Текст книги "Несчастья невских берегов. Из истории петербургских наводнений"

Мы представляем себе атмосферу Земли как беспокойную среду, находящуюся в непрерывном движении. Строго говоря, ничто в этом мире не остается в покое. Но движения воздуха и воды представляются особенно естественными, какими-то сами собой разумеющимися. Также интуитивно мы предполагаем, что существуют какие-то силы, под влиянием которых эти движения совершаются. Но для изучения этих сил интуиции недостаточно. Требуется обратиться к основным физическим законам и выяснить, что это за силы, каковы их особенности, каким образом они действуют на метеорологические элементы, какими величинами они выражаются.

Сила тяжести – действует по закону всемирного тяготения Ньютона. Она вездесуща: любая пушинка, каждая материальная частичка, яблоко, упавшее на голову Ньютона (легенда или быль?) – все без исключения притягивается к центру Земли пропорционально массам частиц и обратно пропорционально квадрату расстояний между ними. Физики относят силу тяжести к массовой (объемной) силе, действующей на единицу массы любого вещества, независимо от того, находятся ли рядом другие частицы. Метеорологи уточняют – в том числе и на единицу массы воздуха. А сила на единицу массы есть ускорение этой силы. По известным значениям массы Земли и ее радиуса вычислили ускорение силы тяжести (ускорение силы земного притяжения, ускорение свободного падения), оказавшееся равным 9,8 м/сек2. Оно несущественно зависит от географической широты и высоты места.

Движение воздуха совершается на вращающейся Земле, то есть в системе координат, движущейся с ускорением. Планета вращается вокруг собственной оси, совершая полный оборот за сутки, благодаря чему у нас происходит смена дня и ночи. Вращается Земля и вокруг Солнца, совершая полный оборот за год, благодаря чему у нас меняются времена года. Два вида вращения известны нам со школьных лет. Правда, не столь известен и менее привычен тот факт, что годовое вращение совершается со скоростью 30 км/сек. Так и летим мы все в мировом пространстве стремительно и легко, совершенно того не замечая…

Важнейшее, с точки зрения динамической метеорологии, вращение Земли вокруг своей оси означает неизбежное появление дополнительных массовых – инерционных – сил, действующих на частицы воздуха. По направлению радиуса вращения появляется центробежная сила, ускорение которой на полюсах равно нулю, поскольку полюса лежат на оси вращения. На экваторе центробежная сила заметна, но и там ее ускорение в сотни раз меньше ускорения силы тяжести, составляя примерно 0,03 м/сек2. Поэтому в атмосферных движениях центробежной силой позволительно пренебречь. Она лишь очень незначительно увеличивает силу тяжести на полюсах по сравнению с экватором.

Для метеорологических движений вращение Земли не проходит даром. И не только для метеорологических. Оно – вращение – обусловливает появление новой массовой силы, действующей на любое движение любых объектов – пешеходов, поездов, ракет, снарядов, течений рек и, конечно, воздушных потоков. Сила в какой-то мере таинственная, можно даже сказать, коварная. Пока объект неподвижен, она не дает о себе знать. Это видно из математического выражения этой силы, куда сомножителем входит скорость движения объекта. Объект в покое, его скорость – нулевая, и силы – нет, она затаилась. Формула силы не потребовала бы стольких слов, но, следуя принципу «без математики», не станем ее приводить. Она – формула – известна каждому школьнику, кажется, с 6-7 классов. Но и словесное определение этой силы также просто – она равна произведению четырех величин: коэффициента 2, угловой скорости вращения Земли (один полный оборот в радианах равен 6,28, в сутках содержится 86 400 секунд), синуса географической широты и скорости движения объекта. Формул писать не будем, но некоторые цифры и простейшие вычисления все же приведем. Удвоенная угловая скорость равна 0,000146 1/сек, синус широты Петербурга равен 0,866 (события происходят здесь), скорость движения равна 1,5 м/сек или почти 5,5 км/ч, что вполне под силу обычному здоровому петербуржцу. Получаем ускорение таинственной силы для скорости пешехода на нашей широте приблизительно: 0,00019 м/сек2. Величина, прямо скажем, мизерная. Пешеход такого ускорения не ощущает. Но для частиц воздуха она существенна и, главное, сравнима с другими силами.

