Закономерности распространения загрязняющих веществ
в турбулентной среде
1. Возникновение и критерии турбулентного движения атмосферы
2. Режимы устойчивой и неустойчивой стратификации атмосферы
1 Возникновение и критерии турбулентного движения атмосферы. Поступающие из различных источников загрязняющие вещества (примеси) распространяются в атмосфере под влиянием: 1) переноса их воздушными течениями; 2) турбулентного обмена, 3) захвата примесей каплями облаков и туманов и последующего вымывания осадками.
Отличительной особенностью атмосферных движений служит то, что малые частицы воздуха (нередко называемые молями) совершают неупорядоченные, хаотические движения. Такой режим движения атмосферы (равно как и любой другой жидкости или газа) принято называть турбулентным. Режим, при котором частицы перемещаются по параллельным слегка искривленным плавным траекториям, называют ламинарным.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что характер движения жидкости и газа определяется двумя безразмерными числами или параметрами:
|
|
а) числом Рейнольдса
(1)
(здесь и – скорость движения, l – характерный размер потока, ν – кинематический коэффициент молекулярной вязкости);
б) числом Ричардсона
(2)
здесь – вертикальный градиент температуры воздуха; м –сухоадиабатический градиент; g— ускорение свободного падения, Т— температура воздуха, К;
– вертикальный градиент скорости ветра; и, v — проекции скорости ветра на горизонтальные оси координат.
При малых значениях числа Re движение жидкости и газа носит ламинарный характер. При критическом значении Reкр этого числа наблюдается переход ламинарного движения в турбулентное, а при больших значениях Re движение становится полностью турбулентным.
Оценка Re для атмосферных движений показывает, что их подавляющая часть носит турбулентный характер. Исключение составляют движения в очень тонком (толщиной от нескольких миллиметров до 1—2 см) слое воздуха, прилегающем к земной поверхности, так называемом вязком подслое.
Однако в атмосфере и гидросфере, где температура, плотность и скорость движения изменяются с высотой (глубиной), т. е. наблюдается расслоенность (неоднородность) по вертикали, число Re уже не может служить единственным критерием возникновения и тем более развития турбулентности в такой расслоенной (стратифицированной) среде. Анализ уравнения, определяющего изменение во времени кинетической энергии турбулентных частиц показывает, что в расслоенной среде, наряду с числом Рейнольдса, режим движения зависит от введенного выше числа Ричардсона Ri, учитывающего влияние как термического (γ), так и динамического (β) факторов на возникновение и развитие турбулентности в атмосфере и гидросфере. Как и для Re, существует критическое значение Riкp, которое, по современным оценкам, близко к единице.
|
|
При значениях Ri < Riкp интенсивность турбулентного движения, под которой имеется в виду кинетическая энергия турбулентных частиц, со временем усиливается; при Ri > Riкp, наоборот, – ослабевает и при очень больших значениях турбулентный режим может перейти в ламинарный.
Уменьшению Ri и, следовательно, усилению интенсивности турбулентного движения способствует, как следует из выражения (2), увеличение вертикальных градиентов температуры γ и скорости ветра β.
2 Режимы устойчивой и неустойчивой стратификации атмосферы. Большие (положительные) значения у в приземном слое атмосферы наблюдаются наиболее часто при малооблачной погоде в дневные часы теплого сезона года. В этих случаях температура почвы и воздуха вблизи нее под влиянием солнечной радиации достаточно высокая, а при подъеме температура воздуха быстро падает с высотой: градиент у положителен и, как правило, больше γa: γ > γa. Такая стратификация называется неустойчивой. Число-Ричардсона при этом меньше нуля Ri < 0.
В ночные часы теплого сезона года, а зимой нередко и в течение всех суток, особенно при морозной малооблачной погоде, в приземном слое под влиянием радиационных потерь тепла земной поверхностью температура воздуха наиболее низкая у земной поверхности, а при подъеме растет с высотой. Такое распределение температуры воздуха по высоте называют инверсионным. При этом градиент γ отрицателен, число Ri > 0, интенсивность турбулентного движения со временем ослабевает, вплоть до полного-исчезновения.
Инверсионная стратификация (γ < 0) является частным случаем более широкого класса устойчивой стратификации, при которой температура воздуха падает с высотой медленнее температуры частицы, поднимающейся адиабатически в атмосфере.
Увеличение вертикального градиента β скорости ветра всегда способствует усилению турбулентности, поскольку при этом уменьшается Ri. Рост β в приземном слое однозначно связан с увеличением самой скорости ветра. Таким образом, при фиксированном γ (термический фактор) турбулентное движение (обмен) тем интенсивнее, чем больше скорость ветра, и, наоборот, при очень слабом ветре турбулентный обмен в приземном слое прекращается.
Наглядное представление о степени развития турбулентности в атмосфере дает распространение дыма из заводских и печных труб. При малых скоростях ветра или инверсионной стратификации (в общем случае при больших значениях Ri) дым распространяется в виде тонкой струи на значительное расстояние. По мере увеличения скорости ветра или перехода от устойчивой стратификации к неустойчивой (в общем случае при уменьшении Ri) струя дыма приобретает все более извилистый характер и, наконец, разбивается на отдельные клубы дыма.
В случае рассмотрения проблемы загрязнения атмосферы в глобальном масштабе необходимы сведения по крайней мере о характеристиках тропосферы и стратосферы, поскольку примеси искусственного и естественного происхождения проникают и распространяются в этих слоях. Особого внимания при этом заслуживает влияние примесей на озоносферу (20–55 км) – слой, в котором сосредоточена основная масса озона, содержащегося в атмосфере; некоторое количество его содержится и в других слоях, в частности в тропосфере.
Однако практически все примеси антропогенного происхождения (исключение составляют радиоактивные примеси, образующиеся при ядерных взрывах) распространяются вверх до высоты 1,0–1,5 км, представляющей собой верхнюю границу Н планетарного пограничного слоя атмосферы. Граница эта испытывает значительные колебания во времени и пространстве: от 300–400 м при слабо развитом (большие значения Ri) до 2,0–2,5 км при сильно развитом (малые значения Ri) турбулентном обмене.
|
|
Пограничный слои находится в особенно тесном взаимодействии с земной (подстилающей) поверхностью. На турбулентность в этом слое помимо γ и β большое влияние оказывает шероховатость подстилающей поверхности: высота и вид неровностей земной поверхности (растительный покров, здания, холмы и др.). Для количественной характеристики влияния подстилающей поверхности на воздушный поток вводится понятие параметр шероховатости z0.
Внутри пограничного слоя выделяется приземный (приводный) слой атмосферы с верхней границей от 30–50 м до 150–250 м, в пределах которого особенно велики (по абсолютной величине) и испытывают особенно большие колебания во времени и пространстве вертикальные градиенты метеовеличин: температуры, влажности, скорости ветра – и концентрации примесей.