Nuclear Fission: Splitting Atoms for Energy

Джерело забруднення

Джерела забруднення повітря поділяються на два основних типи. Первинні джерела безпосередньо виділяють забруднювачі: вихлопні гази транспортних засобів (оксиди азоту, тверді частинки, монооксид вуглецю, леткі органічні сполуки), викиди промислових підприємств та електростанцій (діоксид сірки, оксиди азоту, тверді частинки, важкі метали), сільське господарство (аміак від гною та добрив) та спалювання деревини у приватних будинках. Другорядні джерела утворюються в атмосфері самостійно – постинтерференційний озон утворюється при взаємодії оксидів азоту та летких органічних сполук під дією сонячного світла, а кислотні дощі утворюються при взаємодії SO2 та оксидів азоту з водяною парою.

Стандартним показником оцінки тяжкості будь-якого дня є Показник якості повітря (AQI), який варіюється від 0 до 500 і базується на шести основних забруднювачах – PM2.5 та PM10 (дрібні та великі тверді частинки), озон, діоксид азоту, діоксид сірки та монооксид вуглецю. Особливу увагу привертає PM2.5, оскільки частинки розміром менше 2,5 мікрометрів достатньо малі, щоб проникати глибоко в легені та навіть потрапляти в кров.

Модель гауссового розповсюдження

Для прогнозування того, як забруднювальні речовини, що виділяються з однієї точки – димової труби, козлової колосникової установки або вентиляції – поширюються в бік вітру, атмосферні науковці часто використовують модель гауссового розповсюдження, яка оцінює концентрацію на рівні землі як функцію здовж вітру відстані x:

C(x) ≈ Q / (u · σy · σz · 2π) × exp(−h² / (2σz²)) Q = викид, u = швидкість вітру, h = висота джерела, σy, σz = горизонтальний та вертикальний розповсюдження задимлення (зростають з відстанню x) Швидкість вітру u знаходиться в чисельнику з простої фізичної причини: швидший вітер переносить ту ж саму виділену масу далі за той самий час, розбавляючи її на більшу ділянку повітря – отже, у дні з сильнішим вітром, за інших рівних умов, концентрація забруднювачів на рівні землі біля будь-якого даного джерела буде нижчою. Експоненційний член захоплює вертикальну геометрію: для козлової колосникової установки, що викидає забруднення на значній висоті над землею, ця висота h пригнічує концентрацію на рівні землі до тих пір, поки задимлення не розповсюдиться достатньо далеко, щоб досягти її.

C(x) ≈ Q / (u · σy · σz · 2π) × exp(−h² / (2σz²))

Q = emission rate,  u = wind speed,  h = source height
σy, σz = horizontal and vertical plume spread (grow with distance x)

Чому найвища концентрація не знаходиться безпосередньо під стовпом

Неінтуїтивно, для підвищеного джерела, концентрація на рівні землі відразу під стовпом низька, оскільки вертикальний розпад σz стовпа ще недостатньо великий, щоб значна його частина досягла землі. Зі збільшенням відстані σz зростає, більше частин стовпа досягає поверхні землі, і концентрація підвищується – доки постійно розширюваний σy·σz не розподіляє всю ту ж кількість забруднюючих речовин на величебну площу, що призводить до зниження концентрації. Результат – пік концентрації знаходиться деяким відом від джерела, а не безпосередньо під ним – точно як показано у симуляції на цій сторінці.

Класифікація стабільності: прихований множник

Швидкість зростання σy та σz залежить значною мірою від класифікації атмосферної стабільності, яка зазвичай варіюється від A (дуже нестабільна) до F (стабільна) відповідно до схеми Pasquill-Gifford. Нестабільні умови – зазвичай сильне сонячне світло та легкий вітер, з теплого повітря, що активно підіймається та змішується – швидко розсіюють забруднювачі, швидко їх розбавляючи. Стабільні умови – класично спокійна, ясна ніч із температурним інверсією (шаром теplого повітря, який утримує холодне повітря та забруднення поблизу поверхні) – майже не змішуються, дозволяючи забруднювачам накопичуватися близько до джерела з набагато вищими концентраціями для тієї ж самій потужності викидів. Багато найгірших епізодів смогу в історії відбувалися саме через те, що постійна інверсія трималася над містом протягом кількох днів, пригнічуючи вертикальне змішування, яке в іншому випадку очистило б повітря.

Що насправді зменшує забруднення

Оскільки модель показує, що концентрація масштабується безпосередньо з вихідною швидкістю викидів Q, найпрямішим заходом є просто зменшення викидів: перехід на відновлювану енергію, електрифікація транспорту, встановлення пропускних систем у промислових викидах (очищувачі, фільтри) та більш суворі екологічні норми. Лісонасадження та зелені зони міст надають меншу, але реальну допомогу, оскільки рослини безпосередньо поглинають деякі забруднювачі. Жоден з цих заход не змінює фізики розповсюдження – вони змінюють Q, одну змінну, яка множиться на все інше в рівнянні звивистої хвилі.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Air Pollution Dispersion і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.