Пора назвать изучаемую силу. Это – отклоняющая сила вращения Земли, или кориолисова сила. Кориолис, Гюстав Гаспар (1792—1843), французский физик и инженер. В 1829 г. показал, что на относительное движение объекта влияет вращение системы отсчета. Разработал теорию относительного движения. В 1920– 1930-х гг. многие ученые – историки науки – доказывали, что влияние отклоняющей силы открыл еще в 1743 г. соотечественник Кориолиса, физик Клеро (1713—1865). Были предложения называть отклоняющую силу именем Клеро или, по крайней мере, силой Клеро– Кориолиса. Предложения не привились. Кроме того, отклоняющую силу вращения Земли иногда называют эффектом Кориолиса, поскольку в строгом физическом смысле этот феномен собственно силой не является.

Итак, на движение воздуха влияют две массовые силы: тяжести и кориолисова. Имеют место также поверхностные силы, действующие между частицами воздуха. Основной из них, приводящей в движение воздушные массы, является сила барического градиента. Она действует перпендикулярно – по нормали – к изобарам (линиям равного атмосферного давления), действует в сторону уменьшения давления и рассчитывается по разности давления в двух точках, деленной на расстояние между точками. Выражается в миллибарах или миллиметрах ртутного столба на 1 градус дуги меридиана (111,2 км) или, для простоты на 100 км. Имеет порядок 0,0001, сравнимый с силой Кориолиса, что очень важно.

Другая поверхностная сила – сила трения, возникающая между частицами или слоями воздуха, которые движутся с разными скоростями. Она пропорциональна изменению скорости по нормали к движению. Эта сила стремится затормозить потоки и сравнять скорости соседних слоев воздуха. Поскольку в атмосфере преобладают беспорядочные – турбулентные – движения больших объемов воздуха, взаимодействующих между собой, то сила трения способствует обретению потоками некой средней скорости. Силу трения называют также силой турбулентного трения или силой турбулентной вязкости. Понятно, что она особенно существенна в пограничном и приземном слоях атмосферы, где из-за различных свойств подстилающей поверхности наиболее выражены беспорядочность и различие скоростей движения. Интенсивность турбулентности изменяется в очень широких пределах, она в тысячи раз превышает интенсивность безвихревых – ламинарных – движений.

Наличием нескольких сил в атмосфере и множеством связей между ними объясняются прежде всего сложности изучения атмосферных процессов и трудности их предсказания. Астрономические явления, подверженные действию одной силы, изучаются и предсказываются проще и точнее, чем в метеорологии. Там, в престижном ныне космосе, властвует только сила всемирного тяготения. Там объекты представляются материальными точками. Там нет необходимости принимать гипотезу сплошной среды. Поэтому движения планет, лунные и солнечные затмения, расположение созвездий рассчитаны практически точно и на много-много лет вперед.

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.

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…».[182]182
  Архитектура XX века. М., 1977.


[Закрыть]

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.

Влияние температуры воздуха на рассеяние примесей зависит от знака температурного градиента с высотой. Его принято считать положительным при убывании температуры с высотой и отрицательным при обратном ходе. В приземном слое атмосферы градиенты неустойчивы, изменяясь в течение года и в течение суток. Когда температура с высотой понижается примерно на 1 градус на 100 м – безразличное состояние приземного слоя атмосферы – появляется тенденция к перемешиванию воздуха по вертикали. Такое состояние способствует рассеянию различных примесей. В отношении загрязнения опасны температурные инверсии, когда градиенты отрицательны и температура воздуха растет с высотой. Такие условия создаются при значительном охлаждении земной поверхности, а именно в ночные часы летом и зимой почти в любое время суток. Плотный холодный воздух, в котором концентрируются вредные примеси, устойчиво залегает у земли и препятствует вертикальному перемешиванию. Таковы приземные инверсии.

