Распространение загрязнения воздуха в атмосфере Земли
Следующий план представлен в качестве обзора и тематического руководства по рассеиванию загрязнения воздуха: В науке об окружающей среде рассеивание загрязнения воздуха — это распределение загрязнения воздуха в атмосфере . Загрязнение воздуха — это введение частиц , биологических молекул или других вредных материалов в атмосферу Земли, вызывающее болезни , смерть людей, нанесение ущерба другим живым организмам, таким как продовольственные культуры, а также природная или искусственная среда . Загрязнение воздуха может происходить из антропогенных или естественных источников. Рассеивание относится к тому, что происходит с загрязнением во время и после его введения; понимание этого может помочь в его выявлении и контроле.
Визуализация плавучего гауссовского шлейфа рассеивания загрязняющих веществ в воздухе
Шлейф выбросов загрязняющих веществ в воздух – поток загрязняющих веществ в виде паров или дыма, выбрасываемый в воздух. Шлейфы имеют большое значение в моделировании атмосферной дисперсии загрязнения воздуха. Существует три основных типа шлейфов выбросов загрязняющих веществ в воздух :
Плавучие струи – струи, которые легче воздуха, потому что они имеют более высокую температуру и меньшую плотность , чем окружающий их воздух, или потому что они примерно той же температуры, что и окружающий воздух, но имеют меньшую молекулярную массу и, следовательно, меньшую плотность, чем окружающий воздух. Например, выбросы из дымовых труб промышленных печей являются плавучими, потому что они значительно теплее и менее плотные, чем окружающий воздух. В качестве другого примера, выброс метанового газа при температуре окружающего воздуха является плавучим, потому что метан имеет меньшую молекулярную массу, чем окружающий воздух.
Плотные газовые шлейфы – шлейфы, которые тяжелее воздуха, потому что они имеют большую плотность, чем окружающий воздух. Шлейф может иметь большую плотность, чем воздух, потому что он имеет большую молекулярную массу, чем воздух (например, шлейф углекислого газа ). Шлейф также может иметь большую плотность, чем воздух, если шлейф имеет гораздо более низкую температуру, чем воздух. Например, шлейф испаренного газообразного метана от случайного выброса сжиженного природного газа (СПГ) может быть холоднее -161 °C (-258 °F).
Пассивные или нейтральные струи – струи, которые не легче и не тяжелее воздуха.
Модели рассеивания загрязнения воздуха
Существует пять типов моделей рассеивания загрязнения воздуха, а также некоторые гибриды пяти типов: [1]
Модель ящика – Модель ящика является простейшим из типов моделей. [2] Она предполагает, что воздушный бассейн (т. е. заданный объем атмосферного воздуха в географическом регионе) имеет форму ящика. Она также предполагает, что загрязняющие вещества внутри ящика распределены однородно, и использует это предположение для оценки средней концентрации загрязняющих веществ в любом месте воздушного бассейна. Несмотря на свою полезность, эта модель весьма ограничена в своей способности точно предсказывать рассеивание загрязняющих веществ в воздушном бассейне, поскольку предположение о равномерном распределении загрязняющих веществ слишком просто.
Гауссова модель – Гауссова модель, возможно, является старейшей (около 1936 г.) [3] и, возможно, наиболее часто используемым типом модели. Она предполагает, что дисперсия загрязняющих веществ в воздухе имеет гауссовское распределение , что означает, что распределение загрязняющих веществ имеет нормальное распределение вероятностей. Гауссовы модели чаще всего используются для прогнозирования дисперсии непрерывных, плавучих шлейфов загрязнения воздуха, возникающих из наземных или возвышенных источников. Гауссовы модели также могут использоваться для прогнозирования дисперсии прерывистых шлейфов загрязнения воздуха (называемых моделями клубов ). Основным алгоритмом, используемым в гауссовском моделировании, является обобщенное уравнение дисперсии для непрерывного шлейфа с точечным источником . [4] [5]
Модель Лагранжа – модель дисперсии Лагранжа математически отслеживает пакеты загрязняющих веществ (также называемые частицами), когда пакеты движутся в атмосфере, и они моделируют движение пакетов как процесс случайного блуждания . Затем модель Лагранжа вычисляет дисперсию загрязнения воздуха, вычисляя статистику траекторий большого количества пакетов загрязняющих веществ. Модель Лагранжа использует движущуюся систему отсчета [6] , когда пакеты движутся из своего начального местоположения. Говорят, что наблюдатель модели Лагранжа следует вместе со шлейфом.
