Dispersia poluanților în atmosferă

Se tratează dispersia unui nor de fum ( pană engleză) emisă de o sursă care poate fi considerată de tip punct și ridicată la o anumită altitudine în atmosferă .

Înălțimea sursei

Sursele de emisie se caracterizează prin 3 tipuri de geometrii:

punctiforme (coșuri de fum, clădiri, industrii);
liniar (autostrăzi);
cu suprafață extinsă (orașe sau în general seturi de surse punctuale apropiate).

Vom avea acum de-a face cu o sursă punctuală cu înălțime ridicată

Fig. I - Reprezentarea emisiei unui coș de fum de înălțime hs în condiții de vânt constant de intensitate moderată. Pentru a cunoaște înălțimea de la care poluanții vor începe să se răspândească, este necesar să se ia în considerare o înălțime Δh determinată de viteza de ieșire a particulelor din stivă.

H_{s}=h_{s}+\triangle h

{\ displaystyle H_ {s} = h_ {s} + \ triunghi h}

{\ displaystyle H_ {s} = h_ {s} + \ triunghi h}

cu

\triangle h=\nu _{u}\left({\frac {dM}{dt}};S\right)\Delta t-{\frac {1}{2}}gt^{2}-\beta (d_{A};\sigma )\nu (t)

{\ displaystyle \ triangle h = \ nu _ {u} \ left ({\ frac {dM} {dt}}; S \ right) \ Delta t - {\ frac {1} {2}} gt ^ {2} - \ beta (d_ {A}; \ sigma) \ nu (t)}

{\ displaystyle \ triangle h = \ nu _ {u} \ left ({\ frac {dM} {dt}}; S \ right) \ Delta t - {\ frac {1} {2}} gt ^ {2} - \ beta (d_ {A}; \ sigma) \ nu (t)}

unde este:

$v_{u}$ ${\ displaystyle v_ {u}}$ $v_u$ este viteza de ieșire a materialului sub formă de particule.

Dependența de dM / dt, adică de rata de emisie , se datorează parametrilor sursei. Dependența de secțiune provine pur și simplu din legea continuității : $Sv_{u}=cost.=[m^{3}/s]$ ${\ displaystyle Sv_ {u} = cost. = [m ^ {3} / s]}$ ${\ displaystyle Sv_ {u} = cost. = [m ^ {3} / s]}$

β este un coeficient de vâscozitate dependent de diametrul aerodinamic dA al particulelor și de secțiunea lor transversală σ.

Trebuie remarcat faptul că expresia pentru Δh este valabilă pentru particulele suficient de masive pentru a putea neglija efectul forței Arhimede . Mai mult, v (t) are un semn pozitiv în faza de ascensiune și un semn negativ în faza de coborâre; prin urmare, termenul de vâscozitate, care are întotdeauna semnul opus direcției de mișcare, devine pozitiv când particulele încep să cadă.

Tendințe în concentrații

Vom încerca acum să studiem tendința concentrației de poluanți. Pentru a face acest lucru, se va presupune că:

particulele sunt inerte și ușoare, cu un diametru mai mic de 20 µm;
particulele sunt supuse mișcării numai prin difuzie;
orice efect de turbulență este neglijabil;
distribuția va fi luată în considerare pentru perioade mai mari de 10 minute după ieșirea din coș și pentru distanțe cuprinse între 200 m și 10 km de coșul de fum;
vântul va fi laminar, cu o viteză mai mică de 7 m / s.

Dacă toate aceste condiții sunt îndeplinite, va exista o distribuție gaussiană în direcții ${\widehat {y}}$ ${\ displaystyle {\ widehat {y}}}$ ${\ displaystyle {\ widehat {y}}}$ Și ${\widehat {z}}$ ${\ displaystyle {\ widehat {z}}}$ ${\ displaystyle {\ widehat {z}}}$ . Apoi mail $\chi (y,z-H_{s})$ ${\ displaystyle \ chi (y, z-H_ {s})}$ ${\ displaystyle \ chi (y, z-H_ {s})}$ concentrația de particule, este posibil să se găsească distribuția în planul yz centrat la altitudinea Hs, sau de-a lungul direcției maximei Gaussiene încă la altitudinea Hs, sau pe planul solului sau din nou de-a lungul direcției Maxime gaussiene pe planul de la sol:

\chi (y,z-H_{s})={\frac {\chi (x)}{2\pi \sigma _{y}\sigma _{z}}}exp\left[-{\frac {y^{2}}{2\sigma _{y}^{2}}}-{\frac {(z-H_{s}^{2})}{2\sigma _{z}^{2}}}\right]

{\ displaystyle \ chi (y, z-H_ {s}) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}} exp \ left [- { \ frac {y ^ {2}} {2 \ sigma _ {y} ^ {2}}} - {\ frac {(z-H_ {s} ^ {2})} {2 \ sigma _ {z} ^ {2}}} \ dreapta]}

{\ displaystyle \ chi (y, z-H_ {s}) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}} exp \ left [- { \ frac {y ^ {2}} {2 \ sigma _ {y} ^ {2}}} - {\ frac {(z-H_ {s} ^ {2})} {2 \ sigma _ {z} ^ {2}}} \ dreapta]}

\chi (y=0,z-H_{s})={\frac {\chi (x)}{2\pi \sigma _{y}\sigma _{z}}}exp\left[-{\frac {(z-H_{s}^{2})}{2\sigma _{z}^{2}}}\right]

{\ displaystyle \ chi (y = 0, z-H_ {s}) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}} exp \ left [ - {\ frac {(z-H_ {s} ^ {2})} {2 \ sigma _ {z} ^ {2}}} \ right]}

{\ displaystyle \ chi (y = 0, z-H_ {s}) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}} exp \ left [ - {\ frac {(z-H_ {s} ^ {2})} {2 \ sigma _ {z} ^ {2}}} \ right]}

\chi (y,z-H_{s}=0)={\frac {\chi (x)}{2\pi \sigma _{y}\sigma _{z}}}exp\left[-{\frac {y^{2}}{2\sigma _{y}^{2}}}\right]

{\ displaystyle \ chi (y, z-H_ {s} = 0) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}} exp \ left [ - {\ frac {y ^ {2}} {2 \ sigma _ {y} ^ {2}}} \ right]}

{\ displaystyle \ chi (y, z-H_ {s} = 0) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}} exp \ left [ - {\ frac {y ^ {2}} {2 \ sigma _ {y} ^ {2}}} \ right]}

\chi (y=0,z-H_{s}=0)={\frac {\chi (x)}{2\pi \sigma _{y}\sigma _{z}}}

{\ displaystyle \ chi (y = 0, z-H_ {s} = 0) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}}}

{\ displaystyle \ chi (y = 0, z-H_ {s} = 0) = {\ frac {\ chi (x)} {2 \ pi \ sigma _ {y} \ sigma _ {z}}}}

Fig. II - În partea centrală există reprezentarea pe planul yz a distribuției Gaussiene cu referințe la o abatere standard și două abateri standard. În partea dreaptă există tendința de concentrare alternativ de-a lungul y sau z pentru două secțiuni $\Pi _{1}$ ${\ displaystyle \ Pi _ {1}}$ ${\ displaystyle \ Pi _ {1}}$ Și $\Pi _{2}$ ${\ displaystyle \ Pi _ {2}}$ ${\ displaystyle \ Pi _ {2}}$ din partea stângă luată la distanță x diferită.

Rata de depunere

Distribuția Gaussiană descrisă mai sus nu ia în considerare variabilitatea ratei de depunere a particulelor în funcție de diametrul aerodinamic.

Fig. III - Tendința vitezei de depunere a particulelor în funcție de diametrul aerodinamic.

Pentru a găsi explicația acestor diferențe, trebuie luate în considerare două efecte:

particulele cu $d_{A}$ ${\ displaystyle d_ {A}}$ ${\ displaystyle d_ {A}}$ sediment mai mare de 1 µm prin gravitație și sunt supuși forței de frecare vâscoasă Stokes : ${\vec {F}}\ \propto \eta d_{A}{\vec {\nu }}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} \ \ propto \ eta d_ {A} {\ vec {\ nu}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} \ \ propto \ eta d_ {A} {\ vec {\ nu}}}$ unde η este coeficientul de vâscozitate al aerului;
particulele cu $d_{A}$ ${\ displaystyle d_ {A}}$ ${\ displaystyle d_ {A}}$ mai puțin de 0,1 µm se comportă ca molecule și sunt supuși mișcării browniene . Din acest motiv, ele sedimentează prin difuzivitate ;
fracția de particule cu dimensiuni intermediare la cele două intervale anterioare are o rată de depunere foarte mică, datorită faptului că niciunul dintre cele două efecte descrise mai sus nu joacă un rol important. Deci, aceste particule rămân suspendate mult mai mult în atmosferă.