Бывают и приподнятые, когда инверсии образуются на высотах до 2 км. Повторяемость инверсий в наших условиях по многолетним измерениям достигает 80%. Приземные инверсии преобладают летом в ночные и утренние часы, способствуя загрязнению воздуха от низко расположенных источников. Приподнятые инверсии часты в утренние и дневные часы в любое время года, что создает опасность скопления примесей от высоких источников – труб. Наибольшая опасность загрязнения воздуха возникает при сочетании инверсии с безветрием.

Туманы, дымки и осадки существенно влияют на чистоту воздуха. Туманы не только повышают загрязненность, но и меняют состав и концентрацию примесей. Например, весьма распространенная примесь – сернистый газ, растворяясь в каплях тумана, образует более токсичную серную кислоту. Почти все туманы в городе наблюдаются при безветрии и слабых ветрах, а половина туманов происходят при инверсиях. Всем известны ссылки на пагубное воздействие на здоровье людей знаменитого «лондонского смога». Но «смог» в Ленинграде-Петербурге будто и не встречается… Впрочем, еще с 1975 г. наиболее крупные предприятия-загрязнители городского воздуха предупреждались прогнозами неблагоприятных метеорологических условий, в течение которых выбросы следовало прекратить или хотя бы ограничить. При осадках создаются условия, понижающие уровень загрязнения на несколько часов после их прекращения. Трудности изучения проблемы состоят еще и в том, что различные факторы действуют в сочетании и нередко в противоположных направлениях.

Стрелка Васильевского острова в тумане.

В настоящее время трудно определить состояние вопроса об охране окружающей среды в Петербурге. Систематические исследования, похоже, не проводятся, во всяком случае, гидрометеослужбой. Научные статьи с результатами измерений и обобщениями не публикуются. Но существует комитет по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности, который время от времени организует пресс-конференции с привлечением журналистов. По итогам 2006 г. оказалось, что на каждого петербуржца выпал 60-килограммовый мешок пыли. Загрязненность перешла из категории «повышенная» в категорию «высокая», несмотря на сокращение промышленных выбросов из-за спада производства. Зато очень возросла загрязненность от автотранспорта, достигшая 80% от всех вредных веществ. Такова плата за рост благосостояния. Предлагается развить общественный транспорт, установить плату за проезд в историческом центре города, использовать лучшие сорта бензина. Но чем бензин лучше, тем он дороже… От проблем и вопросов никуда не деться… По жалобам горожан обнаружили более 800 нарушений законодательства по охране окружающей среды.

Очень сложно с водой, особенно летом и особенно при жаре выше 25°, как в первой половине августа 2007 г. В аккурат с Ильина дня, когда Боженька, по примете, опустил льдинку в воду, запрещая купаться, на целых две недели пошла жара до 32°. А большинство водоемов и бассейнов в городе, пригородах и окрестностях для купания не годятся из-за неочищенных сбросов, близости свалок и автомобильных стоянок. В холодное лето и в мягкую «сиротскую» зиму условия очищения водоемов и, в частности, Невской губы наиболее благоприятны. При слабых западных ветрах в губе происходит накопление загрязнений, при сильных – наоборот, вентиляция улучшается. Активнее происходит очищение при подъемах уровня воды. Но их влияние неодинаково у северного и южного берегов. Нагон лучше очищает воду в районе Петергофа, а вблизи Ольгина и Лисьего Носа качество воды даже ухудшается. Усилиями «Водоканала» и Центра исследования и контроля воды удается поддерживать на должном уровне городское водоснабжение, вводить новые очистные мощности, совершенствовать технологии, соответствующие требованиям Всемирной организации здравоохранения.