Модель Эйлера – модель дисперсии Эйлера похожа на модель Лагранжа тем, что она также отслеживает перемещение большого количества участков шлейфа загрязнения по мере их перемещения из своего начального местоположения. Самое важное различие между двумя моделями заключается в том, что модель Эйлера использует фиксированную трехмерную декартову сетку [6] в качестве системы отсчета, а не движущуюся систему отсчета. Говорят, что наблюдатель модели Эйлера наблюдает за проходящим шлейфом.
Модель плотного газа – Модели плотного газа – это модели, которые имитируют рассеивание плотных газовых шлейфов загрязнения (т.е. шлейфов загрязнения, которые тяжелее воздуха). Три наиболее часто используемые [ требуется ссылка ] [ сомнительно – обсудить ] модели плотного газа:
Модель HEGADAS разработана исследовательским подразделением Shell Oil . [9]
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу
Источник выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
Типы источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, названные по их характеристикам
Источники по форме – существует четыре основные формы, которые может иметь источник выбросов. Это:
Точечный источник – одиночный, идентифицируемый источник выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (например, выбросы из дымовой трубы топочной печи). Точечные источники также характеризуются как находящиеся на возвышении или на уровне земли. Точечный источник не имеет геометрических размеров.
Линейный источник – одномерный источник выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (например, выбросы от движения автотранспорта по проезжей части).
Площадный источник – двумерный источник диффузных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (например, выбросы от лесного пожара , свалки или испаряющиеся пары от большого разлива летучей жидкости).
Объемный источник – трехмерный источник диффузных выбросов загрязняющих веществ в воздух. По сути, это площадной источник с третьим (высотным) измерением (например, неконтролируемые газообразные выбросы из фланцев трубопроводов , клапанов и другого оборудования на разных высотах в пределах промышленных объектов, таких как нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы). Другим примером могут служить выбросы из автомобильного покрасочного цеха с несколькими вентиляционными отверстиями на крыше или несколькими открытыми окнами.
Мобильный источник – автобусы являются примерами мобильных источников.
Источники по уровню урбанизации — важно, находится ли источник в городе или нет, поскольку городские районы образуют так называемый тепловой остров , а тепло, поднимающееся из городской местности, делает атмосферу над городской территорией более турбулентной, чем атмосфера над сельской местностью.
Городской источник – выбросы находятся в городской местности.
Сельский источник – выбросы находятся в сельской местности.
Источники, по высоте
Поверхностный или наземный источник
Источник вблизи поверхности
Возвышенный источник
Источники, по продолжительности
Источник клубов дыма или прерывистый источник – кратковременные источники (например, многие случайные выбросы представляют собой кратковременные клубы дыма)
Постоянный источник – долгосрочный источник (например, большинство выбросов дымовых газов являются непрерывными)
Характеристика атмосферной турбулентности
Влияние турбулентности на дисперсию – турбулентность увеличивает захват и смешивание незагрязненного воздуха в шлейфе и тем самым снижает концентрацию загрязняющих веществ в шлейфе (т. е. усиливает дисперсию шлейфа). Поэтому важно классифицировать количество атмосферной турбулентности, присутствующей в любой момент времени. Этот тип дисперсии зависит от масштаба. [10] Таким образом, для потоков, где облако загрязняющих веществ меньше, чем самые большие присутствующие вихри, будет смешивание. Нет ограничений на размер перемешивающих движений в атмосфере, и поэтому большие облака будут испытывать более крупные и сильные перемешивающие движения. И, следовательно, этот тип дисперсии зависит от масштаба.
