Ауа ластанушылардың таралуын математикалық модельдеу

Кіріспе

Ауа ластағыштарының атмосферада таралуының математикалық модельдемесі. Атмосфералық дисперсияны модельдеу – ауа ластағыштарының атмосферада таралуын математикалық тұрғыдан сипаттау. Бұл компьютерлік бағдарламалар арқылы жүзеге асырылады, олар ластағыштар таралуын басқаратын математикалық теңдеулерді шешуге арналған алгоритмдерді қамтиды. Дисперсиялық модельдер өнеркәсіптік кәсіпорындар, көлік құралдары немесе кездейсоқ химиялық заттардың шығарылуы сияқты көздерден шығатын ауа ластағыштарының немесе зиянды заттардың жел бағытындағы концентрациясын бағалау үшін қолданылады. Оларды белгілі бір жағдайларда болашақ концентрацияларды болжау үшін де пайдалануға болады (мысалы, эмиссия көздеріндегі өзгерістер). Сондықтан, олар ауа сапасын қалыптастыру саясатында қолданылатын модельдердің басым түрі болып табылады. Бұл модельдер атмосферада таралатын және әсер ете алатын, үлкен қашықтықтарға таралатын ластағыштар үшін ең тиімді. Өте жоғары кеңістіктік-уақыттық өзгеруге ие ластағыштар үшін (мысалы, қара көміртек сияқты, ластану көзінен қашықтыққа қарай тез төмендейтін ластағыштар) және эпидемиологиялық зерттеулер үшін статистикалық жер пайдалану регрессиялық модельдері де қолданылады. Дисперсиялық модельдер ауа сапасын қорғау және басқарумен айналысатын мемлекеттік органдар үшін маңызды. Модельдер көбінесе АҚШ және басқа елдердегі қолданыстағы немесе жоспарланудағы жаңа өнеркәсіптік объектілердің Ұлттық ауа сапасы стандарттарына (NAAQS) сәйкес келіп-келмейтінін анықтау үшін қолданылады. Бұдан өзге, олар зиянды ауа ластағыштарының шығарылуын азайту үшін тиімді басқару стратегияларын жоспарлауға көмектеседі. 1960 жылдардың соңында АҚШ Экологиялық қорғау агенттігінің (EPA) Ауа ластануын бақылау басқармасы қалалық және көлік жоспарлаушылары үшін модельдерді әзірлеуге бағытталған зерттеу жобаларын бастады. Мұндай зерттеулердің нәтижесінде жасалған жол бойындағы таралу моделінің маңызды қолданылуы 1971 жылы Канаданың Spadina Expressway-інде қолданылды. Ауа таралу модельдерін қоғамдық қауіпсіздік қызметкерлері мен төтенше жағдайларды басқару қызметкерлері химиялық заттардың кездейсоқ шығарылуын жоспарлау үшін де пайдаланады. Модельдер қауіпті немесе уытты материалдардың кездейсоқ шығарылуының салдарларын анықтау үшін қолданылады. Кездейсоқ шығарылымдар химиялық заттар немесе радионуклидтер сияқты қауіпті материалдарға байланысты өрттерге, төгілуге немесе жарылыстарға әкелуі мүмкін. Ең нашар жағдайдағы кездейсоқ шығарылым көздері мен метеорологиялық жағдайларды пайдалана отырып, дисперсиялық модельдеудің нәтижелері әсер еткен аумақтарды, ауадағы концентрацияларды бағалауға және шығарылым болған жағдайда тиісті қорғау шараларын анықтауға көмектеседі. Тиісті қорғау шараларына жел бағытындағы адамдарды эвакуациялау немесе оларды қауіпсіз жағдайға орналастыру кіруі мүмкін. Өнеркәсіптік объектілерде осы типтегі салдарларды бағалау немесе төтенше жағдайларды жоспарлау АҚШ-тың Таза ауа туралы заңына (CAA) сәйкес талап етіледі, ол Федералды ережелер кодексінің 40-тарауының 68-бөлігінде бекітілген. Дисперсиялық модельдер модельді әзірлеуге қолданылған математикалық әдістерге байланысты әртүрлі болуы мүмкін, бірақ олардың барлығына келесі деректерді енгізу қажет: желдің жылдамдығы мен бағыты сияқты метеорологиялық жағдайлар, атмосфералық турбуленттіліктің деңгейі (әдетте "тұрақтылық классы" деп аталады), ауа температурасы, кез келген инверсияның төменгі шегі, бұлт жамылғысы және күн сәулесі. Сонымен қатар, шығарылым көзінің сипаттамасы (концентрациясы немесе мөлшері) және материалдың температурасы, шығарылымның параметрлері (көздің орны мен биіктігі, шығарылым түрі (мысалы, өрт, резервуар немесе түтік), шығу жылдамдығы, температурасы және массалық ағын жылдамдығы немесе шығарылым жылдамдығы), көз орналасқан жердегі және қабылдағыш орналасқан жердегі (мысалы, жақын жердегі үйлер, мектептер, кәсіпорындар және ауруханалар) жердің биіктігі, шығарылған газ ағынының жолындағы кез келген кедергілердің (мысалы, ғимараттар немесе басқа құрылымдар) орны, биіктігі және ені, жердің беткейінің құрылымы немесе "ауылдық" немесе "қалалық" жердің жалпы параметрін пайдалану. Көптеген қазіргі заманғы, жетілдірілген дисперсиялық модельдеу бағдарламалары метеорологиялық және басқа да деректерді енгізу үшін алдын ала өңдеу модулін қамтиды, ал көптеген бағдарламалар шығыс деректерін графикалық түрде көрсету және/немесе ауа ластағыштарының әсер еткен аумағын карталарға түсіру үшін кейін өңдеу модулін қамтиды. Әсер еткен аумақтардың карталары ең жоғары денсаулық тәуекелі бар аймақтарды анықтайтын ең төменгі және ең жоғары концентрациялы аймақтарды көрсететін изоплеттерді де қамтуы мүмкін. Изоплеттердің карталары қоғамдық және жауап берушілер үшін қорғау шараларын анықтауда пайдалы. Атмосфералық дисперсиялық модельдер атмосфералық таралу модельдері, ауа дисперсиялық модельдері, ауа сапасы модельдері және ауа ластану дисперсиялық модельдері деп те аталады.

