Danilovic_II.doc

7/21/2019 Danilovic_II.doc

http://slidepdf.com/reader/full/daniloviciidoc 1/13

Univerzitet u Novom Sadu

Prirodno matematički fakultet,

Departman za Fiziku

Smer: Fizika – meteorologija i modelireanje životnesredine

aga!enje atmosfere

Seminarski rad (2) iz:Uvod u meteorologiju II

Danilovi" Sr!an

Novi Sad, 21. Maj 2007



Sadržaj:

1. Uvod .......................................................................................................... 32. Padanje čvrstih česti a ............................................................................ !3. Prostiranje gasnog zaga"enja .................................................................. #!. Pe$čane i %račinaste &ure ....................................................................... 11'. Prilog 1 .................................................................................................... 12

. ori$tena i navedena literatura ............................................................... 13

2



UVOD:

*o&ar kvalitet vazduha je %reduslov za zdravlje i do&ro&it ljudi iekosistema. +agadjeni vazduh uti e na razli ite na ine na zdravlje ljudi,ekosisteme i materijale. -tmos era se moze %osmatrati kao sredstvo trans%ortazagadjuju ih materija do udaljenih loka ija, i drugih medija (ko%no i voda).

+agadjenje vazduha na ur&anom nivou %redstavlja izvor &rojnih %ro&lema:zdravstvenih rizika uglavnom %ovezanih sa inhala ijom gasova i česti a,o$te/enjima istorijskih s%omenika i o$te/enjima vegeta ije unutar i u &lizinigradova. Pojava i učestalost %ove/ane kon entra ije zaga"uju/ih materija uatmos eri %rvenstveno zavisi od veličine i distri&u ije izvora emisije, lokalneto%ogra ije (n%r. ravan teren, dolina), ali i od lokalnih klimatskih uslova (n%r.%rosečna &rzina vetra, %ojava tem%eraturnih inverzija).

U seminarskom radu, %riča /e &iti %osve/enja %rostiranju tvrdih česti a uatmos eri, kao I %rostiranju gasnog zaga"enja. raj seminarskog rada &i/e%osve/en %e$čanim &urama koje svojim dejstvom mogu da dovedu do velikihzaga"enja i na ve/im %rostornim razmerima.

3



Padanje čvrstih česti a

U atmos eri se kao %osledi a zaga"enja nalazi verlik &roj čvrstih česti a

koje %adaju kroz atmos eru sa manjom ili ve/om &rzinom. 0e&de/e čvrste česti e%redstavljaju kom%leksnu me$avinu organskih i anorganskih česti a. Ponastanku ih mo emo %odeliti na %rimarne i sekundarne. Primarne nastajuuglavnom sagorevanjem goriva motornih vozila, industrijskom %roizvodnjom, kaoi delovanjem atmos ere na zemljinu koru. Po veličini one su %romera ve/eg od2,' m. Sekundarne česti e nastaju u vazduhu raznim izičkim i hemijskim%ro esima iz drugih %olutanata najče$/e azotnih i sum%ornih oksida %a su izvoriemisije ovih česti a usko %ovezani sa uku%nom emisijom %olutanata. ajve/i deoovih česti a je %romera manjeg od 2,' m.

4rzinu %adanja česti a kroz atmos eru mo emo da odredimo na osnovučinjeni e da atmos eru %osmatramo kao viskoznu sredinu sa koe i ijentomviskoznosti 5 kroz koju se kre/e česti a %olu%rečnika r. U tom slučaju na česti u

/e da deluje sila trenja η F koja je %o Stoksovom zakonu jednaka:

vr F η π η 6= , (1)

gde je v &rzina %adanja česti a dok se za 5 %ret%ostavlja da ne zavisi odatmos erskog %ritiska i da mo e da se izačuna sa velikom tačno$/u iz izraza:

( ) 50 101 ⋅+= t η α η η (2)

gde je 110 717,1

−−= s Kgmη , t 6 tem%erature vazduha ( C ° ), a 100288,0 −°= C η α .

U %olju sile +emljine te e česti e %ra$ine ima/e neku konstantnu &rzinu %adanja

0v , kada sila 00 6 vr F η π = &ude uravnote ena razlikom njene te ine i slile

%otiska tj.

