УДК 502 - Московский государственный университет

УДК 502.3
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАССЕИВАНИЯ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ
ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ
О.В. Сумарукова, ст. преподаватель кафедры Общей и инженерной экологии.
О.В. Кольцова, аспирантка кафедры Общей и инженерной экологии.
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства».
г. Москва, Россия
Т.Р. Хафизов, студент МИЭТ факультета ЭТМО.
В данной работе рассмотрено влияние солнечной энергии на климат нашей планеты,
условия рассеивания солнечных лучей в атмосфере, свойства атмосферы, ее влияние на
погоду, а также как метеорологические условия определяют состояние атмосферы. Сделан
вывод о том, что примеси в атмосфере распределяются посредством конвекции,
движущей силой которой является градиент давления. Свой вклад вносит и вращение
Земли, так как возникает ускорение Кориолиса.
Теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей распространения
примесей от источников загрязнения атмосферы является основой для развития методов
прогноза загрязнения воздуха, которое состоит из двух направлений. Первое направление
включает разработку теории атмосферной диффузии на основе математического описания
распределения примесей с помощью решения уравнения турбулентной диффузии. Другое
направление связано в основном с эмпирико-статистическим анализом распространения
загрязняющих веществ в атмосфере и использованием для этой цели интерполяционных
моделей, в основном, гауссовского типа.
Нами в данной работе приведены уравнения атмосферной диффузии, где были
учтены следующие факторы: начальный подъем примесей, аномальное распределение
скорости ветра с высотой, диффузия при штиле, влияние стратификации на начальный
подъем примеси, приземная инверсия температуры, туманы и смоги, а также рельеф
города. Результаты сопоставлены с другими методиками, в частности с ОНД-86.
The summary
In the given work influence of a solar energy on a climate of our planet, a condition of
dispersion of solar beams in an atmosphere, properties of an atmosphere, its influence on
weather and also as meteorological conditions define a condition of an atmosphere is considered.
It is drawn a conclusion that impurity in an atmosphere are distributed by means of convections
which motive power is the gradient of pressure. The contribution brings also rotation of the Earth
as there is acceleration Coriolius.
Theoretical and experimental studying of laws of distribution of impurity from sources of
pollution of an atmosphere is a basis for development of methods of the forecast of air pollution
which consists of two directions. The first direction includes development of the theory of
atmospheric diffusion on the basis of the mathematical description of distribution of impurity by
means of the decision of the equation of turbulent diffusion. Other direction is connected
basically with the statistical analysis of distribution of polluting substances in an atmosphere
with use for this purpose интерполяционных models basically gauss type.
By us in the given work are resulted on the equation of atmospheric diffusion where following
factors have been considered: initial rise of impurity, abnormal distribution of speed of a wind
with height, diffusion at a calm, influence of stratification on initial rise of an impurity, ground
inversion of temperature, fogs also can, and also a relief of city. Results are compared to other
techniques, in particular with OND-86.
Проблема охраны окружающей среды и ее восстановление становится одной из
важнейших задач науки, развитие которой стимулируется все возрастающими темпами
технического прогресса во всех странах мира. Бушующее развитие промышленности
способствовало появлению перед человечеством острой проблемы – сохранение
экологических систем, которые исторически сформировались на нашей планете.
В последние десятилетия экологические системы испытают значительное влияние
природных и, в особенности, антропогенных факторов, изменяясь в нежелательном для
человечества направлении. Поэтому прогноз изменения экологических систем вследствие
указанных причин является актуальной задачей, решение которой состоит из двух этапов:
а) исследование процесса загрязнение окружающей среды выбросами отходов
промышленных предприятий и вследствие катастрофических явлений антропогенного и
природного происхождение;
б) оценки влияния вредных загрязнений на ноосферу.
Уже в наше время благодаря исследованиям физики Солнца, изучению
межпланетной среды и высоких слоев земной атмосферы, а также многочисленным
специальным исследованиям климата и погоды этот вопрос несколько прояснился.
Активное излучение Солнца, воздействуя на высокие слои атмосферы, существенным
образом влияет на общую циркуляцию воздушных масс. Следовательно, оно отражается
на погоде и климате всей Земли. По-видимому, возмущения, возникающие в верхних
слоях воздушного океана, передаются в его нижние слои — тропосферу. При полетах
искусственных спутников Земли и метеорологических ракет были обнаружены
расширения и уплотнения высоких слоев атмосферы: воздушные приливы и отливы,
подобные океаническим. Однако механизм взаимосвязи высоких и низких слоев
атмосферы полностью еще не удалось раскрыть. Бесспорно, что в годы максимума
солнечной активности чрезвычайно усиливается общая циркуляция атмосферы, чаще
происходят столкновения теплых и холодных течений воздушных масс [1].
