Умови та шляхи надходження шкідливих речовин в атмосферне повітря

Шкідливі речовини, які виносяться в повітря з різних промислових підприємств у вигляді газів та аерозолів, мають назву домішок. Процес видалення домішок називається викидом, а подальший переніс – розсіюванням. Розсіювання домішок в атмосфері відбувається за рахунок спільної дії двох факторів: турбулентної дифузії і вітрового переносу.

Вітрове перенесення призводить до того, що при безперервному надходженні домішок в атмосферу утворюється течія викиду. При слабкому вітрі або при його повній відсутності (штилі) дифузійне перенесення в повітрі може переважати над вітровим перенесенням, і тоді навкруги джерела безперервних викидів утворюються штилеві хмари домішок.

Дифузія домішок в повітрі є результатом впливу турбулентних вихрів на хмару викиду. У випадку тривалого викиду хмара домішки має форму струменю. Результатом дії мілко масштабних вихрів на струмінь є збільшення його поперечних розмірів. Великомасштабні вихрі призводять до того, що струмінь згинається не передбачуваним чином, що при усередненні об’ємної активності домішки в часі призводить до розширення осередненого струменю, і, внаслідок цього – до зменшення об’ємної активності повітря на його осі.

Інтенсивність атмосферної дифузії залежить від діючого спектру турбулентних вихрів і розмірів хмари викиду. Спектр вихрів в атмосфері визначається головним чином двома факторами: вертикальним розподілом температури в атмосфері і швидкістю вітру. При цьому велике значення має вертикальна складова градієнту температури повітря. Вертикальний температурний профіль атмосфери залежить від температури повітряної маси і поверхні землі, теплового балансу на поверхні землі (потоків сонячної радіації, що надходить до землі, і тепла, що відходить від землі), вологості атмосфери, туманності т. ін. За градієнтом температури атмосферні умови поділяють на: нейтральні, стійкі та нестійкі.

Градієнт температури, який відповідає зниженню температури на 1^ОС на кожні 100м висоти, називається адіабатичним. В цій ситуації атмосфера характеризується тим, що на будь-який об’єм повітря, який переміщується вертикально, не діють сили плавучості, тобто він не має прискорення. Атмосферні умови, при яких градієнт температури є близьким до адіабатичного, називаються нейтральними або байдужими.

Інша ситуація спостерігається при неадіабатичному розподілі температури. При від’ємному її градієнті, який за модулем є більшим за адіабатичний, температура повітря, що піднімається, зростає в порівнянні з температурою оточуючого об’єму повітря, його щільність зменшується, і він отримує прискорення за рахунок сил плавучості. Це призводить до збільшення швидкості його підйому. Під час зниження на об’єм повітря будуть діяти сила, що спрямована донизу, бо щільність повітря в ньому буде більше щільності оточуючого повітря. При цих умовах підвищується турбулентність, характерною є конвекція атмосфери. Такі атмосферні умови називаються нестійкими або конвективними.

При градієнті температури, який є меншим за адіабатичний, повітря, що пересувається доверху, буде мати температуру нижчу за температуру оточуючого середовища (виникає інверсія температури), тому сили плавучості будуть намагатися утримувати його на початковому рівні. Турбулентність пригнічується, інтенсивність дифузійних процесів знижується. Атмосферні умови в такому випадку називаються стійкими або інверсійними. Вони характеризуються дуже слабким турбулентним обміном.

Розсіювання домішок в різних атмосферних умовах характеризується видом димової течії (рис.3.3.1.). У теплий час року в ясну погоду при нестійких умовах спостерігається хвилеподібна течія, яка являє собою сукупність клубів диму, що переносяться великими вертикальними вихрами (рис.3.3.1., а). Через те, що клуби диму досягають землі поблизу джерела викиду, максимальна приземна концентрація при нестійких умовах може бути достатньо великою, але потім швидко знижується при віддаленні від джерела за вітром.

У випадках, коли температурний градієнт є близьким до адіабатичного, і наявний нейтральний стан, спостерігається конусоподібна течія (рис. 3.3.1., б). В цьому випадку відстань до максимуму приземної концентрації є більшою, ніж при нестійких умовах, а максимальна концентрація є меншою.

В умовах стійкої стратифікації створюється хвилеподібна течія (рис.3.3.1., в), для якої через мінливість напрямку вітру характерною є хвиляста траєкторія руху домішки при слабкому вертикальному і поперечному розсіюванні течії, і тому далека від джерела максимальна приземна концентрація є меншою, ніж в умовах нестійкої і нейтральної стратифікаціях. В більшості випадків стійка стратифікація не вважається несприятливою для викидів з високих джерел, бо забруднення на великих відстанях не переноситься до поверхні землі. Стійка стратифікація може бути сприятливою в випадках, коли викид відбувається з наземного джерела або висота викиду є нижчою за висоту оточуючих будівель.