( ) g r vr v ρ δ π η π −= 30 3

46 (3)

gde je δ gustina česti a %ra$ine koje %adaju kroz atmos eru, v ρ 7 gustina

vazduha, a g u&rzanje +emljine sile te e. -ko jednačinu (3) re$imo %o 0v

do&ijamo da je:

4



η ρ δ v gr v

−= 2

0 92

, (4)

ili ako uvedemo smenu na način da je:

g C v

η

ρ δ −=9

20

, (5)

izraz za konstantnu &rzinu %adanja česti a %ra$ine0v do&ija o&lik:2

00 r C v = . (6)

8noge česti e u atmos eri imaju manju gustinu nego $to je gustina vazduha %a

konstantu 0C mo emo da smatrano konstantnom za donji deo tro%osvere gde je

ona za slučaj kada je 3310 −= kgmδ jednaka 1180 10268,1 −−

⋅= smC . 9vu vrednost

mo emo da koristimo za %raktična izračunavanja.ada je visina velika i kada je vazduh razre"en sudari izme"u čvrstih

česti a i molekula vazduha %ostaju sve re"i. Izme"u dva sudara &rzina %adanjačesti a /e da se %ove/a. 9vo je mogu/e ukoliko je %olu%rečnik česti e r manji oddu ine slo&odnog %uta molekula l (%ri normalnom %ritisku Pa p 101325= ,

ml 81053,6 −⋅= ). Sledi kada je r l za &rzinu %adanja česti a 0v mogu/e je da

se %rimeni aninganova ( aningham) ormula:

( )++=r

l Q Ar C v 12

00 (7)

gde je - ; 1,2! i < ; =,!2. *u ina slo&odnog %uta molekula vazduha l u

atmos eri raste sa visinom, a o&rnuto je %ro%or ijalna gustini vazduhav ρ . 9na

mo e %ri&li no da se odredi iz ormule

H z

el l 0= , (8)

gde je 0l neka re erentna vrednost slo&odnog %uta, a > neka visina u atmos eri

do koje se odre"uje du ina slo&odnog %uta.( %r: za km H 18= , ml 70 109,5 −

⋅= ?a

za km H 50= , ml 50 102,7 −

⋅= ). +&og toga /e u vi$im slojevima atmos ere &rzina

0v &iti znatno ve/a od &rzine 0v u ni im slojevima atmos ere. Ukoliko je odnos

r l / i ako je ( ) r l Q A /+ >> 1 onda izdaz (#) mo e da se na%i$e kao:

5



( )lr Q AC v += 00 . (9)

Iz ovog izraza %roizilazi da /e česti a, koja %ada iz vi$ih slojeva atmos ere, da

%ada sve s%orije %o$to se du ina %uta l, a zajedno sa njom i &rzina0v , menjaju

o&rnuto srazmerno gustini vazduha v ρ . -ko se u gornjem sloju atmos ere o&razuje konstantan luks česti a

kosmičke %ra$ine u %očetku kada je 0v velika, a saglasno sa jednačinom (#)

česti e %ra$ine /e &rzo da %adaju tako da /e njihova kon entra ija u 31 m da&ude mala dok /e u ni im slojevima atmos ere gde se česti e %ra$ineus%oravaju njihova kon entra ija %ove/avati. Iz toga sledi da je %ove/anje

kon entra ije česti a o&rnuto srazmerno &rzini0v , a to nadalje znači da /e se

kon entra ija uve/avati kako se uve/ava gustina vazduha u kom one %adaju.ada česti a %ada velikom &rzinom ( )t v koja se razlikuje od &rzine 0v

jednačina kretanja česti e /e da ima slede/i o&lik:

( ).'6'

0 vvr dt dv

m −= η π

(10)

%osle integra ije ovog izraza nalazimo da je

( ) τ

t

evvvv '' 000 −=− (11)

gde uvedene oznake imaju slede/a značenja: '0v - %očetna &rzina, a

g r C g v // 2

00 ==τ %redstavlja vreme koje česti a %rovede u tur&ulentnoj struji u

kojoj mogu da je zahvate vrtlozi ili kada se na"e u &lizini neke %re%reke gde seznatno mo e %romeniti &rzina osnovne struje u kojoj se %rethodno nalazilačesti a %ra$ine.

