background image

Wiadomości wstępne o dynamice atmosfery 

Ruch powietrza 

Adwekcja 

Wiatr 

Ogólna cyrkulacja atmosfery 

Wiatry lokalne 

Konwekcja 

Konwekcja wymuszona 

Wolna konwekcja 

Turbulencja 

Adwekcja 

Poziomy, uporządkowany ruch mas powietrza  

Scharakteryzowany poprzez prędkośd i kierunek wiatru  

Pomimo istnienia pionowych ruchów powietrza, które odgrywają znaczącą rolę w formowaniu się 
warunków pogodowych, transporcie zanieczyszczeo atmosferycznych wiatr jest utożsamiany jedynie z 
poziomą składową ruchu powietrza  

W makroskali, poziomy ruch powietrza jest wynikiem równowagi sił, działających na masę (cząstkę) 
powietrza  

Siła gradientu ciśnienia  

Kierunek: prostopadły do linii izobar, zwrot  skierowany od ciśnienia wyższego do niższego. Wartośd

 

Siła Coriolisa 

Kierunek: prostopadły do wektora prędkośdi, zwrot skierowany na półkuli północnej – w prawo, na 
półkuli południowej – w lewo  

Wartośd

 

 

x

p

P

sin

2

u

C

background image

Siła tarcia (oporów ruchu)  

Kierunek: Ok. 30 

 35

 od kierunku izobar, zmienia się wraz z wysokością od powierzchni Ziemi, zwrot 

skierowany odwrotnie do wektora prędkości  

Wartośd

Siła odśrodkowa  

Kierunek: prostopadły do krzywizny, zwrot skierowany na zewnątrz od środka krzywizny  

Wartośd

Pionowy profil wiatru  

 

Konwekcja 

Pionowy ruch powietrza 

Konwekcja wymuszona

Porcje (masy) powietrza poruszają się ruchem pionowym w wyniku napotkania na drodze swego ruchu 
(np. adwekcyjnego) przeszkody: łaocucha górskiego, pojedynczego wzgórza, zbocza płaskowyżu, 
budynku, drzew itp. 

Konwekcja swobodna

Wznoszenie się (lub opadanie) porcji (masy) powietrza w wyniku różnicy gęstości, ciśnienia, temperatury 
między otoczeniem a porcją powietrza 

 

 

u

k

F

r

u

m

F

o

2

2

u

V

c

F

o

background image

Stany równowagi atmosfery 

Pionowy gradient temperatury

 

Pionowy gradient temperatury ( 

t

 ): może byd definiowany jako spadek temperatury powietrza na 100 

m wysokości. 

Może przyjmowad wartości ujemne, jak i dodatnie 

Średnia wartośd 

t

 wynosi 0.6

C / 100 m 

Stany równowagi atmosfery 

Gradient adiabatyczny

a

 ): definiowany jako spadek temperatury porcji powietrza poruszającej się 

ruchem konwekcyjnym. 

Wartośd 

a

  jest wynikiem procesów termodynamicznych zachodzących wewnątrz porcji powietrza 

poruszającej się ruchem pionowym 

a

  jest wartością stałą i wynosi ok.: 1

C / 100 m ( 0.98 

C / 100 ) 

Procesy termodynamiczne 

Równanie stanu gazu

 

Proces izotermiczny: stała temperatura, ciśnienie i objętośd - zmienne; 

Proces izobaryczny: stałe ciśnienie, temperatura i objętośd - zmienne; 

Proces izohoryczny: stała objętośd, ciśnienie i temperatura - zmienne; 

Proces adiabatyczny: temperatura, ciśnienie i objętośd porcji powietrza - zmienne; brak wymiany ciepła 
z otoczeniem 

Spadek ciśnienia powoduje wzrost objętości (rozprężenie adiabatyczne) i spadek temperatury o 1

C na 

100 m  

Wzrost ciśnienia powoduje spadek objętości (sprężenie adiabatyczne) i wzrost temperatury o 1

