بررسی انتشار آلاینده‌ها در شرایط آب و هوایی متفاوت

 5-2-1- حذف آلاینده توسط نیروی جاذبه و فرآیند رسوب گیری خشک برای ذرات بزرگ انتشار یافته معلق در هوا که قطر آن‌ها حدود ۵۰ میکرومتر باشد، سرعت ته نشینی، تحت اثر جاذبه زمین، در حدود ۱۰ سانتیمتر بر ثانیه خواهد بود. این سرعت با علامت vs مشخص می‌گردد. در این حالت حذف مواد سمی از اتمسفر توسط نیروی جاذبه صورت خواهد گرفت. قانون استوک (Stoke) با یک ضریب تصحیح برای این نوع ته نشینی به صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:

 (5-20) . . .

در این فرمول هریک از حروف بیانگر: = جرم حجمی ذرات بر حسب گرم بر متر مکعب = جرم حجمی هوا بر حسب گرم بر متر مکعب g= شتاب جاذبه زمین معادل ۸۱/۹ متر بر مجذور ثانیه Dp= قطر ذرات بر حسب میکرومتر ، ویسکوزیته هوا ، ضریب تبدیل SCF= ضریب تصحیح خطا برای ذرات بزرگتر و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

 (5-21) . . .

 در این فرمول نیز قطر ذرات باید برحسب میکرومتر در نظر گرفته شود. از ضریب فوق کاملاً مشخص می‌شود که ذرات بزرگ به طور مداوم هم¬چنان‌که در شکل (۵-۷) به نمایش درآمده است ته نشین خواهند گردید.
 فرض شده است که برای بدست آوردن فرآیند ته نشینی از دو مرحله تبعیت نماییم:

مرحله اول) تقسیم بندی ذرات برحسب اندازه و غلظت آن‌ها در توده. به طوری‌که هر ماده در دسته‌هایی با اندازه و غلظت متفاوت دسته بندی شود.
مرحله دوم) شار موضعی ته نشینی ذرات توسط که معادله زیر محاسبه شود:

 (5-22) . . .

 در این معادله C(Dp,x,y,0)دلالت بر غلظت ذرات از هر نوع اندازه‌ای بر روی سطح زمین در موقعیت (x,y)نسبت به توده دارد.

 5-2-1-1- ته نشینی خشک ذرات کوچک و معلق در هوا جدای از ذرات بزرگ، اثر سایر محصولات ناچیز فرض شده و از تغییرات جرم نیز صرف‌نظر می‌گردد، زیرا کار اندازه گیری غلظت مواد در چند صد متری انتشار انجام گرفته و این کاهش جرم در مقایسه با شار جرمی توده بسیار ناچیز خواهد بود. سرعت رسوب‌گیری در حالت ذکر شده، از فرمول ذیل محاسبه می‌شود:

 (5-23) . . .

 به صورتی که: vs = سرعت نشست تحت جاذبه که برای ذرات، غیر از صفر و برای گازها صفر خواهد بود. ra = مقاومت آئرودینامیک برحسب ثانیه بر متر rs = مقاومت سطح یا لایه آرام بر حسب ثانیه بر متر rt = مقاومت در برابر انتقال وابسته به نوع سطح مقاومت آئرودینامیک برای گازها و نیز ذرات کوچک از طریق فرمول زیر محاسبه خواهد گردید:

(۵-۲۴) . . .

در این معادله داریم: = سرعت اصطکاک L= طول Monion-Obukhov zd= ارتفاع مرجع (بنا به فرض معادل ۱۰ متر)

شکل (۵-۶)- نمایی از فرآیندهای مختلف ته نشینی تحت شرایط جوی متفاوت . . .

شکل (۵-۷)- نمایی از نحوه سقوط ذرات با اندازه‌های مختلف . . .

نیز توسط معادلات زیر محاسبه می‌شود:

 (5-25) . . .

 اگر >0 z/L در نتیجه

 (5-26) . . .

 اگر z/L=0 در نتیجه

(۵-۲۷) . . .