+načajnu ulogu na ras%odelu gasova i areosola u atmos eri ima

tur&ulentno me$anje vazduha. @ur&ulen ija je u atmos eri stalno %risutna a onamo e &iti uzrokovana raznim mehanizmima: slo&odnom i %rinudnomkonvek ijom, talasima u atmos eri ili nehomogeno$/u u struji vetra %ri čemuintenzitet me$anja raste sa %ove/anom nesta&ilno$/u atmos ere. Pritur&ulentnom kretanju u atmos eri o&razuju se vrtlozi koji se u ne%oreme/enom

6



o&liku kre/u na nekom njihovom %utu me$anja da &i se %otom rasuli i %ome$alisa okolnim vazduhom. Svaki od tih vrtloga sa so&om nosi aerosole i gasove %ričemu se i oni me$aju sa okolnim vazduhom.

Prostiranje gasnog zaga"enja

Prostiranje gasnog zaga"enja iz nekog izvora mo e da se o%i$e jednačinom za tur&ulentnu di uziju u kojoj se %ojavljuju koe i ijenti tur&ulentne

di uzije z y x D D D ,, u %rav u z y x ,, ose, redom. 9sim di uznih članova u

jednačini tre&a da se uzmu u o&zir i konvektivni %ro esi kojima se o%isuje %renosčesti a %utem vetra. -ko sa u o&ele imo &rzinu vetra u %rav u x ose, avertikalnu &rzinu vazduha saw , onda jednačina za trans%ort %asivne su%stan e

( )1−kgkg q , za slučaj neutralne strati ika ije, do&ija o&lik:

2

2

2

2

2

2

z q

D y

q D

xq

D z q

w xq

ut q

z y x ∂∂+

∂∂+

∂∂=

∂∂+

∂∂+

∂∂

(12)

+&og jednostavnijeg re$avanja ove jednačine uzimamo da je gustina

vazduha v ρ konstantna a kon entra iju %asivne su%stan e, koja se u vidu

čvrstih česti a nalazi u vrtlozima vazduha, mo emo da izrazimo u 3−kgm . +a

slučaj kada gasovi mogu hemijski da reaguju sa drugim gasovima unutar

za%remine vazduha, onda se na desnoj strani jednačine (12) dodaje član i g qqk

gde je: iq 7 kon entra ija gasa s kojim gas u za%remini vazduha reaguje a g k 7

%redstavlja konstantu reak ije.Aednačina (12) mo e da se %rimeni i na kru%nije česti e zaga"enja koje

imaju ve/u &rzinu %adanja 'v , tako da u tom slučaju jednačina za %rostiranje

zaga"enja ima o&lik:

.)'( 2

2

2

2

2

2

z q

D y

q D

xq

D z q

vw xq

ut q

z y x ∂∂+

∂∂+

∂∂=

∂∂++

∂∂+

∂∂

(13)

Be$avanje ove jednačine zahteva %oznavanje i tzv. donjeg uslova na%ovr$ini zemlji$ta kada je z ; =. a %ovr$ini zemlji$ta mo e da do"e do %ot%une

7



a%sor& ije gasne %rimese koja se %renosi vrtlozima tj. C ; o. oriste/i di uznidotok gasa na %ovr$ini zemlji$ta dz Ddq / i luks česti a koje %adaju na tu istu%ovr$inu qv '− , ovaj uslov mo e da se na%i$e u o&liku:

qqv z

q

D β =+

∂

∂−

' (1!)gde koe i ijentβ ima slede/a značenja: a) ako je 0=β dolazi do %ojaveod&ijanja molekula gasa od %odloge i %od &) ako su ∞=β i 0=q dolazi do%ot%une a%sor& ije gasa od strane %odloge.

*a &ismo re$ili jednačinu (12), a to znači da znamo kakva je unk ionalnazavisnost veličine q od vremena i %rostornih koordinata mo emo da%ret%ostavimo da se na nekoj visini > iznad %ovr$ine zemlji$ta nalazi neki izvor

zaga"enja u vidu dimnjaka, koji n%r. emituje D9 sa konstantnom kon entra ijom1−kgsQ . a isti način mogu/e je da se razmatra i %okretni izvor zaga"enja, n%r.

avionski motor, koji emituje zaga"enje 11 −− skgmQ .

Pri re$avanju jednačine (13) mo e da se uzme da je xqu xq D x ∂∂<<∂∂ // 22 $to

znači da se di uzija %rimese du E ose mo e zanemariti na njen %renos %utemvetra.

