Диффузия загрязнителей в атмосфере

Диффузия загрязняющих веществ в атмосфере является ключевым процессом, определяющим пространственно-временное распределение примесей и степень их воздействия на окружающую среду и здоровье человека. Этот процесс включает молекулярные и турбулентные механизмы переноса, которые протекают в разных масштабах и зависят от физических свойств атмосферы, химической природы загрязнителей и метеорологических условий.

Молекулярная диффузия представляет собой процесс переноса вещества вследствие хаотического теплового движения молекул. В атмосфере она играет роль только в микромасштабах (доли миллиметра), поскольку коэффициенты молекулярной диффузии газов относительно малы (порядка 0,1 см²/с). На больших расстояниях решающим становится турбулентный перенос.

Турбулентная диффузия обусловлена наличием вихревых движений воздуха, формирующихся вследствие неустойчивости потоков, нагрева подстилающей поверхности, взаимодействия с рельефом и постройками. Она является основным механизмом рассеивания загрязнителей, определяя их разбавление и снижение концентрации с удалением от источника. Турбулентная диффузия на порядки эффективнее молекулярной и описывается осреднёнными уравнениями переноса.

Уравнения диффузии и переноса

Распределение концентрации загрязняющего вещества C(x, y, z, t) в атмосфере описывается уравнением адвекции-диффузии:

$$ \frac{\partial C}{\partial t} + \vec{u} \cdot \nabla C = \nabla \cdot (K \nabla C) + Q - \lambda C, $$

где

  • u⃗ — вектор скорости ветра,
  • K — тензор турбулентной диффузии, зависящий от турбулентной структуры потока,
  • Q — интенсивность источника выброса,
  • λC — член, описывающий химические превращения или осаждение вещества.

Данное уравнение сочетает в себе процессы конвективного переноса, диффузии, образования и разрушения загрязнителя.

Вертикальное и горизонтальное рассеивание

Горизонтальная диффузия связана с перемещением загрязнителей вдоль поверхности Земли. Она в первую очередь определяется скоростью и направлением ветра, а также интенсивностью турбулентных пульсаций.

Вертикальная диффузия ограничена стратификацией атмосферы. В конвективных условиях (днём, при прогреве поверхности) вертикальное перемешивание усиливается, загрязнители поднимаются на значительные высоты, формируя конвективные шлейфы. При инверсии температуры вертикальное перемешивание подавляется, что способствует накоплению примесей в приземном слое.

Влияние атмосферной стратификации

Состояние устойчивости или неустойчивости атмосферы определяет эффективность диффузии.

  • Неустойчивая стратификация (днём, летом) сопровождается активной конвекцией и интенсивным турбулентным перемешиванием.
  • Нейтральная стратификация характерна для условий облачности и ветреной погоды; диффузия определяется ветровыми потоками.
  • Устойчивая стратификация (ночью, зимой, при инверсиях) приводит к резкому снижению коэффициентов турбулентной диффузии и накоплению загрязнителей в приземных слоях воздуха.

Модели диффузии загрязнителей

Для описания пространственного распределения загрязняющих веществ применяются математические модели.

Гауссова модель шлейфа — наиболее распространённый подход, описывающий стационарное распределение загрязнителей от точечного источника при постоянных метеоусловиях. Концентрация примеси в произвольной точке выражается как:

$$ C(x,y,z) = \frac{Q}{2 \pi u \sigma_y \sigma_z} \exp\left(-\frac{y^2}{2\sigma_y^2}\right)\left[\exp\left(-\frac{(z-H)^2}{2\sigma_z^2}\right) + \exp\left(-\frac{(z+H)^2}{2\sigma_z^2}\right)\right], $$

где

  • Q — мощность источника выброса,
  • u — средняя скорость ветра,
  • σy, σz — параметры рассеивания, зависящие от расстояния до источника и атмосферных условий,
  • H — высота выброса.

Эта модель применима для оценки загрязнения воздуха промышленными предприятиями, ТЭЦ, транспортными выбросами.

Роль подстилающей поверхности и рельефа

Диффузия загрязнителей существенно зависит от взаимодействия с земной поверхностью.

  • Городская застройка усиливает турбулентность и приводит к образованию локальных вихревых зон, где концентрации загрязнителей могут значительно превышать средние значения.
  • Горный рельеф вызывает сложные орографические эффекты, включая горно-долинные ветры, которые усиливают перенос загрязняющих веществ в вертикальном направлении.
  • Водные поверхности способствуют формированию температурных контрастов, что отражается на структуре турбулентного перемешивания.

Осаждение и трансформация примесей

Помимо переноса, загрязнители подвергаются физико-химическим процессам:

  • Сухое осаждение — оседание частиц и газов на поверхность земли и растительность.
  • Мокрое осаждение — захват загрязнителей дождевыми и снежными осадками.
  • Фотохимические превращения — разложение или образование новых соединений под действием солнечной радиации (например, образование тропосферного озона).
  • Аэрозольные процессы — коагуляция, конденсация и испарение частиц.

Эти процессы изменяют реальное пространственное распределение загрязнителей и должны учитываться в моделях диффузии.

Влияние антропогенных и природных факторов

  • Антропогенные источники: промышленные выбросы, автотранспорт, энергетика.
  • Природные источники: вулканическая активность, пыльные бури, лесные пожары, биогенные эмиссии.

Интенсивность и масштаб диффузии зависят от мощности источника, его высоты и характеристик выброса (температуры, скорости, состава).

Оглавление