Классы атмосферной устойчивости Паскуилла
Классы атмосферной устойчивости Паскуилла – старейший и в течение многих лет наиболее часто используемый метод категоризации количества присутствующей атмосферной турбулентности – метод, разработанный Паскуиллом в 1961 году. [11]
Он разделил атмосферную турбулентность на шесть классов устойчивости, названных A, B, C, D, E и F, где класс A является наиболее нестабильным или наиболее турбулентным классом, а класс F – наиболее стабильным или наименее турбулентным классом.
В таблице 1 перечислены шесть классов.
Таблица 2 содержит метеорологические условия, которые определяют каждый класс. Классы устойчивости демонстрируют несколько ключевых идей. Солнечное излучение увеличивает атмосферную нестабильность за счет нагревания поверхности Земли, так что теплый воздух находится под более холодным (и, следовательно, более плотным) воздухом, способствуя вертикальному перемешиванию. Ясные ночи подталкивают условия к стабильности, поскольку земля остывает быстрее, устанавливая более стабильные условия и инверсии. Ветер усиливает вертикальное перемешивание, разрушая любой тип стратификации и подталкивая класс устойчивости к нейтральному (D). [12]
Таблица 1: Классы устойчивости по Паскуиллу
Таблица 2: Метеорологические условия, определяющие классы устойчивости по Паскуиллу
Расширенные методы классификации атмосферной турбулентности
Расширенные модели дисперсии загрязнения воздуха – они не классифицируют атмосферную турбулентность, используя простые метеорологические параметры, обычно используемые при определении шести классов Паскуилла, как показано в Таблице 2 выше. Более продвинутые модели используют некоторую форму теории подобия Монина-Обухова . Вот некоторые примеры:
AERMOD [17] – самая передовая модель Агентства по охране окружающей среды США, больше не использует классы устойчивости Паскуилла для категоризации атмосферной турбулентности. Вместо этого она использует длину шероховатости поверхности и длину Монина–Обухова .
ADMS 4 [18] – самая передовая модель Великобритании , использует длину Монина-Обухова, высоту пограничного слоя и скорость ветра для классификации атмосферной турбулентности.
Разная другая терминология
(Работа над этим разделом постоянно продолжается)
Эффекты зданий или нисходящий поток : когда шлейф загрязнения воздуха обтекает близлежащие здания или другие сооружения, турбулентные вихри образуются на подветренной стороне здания. Эти вихри заставляют шлейф из источника дымовой трубы, расположенного примерно в пятикратной высоте близлежащего здания или сооружения, опускаться на землю гораздо раньше, чем если бы здания или сооружения не было. Эффект может значительно увеличить результирующие концентрации загрязняющих веществ на уровне земли ниже по течению от здания или сооружения. Если загрязняющие вещества в шлейфе подвержены истощению при контакте с землей ( например, твердые частицы ), увеличение концентрации сразу за зданием или сооружением приведет к снижению концентраций далее по течению.
Осаждение компонентов загрязняющего шлейфа на подстилающую поверхность можно определить как сухое или влажное осаждение:
Сухое осаждение представляет собой удаление газообразного или дисперсного материала из шлейфа загрязнения путем контакта с поверхностью земли или растительностью (или даже водными поверхностями) посредством процессов переноса, таких как абсорбция и гравитационное осаждение . Это можно рассчитать с помощью скорости осаждения , которая связана с сопротивлением подстилающей поверхности переносу.
Мокрое осаждение представляет собой удаление компонентов шлейфа загрязнения под действием дождя. Мокрое осаждение радионуклидов в шлейфе загрязнения под действием проливного дождя часто образует так называемые горячие точки радиоактивности на подстилающей поверхности.
