Но метеорологические сложности и трудности в значительной мере упрощаются самой природой, которая "изощрена, но не злонамеренна" (по Эйнштейну). Силы, действующие в атмосфере, далеко не всегда и не везде действуют сообща. Они как-то очень мудро распределяются в пространстве и времени. В свободной атмосфере, например, мала сила трения и существенны лишь сила барического градиента и сила Кориолиса. Причем они уравновешивают друг друга: градиент направлен поперек изобар в сторону низкого давления, а сила Кориолиса поперек движения и вправо (в северном полушарии…) от него. В результате воздух подчиняется равнодействующей этих сил и перемещается по изобарам. Такое движение метеорологи называют геострофическим. Оно происходит равномерно и прямолинейно, не испытывая ускорений. Поэтому геострофическое движение, "геострофический ветер" (гео – земля, строфа – поворот, смысловой перевод: огибающий землю) легче рассчитывать и предвычислять, поэтому прогнозы атмосферного давления составляются сначала для свободной атмосферы, а затем уж для пограничного и приземного слоев.
У подстилающей поверхности и силы и масштабы движения другие. Под влиянием силы трения, из-за значительных перепадов температуры, влажности, ветра в вертикальном и горизонтальном направлениях здесь преобладают вихревые турбулентные движения, уступающие по масштабам движениям в свободной атмосфере. Они ответственны за образование местной облачности, за формирование гроз в летнее время, за порывистость ветра при грозах. В грозовых облаках вертикальные движения сравнимы по скорости с горизонтальными. За 15-20 минут облака достигают высот 5-7 км и охватывают 10-15 км по пространству. На высотах происходит конденсация, накопление влаги, и гроза сопровождается обильным дождем.
Можно было бы продолжать подобные, хотя нестрогие, описания воздушных движений различного масштаба. Важно лишь подчеркнуть, что в атмосфере существует иерархия движений и явлений, позволяющая последовательно подходить к их изучению. Циклоны и антициклоны как погодообразующие факторы содержат в себе более мелкие особенности погоды, но и сами не являются первостепенными. Они возникают на фоне более глобального процесса – общей циркуляции атмосферы, источником которой служит неравномерное распределение солнечного тепла по планете.
В жаркой и влажной экваториальной зоне воздух поднимается вверх, образуя область пониженного давления и слабых переменных ветров. От высоких, почти стратосферных, слоев происходит его опускание и растекание в пограничный и приземный (скорее – приводный, поскольку в той зоне больше океана, чем суши) слои, где воздух перемещается совершенно устойчиво на юго-запад в северном полушарии и на северо-запад в южном. Это – зоны пассатов, располагающиеся от 30-х градусов северной и южной широты до экваториальной зоны затишья. Нисходящие движения вблизи 30-х широт приводят к образованию субтропических поясов высокого давления, где ветры слабы и облачность незначительна. Примерно с 35-й и до 60-й широты располагаются зоны умеренного климата с чередованием сезонов года и явным преобладанием западного переноса, на фоне которого образуются знакомые нам атмосферные фронты, циклоны и антициклоны. По мере приближения к полюсам находится сначала область пониженного, а вблизи полюсов – повышенного давления.
Все зоны общей циркуляции отличаются поширотными зональными потоками воздуха, хотя вдоль меридианов также происходит перенос, но существенно менее активный.
Классификация разномасштабных атмосферных движений, установленная по мере развития метеорологии, привела к специализации исследований и различным подходам к решению практических и теоретических задач. Атмосферу теперь изучают физики, математики, химики, географы, и, хотя успехи в метеорологии кажутся более скромными, чем в других естественных науках, движение вперед несомненно.
Загрязнение городской окружающей среды
Город, особенно большой, представляет собой пространство, где окружающая среда претерпела изменения от воздействия людей. Здания и сооружения, промышленность, транспорт, хозяйственная деятельность в целом становятся факторами, влияющими на погоду. Так повелось с древнейших времен. "Я почувствовал перемену в настроении, лишь только покинул смрадный воздух Рима, воняющий дымными печами, изрыгающими отвратительные чад и сажу" (Сенека, начало новой эры…). Почти через 2000 лет законодатель современной архитектуры, сторонник строительства крупных мегаполисов Ле Корбюзье предупредил: "Большой город грозит нам катастрофой…".