 اگر z/L<0 در نتیجه برای تعیین میزان وL ، می‌توان با داشتن حالت‌های پایداری هوا، بنا به فرض از مقادیر ذیل استفاده نمود:

 (5-28) . . .

 مقاومت سطح و یا لایه آرام (rs)وابسته به ضریب پخش مولکولی گازها و یا ضریب براونی ذرات است و می‌تواند توسط فرمول زیر تخمین زده شود:

(۵-۲۹)  . . .

در این معادله داریم: Sc = عدد اسمیت St = عدد استوک n = 5/0- برای z0<0.1 متر n = 7/0- برای z0>0.1 متر عدد اسمیت هم در شرایط متفاوت از طریق زیر محاسبه می‌شود: – برای ذرات Sc=v/DB – برای گازها Sc=v/D به‌صورتی که: v= ویسکوزیته مولکولی هوا: DB = ضریب پخش براونی ذرات در هوا D = ضریب پخش مولکولی گاز آلاینده در هوا برای بسیاری از گازها، Sc مساوی با مقدار ۱ خواهد بود. ضریب پخش براونی نیز یک تابع قوی از اندازه ذره می‌باشد، به طوری‌که در اندازه تقریباً ۱ میکرومتری ذره، ، و برای اندازه نیز خواهد بود.
مقدار ضریب براونی از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود:

 (5-30) . . .

 عبارات بکار رفته در این فرمول مطابق زیر می‌باشد: SCF= ضریب تصحیح خطا Dp= اندازه ذره برحسب میکرومتر T= دمای هوا برحسب درجه کلوین عدد استوک نیز که فقط برای ذرات غیر از صفر است به قرار زیر می‌باشد:

(۵-۳۱) . . .

 مقاومت لایه آرام (rs)تنها برای گازها و یا ذرات با قطر کم تا حدود مهم بوده و برای ذرات با قطر بیش از ۱ میکرومتر می‌تواند نادیده انگاشته شود. مقاومت در برابر انتقال نیز از طریق زیر محاسبه می گردد:

 (5-32) . . .

برای ذرات rt=rarsvs (5-33) برای گازها در معادلات اخیر: LAI=leaf area index (area of leaves over a unit area of ground surface) rf= stomatie resistance rcut= cuticle resistance rg= resistance to transfer across the nonvegetated ground or water surface. دو جزء اول فقط در شرایطی مهم هستند که پوشش گیاهی داشته باشیم و این پوشش نیز در مقابل آلاینده‌ها به طور فعال برخورد نماید. جزء آخر نیز برای واکنش پذیری سطح و آلاینده اهمیت پیدا می‌کند. برای گازهای غیرواکنش پذیر، پایداری انتقال rt به بی‌نهایت میل خواهد نمود و سرعت ته نشینی با توجه به این مسأله، معادل صفر می‌گردد. جزءهای rf ، rcut , rg فقط در صورتی اهمیت پیدا می‌کنند که ته‌نشینی اسیدی داشته باشیم یعنی وقتی که گازهایی همچون SO2 , NO2 , HNO3 , PAN , O3 مدّ نظر باشند.
 برای این گازها، Pleim و همکارانش در سال ۱۹۸۴ اعلام داشتند که مقاومت انتقال حدود ۱۰ ثانیه بر سانتی‌متر خواهد بود و این مقدار می‌تواند حدود ۳ ثانیه بر سانتی‌متر کمتر یا بیشتر برای مواد مختلف در تغییر باشد. اطلاعات کمی در مورد مواد HF و HF.H2O , UF6 وجود دارد. Bloom و همکارانش در سال ۱۹۸۹ برای این مواد مقدار s/cm 2/0 را جهت rt پیشنهاد نمودند و هم اینک نیز این مقدار بکار گرفته می‌شود. با در نظر گرفتن این عدد متوجه خواهیم شد که جزء اصلی و تغییر دهنده‌ای برای سرعت ته نشینی وجود نخواهد داشت و از طرف دیگر این مخلوط دارای قدرت واکنش پذیری خوبی با سایر مواد می‌باشد.

 شکل (۵-۸)- منحنی Pasquill-Gifford-Turner، طول Monion-Obukhov و زبری نسبی برای حالت‌های پایداری متفاوت. . . .