Mathematical simulation of how air pollutants disperse in the ambient atmosphere

Atmospheric dispersion modeling is the mathematical simulation of how air pollutants disperse in the ambient atmosphere. It is performed with computer programs that include algorithms to solve the mathematical equations that govern the pollutant dispersion. The dispersion models are used to estimate the downwind ambient concentration of air pollutants or toxins emitted from sources such as industrial plants, vehicular traffic or accidental chemical releases. They can also be used to predict future concentrations under specific scenarios (i. e. changes in emission sources). Therefore, they are the dominant type of model used in air quality policy making. They are most useful for pollutants that are dispersed over large distances and that may react in the atmosphere. For pollutants that have a very high spatio temporal variability (i. e. have very steep distance to source decay such as black carbon) and for epidemiological studies statistical land use regression models are also used. Dispersion models are important to governmental agencies tasked with protecting and managing the ambient air quality. The models are typically employed to determine whether existing or proposed new industrial facilities are or will be in compliance with the National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) in the United States and other nations. The models also serve to assist in the design of effective control strategies to reduce emissions of harmful air pollutants. During the late 1960s, the Air Pollution Control Office of the U. S. EPA initiated research projects that would lead to the development of models for the use by urban and transportation planners. A major and significant application of a roadway dispersion model that resulted from such research was applied to the Spadina Expressway of Canada in 1971. Air dispersion models are also used by public safety responders and emergency management personnel for emergency planning of accidental chemical releases. Models are used to determine the consequences of accidental releases of hazardous or toxic materials, Accidental releases may result in fires, spills or explosions that involve hazardous materials, such as chemicals or radionuclides. The results of dispersion modeling, using worst case accidental release source terms and meteorological conditions, can provide an estimate of location impacted areas, ambient concentrations, and be used to determine protective actions appropriate in the event a release occurs. Appropriate protective actions may include evacuation or shelter in place for persons in the downwind direction. At industrial facilities, this type of consequence assessment or emergency planning is required under the U. S. Clean Air Act (CAA) codified in Part 68 of Title 40 of the Code of Federal Regulations. The dispersion models vary depending on the mathematics used to develop the model, but all require the input of data that may include:
Meteorological conditions such as wind speed and direction, the amount of atmospheric turbulence (as characterized by what is called the "stability class"), the ambient air temperature, the height to the bottom of any inversion aloft that may be present, cloud cover and solar radiation. Source term (the concentration or quantity of toxins in emission or accidental release source terms) and temperature of the material
Emissions or release parameters such as source location and height, type of source (i. e., fire, pool or vent stack) and exit velocity, exit temperature and mass flow rate or release rate. Terrain elevations at the source location and at the receptor location(s), such as nearby homes, schools, businesses and hospitals. The location, height and width of any obstructions (such as buildings or other structures) in the path of the emitted gaseous plume, surface roughness or the use of a more generic parameter "rural" or "city" terrain. Many of the modern, advanced dispersion modeling programs include a pre processor module for the input of meteorological and other data, and many also include a post processor module for graphing the output data and/or plotting the area impacted by the air pollutants on maps. The plots of areas impacted may also include isopleths showing areas of minimal to high concentrations that define areas of the highest health risk. The isopleths plots are useful in determining protective actions for the public and responders. The atmospheric dispersion models are also known as atmospheric diffusion models, air dispersion models, air quality models, and air pollution dispersion models.