Aednačina (12) mo e da se re$i analitičkim %utem ukoliko koe i ijenti

di uzije z y x D D D ,, i &rzinau ne zavise od vertikalne koordinate z i ukoliko je&rzina %adanja česti e '

v dovoljno mala da mo e da se uzme da je jednakanuli. Srednja kon entra ija %rimeseq , koja %otiče od sta ionarnog izvora

zaga"enja konstantne emisije 1−kgsQ sme$tenog u tački (=,=,>), /e da iznosi:( ) ( )

±=+−

x D H z u

x D H z u

x Duy

z y

z z y eee D D x

Qq 444

222

4π , (1')

gde, kada je zadovoljen uslov %ot%unog od&ijanja na %ovr$ini zemlji$ta tj.kada je( 0=β ), odgovara znak %lus, a u slučaju %ot%une a%sor& ije ( ∞=β ), odgovaraznak minus u zagradi izraza (1').

Iz ove jednačine se vidi da %ri zadanim vrednostima koordinata F i zkon entra ijaq , sa udaljavanjem od izvora, o%ada asim%totički kao 1GE, ali i to

8



da %ri od&ijanju najve/a kon entra ijamq %ri %ovr$ini zemlji$ta i rastojanjem x ,

na kom se ona mo e osmotriti %ri F ; =, iznose

y

z m D

DeuH

Qq 2π

= (1 )

i

z m uD

uH x

2

= . (1#)

9vi izrazi se ne sla u u %ot%unosti sa osmatranjima. @ako, na %rimer,osmatranja ukazuju na činjeni u da %ri neutralnoj strati ika iji sloja vazduha

veličina q o%ada kao 8,1/1 x . Ao$ &olji rezultati se do&ijaju ako se %ret%ostavi da

su z D i &rzina vetra u rastu s visinom z, %ri čemu je ta zavisnost data %reko

izraza:

( ) n z z z D z D 1

=

(1H)i

( ) m z u z u 1= (1 )

gde su: 1 z D 7 koe i ijent tur&ulene di uzije na %ovr$ini zemlji$ta?1u 7 &rzina vetra

na %ovr$ini zemlji$ta a m i n ra ionalni &rojevi. Iz ove %ret%ostavke mo e da se

%oka e da izraz za srednju kon entra iju ( ) z xq , ima o&lik:

( )( )

( )( ) ( )

( ) +−⋅

+−=

+−⋅

+−+− +−+−

x Dnm

Hzu I e

x Dnm HzQ

z xq z

nm

p x Dnm

H zu

z

n

z

nmnm

12

22

12

1

21

2

22)(

, 12

221

(2=)

gde je p I 4eselova (4essel) unk ija kom%aktnog argumenta indeksa

( ) ( )2/1 +−−±= nmn p %ri čemu čemu se znak minus uzima za slučaj od&ijanja aznak %lus za slučaj a%sor& ije.

Izrazi (1') i (1 ) su u va nosti za česti e čija je &rzina %adanja veomamala tj. kada je 0' =v . 9vaj uslov mo e da se na%i$e i stro ijem o&liku:

2

2

' z

q D

z q

v z ∂∂<<

∂∂

(21)

9



ili u %ojednostaljenom o&liku

,1'

2

<< D

Lv(22)

gde 0 %redstavlja %rostorni razmer koji u %rizemnom sloju ima vrednost izme"u

1== m i 2== m, a vrednost koe i ijenta tur&ulentne di uzije z D se kre/e oko1220 − sm . Uvr$tavanjem ovih vrednosti u uslov (22) nalazimo da je 11,0' −< msv ,

$to znači da i kru%ne česti e %adaju s malom &rzinom. U slo&odnoj atmos eri %ri

velikim %rostornim razmerima 0 i malim vrednostima z D nije mogu/e da se

zanemare &rzina 'v tako da za sta ionarni slučaj jednačina (13) do&ija o&lik:

.0' =+∂

∂− qv

z q

D z (23)

re$avanjem ove kon entra ije jednačine do&ija se izraz za kon etra iju C(z) uo&liku:

z D z v

eqq'

0= (2!)

gde je 0q kon entra ija zaga"enja %ri %ovr$ini zemlji$ta. 9vaj izraz mo e da se

%rimeni za o&last u atmos eri gde nije izra en uti aj zemljine %ovr$ine, a do&ijen

je za slučaj kada z D i 'v ne zavise od vertikalne koordinate z.

