше концентрация газовых и аэрозольных примесей в атмосфере, больше количество источников тепла и тем мощнее «шапка» теплого загрязненного воздуха над городом. Наличие газовых и аэрозольных примесей существенно влияет на радиационный режим и на все теплофизические и влажностные характеристики атмосферы. В таких случаях температура воздуха выше, а влажность понижена, сезонные и суточные контрасты температур в городе меньше. Снимки тепловых неоднородностей поверхности города, сделанные с самолета или спутника, позволяют выделить город как «остров тепла». Контраст температур поверхности в черте города, особенно ночью, может изменяться от 1 до 10°.

Промышленный аэрозоль является одним из загрязняющих атмосферу продуктов городской среды. Составляющие аэрозоль мельчайшие твердые и жидкие частицы могут, в частности, сформировываться в результате превращения из газов, например, образованием частиц сажи из горячих паров углеводородов или окисления сернистого газа до серной кислоты. Важную роль играют органические, сульфатные, азотно-водородные и другие соединения. Среди многообразия типов промышленного аэрозоля следует _ выделить субмикронную фракцию сильно поглощающего гематита (окислов железа) и сажу. Большое значение имеет наличие углерода, алюминия, магния, свинца. В настоящее время около 5—10% общей массы аэрозолей образуется в глобальных масштабах за счет хозяйственной деятельности человека, причем вполне вероятно, что эта доля возрастет до 15% к 2000 г. Глобальная продукция природного и антропогенного аэрозолей в год оценивается в 1—2 млрд. т.

Огромные площади металлических, бетонных крыш и асфальтовых покрытий, многочисленные высотные строения, препятствующие воздухообмену, оказывают тормозящее воздействие на ветер и, следовательно, вынос из города промышленного аэрозоля. Для городов, расположенных в долинах, в окружении гор, характерны условия, которые способствуют усиленному загрязнению воздуха, неравномерному распределению аэрозольных примесей в черте города. Это относится, например, к районам городов Алма-Ата и Рустави. Изменчивость городского аэрозоля по горизонтали и вертикали обусловливает неустойчивость «оптической» погоды над городом, ее отличие от погоды за городом.

Изучение облаков над городом и вне его выявило сильное влияние промышленного аэрозоля, в частности нерастворимых, но сильно поглощающих частиц сажи, на оптические свойства облаков; повышенную кислотность облачной воды, а следовательно, возможность выпадения «кислых» дождей. Существование подинверсионных метеорологических условий способствует увеличению концентраций загрязняющих воздух компонентов, оказывает значительное влияние на вертикальные распределения температуры и ветра в пограничном слое атмосферы.

Наличие дымовой «шапки» при ясной погоде и загрязнённого облачно-аэрозольного слоя обусловливает более сильное поглощение «ие солнечной радиации атмосферой над городом по сравнению с условиями в пригородной зоне, особенно заметное в пограничном слое атмосферы. Возникает уменьшение солнечной радиации, достигающей поверхности города, изменяется отражательная способность системы город — атмосфера. Повышенная загрязненность атмосферного воздуха над городом способствует усилению «парникового эффекта» атмосферы, т. е. усилению непрозрачности атмосферы для теплового излучения поверхности, что вызывает потепление климата города. Радиационный баланс города может быть до 10% меньше, чем за городом, а глобальное альбедо (отражательная способность) Земли может иметь тенденцию к уменьшению (среднее альбедо города 20, а Земли —32%). Нерастворимый промышленный аэрозоль в облаках над городом приводит к уменьшению, а растворимый — к увеличению отражательной способности облаков.

Если облака являются основным регулятором радиационного баланса Земли, то аэрозоль, особенно с учетом его взаимодействия с облаками, оказывается одним из важных погодообразующих факторов на Земле. В результате урбанизации средние значения метеорологических параметров по сравнению с их изменениями в загородной зоне характеризуются следующими цифрами: ядер конденсации и твердых частиц в 10 раз, а загрязняющих газообразных компонентов в 25 раз больше над городом; средняя температура на 6,5—1° и количество осадков на 5—10% выше, средняя скорость ветра на 10—20% и суммарная радиация до 15% меньше в городе, чем в загородной местности.

Изучение влияния промышленного аэрозоля на климат имеет очень важное значение для предупреждения возможных негативных последствий воздействия пылевых загрязнений на окружающую природную среду.