Атмосфералық қабаттар

Ауадағы ластаушы заттардың атмосфераға қайда таралатынын түсіну үшін Жер атмосферасының қабаттарын қарастыру қажет. Жер бетіне ең жақын қабат тропосфера деп аталады. Ол теңіз деңгейінен шамамен 10-15 км биіктікке дейін созылады және жалпы атмосфера массасының шамамен 80 пайызын құрайды. Келесі қабат – стратосфера, ол шамамен 50 км биіктікке дейін жетеді. Үшінші қабат – мезосфера, ол шамамен 85 км биіктікке дейін созылады. 80 км-ден жоғарыда тағы да қабаттар бар, бірақ олар атмосфералық таралуды модельдеу үшін маңызды емес. Тропосфераның ең төменгі бөлігі атмосфералық шекаралық қабат (АШҚ) немесе планеталық шекаралық қабат (ПШҚ) деп аталады. Атмосфераның ауа температурасы биіктік артқан сайын төмендейді, ол инверсиялық қабатқа (температура биіктік артқан сайын көтерілетін қабат) жеткенше, ол конвективті шекаралық қабатты шамамен 1-2 км биіктікке дейін жабады. Тропосфераның жоғарғы бөлігі (яғни, инверсиялық қабаттан жоғары) еркін тропосфера деп аталады және ол тропопаузаға дейін созылады (тропосфера мен стратосфера арасындағы Жер атмосферасының шекарасы). Тропикалық және орта ендіктерде күндіз еркін конвективті қабат бүкіл тропосфераны, яғни, Интертропикалық конвергенция аймағында 18 км дейін қамти алады. АШҚ ауадағы ластаушы заттардың шығарылуы, тасымалдануы және таралуы тұрғысынан ең маңызды. АШҚ-ның Жер беті мен инверсиялық қабаттың төменгі шегарасы арасындағы бөлігі араласу қабаты деп аталады. Амбиенттік атмосфераға шығарылатын ластаушы заттардың көбісі араласу қабатында тасымалданады және таралады. Кейбір шығарындылар инверсиялық қабатты тесіп, АШҚ-дан жоғары, еркін тропосфераға өтеді. Қорыта айтқанда, Жер бетінен жоғары қарай Жер атмосферасының қабаттары: инверсиялық қабатпен жабылған араласу қабатынан тұратын АШҚ; еркін тропосфера; стратосфера; мезосфера және басқалары. Көптеген атмосфералық таралу модельдері шекаралық қабат модельдері деп аталады, өйткені олар негізінен АШҚ ішіндегі ауа ластаушы заттардың таралуын модельдейді. Сандардың шатасуын болдырмау үшін, мезомасштабты модельдер деп аталатын модельдердің таралуды модельдеу мүмкіндіктері көлденең бағытта бірнеше жүз шақырымға дейін жетеді. Бұл олар мезосферада таралуды модельдейді дегенді білдірмейді.

Discussion of the layers in the Earth's atmosphere is needed to understand where airborne pollutants disperse in the atmosphere. The layer closest to the Earth's surface is known as the troposphere. It extends from sea level to a height of about and contains about 80 percent of the mass of the overall atmosphere. The stratosphere is the next layer and extends from to about The third layer is the mesosphere which extends from to about There are other layers above 80 km, but they are insignificant with respect to atmospheric dispersion modeling. The lowest part of the troposphere is called the atmospheric boundary layer (ABL) or the planetary boundary layer (PBL) The air temperature of the atmosphere decreases with increasing altitude until it reaches what is called an inversion layer (where the temperature increases with increasing altitude) that caps the Convective Boundary Layer, typically to about in height. The upper part of the troposphere (i. e., above the inversion layer) is called the free troposphere and it extends up to the tropopause (the boundary in the Earth's atmosphere between the troposphere and the stratosphere). In tropical and mid latitudes during daytime, the Free convective layer can comprise the entire troposphere, which is up to in the Intertropical convergence zone. The ABL is of the most important with respect to the emission, transport and dispersion of airborne pollutants. The part of the ABL between the Earth's surface and the bottom of the inversion layer is known as the mixing layer. Almost all of the airborne pollutants emitted into the ambient atmosphere are transported and dispersed within the mixing layer. Some of the emissions penetrate the inversion layer and enter the free troposphere above the ABL. In summary, the layers of the Earth's atmosphere from the surface of the ground upwards are: the ABL made up of the mixing layer capped by the inversion layer; the free troposphere; the stratosphere; the mesosphere and others. Many atmospheric dispersion models are referred to as boundary layer models because they mainly model air pollutant dispersion within the ABL. To avoid confusion, models referred to as mesoscale models have dispersion modeling capabilities that extend horizontally up to a few hundred kilometres. It does not mean that they model dispersion in the mesosphere.