Атмосферные движения – основная причина распространения загрязняющих веществ. Газообразные загрязнители переносятся с воздухом сами по себе, жидкие вещества превращаются в аэрозольные примеси, твердые переносятся в виде мелкой пыли. Перенос загрязнителей завершается их поглощением биосферой, живыми организмами, которые, в свою очередь, распространяют вредные вещества или накапливают их.
С начала 1960-х гг., когда в наш обиход вошло понятие "экология" (наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания), городская метеорология стала особой сложной самостоятельной проблемой. К тем же годам относится становление природоохранных мероприятий по стране в целом. Стало невозможным скрывать и умалчивать неблагополучное состояние воздушного бассейна и его негативное влияние на качество жизни. В послевоенные годы происходил рост промышленности и ее концентрация в определенных районах, но долгое время считалось, что загрязнения окружающей среды не происходит. Гидрометеорологической службе пришлось начинать новые виды работ по выявлению источников вредных выбросов, определению их состава, особенностей их распространения. Эти работы часто встречали сопротивление со стороны ведомственных и административных органов. Но к началу 1970-х гг. удалось разработать методы исследований, установить принципы регулирования хозяйственных воздействий, ввести, в частности, критерии опасности в виде предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных примесей в воздухе и воде.
Понятию ПДВ было дано следующее определение: "Предельно допустимый выброс – это научно-технический норматив, который устанавливается из условия, чтобы содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника или их совокупности не превышало норматив качества воздуха для населения, животноводства и растительного мира". Практическое внедрение разработок по охране атмосферы проходило медленно, но все же с 1980 г. ввели нормы выбросов для стационарных источников загрязнения. В перестроечные и последующие годы многие мероприятия по проблеме охраны окружающей среды замедлились или вообще были приостановлены.
На основе методических разработок и рекомендаций по стране в целом с 1968 г. в Ленинграде начали проводить контроль за загрязнением воздуха. Были организованы дополнительные посты наблюдений в разных районах города. Потребовались новые методы измерений, более тонкие приборы и инструменты, еще более тесные связи с физикой и химией. Непосредственными потребителями метеорологических данных стали медицина и здравоохранение. К сожалению, активная работа по антропогенному воздействию на воздушный бассейн Ленинграда проводилась только в период 1973-1979 гг., что недостаточно для надежных выводов и рекомендаций. Основные результаты состояли в следующем.
Были выявлены основные источники загрязнения. Как и следовало ожидать, ими оказались теплоэлектростанции, промышленные гиганты-заводы разных профилей – гордость Ленинграда, отопительные котельные и автотранспорт. Даже этого оказалось достаточно, чтобы сдержаннее восторгаться индустриальной мощью социалистического города, символом которой с середины 1920-х гг. были дымящие фабрично-заводские трубы. Измерения позволили количественно определить суммарные концентрации выбросов и их состав. Физико-химические методы анализа позволили установить множество вредных примесей, основными из которых оказались окислы серы и азота, окись углерода, взвешенные твердые частицы. Определение загрязнения – сложнейшая системная задача, зависящая от целого ряда факторов: режима работы предприятий, состава выбросов, высоты источников, качества топлива, существующих способов очистки. Очень неблагоприятно влияние автотранспорта. По измерениям в 1973-1977 гг. удалось определить годовой ход основных загрязняющих веществ. Концентрация пыли в городе достигает максимальных значений в апреле– июне, сернистого газа – с января по май, двуокиси азота – с февраля по май, содержание двуокиси углерода мало меняется в течение всего года.
Важным фактором уровня загрязнения является сама погода. При различном ее характере концентрации вредных веществ могут изменяться в десятки и даже сотни раз. Основные метеорологические элементы, влияющие на загрязнение: ветер, распределение температуры воздуха с высотой, осадки, туманы, дымки. При средних и сильных ветрах создаются благоприятные условия для очищения нижних слоев атмосферы над городом. Неоднозначно влияние направлений ветра: наибольшая повторяемость западных ветров не всегда способствует очищению, а связана с режимом источников на западе города. При их интенсивных выбросах западные ветра несут выбросы к историческому центру. Аналогично влияние и восточных умеренных и сильных ветров. Неблагоприятны в целом слабые ветра скоростью до 6 м/сек, особенно зимой.