Pentru a vă face o idee despre întinderea distorsiunii referitoare la concentrația la altitudine, efectuați doar câteva calcule de bază. Luând viteza din grafic

Distanta parcursa

d _A = 20 pm

v _D = 3 cm / s

d _A = 10 pm

v _D = 1 cm / s

d _A = 1 um

v _D = 0,02 cm / s

d _A = 0,1 pm

v _D = 0,03 cm / s

după 10 min

18 m

6 m

0,12 m

0,18 m

după 1 oră

108 m

36 m

0,72 m

1,08 m

după 6 ore

648 m

216 m

4,32 m

6,48 m

Este clar atunci că, în realitate, Gaussianul descris mai sus nu are prea mult sens, deoarece ar trebui făcută o curbă normală pentru fiecare clasă dimensională de poluanți.

Efect de vânt

Distribuția poluanților de-a lungul axei x rămâne încă de examinat. În primul rând în condiții de vânt, chiar slab, nu are sens să se ia în considerare difuzia în direcția x , deoarece primul efect al vântului este transformarea geometriei sursei din punct în liniar: toate contribuțiile ar fi compensați-vă reciproc pentru a da ca rezultat o concentrație constantă. Dacă, pe de altă parte, nu ar fi fost vânt, atunci sursa ar fi într-adevăr asemănătoare punctului și concentrația ar merge cu exponențialul negativ al Gaussianului văzut anterior și pe axa x .

Un alt efect al vântului este acela de a dilua concentrația de poluanți invers proporțională cu viteza sa u , din același motiv pentru care distanța dintre mașinile din Formula 1 este exprimată în termeni de timp și nu de spațiu. De fapt, presupunând că fumul din coș iese în mod constant, atunci când moleculele (sau norii de fum) sunt lovite de vânt și încep să se miște, în timpul care trece până la sosirea următoarei molecule (sau nor) va parcurge o întindere cu cât este mai mare viteza vântului.

\chi (x)={\frac {\chi (x,z-H_{s})}{u}}

{\ displaystyle \ chi (x) = {\ frac {\ chi (x, z-H_ {s})} {u}}}

{\ displaystyle \ chi (x) = {\ frac {\ chi (x, z-H_ {s})} {u}}}

Fig. IV - Distanța dintre norii de fum este proporțională cu viteza vântului, în timp ce concentrația de-a lungul axei x este invers proporțională cu aceasta.

Este clar atunci că, odată ce viteza vântului este fixă, concentrația de-a lungul axei x este practic constantă și acesta este motivul pentru care transportul orizontal are loc chiar și la distanțe mari de sursă. Sau mai degrabă, odată ce cantitatea de poluanți care ajunge la sol prin difuzie este fixă, dispersia orizontală (care îi afectează pe cei care trăiesc sub fum) apare de-a lungul axei y numai prin difuzie, adică este o dispersie unidimensională .

Cu toate acestea, în ceea ce privește vântul, realitatea este destul de diferită. Sistemele locale de circulație (vânturi marine și terestre, vânturi de vale și munte , vânturi urbane) nu produc o circulație eficientă din trei motive:

viteza lor este destul de mică (mai mică de 7 m / s);
sunt sisteme de circulație închise;
expiră cu versete opuse între zi și noapte.

Rețineți că ultimele două puncte implică faptul că nu există un schimb real de aer.

Dispersia poluanților în raport cu stabilitatea

Buclă

Buclarea este o condiție extrem de instabilă, tipică unei zile de vară. Deoarece celulele de convecție sunt mai mari decât diametrul fumului, efectul este în principal de transport pe o cale sinuoasă. Tocmai datorită traseului aleatoriu, este posibil ca fumul să atingă solul chiar și la o distanță mare de coș.