وضعیت A به شدت ناپایدار، B ناپایداری متعادل، C کمی ناپایدار، D خنثی، E کمی پایدار و F پایداری متعادل

 5-2-2- جابجا شدن ذرات و گازها توسط مه و ته نشین شدن (ته نشینی مرطوب) ذرات و گازهای مورد بحث می‌توانند توسط باران، برف، مه و یا ابر توسط دو شیوه نام برده شده در زیر از توده انتشار یافته جدا و ته نشین شوند:

• در ابر و مه، توسط قطرات ریز مه و ابر
 • در زیر ابر، با ته نشینی توسط نازل شدن قطرات و یا برف بر روی زمین

از میان یک توده آلودگی هرگاه فرض شود که گازهای مورد بررسی، واکنش پذیری خوبی دارند و توده نیز در میان ابر حرکتی نداشته باشد، نتیجه گرفته خواهد شد که تنها راه انتقال و جابجایی آلودگی، فرآیند جذب خواهد بود. این شیوه با حالت دوم که از طریق سقوط قطرات باران و یا برف در زمان کوتاه صورت می‌گیرد کاملاً متفاوت می‌باشد. در هر دوی این شیوه‌ها، مقیاس کم شدن آلودگی (جابجایی) با عبارت ( ) و واحد (s-1) معرفی شده است و سرعت ته نشینی (Pr ) نیز دارای واحد میلی‌متر بر ساعت می‌باشد و فرض می‌شود که تغییر غلظت موضعی با زمان به صورت تابع نمایی باشد:

 (5-34) . . .

در این معادله t بیانگر زمان در معرض قرار گرفتن توده آلاینده با قطرات مایع آب است. برای شار ته نشینی مواد در روی زمین، Fwet، داریم:

 (5-35) . . .

 zw مساوی با عمق لایه توده مرطوب خواهد بود. ضریب جابجایی آلاینده بنا به پیشنهاد Bloom و همکارانش در سال ۱۹۸۹: – مساوی با برای HF و CLF3 – مساوی با برای UF6 و UO2F2 – مساوی با صفر برایHCL و F2 – برای سایر گازها نیز بدون کاربرد می‌باشد Ramsdell و همکارانش در سال ۱۹۹۳، فرمول‌های زیر را برای یون یدید و سایر ترکیبات معلق در هوا بر اساس تابعی از سرعت ته نشینی در مدل RATCHET استفاده نمودند:

 (5-36) . . .
 برای باران

 (5-37) . . .
برای برف

 در این دو فرمول، pr و یا سرعت ته نشینی، برحسب mm/hr بیان می‌شود. اگر سرعت ته نشینی معلوم نباشد، می‌توان مقدار قراردادی ۱- (s 1000) را به کار برد و چنین فرض نمود که در این زمان، کل آلودگی جابه¬جا شده و نشست کرده است. اما چنان‌چه این سرعت یکی از معلومات مسأله باشد، استفاده از فرمول‌های فوق ارجحیت پیدا می‌نمایند. برخی از سرعت‌های پیشنهاد شده ته نشینی تحت شرایط متفاوت در جدول زیر آورده شده است:

جدول (۵-۲)- سرعت ته نشینی pr (برحسب mm/hr معادل مایع) . . .

وضعیت جوی سبک متوسط شدید باران برف ۱/۰ ۰۳/۰ ۳ ۵/۱ ۵ ۳/۳ به عنوان مثال برای باران متوسط یا ۱-(۱۵ دقیقه) است. این نتیجه نشان می‌دهد بیشترین مقدار آلودگی در ۱۵ دقیقه پس از شروع باران متوسط جابه¬جا خواهد شد. به علت گذشت زمان از هنگام انتشار مواد و شروع باران، تا وقتی که گیرنده‌ها بتوانند میزان غلظت را ثبت نمایند، یعنی از ۱۰ تا ۱۰۰ ثانیه، یک اختلافی در میزان واقعی و میزان ثبت شده مشاهده می‌شود که در این میان انجام واکنش با رطوبت را هم باید مدّ نظر قرار داد.