Инверсионные слои : [5] Обычно воздух у поверхности Земли теплее, чем воздух над ней, потому что атмосфера нагревается снизу, поскольку солнечное излучение нагревает поверхность Земли, которая, в свою очередь, нагревает слой атмосферы непосредственно над ней. Таким образом, температура атмосферы обычно понижается с увеличением высоты. Однако при определенных метеорологических условиях могут образовываться атмосферные слои, в которых температура увеличивается с увеличением высоты. Такие слои называются инверсионными слоями. Когда такой слой образуется у поверхности Земли, он называется поверхностной инверсией . Когда инверсионный слой образуется на некотором расстоянии над землей, он называется инверсией наверху (иногда ее называют покрывающей инверсией ). Воздух внутри инверсии наверху очень стабилен с очень небольшим вертикальным движением. Любая поднимающаяся порция воздуха внутри инверсии вскоре расширяется, тем самым адиабатически охлаждаясь до более низкой температуры, чем окружающий воздух, и порция перестает подниматься. Любая опускающаяся порция вскоре адиабатически сжимается до более высокой температуры, чем окружающий воздух, и порция перестает опускаться. Таким образом, любой шлейф загрязнения воздуха, который входит в инверсию наверху, будет испытывать очень мало вертикального перемешивания, если только у него нет достаточного импульса , чтобы полностью пройти через инверсию наверху. Это одна из причин, по которой инверсию наверху иногда называют покрывающей инверсией.
Высота смешивания : [5] Когда формируется инверсия наверху, атмосферный слой между поверхностью Земли и дном инверсии наверху известен как слой смешивания , а расстояние между поверхностью Земли и дном инверсии наверху известно как высота смешивания . Любой шлейф загрязнения воздуха, рассеивающийся под инверсией наверху, будет ограничен в вертикальном смешивании тем, что происходит под дном инверсии наверху (иногда называемой крышкой ) . Даже если шлейф загрязнения проникает в инверсию, он не подвергнется дальнейшему значительному вертикальному смешиванию. Что касается шлейфа загрязнения, полностью проходящего через слой инверсии наверху, это случается редко, если только исходная труба шлейфа загрязнения не очень высокая, а крышка инверсии не довольно низкая.
Смотрите также
Модели рассеивания загрязнения воздуха
ADMS 3 (Система моделирования атмосферной дисперсии) – усовершенствованная модель рассеивания атмосферных загрязнений для расчета концентраций атмосферных загрязняющих веществ, выбрасываемых как непрерывно из точечных, линейных, объемных и площадных источников, так и периодически из точечных источников.
^ ab Особенности моделей рассеивания Архивировано 2012-12-18 в archive.today публикация Европейского союза Объединенного исследовательского центра (JRC)
^ Техническое руководство и руководство пользователя DEGADIS (сайт для загрузки Агентства по охране окружающей среды США)
^ UCRL-MA-105607, Руководство пользователя для плит: Модель атмосферной дисперсии для выбросов плотнее воздуха, Дональд Эрмак, июнь 1990 г.
^ "Техническое справочное руководство HEGADIS" (PDF) .
^ Уолтон, Джон (апрель 1973 г.). «Диффузия, зависящая от масштаба». Журнал прикладной метеорологии . 12 (3): 548. Bibcode :1973JApMe..12..547W. doi : 10.1175/1520-0450(1973)012<0547:sdd>2.0.co;2 .
^ Паскуилл, Ф. (1961). Оценка рассеивания переносимого ветром материала , The Meteorological Magazine, т. 90, № 1063, стр. 33-49.
^ Pasquill, F. (февраль 1961 г.). «Оценка рассеивания переносимого ветром материала». Meteorological Magazine . 90 : 33–49.
^ Seinfeld, John (2006). Атмосферная химия и физика: от загрязнения воздуха до изменения климата . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc. стр. 750. ISBN978-0-471-72018-8.
^ ab "Классы устойчивости Паскуилла". NOAA .
^ ab Седефян, Леон; Беннетт, Эдвард (1980). "Сравнение схем классификации турбулентности". Atmospheric Environment . 14 (7): 741–750. Bibcode : 1980AtmEn..14..741S. doi : 10.1016/0004-6981(80)90128-6.
.svg/1280px-Gaussian_Plume_(SVG).svg.png)