Конвекция — явление переноса теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах
потоками самого вещества (неважно, вынужденно или самопроизвольно). Естественная
конвекция возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в
поле тяготения. При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются, становятся
легче и всплывают вверх, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и
погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых
условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и
получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек [2].
Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе,
образование облаков.
Благодаря своим свойствам примеси в атмосфере распределяются посредством
конвекции, движущей силой которой является градиент давления. Тут свой вклад вносит и
вращение Земли, так как возникает ускорение Кориолиса. Ускорение Кориолиса – это
ускорение относительно поверхности Земли, испытываемое любым движущимся телом
вследствие того, что вращающаяся Земля не является инерциальной системой координат.
Теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей распространения
примесей от источников загрязнения атмосферы является основой для развития методов
прогноза загрязнения воздуха, которое состоит из двух направлений.
Первое направление включает разработку теории атмосферной диффузии на
основе математического описания распределения примесей с помощью решения
уравнения турбулентной диффузии [3-7]. В теории атмосферной диффузии изучается
распространение примесей в воздухе. Одной из важнейших практических проблем,
стоящих перед теорией атмосферной диффузии, является вопрос о загрязнении воздуха
промышленными предприятиями и транспортом, в первую очередь о загрязнении воздуха
в городах. При отсутствии атмосферной диффузии загрязнения накапливались
бы в нижнем слое воздуха, что затруднило бы нормальное существование людей.
Не менее важной является проблема распространения в воздухе радиоактивных веществ,
которая в последние годы тревожит все человечество.
Благодаря атмосферной диффузии до нас доходит некоторая доля радиоактивности,
образующейся при атомных взрывах. С явлением атмосферной диффузии мы
сталкиваемся и в сельском хозяйстве, например, при опылении растений химическими
веществами для борьбы с вредителями или при искусственных дымопусках для защиты
растений от заморозков. Благодаря атмосферной диффузии в воздухе распространяются
морская соль, вулканическая пыль, бактерии и вирусы, пыльца и семена растений,
воздушные массы над морем насыщаются влагой, над пустынями — пылью.
Вследствие сложности и комплексности изучаемых явлений развитие теории
атмосферной диффузии требует объединенных усилий специалистов по ряду отраслей
науки. В первую очередь это относится к специалистам по гидромеханике и по геофизике,
на долю которых падает наибольшее число вопросов, возникающих при изучении
атмосферной диффузии.
Атмосферная диффузия является сложным явлением и зависит от многих факторов.
Во-первых, нужно знать, как загрязнения поступают в воздух, т. е. каков характер
источника загрязнения. Загрязнения могут попадать в воздух от промышленных
предприятий, с поверхности Земли или от искусственных источников. Источники могут
быть мгновенными или непрерывно действующими с постоянной или меняющейся со
временем производительностью. Источники могут быть точечными (наземными или
приподнятыми) или же распределенными но линии, поверхности или объему. Важно
также знать, приобретают ли частицы загрязнения определенную скорость при выходе из
источника (например, скорость выхлопа газов из дымовой трубы) и какова температура
загрязненного воздуха при выходе из источника (нагретый по сравнению с окружающим
воздухом газ будет подниматься вверх, охлажденный — опускаться вниз).
Во-вторых, нужно знать закономерности распространения загрязнений в воздухе
при различных метеорологических условиях. Загрязнения переносятся воздушными
течениями и диффундируют в воздухе благодаря действию турбулентности. Описание
этих процессов относится к области гидромеханики.
Для описания переноса загрязнений ветром нужно знать кинематику воздушных
течений. В частности, для расчетов распространения загрязнений в приземном слое
воздуха нужно иметь сведения о вертикальном профиле ветра при различных
метеорологических условиях (в первую очередь при различном характере термической
стратификации воздуха) [8,9].
Для расчета среднего загрязнения вокруг данного источника за большой
промежуток времени нужно располагать статистическими данными о направлении и силе
ветра в данном районе. Так, группируя значения силы ветра по интервалам с центрами и
значения азимута направления ветра по интервалам с центрами и зная частоты
осуществления соответствующих пар значений силы и направления ветра, можно
подсчитать среднее распределение загрязнения.