Coning

Conul reprezintă situația descrisă mai sus prin dispersia gaussiană. Are loc într-o situație foarte particulară, de stabilitate neutră a atmosferei și, din acest motiv, nu durează în general mai mult de o jumătate de oră. Prin urmare, este o stare de tranziție către stabilitate sau invers și poate apărea atât ziua cât și noaptea în toate anotimpurile.

Fanning

Ventilarea reprezintă comportamentul în condiții de inversare termică. De foarte multe ori apare noaptea în prezența anticiclonului practic fără turbulențe. Deoarece dispersia verticală este redusă practic la zero de stabilitatea puternică, este posibil ca fumul să ajungă la 100 km distanță cu aproape aceeași concentrație inițială.

Lofting

Suprafața este condiția ideală pentru dispersie, deoarece linia de inversare trece sub coș. Acest lucru previne sosirea poluanților pe sol și, dimpotrivă, favorizează dispersia lor la altitudine mare. Este posibil să apară seara, când răcirea solului produce inversiune termică . Din păcate nu durează mult.

Fumigaţie

Fumigarea reprezintă condiția opusă celei de ridicare. În acest caz, linia de inversiune se află deasupra coșului de fum. Acest lucru în sine previne dispersarea la altitudine mare. În plus, mai jos există un strat de instabilitate care favorizează o dispersie dezastruoasă la sol. Din fericire, și asta nu durează mult.

Notă: în toate aceste desene, graficul din stânga folosește tendința temperaturii potențiale θ pentru a recunoaște starea de stabilitate sau instabilitate a atmosferei. Acest lucru se datorează faptului că dacă s-ar fi folosit temperatura normală, atunci stabilitatea ar fi fost caracterizată nu printr-o scădere a temperaturii cu altitudinea, ci printr-o scădere mai pronunțată în comparație cu gradientul adiabatic uscat ; foarte greu de recunoscut. În schimb, temperatura potențială, așa cum a fost definită, este ideală pentru identificarea diferenței dintre stabilitate și instabilitate: aceasta este, pentru fiecare punct de altitudine, temperatura pe care ar avea o ipotetică particulă de aer uscat dacă ar fi adusă la presiunea de referință a terenului de-a lungul unui adiabatic uscat . Prin urmare, o tendință verticală, cum ar fi cea a dispersiei în buclă, identifică o tendință a gradientului real exact egală cu cea a gradientului adiabatic uscat. Mai mult, o pantă negativă înseamnă o pantă a gradientului real mai mică decât cea a gradientului adiabatic uscat și invers.

Modele de dispersie atmosferică

Același subiect în detaliu: Modele de dispersie atmosferică .

Modelele de dispersie atmosferică sunt modele matematice capabile să simuleze transportul, dispersia în atmosferă și căderea la sol a poluanților emiși. Aceste instrumente de calcul , după introducerea datelor de intrare adecvate, returnează câmpul de concentrație spațiu-timp al poluanților.

Odată ce câmpul de concentrație spațio-temporal este obținut, modelele de dispersie au un post-procesor care procesează ieșirea modelului pentru a extrage hărți de impact sau pentru a calcula parametrii de interes (concentrație maximă sau medie, percentile, frecvențe de depășire a pragurilor stabilite de utilizator). Acest lucru permite schematizarea rezultatului modelului într-un format adecvat pentru o bună vizualizare și înțelegere permițând, de exemplu, o comparație ușoară între valorile concentrației solului și orice limite de reglementare.

Elemente conexe

Portal de ecologie și mediu

Portal de inginerie

V · D · M Poluare
Poluarea aerului	Gaura de ozon · clorofluorocarburi · dispersia poluanților în atmosferă · Factor de emisie · Inventarul emisiilor · Ninsoare chimică · Particule atmosferică · Ploi acide · Calitatea aerului · Smog
Poluarea apei	Acidificarea oceanelor · Apă uzată · Purificare · Dezastru petrolier · Eutrofizare
Poluare a solului	Bioremediere · Decontaminare electrocinetică · Ferme agricole · Solidificarea solului
Alte tipuri de poluare	Acustice · Arhitecturale · Electromagnetice · Fotochimice · Luminoase · Radioactive · Termice
Deşeuri	Gestionarea deșeurilor · Colectare separată · Reciclarea deșeurilor · Reutilizare