7.2.3. Взаимопревращения и осаждение примеси

В природной среде вредные вещества, с одной стороны, подвергаются преобразованию и нейтрализации, а с другой стороны — могут создавать новые более токсичные вещества.

Удаление вредных веществ из атмосферы осуществляется за счет химических реакций, гравитационного осаждения, химической и физической сорбции поверхностью Земли — сухое осаждение дс, вымывания осадками — мокрое осаждение дм, что можно представить уравнением;

(7.36)

В то же время общую скорость сухого поглощения примеси можно определить через сопротивление ламинарного слоя, толщина которого зависит от физических характеристик почв и скорости воздуха за пределами ламинарного слоя [29],

Сухое поглощение.

Перенос в свободной атмосфере осуществляется турбулентной диффузией — первая фаза. Во второй фазе в пределах тонкого слоя перемещение воздуха носит ламинарный характер, и линии тока воздуха практически параллельны поверхности. Толщина этого слоя определяется физическими характеристиками поверхности и скоростью воздуха за пределами ламинарного слоя.

При непосредственном контакте молекул или частиц с поверхностью возможен либо их захват, либо возврат в атмосферу. Линейная скорость поглощения V равна:

(7.37)

Скорость поглощения единицы площади, сопротивление переносу и линейная скорость поглощения связаны уравнением:

(7.38)

где С — концентрация газа или частиц в свободной атмосфере;

— атмосферное и поверхностное сопротивление переносу вещества соответственно.

Рассмотрим механизмы переноса примеси через ламинарный слой. Сопротивление г* для газов зависит от коэффициента молекулярной диффузии данного газа в воздухе и от толщины этого слоя. Последняя меняется в зависимости от микрошероховатости поверхности и скорости воздуха за пределами ламинарного слоя.

Механизм поглощения выяснен еще не до конца. Установлено (табл. 12, [73]), что наибольшее сопротивление поглощению оказывает сухой снег, влажная листва, при этом линейная скорость поглощения практически остается одинаковой для всех состав ляющ их.

Для крупных регионов изменение концентрации газов в воздушной массе при переносе над подстилающей поверхностью за счет сухого поглощения описывается уравнением:

(7.39)

где Со и С(т) — концентрации газа (частиц) в атмосфере в начальный момент и момент времени т; Кп — коэффициент поглощения, при постоянных — высоте Н слоя распределения частиц и концентрации частиц иа этой высоте, ои равен:

(7.40)

где тп — среднее время жизни газа (частиц) (табл. 13).

Мокрое осаждение. Процесс вымывания можно разделить на две стадии. На первой стадии вымываемое вещество либо участвует в образовании облачной капли, служа ядром конденсации, либо захватывается каплями облака на том этапе их развития, когда они еще не превратились в падающие дождевые капли. Эта стадия определяется как внутриоблачное вымывание. На второй стадии вещество захватывается падающей каплей дождя на всем пути полета до контакта с подстилающей поверхностью. Вторая стадия называется подоблачным вымыванием.

Для описания общей эффективности совокупности процессов вымывания часто используют безразмерный коэффициент вымывания, который численно равен отношению массовой концентрации вещества в дождевой воде (снеге) к массовой концентрации вещества в окружающем воздухе.

Существует пять механизмов, благодаря которым частица или молекула газа могут попасть в каплю: диффузиофорез; броуновская диффузия; соударение и захват; растворение газа; образование капель на ядрах конденсации.

При диффузиофорезе аэрозольные частицы движутся в направлении среднего потока молекул в воздухе. Например, при конденсации молекул воды, окружающих каплю на ее поверхности, частица двигается вместе с результирующим потоком молекул воды по направлению к капле, к наоборот, при испарении каяли — от ее поверхности. Подобные явления могут возникать при градиентах температур (термофорез). Явление диффузиофореза характерно лишь для очень мелких частиц (с? lt; 0,1 мкм). Общий вклад в вымывание невелик.

Скорость броуновского движения зависит от размера частиц. Коэффициент диффузии уменьшается с 1,4 • 10-4 см2/с для частиц d = 0,01 мкм до 2,4 • 10“6 см2/с для частиц с диаметром d = 0,1 мкм. Диффузия частиц является основным механизмом перемещения их к поверхности капли.

Инерционное соударение присуще относительно крупным частицам. При контакте частицы с поверхностью капли происходит ее захват и переход с поверхности капли в жидкую фазу. Эффективность вымывания путем инерционного соударения и захвата сильно зависит от скорости падающей капли, которая определяется ее размерами, а также от массы и размера вымываемой частицы. Механизм следует учитывать для частиц крупнее 1 мкм.

Количество примеси, вымываемое атмосферными осадками qmt можно определить, если известны интенсивность осадков J, продолжительность осадков, высота подоблачного слоя Нi, высота слоя осадков Н2, концентрация оксидов азота в воздухе подоблачного слоя q .

При постоянном притоке воздуха и постоянной концентрации примеси в воздухе количество удаляемой примеси вычисляется по

формуле:              _

Чш =q-kd-S’t.              (7.41)

При неподвижном слое воздуха, осадках без притока примеси, количество удаляемой примеси определяется по формуле:

= g-(l-e'vst).

Способ вычисления зависит от наличия ветра. В случае сильных ветров применяют расчет первого варианта. При штиле, слабых ветрах и продолжительных осадках — второй вариант. Коэффициент абсорбции kd и поверхность раздела фаз S определяют в зависимости от интенсивности осадков I.

Оценив способность атмосферы к самоочищению за счет сухого и мокрого осаждения примеси, можно определить расчетную концентрация примеси в воздухе qoi