Для расчета распространения загрязнения от мгновенного источника в масштабах
земного шара нужно знать кинематику воздушных течений, обусловленных
синоптическими процессами, на большой части земного шара за достаточно длинный
период времени (измеряемый неделями).
Кроме регулярных макроскопических течений, в воздухе имеются хаотические
гидродинамические движения различных масштабов, вплоть до очень малых, порядка
сантиметра, называемые турбулентностью. Создаваемое турбулентностью перемешивание
воздуха является причиной турбулентной диффузии загрязнений. Для описания
турбулентной диффузии нужно знать некоторые статистические характеристики
турбулентного поля скорости. Эти характеристики, вообще говоря, оказываются
зависящими от метеорологических условий, главным образом, от поля осредненной
скорости ветра и от термической стратификации воздуха. Например, при устойчивой
термической стратификации воздуха турбулентная диффузия происходит медленно, и
загрязнения переносятся ветром, почти не рассеиваясь. В условиях конвекции, наоборот,
турбулентная диффузия происходит интенсивно и приводит к быстрому рассеянию
загрязнений.
Третья группа факторов, влияющих на атмосферную диффузию, относится к
свойствам самого загрязнения. В первую очередь нужно знать, как влияет на загрязнение
сила тяжести. Например, газы тяжелее воздуха, и достаточно крупные частицы будут
оседать, причем скорость оседания частиц зависит от их размеров, удельного веса и
формы. Нужно учитывать возможность химических и радиоактивных превращений
загрязнения, а также таких физических превращений, как коагуляция, сублимация и
адсорбция па аэрозолях. В частности, может быть существенным взаимодействие примеси
с атмосферной влагой — водяным паром, каплями воды в облаках и туманах, частицами
осадков. Так, дожди могут очищать воздух от загрязнений, приводя к их выпадению на
поверхность Земли.
Четвертая группа факторов относится к условиям взаимодействия загрязнения с
поверхностью земли (или воды). Загрязнение может либо задерживаться этой
поверхностью, как бы «прилипая» к ней или поглощаясь ею (по отношению к
большинству загрязнений таким свойством обладает поверхность воды), либо
«отражаться» от нее и возвращаться обратно в воздух. Возможны и промежуточные
случаи частичного поглощения и частичного отражения или же «прилипания» на
некоторое (случайное) время, после которого загрязнение поднимается обратно в воздух.
При математической формулировке краевых условий для загрязнения на
поверхности земли нужно учитывать степень ее шероховатости и ее способность
поглощать загрязнение данного вида. Очевидные осложнения будут создаваться
неоднородностью земной поверхности — особенностями рельефа, наличием строений,
деревьев и т. п.
Другое направление связано в основном с эмпирико-статистическим анализом
распространения загрязняющих веществ в атмосфере с использованием для этой цели
интерполяционных моделей, в основном, гауссовского типа.
Гауссовы модели, сравнительно просты для описания закономерностей
распределения примесей, чем и объясняется довольно широкое использование в
различных странах работ второго направления.
Ограниченность статистических схем связана главным образом с недостаточной
степенью физичности используемых моделей (или предполагаемых связей), и с малой
разработанностью методов статистического прогноза сравнительно редко встречающихся
явлений, что имеет место для случаев особо высокого загрязнения воздуха, а также с
трудностями учета изменений в режиме выбросов в атмосферу. При оценке статистикоэмпирических методов прогноза загрязнения воздуха в городах следует учесть, что оно
обусловлено действием большого числа факторов, а интервал наблюдений ограничен.
Поэтому применение наиболее современных способов статистического анализа не всегда
достаточно и для повышения их эффективности нужно выяснить влияние ряда главных
факторов на основании физических соображений.
Между этими двумя подходами существует близкая связь, они описывают одно и
то же явление, однако области их применения не всегда перекрываются. Имеется ряд
задач атмосферной диффузии, где рассмотрение возможно только на основе одной из этих
теорий.
С точки зрения практического применения возможность сопоставления результатов
двух различных подходов к описанию турбулентной диффузии оказывается весьма
полезной. Она позволяет обоснованно выбирать коэффициенты полуэмпирического
уравнения для определенных конкретных задач, определять в конкретных случаях область
применимости того или иного подхода, поскольку каждый из них имеет и преимущества и
недостатки. В частности, в некоторых случаях рационально применять комбинацию этих
подходов [10,11].
