Распространение ЗВ в атмосфере

Внутренние факторы миграции элементов в земной коре

1. Электростатические (кристаллизационные) свойства ионов. 2. Свойства связи соединений. 3. Химические свойства соединений. 4.Гравитационные свойства атомов.

2. 5. Радиоактивный распад ядер атомов.

Внешние факторы

1. Радиационные изменения среды. 2.Температура. 3. Давление. 4. Степень электролитической диссоциации. 5. Концентрация водородных ионов. 6. Окислительно-восстановительный потенциал. 7. Поверхностные силы природных коллоидных систем. 8. Окислительно-восстановительная обстановка, определяемая режимом серы и ксилорода (это в почве и литосфере). 9. Жизнедеятельность организмов. 10. Комплекс типоморфных элементов или ионов в почвах и водах. 11.Геоморфологические особенности.

Распространение ЗВ в атмосфере

Перенос веществ на большие расстояния, например, из северного полушария в южное, т.е. из мест наиболее интенсивной промышленной деятельности в места относительно менее нагруженные, происходит с воздушными потоками – ветрами. Ветра обусловлены общей циркуляцией атмосферы под действием разогрева воздуха солнцем. Определенный вклад в движение атмосферы вносит и вращение земли (кориолисово ускорение). Точность детального предсказания глобальных течений (предмет метеорологии) остается до сих пор невысокой.

В экваториальной области происходит «встреча» воздушных потоков северного и южного полушарий. Возникает внутритропическая зона конвергенции (ВЗК), где сталкиваются пассаты, дующие всегда в сторону экватора, что затрудняет распространение ЗВ из северного полушария в южное. Вот почему северное полушарие загрязнено больше, чем южное, особенно короткоживущими веществами (время жизни менее 1 года).

Одно предприятие не может функционировать без выбросов в атмосферу или сбросов в водоемы иди водотоки. Попадая в эти текучие Среды, вещества должны быть как можно быстрее и тщательнее перемешаны с принимающей средой, чтобы концентрация в регламентируемых точках не превышала нормативные (допустимые) значения. При этом используется свойство текучих сред переносить вещество и момент количества движения во всех направлениях (в т.ч. и против основного потока). Такое свойство движений, если они упорядочены, связано с конвекцией, а при больших интенсивностях в случае потери дальнего порядка - с турбулентностью.

Существуют три механизма, приводящие к уменьшению концентрации загрязняющих веществ в атмосфере:

1) уже названное выше рассеяние (путем конвективного и турбулентного) перемешивания выбросов в атмосфере;

2) деградация (трансформация), в результате химических и биохимических процессов;

3) иммобилизация, т.е. потеря подвижности 3В в результате физико-химических процессов адсорбции или биохимических процессов поглощения.

Известны три механизма рассеяния 3В в атмосфере:

• молекулярная диффузия;

• конвективная диффузия;

• турбулентная диффузия.

Молекулярная диффузия - самостоятельный вид переноса массы. Этот способ переноса может существовать и без конвекции или турбулентности. Он проявляется только на очень малых расстояниях. Поэтому можно с уверенностью сказать, что молекулярная диффузия в «чистом виде» не представляет интереса для описания переноса веществ от источников на расстояния, рассматриваемые при мониторинге.

Считается, что в переносе доминирует турбулентное движение и турбулентная диффузия ЗВ. Поэтому важной является характеристика процессов стратификации атмосферы величиной критерия Ричардсона Ri, который есть отношение факторов, стабилизирующих горизоньальное движение, к факторам, детабилизирующим его.

Процесс распространения выбросов в атмосфере происходит за счет адвективного их переноса воздушными массами и диффузии, обусловленной турбулентными пульсациями воздуха. Если наблюдать за дымовым факелом из заводской трубы, то, во-первых, замечается увлечение дымового факела потоком воздуха и, во-вторых, постепенное разбухание этого факела по мере удаления от источника вследствие мелкомасштабной турбулентности. В результате факел имеет форму вытянутого конуса, расширяющегося в направлении движения воздушных масс. Увеличиваясь под влиянием крупномасштабных турбулентных флуктуаций, факел распадается на изолированные вихревые образования, увлекаемые на большие расстояния от источника.

Если выбрасываемые в воздух примеси состоят из крупных частиц, то, распространяясь в атмосфере, они под действием силы тяжести начинают спускаться с определенной постоянной скоростью в соответствии с законом Стокса. Естественно, что почти все примеси в конечном итоге осаждаются на поверхности земли, причем тяжелые осаждаются в основном под действием гравитационного поля, а легкие - в результате диффузионного процесса. Гравитационный поток тяжелых частиц оказывается намного больше диффузионного, тогда как для легких примесей он практически несуществен. Поскольку наиболее опасны для окружающей среды примеси газообразного вида типа окислов, то именно таким легким соединениям следует уделять наибольшее внимание. Наряду с мелкомасштабной диффузией, размывающей факелы примесей, большое значение в теории распространения загрязнений имеют флуктуации скорости и направления ветра за длительный период времени (около года). За такой период воздушные массы, увлекающие примеси от источника, многократно меняют направление и скорость.

Итак, перенос загрязняющих субстанций в атмосфере осуществляется ветровыми потоками воздуха с учетом их мелкомасштабных флуктуаций. Осредненный поток субстанций, переносимых воздушными массами, как правило, имеет адвективную и конвективную составляющие, а осредненные флуктуационные их движения можно интерпретировать как диффузию на фоне основного осредненного движения, связанного с ним.

На рис. приведены случаи, возникающие при рассеянии шлейфов дымовых выбросов, в зависимости от характера плотностных и температурных стратификаций.

