Одной из глобальных экологических проблем современности являют-ся кислотные дожди, которые образуются за счет вымывания из атмосфер-ного воздуха оксидов азота и серы.
В г. Донецке расположен ряд крупных предприятий, которые в значи-тельной степени загрязняют атмосферный воздух диоксидом серы. Это ме-таллургические, коксохимические, машиностроительные заводы, а также сеть бытовых котельных, которые используют местный уголь с высоким содержанием серы.
Донецк относится к территориям с повышенным потенциалом загряз-нения атмосферы, зависящим от факторов неблагоприятных метеоусловий: повторяемости слабых ветров и штилей, приземных и приподнятых темпе-ратурных инверсий, туманов. Накопление SO2 в атмосфере усиливается в тумане. При поглощении SO2 влагой могут образовываться более токсич-ные вещества. Например, в тумане происходит окисление SO2 до серной кислоты и вместо 1 г SO2 образуется 1,5 г серной кислоты. Установлено, что при образовании тумана происходит увеличение концентрации SO2 на 40-110 % по сравнению с концентрацией ее до тумана. Наибольшее коли-чество туманов приходится на период с ноября по март.
Самоочищению атмосферы от SO2 способствуют осадки. После дли-тельных и интенсивных осадков в атмосфере остается 58 % SO42- и 65 % SO2 .
Повторяемость слабых ветров на территории города составляет 20-40% с максимумом в августе-сентябре. Число часов солнечного сияния достигает 2000 в год. Солнечная радиация обуславливает фотохимические реакции в атмосфере и формирование различных вторичных продуктов:
SO2+ OH- = SO2OH-,
SO2OH- + O2(атм) = HO + SO3,
SO3 + H O(атм) = H SO4 (газ).
Газовые молекулы соединяются и образуются микрокапельки концен-трированной серной кислоты. Эти капельки могут стать центром конден-сации, слиться с облачной каплей или прореагировать с аммиаком и дать кислый сернокислый аммоний, который тоже может быть центром конден-сации. На рисунке 1 представлена схема круговорота SO2.
Рисунок 1 - Схема круговорота SO2
Время нахождения SO2 в атмосфере около 2-х суток. За это время в окружающей среде происходят следующие процессы:
- перенос выбросов SO2 ветром к зоне осадков при одновременном смешивании с незагрязненными воздушными массами;
- химические и физические процессы в газовой фазе, приводящие к изменению концентрации SO2 и химического состава воздушного потока;
- поглощение SO2 и продуктов фотохимических реакций облаками и каплями дождя, их химические реакции в жидкой фазе и последующее вы-падение загрязнений на поверхности почвы и водоема в виде осадков;
- сухое выпадение (адсорбция на почве, кронах деревьев).
Для того чтобы выделить периоды наиболее высокого загрязнения ат-мосферного воздуха г. Донецка диоксидом серы, был построен график за-висимости показателя М от номера месяца, представленный на рисунке 2. (Показатель М представляет собой отношение среднемесячной концентра-ции SO2 к среднегодовой концентрации).
Как видно из данного рисунка, несмотря на стабильную работу промыш-ленных предприятий, которые ежедневно выбрасывают в атмосферный воздух одинаковые количества SO2, уровни загрязнения атмосферного воздуха значительно колебались. Это объясняется изменяющимися метео-рологическими условиями. На уровень загрязнения влияют следующие ме-теорологические предикторы: средняя скорость ветра (v), температура воздуха у земли (t), высота слоя перемешивания (H), комплексный показа-тель метеоусловий загрязнения (МУЗ).
Рисунок 2 – Годовой ход концентрации SO2
Ранее сотрудниками Ленинградского метеоцентра было разработано уравнение регрессии для оценки концентрации SO2 в атмосферном воздухе г. Донецка. Оно содержит такие предикторы, как температура воздуха у поверхности земли, разность температур на уровне земли и на высоте изо-барической поверхности 925 гПа, скорость ветра на уровне флюгера. Про-гноз концентраций SO2, проведенный нами на июнь-август 2002 года пока-зал, что оправдываемость прогноза была низкая. Это связано с тем, что за последние 10-15 лет изменились климатические условия (преобладающее направление ветра, среднегодовая температура воздуха) и инфраструктура промышленности города. Все это вызвало необходимость разработки но-вой математической модели загрязнения атмосферного воздуха диоксидом серы.
Для разработки математической модели были использованы данные наблюдений на стационарном посту центрального района г. Донецка за летний период 2002 года. Путем обработки этих данных по методу множе-ственной регрессии с использованием программы Statgraphics была полу-чена математическая модель вида:
C = 0,03+0,04*ln(t)-0,01* -0,001*H2 –0,007*МУЗ,
где С – прогнозируемая концентрация SO2 мг/м3.
Свободный член в уравнении регрессии характеризует среднюю концентрацию SO2 в атмосферном воздухе, а, рассмотренные в уравнении метеорологические предикторы, увеличивают или уменьшают ее.
Эта модель позволяет рассчитывать концентрацию диоксида серы в атмосферном воздухе с доверительной вероятностью 85 %.