В мировой практике в настоящее время наиболее употребительны две методики,
рекомендуемые для расчета загрязнения атмосферы промышленными выбросами. Это
методика, разработанная под руководством М. Берлянда в ГГО им. А.И. Воейкова,
проверенная на большом экспериментальном материале как в России, так и за рубежом, и
положенная в основу нормативного документа ОНД-86, и методика расчета рассеивания
выбросов, разработанная Ф. Пасквиллом, развитая П. Миллом и П. Брайантом,
рекомендованная Всемирной метеорологической организацией (ВМО) для оценки
загрязнения атмосферы от предприятий атомной промышленности и энергетики [10,12].
Математическое выражение для концентрации вещества от точечного источника с
постоянной мощностью - Q, (кг/с) записывается в виде:
,
(1)
где Q* - мощность источника (кг/сек); ау, az - дисперсионные параметры, зависящие от
устойчивости атмосферы и расстояния от источника «х» (м); U - скорость ветра м/сек ; Н высота источника (м); x,y,z - осевая, поперечная и вертикальная координаты; f(A) - доля
примеси в слое перемешивания («А»-высота слоя перемешивания).
М.Е.Берлянд предлагает следующие формулы для расчета средней концентрации
загрязнения в приземном слое атмосферы от точечного источника, расположенного в
начале координат:
,
(2)
где: Q – мощность точечного источника (г/сек); u1 и p – параметры степенного изменения
скорости ветра с высотой:
; k1 – коэффициент зависимости интенсивности
турбулентного обмена от высоты:
;
– дисперсия направления скорости
ветра; H – высота источника загрязнения; ось OX ориентирована вдоль направления
скорости ветра, ось OY – перпендикулярно этому направлению [6,7]. Выражение (2)
представляет собой стационарное решение задачи о рассеянии примеси от точечного
источника с мощностью Q, расположенного на высоте H над плоскостью. Объемная
концентрация примеси
удовлетворяет уравнению
,
(3)
а его решение берется на плоскости z = 0, на которой поставлено граничное условие
непротекания (равенство нулю нормальной производной).
Согласно принятым в ОНД-86 нормативам для регулирования загрязнения
атмосферного воздуха устанавливаются, так называемые, предельно допустимые выбросы
(ПДВ). По определению ПДВ представляет собой количество выбросов в единицу
времени (мощность выбросов), при которых в районе жилой застройки или охраняемой
природной экосистемы концентрация примеси не превышает предельно допустимых
концентраций (ПДК).
Следует отметить, что в методике ОНД-86 проблеме прогнозирования загрязнения
от автотранспорта уделено недостаточное внимание. Это, по всей вероятности,
обусловлено малой интенсивностью автотранспортных потоков во время написания
документа. Главным недостатком, предложенной в ОНД-86 методики расчета, является
отсутствие в ней учета локальных атмосферных циркуляций, она не позволяет учитывать
многие важные процессы воздействия выбросов автотранспорта на природные объекты и
жилые районы.
Итак, нами в данной работе приведены примеры уравнения атмосферной
диффузии, где были учтены следующие факторы:






начальный подъем примесей,
аномальное распределение скорости ветра с высотой,
диффузия при штиле,
влияние стратификации на начальный подъем примеси,
приземная инверсия температуры, туманы и смоги,
а также рельеф города.
Библиографический список
1. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы, Л, Гидрометеоиздат, 1984,
751с.
2. Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы, Л, Гидрометеоиздат, 1973,
398с.
3. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей, под ред.
Ф.Т.Ньюстада, Л, Гидрометеоиздат, 1985, 351с.
4. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения
воздуха городов, Л, Гидрометеоиздат, 1980, 201с.
5. Безуглая Э.Ю. Мониторинг загрязнения атмосферы в городах, Л, Гидрометеоиздат, 1986,
199с.
6. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнений атмосферы, Л, Гидрометеоиздат,
1985, 272с.
7. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы,
Л, Гидрометеоиздат, 1975, 448с.
8. Марчук Г.М. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды, М, Наука,
1982, 319с.
9. Обухов А.М. Турбулентность в температурно-неоднородной атмосфере, Труды института
теоретической геофизики т.1, М-Л, изд-во АН СССР, 1946, 115с.
10. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Эдельштейн Ю.Д., Вент Д.П. Экологический мониторинг
окружающей среды, т.1, М, Химия, 2005, 365с.
11. Квашнин И.М. Предельно допустимые выбросы предприятий в атмосферу. Рассеивание и
установление нормативов, М, АВОК-ПРЕСС, 2008, 200с.
ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ,
содержащихся в выбросах предприятий, Л, Гидрометеоиздат, 1987