C na 

100 m 

 

 

 

z

t

t

z

t

t

const

T

V

p

background image

Równowaga stała 

 

t

 = 0,6 

C / 100 m  

a

 = 1 

C / 100 m  

t

 < 

a

   

Równowaga chwiejna 

t

 = 2 

C / 100 m  

a

 = 1 

C / 100 m  

t

 > 

a

   

Równowaga obojętna 

t

 = 1 

C / 100 m  

a

 = 1 

C / 100 m  

t

 = 

a

   

Stany równowagi atmosfery  

Równowaga stała

 

 

t

 < 

 

• Brak konwekcji  

Równowaga chwiejna:   

 

t

 > 

a

  

Silna konwekcja  

Równowaga obojętna:   

 

t

 = 

a

   

Ograniczona konwekcja swobodna, brak czynników hamujących konwekcję wymuszoną  

 

background image

Pionowy profil wiatru  

 

Ruch turbulentny  

Ruch laminarny

Uporządkowany, liniowy ruch powietrza (i każdego płynu), w którym poszczególne cząstki powietrza 
poruszają się po regularnych, równoległych torach ze stałą (lub z liniowo zmieniającą się) prędkością 

Ruch turbulentny

Nieciągły, nieregularny ruch, w którym każda cząstka porusza się z prędkością zmienną w czasie i w 
przestrzeni 

Właściwości ruchu turbulentnego 

Rozpraszający: rozprzestrzenianie materii i energii w ruchu turbulentnym jest 10

4

 

 10

6

 razy większe niż 

w przypadku ruchu laminarnego.  

Trójwymiarowy (3-D): w opisie ruchu musi byd uwzględniona trójwymiarowa zmiennośd wszystkich 
parametrów ruchu (prędkośd, dyfuzja itp.). 

Nieliniowy: nie ma prostej relacji między zmianą właściwości ruchu a wymianą materii i energii.  

Stochastyczny: nieprzewidywalny w szczegółach; szczegóły ruchu mogą byd opisywane i przewidywane 
jedynie za pomocą metod statystycznych. 

 

background image

Ruch turbulentny może byd:  

Stacjonarny: właściwości statystyczne są niezależne od czasu; 

Homogeniczny (jednorodny): właściwości statystyczne są niezależne od położenia. 

Wysoce dyfuzyjny: wielkości skalarne i wektorowe są mieszane i transportowane bardzo intensywnie; 
ruch turbulentny powietrza prowadzi do ujednorodnienia właściwości fizycznych: temperatury, 
wilgotności, stężenia zanieczyszczeo a pionowy profil wiatru jest bardziej jednolity 

Ruch turbulentny posiada wszystkie wymienione wyżej właściwości.  

Właściwości ruchu turbulentnego  

 

 

MODELOWANIE  
DYSPERSJI ZANIECZYSZCZEŃ 

MODELOWANIE  

Zasada zachowania masy 

Zasada zachowania energii 

Zasada zachowania pędu 

Równanie ciągłości strugi 

KLASYFIKACJA MODELI  

Fizyczne: oparte na wygenerowaniu w sztucznych laboratoryjnych warunkach zjawisk wpływających na transport 
zanieczyszczeń 

Matematyczne: oparte o matematyczny opis (równania, algorytmy) zjawisk zachodzących podczas transportu 
zanieczyszczeń w atmosferze 

background image

MODELE MATEMATYCZNE  

Deterministyczne:  oparte na matematycznym zapisie praw fizycznych i procesów chemicznych wpływających na 
dyspersje zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym 

Statystyczne: bazujące na statystycznych związkach między zjawiskami wpływającymi na dyspersję zanieczyszczeń 
a zmianą stężenia zanieczyszczeń 

MODEL EULERA  

oparty na zasadzie zachowania masy pojedynczego zanieczyszczenia wyemitowanego do atmosfery 

 