Якщо верхня границя приземного стійкого (інверсійного) шару є нижчою за рівень викиду, то створюються найбільш сприятливі умови для розсіювання домішки, бо в цьому випадку течія є припіднятою, і розсіювання відбувається у шарі вище верхньої границі інверсії, яка не дає переноситись домішкам до землі (рис.3.3.1., г). Такі умови влітку є короткочасними і можуть спостерігатися на протязі лише декількох годин, а взимку вони можуть бути достатньо тривалими

Спостерігаються умови, коли температурна інверсія виникає у піднесеному над поверхнею землі порівняно тонкому шарі повітря. Цей випадок відповідає піднятій інверсії або інверсійній кришці (рис. 3.3.1., д). Це можливо при переході від нічної інверсії до денної конвекції в ясний теплий ранок: приземна інверсія, порушуючись у поверхні землі, становиться піднятою і може створювати “кришку” над вершиною джерела викиду, яка заважає розповсюдженню домішки до верху. Такий випадок пригнічує турбулентність, тому дифузія через нього послаблена, і він служить неначе кришкою, що притискує домішки до поверхні землі. У таких умовах “задимлення” можуть спостерігатися підвищення приземних концентрацій на невеликих відстанях від місця викиду домішок.

При розсіюванні домішок можуть спостерігатися наступні процеси:

- вологе осадження: пара і аерозолі надходять до краплин води або сніжинок в хмарі і випадають у вигляді опадів; вимивання пару або аерозолів нижче дощової хмари опадами; вплив туману (пара чи аерозолі захоплюються краплинами води туману, дифундують до землі і осідають на її поверхні, як правило більш ефективно, ніж при відсутності туману);

- сухе осадження: гравітаційне осадження, осадження аерозолів і адсорбція парів на предметах, які знаходяться на шляху вітру (в т.ч. на нерівностях поверхні землі);

- утворення і злипання аерозолів, возгонка і повторна адсорбція парів на землю і поверхню аерозолів;

- повторне пилоутворення осілої на землю домішки під дією сильного вітру;

- радіоактивний розпад і накопичення в хмарі викиду дочірніх радіонуклідів (для радіоактивних викидів).

Рис. 3.3.1. Різні види димових струменів в залежності від метеорологічних умов (пунктиром позначено адіабатичний градієнт температури)

A) нестійкі умови, B) нейтральні умови, C) стійкі умови (інверсія), D) інверсія внизу, нейтральні умови зверху, E) нейтральні умови внизу, інверсія зверху

На рис. 3.3.2. показано характер поведінки потоку викинутої з труби домішки. Викиди надходять в атмосферу з певною швидкістю і температурою, яка звичайно є вищою за температуру атмосферного повітря. Перегрівання по відношенню до оточуючого повітря і швидкісний тиск викидних газів викликає підйом струменя Δh над точкою викиду. Тому рух струменю викидів на початковій ділянці має вертикальну складову. Цей вертикальний підйом струменю (Δh) приводить до зміни фактичної висоти викиду домішки в атмосферу.

Фактична висота джерела викиду має назву ефективної висоти h_ef викиду:

h_ef = h_g + Δh (h_g – фактична висота джерела викиду, Δh – висота підйому потоку над джерелом внаслідок інерції руху і плавучості).

При практичних розрахунках умови розсіювання домішок розподіляють за категоріями стійкості. Як вказано вище, частіше за все використовують системи Пасквілла, Пасквілла-Гифорда [45] (див. розділ 3.1.).

Математичне моделювання атмосферної дифузії сьогодні проводиться, в основному, за двома напрямками: на основі статичної теорії, кінцевим результатом якої є гаусова модель розподілу домішок в хмарі викиду (методика Пасквілла-Брайанта) та модель градієнтного переносу через припущення пропорційності потоку домішки градієнту її концентрації у повітрі (К-теорія).

За гаусовою моделлю можна визначати розсіювання домішок в атмосфері при миттєвих, короткочасних (від 20 хвилин до декількох годин) та безперервно діючих їх викидах. Модель градієнтного переносу використовується при розрахунку розсіювання домішок в умовах розвинутого турбулентного обміну та визначення лише разових двадцятихвилинних концентрацій. Це потрібно враховувати при постановці та рішенні задач з оцінки процесів розсіювання викидів в атмосферному повітрі. Нами будуть розглянуті обидві моделі

Рис. 3.3.2. Поведінка домішок при викидах в атмосферу

Об’ємна концентрація речовини у повітрі розраховується за загальною для всіх моделей формулою:

для безперервних і короткочасних викидів:

для миттєвих викидів:

де С_атм – об’ємна концентрація речовини в атмосферному повітрі (г/м³, Бк/ м³),

Q₀ – інтегральна величина миттєвого викиду (г, Бк),

G₀ (t) – залежний від часу фактор метеорологічного розбавлення для миттєво викинутих домішок (м^-3).

Q – інтенсивність викиду речовини в атмосферне повітря для безперервних і короткочасних викидів (г/с, Бк/с),

G – фактор метеорологічного розбавлення для безперервних і короткочасних викидів (с/м³) /уявляє собою інтеграл у часі від фактору метеорологічного розбавлення для миттєвого викиду/.

Таким чином, задача оцінки розсіювання викидної речовини у повітрі зводиться до розрахунку фактору розбавлення цієї речовини в атмосферному повітрі G. У наступних розділах буде розглянуто розрахунок цього фактору за вказаними вище моделями.