1. Нададиабатические условия расширения

газа (Ri <0) на всех высотах, полная устойчивость,

стабильный шлейф типа веера, когда рассеяние

по горизонтали происходит намного более интенсивно,

чем по вертикали.

2. Приподнятая инверсия над слоем нейтрального

состояния, шлейф имеет тенденцию прижиматься

к земле, создавая устойчивое загрязнение

в приземных слоях.

3. Неустойчивая стратификация или ветровая

турбулентность (задымленность или фумигация

приземного слоя).

4. Нейтральная стратификация во всем приземном

слое (конический шлейф), рассеяние происходит

с равной вероятностью как по вертикали, так и

по горизонтали.

5. Условия, когда в нижней части приземного слоя

Ri<0; выше нейтральной стратификации Ri=0 или

сверхадиабатические условия Ri>0; рассеяние вверх

происходит легче, чем вниз.

Предсказание распространения ЗВ осуществляется на основе моделирования процессов рассеяния веществ от источников:

Различают два вида моделирования: 1)физическое; 2)математическое.

Первое из названных требует создания физической модели – макета и изучения особенностей воздушных течений (обдувка макета в аэродинамической трубе). Хотя данный метод дает довольно точную картину распространения воздушных потоков и рассеяния примесей, он в последнее время используется редко, поскольку обладает двумя главными недостатками: 1)требует больших материальных затрат и времени; 2) не обеспечивает многовариантности без дополнительных существенных затрат. Последнее означает, что метод не позволяет исследовать простым путем влияние антропогенной эволюции ландшафтов на рассеяние загрязняющих веществ -

В последнее время наибольшее распространение получило математическое моделирование. Методы математического моделирования можно разделить на:

• детерминистические, предполагающие использование причинно-следственных уравнений, например, уравнений турбулентной диффузии;

• стохастические, основанные на применении методов теории вероятности, например, гауссовских распределений;

• комбинированные, когда используются детерминистические уравнения, а входящие в них величины вычисляются из вероятностных моделей (например, используется уравнение (1) с коэффициентами турбулентного переноса, ведущими себя в пространстве как случайные величины, подчиняющиеся распределению Гаусса).

(1)

где С – концентрация примеси; u_i - компоненты скорости перемещения воздуха по координатам (i = x,y,z); x_i - координаты, в зависимости от i, принимающие смысл x, y или z; А_i – коэффициенты турбулентного переноса (обмена); k – константа скорости химической реакции или процесса, в котором расходуется примесь.

Это уравнение турбулентной диффузии, или уравнение турбулентного рассеяния, имеет целью предсказание полей концентраций примесей (т.е. функций С(x,y,z,t)) в пространстве.

Все многообразие возможных ситуаций определяется начальными и граничными условиями, которые должны быть заданы заранее перед решением уравнения (1).

Уравнение позволяет при разных условиях выполнить прогноз рассеяния ЗВ в том числе и для легкой примеси, совершающей безынерционные движения совместно с элементами газового потока. С помощью уравнения можно учесть нестационарность, рассчитать поля концентраций вблизи источника особенно в условиях штиля, условия холмистой местности.

Согласно решению уравнения по рассеянию примеси из стационарного точечного источника, имеющего координаты (0,0,h), между концентраций примеси на уровне h по направлению ветра и расстоянием до источника существует обратно пропорциональная зависимость: С ~ х^-¹. В действительности, как установлено экспериментальным путем натурных испытаний, зависимость имеет более благоприятный характер: С ~ х^-^1,8.

Основная причина несоответствия между теорией и экспериментом состоит в принятии независимости коэффициентов турбулентной диффузии от координат. Если для предсказания коэффициентов турбулентного переноса используются соотношения теории вероятности, то приходят к комбинированным моделям.

Комбинированные модели

Сэттон (1932) использовал теорему Тэйлора о поведении частицы в изотропном турбулентном потоке и предполагая, что разброс частиц подчиняется нормальному распределению Гаусса, получил следующее решение для распространения примеси от стационарного точечного источника

(2)

где s_y и s_z - «виртуальные коэффициенты диффузии» вдоль отмеченных осей; n - число от 0 до 1, зависящее от профиля скорости ветра в приземном слое.

В настоящее время чаще используют следующую формулу для расчета рассеяния примеси из стационарного точечного источника:

(3)

где s_у², s_х² - горизонтальная и вертикальная составляющие дисперсии распределения примеси.

Некоторые замечания

· Если рассматривать рассеяние примеси из трубы, то надо иметь в виду, что так называемая эффективная высота источника, как уже говорилось, складывается из высоты трубы h и некоторой добавки - Dh. При этом величина Dh увеличивается с увеличением сил плавучести, т.е. с увеличением температуры выбросов, с увеличением расхода выбрасываемых газов и с уменьшением диаметра трубы при постоянном объемном расходе газов. Наоборот, эта величина уменьшается с увеличением скорости ветра и понижением слоя приподнятой инверсии.

· При анализе решений уравнений часто получают результат, когда скорость ветра входит в знаменатель. Скажем, концентрация на какой-то высоте оказывается обратно пропорциональной скорости ветра - С ~ u^-¹.В таких случаях во избежании нереального устремления С ®¥ необходимо помнить об изменении самих исходных уравнений при устремлении u к нулю. При этом необходимо сохранять члены, ответственные за нестационарность процесса или ограничиваться скоростями ветра не ниже 0,5 м/c, т.е. условиями, при которых пульсационные скорости становятся одного порядка с величиной u. Именно этим объясняется то, что на графиках С_мах ⁼ f (u) обычно наблюдается максимум приземной концентрации в районе скорости ветра u = 0,32 м/c, (т.н.опаснаяскорость ветра!).

· В соответствии со всеми моделями между величиной мощности источника выбросов М и приземными концентрациями С (х, у, 0) наблюдается прямая пропорциональность.