Рассеивание примесей в атмосферном воздухе
Поведение загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, цели и задачи моделирования загрязнения атмосферного воздуха
Процессы распространения примесей в атмосферном воздухе представляют интерес для многих видов человеческой деятельности. Так, в 1950-1960-е годы XX века в исследования в этой области были вложены колоссальные средства, были выполнены крупномасштабные натурные измерения, как в США, так и в СССР. По результатам этих исследований были разработаны первые модели, позволяющие получить информацию о том, как загрязняющие вещества распространяются в атмосферном воздухе.
В настоящее время, по крайней мере, в Российской Федерации в качестве важнейшего приложения результатов подобных исследований являются задачи прогнозирования заражения территории при аварийных выбросах ядовитых веществ.
Отметим, что на данный момент, нет сколько-нибудь общепринятой модели распространения примесей в атмосфере. Это объективно обусловлено сложностью и разнообразием процессов, происходящих в атмосферном воздухе, а также субъективными факторами.
В настоящее время, по крайней мере, в Российской Федерации в качестве важнейшего приложения результатов подобных исследований являются задачи прогнозирования заражения территории при аварийных выбросах ядовитых веществ.
Отметим, что на данный момент, нет сколько-нибудь общепринятой модели распространения примесей в атмосфере. Это объективно обусловлено сложностью и разнообразием процессов, происходящих в атмосферном воздухе, а также субъективными факторами.
Рассеивание выбросов загрязняющих веществ в атмосфере
Рассеивание выбросов загрязняющих веществ в атмосфере – это самый простой (но неидеальный) способ достижения нормативов, используемый в настоящее время. Если говорить упрощенно, то основная цель рассеивания - "забросить" загрязняющие вещества как можно выше в атмосфере для того, чтобы они под воздействием ветра распространились на как можно большей площади. Чем больше площадь рассеивания некоторого объема примеси в атмосфере, тем меньшая концентрация вещества будет формироваться у земли.
Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб промышленных выбросов подчиняется законам турбулентной диффузии. На рисунке ниже показан процесс распространения загрязняющего вещества в атмосфере от организованного источника загрязнения.
Так, по мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов концентрация вредностей в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигает максимума и затем медленно убывает, что позволяет говорить о наличии трех зон неодинакового загрязнения атмосферы:
Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении. Рассмотрим влияние различных климатических условий на рассеивание выбросов в атмосфере.
- зона переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы; Внутри зоны переброса факела высокие концентрации загрязняющих веществ имеют место за счет неорганизованных выбросов.
- зона задымления - зона максимального содержания вредных веществ
- зона постепенного снижения уровня загрязнения.
Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении. Рассмотрим влияние различных климатических условий на рассеивание выбросов в атмосфере.
Влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере
Метеоусловия оказывают существенное влияние на перенос и рассеивание примесей в атмосфере. Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурная стратификация), осадки, туманы и солнечная радиация.
Влияние ветра на распространение примесей в атмосфере
Ветер может оказывать различное влияние на процесс рассеивания примесей в зависимости от типа источника загрязнения и характеристики выбросов. Если отходящие газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Такой подъем ещё называют подъемом шлейфа. Подъем шлейфа обусловливает уменьшение концентраций примесей у земли.
Концентрация убывает и при очень сильных ветрах, однако это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном направлении. В результате наибольшие концентрации примесей в приземном слое формируются при некоторой скорости, которую называют "опасная".
При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (0—1 м/с) вследствие скопления примесей в приземном слое.
Прямое влияние на загрязнение воздуха в городе оказывает направление ветра. Существенное увеличение концентрации примеси наблюдается тогда, когда преобладают ветры со стороны промышленных объектов.
При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (0—1 м/с) вследствие скопления примесей в приземном слое.
Прямое влияние на загрязнение воздуха в городе оказывает направление ветра. Существенное увеличение концентрации примеси наблюдается тогда, когда преобладают ветры со стороны промышленных объектов.
Подъем шлейфа
Создается впечатление, что выброс загрязняющего вещества начинается с некоторой высоты над устьем источника загрязнения
Влияние температуры на распространение примесей в атмосфере
Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые струи воздуха поднимаются, а взамен их опускаются холодные. Такие условия называются конвективными. Вместе с этим, встречается и прямо противоположное явление - температура окружающего воздуха может повышаться с высотой. Если вертикальный градиент температуры будет отрицательным (температура возрастает с высотой), то вертикально поднимающийся поток становится холоднее окружающих масс и его движение затухает. Такие условия называются инверсионными. Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхности земли, инверсию называют приземной, если же с некоторой высоты над поверхностью земли — приподнятой.
Приземная инверсия
Инверсии затрудняют вертикальный воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере.
Для состояния атмосферы в городах наибольшую опасность представляет приземная инверсия в сочетании со слабыми ветрами, т.е. ситуация "застоя воздуха".
В крупных городах формируется свой микроклимат, существенно меняются аэродинамические, радиационные, термические и влажностные характеристики атмосферы. Выделение в городах большого количества тепла, изменение газового и аэрозольного состава воздуха приводят к повышению температуры воздуха и образованию так называемых "островов тепла». Повышение температуры над крупным городом по сравнению с температурой окружающей местности может наблюдаться до высоты в несколько сотен метров
Влияние осадков на распространение примесей в атмосфере
Осадки очищают воздух от примесей. После длительных интенсивных осадков высокие концентрации примесей в атмосфере практически не наблюдаются.
Туманы на содержание загрязняющих веществ в атмосфере влияют следующим образом. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях тумана приводит к образованию серной кислоты.
Туманы на содержание загрязняющих веществ в атмосфере влияют следующим образом. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях тумана приводит к образованию серной кислоты.
Приземная инверсия
Влияние солнечной радиации на распространение примесей в атмосфере
Солнечная радиация обусловливает фотохимические реакции в атмосфере с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выбросов.
Также, под влиянием солнечной радиации в атмосфере протекают процессы химической трансформации примесей. Это процесс формирования вторичных загрязнителей. Наиболее ярким примером вторичного загрязнителя атмосферы является формальдегид (CH2O).
Так, на основании многолетних наблюдений за состоянием воздушного бассейна было установлено, что вклад антропогенных источников загрязнения в концентрацию формальдегида в атмосфере невелик, однако в теплый период года (поздней весной и летом) наблюдается рост концентраций формальдегида. Происходит это по следующей причине: в атмосферном воздухе непрерывно происходят химические реакции, заканчивающиеся образованием формальдегида, чему способствуют метан (CH4) и наличие катализаторов, например, оксидов азота.
Так, на основании многолетних наблюдений за состоянием воздушного бассейна было установлено, что вклад антропогенных источников загрязнения в концентрацию формальдегида в атмосфере невелик, однако в теплый период года (поздней весной и летом) наблюдается рост концентраций формальдегида. Происходит это по следующей причине: в атмосферном воздухе непрерывно происходят химические реакции, заканчивающиеся образованием формальдегида, чему способствуют метан (CH4) и наличие катализаторов, например, оксидов азота.
Влияние этих и других факторов на рассеивание примесей в атмосфере можно описать математически и, при необходимости, включить в модели.