Pra$inaste i %e$čane &ure

Pod ovim %ojmom se %odrazumeva vetar koji nosi velike količine %ra$ine i%eska. @akve se oluje doga"aju u %ustinjskim %odručjima, jer na mestima gde

10



%ostoji vegeta ija, ona $titi zemlji$te od jakih vetrova i dizanja %ra$ine. Pra$inasteoluje su %risutne u srednjoj Sahari, ali ih ima i na ru&nim delovima %ustinja nakondugotrajnih su$a. Primarni izvora energije za vetar &ez o&laka jeste zagrejanozemlji$te. Slično kao i me/ava, %ustinjska oluja onemogu/uje ljudima %utovanjez&og vrlo sla&e vidljivosti tako da %o neki %ut ona &ude svega 1= 7 2= m $to je%ose&no o%asno za avionski sao&ra/a, sna nog vetra i %eska koji mogu zatr%ativozilo ili karavan. Pra$inaste &ure se najče$/e javljaju tokom leta i to o&ičnoizme"u 13 i 1' časova kada su vetar i tur&ulrn ija najintenzivniji. 9ve &ureo&ično utihnu do večernjih časova iz čega %roizilazi njihovo kratko vreme trajanja(svega 1= 6 = min ).

@rans%ort %eska uključuju/i i njegov intenzivni trans%ort u o&liku &ura je

%ojava koja je od izuzetnog značaja ako %ostoji način da se %redvidi u kom%rav u i kojim intenzitetom /e da se trans%ort %eska o&avi. +a tu svrhu koriste seatmos erski modeli, za ve/e ili manje %rostorne razmere, u kojima %ostoje%ose&ni moduli kojima se simuliraju trans%ortne %ojave %eska i %ra$ine. Aedna odnajče$/ih simula ija %eska je simula ija trans%orta %eska iz Sahare &udu/i da nadugačkom %utu %esak no$en vetrom is%u$ta česti e različitih veličina. @ako seneke od njih talo e u Sredozemnom moru gde ih koristi jedna vrsta algi z&og%ove/ane kon entra ije gvo "a u njima. 9vim algama se hrani jedna vrsta ri&etako da je mogu/e da se %redvidi i %rast te vrste ri&e ako se %redvidi količina%eska koja /e da se zadr i na tom mestu u Sredozemnom moru.

i a 1 %okazuje %oreklo %olutanata i njihovu sud&inu u vazduhu

Poreklo

Polutant Prirodni pro#esi $judske aktivnosti %reme zadržavanja u vazdu&u Promene uklanjanje iz vazdu&a

%or7dioksid (S92) vulkani izgaranje ugljena i ugla ! dana oksida ija u ki$om ili talo enjemsul ate So!

27 na JJ, a%sor& ijom osum%or7vodonik vulkani hemijska industrija 2 dana oksida ija u strane %odloge

11



ot%ad S92

n7monoksid (D9) $umski %o ari, okeani, is%u$ni gasovi izautomo&ila i dimni gasovi 1 7 3 mese a reak ije sa hidroksil radikalom (79>) uiz lo i$ta mikro&iolo$ke reak ije u zemlji$tu

monoksid ( 9), %roizvod &akterija sagorevanje goriva i ' dana otohemijske a%so&r ijom od straioksid ( 9 2) u zemlji$tu hemijska industrija reak ije ili JJ i oksida ij do n

i talo enjejak ( > 3) &iolo$ki %ro esi odlaganje ot%ada # dana reak ije S92 ,

oksida ija u 93 talo enje nastalih solivodoni i &iolo$ki %ro esi is%u$ni gasovi iz ! godine otohemijske talo enje nastali

automo&ila, hemijska ind. reak ije a%sor& ija na vegetmikro&iolo$ka aktivn

n7dioksid (D92) &iolo$ki %ro esi sagorevanje osilnihokeani goriva 2 7 ! godine a%sor& ija u okeanu

otosinteza9 3) otohemijske reak ije, otohemijske reak ije vezanje na vegeta

električno %ra njenje izduvnih gasova 92 K 9 zemlji$te, okeančesti e (JJ) vulkani, $umski %o ari, industrija, lo i$ta,

vetrom uzdignuta %ra$ina sekundarni %roizvodi ovisno o veličini česti a i koagula ija talo enje (suvo, mhemijskih reak ija vremenskim uslovima agrega ija

12



Korištena i navedena literatura:

• njiga u izradi Pro . *r. *ragutina @. 8ihailovi/a• htt%:GGLLL.eurometeo. omGenglishGhome• 4. Penzar. i saradni i, 1 , 8eteorologija za korisnike, >rvatsko

meteorolo$ko dru$tvo, +agre&, 2#! str.

13

Documents

Danilovic_II.doc