– stężenie 

V – wektor prędkości ruchu powietrza 

D – dyfuzja molekularna i turbulentna 

E – emisja 

 – operator gradientowy  

2

 – operator Laplace’a  

MODEL EULERA  

Rozwinięcie równania:  

 

 

MODEL LAGRANGE’A  

jest nieliniowym cząstkowym równaniem różniczkowym ujmującym zasadę zachowania masy pojedynczego 
zanieczyszczenia wyemitowanego do atmosfery 

 

 

 

K

y

 – współczynnik dyspersji poziomej 

K

z

 – współczynnik dyspersji pionowej 

R – funkcja reakcji fizyko – chemicznych zanieczyszczeń w atmosferze 

D – depozycja 

 

E

S

D

S

V

t

S

2

z

S

w

y

S

v

x

S

u

t

S





z

S

D

z

y

S

D

y

x

S

D

x

z

y

x

D

R

E

z

S

K

z

y

S

K

y

t

S

z

y





background image

MODEL GAUSSA  

oparty na funkcji rozkładu normalnego stężenia  zanieczyszczeń w wyniku procesu dyspersji w atmosferze 

 

 

 

σ

y

 – odchylenie standardowe poziomego rozkładu stężenia zanieczyszczeń 

σ

z

 – odchylenie standardowe pionowego stężenia zanieczyszczeń 

H – efektywna wysokość emisji 

RÓWNANIE PASQUILLE’A  

 

 

 

Zapis równania Pasquille’a jest równoważny postaci:  

 

 

 

 

PEŁNE RÓWNANIE PASQUILLE’A  

Uwzględnia przemiany fizyko – chemiczne zanieczyszczeń określone przez parametr czasu połowicznego rozpadu 

 

Uwzględnia procesy wymywania zanieczyszczeń przez opady atmosferyczne określone poprzez współczynnik 
wymywania p oraz prędkość opadania kropel deszczu w 

Uwzględnia oddziaływanie warstwy inwersji temperatury znajdującej się na wysokości Z

o

 nad powierzchnią ziemi 

PEŁNE RÓWNANIE PASQUILLE’A  

 

 

 

 

 

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,





2

2

2

exp

y

y





2
z

2

H

z

exp

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,





2

2

2

exp

y

y





2
z

2

2
z

2

H

z

-

exp

H

z

exp

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,

e

y

y

2

2

2



e

z

H

z

2

2

2



e

z

H

z

2

2

2

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,





2

2

2

exp

y

y

o

t

693

,

0

exp

x

w

p

exp







2
z

2

2
z

2

H

z

-

exp

H

z

exp









2

2

o

2

2

2

2Z

H

z

-

exp

2

2

exp

z

z

o

Z

H

z

background image

 

RÓWNANIE PASQUILLE’A  
dla: y = 0 

 

czyli:  

 

 

RÓWNANIE PASQUILLE’A  
dla y = 0; z = 0 

 

 

czyli:  

 

 

RÓWNANIE PASQUILLE’A  
dla y = 0; z = H 

 

 

czyli:  

 

 

Ochrona Powietrza Atmosferycznego 

• 

Procesy zachodzące 

• 

w atmosferze  

• 

Podstawowe pojęcia  

• 

Zmiany stężenia zanieczyszczenia  

• 

Zanieczyszczenia pierwotne i wtórne  

• 

Samooczyszczanie atmosfery  

 

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,





2
z

2

2
z

2

H

z

-

exp

H

z

exp

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,



e

z

H

z

2

2

2



e

z

H

z

2

2

2

z

y

u

E

t

z

y

x

S

,

,

,

 



2
z

2

H

exp

z

y

u

E

t

z

y

x

S

,

,

,

 

e

z

H

2

2

2

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,

 



2
z

2

σ

H

2

-

exp

1

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,

1

 

e

z

H

2

2

2

background image

Pojęcia podstawowe 

Unos – ilość odpadów powstająca podczas procesu produkcyjnego  

Emisja – ładunek substancji uwalniany do atmosfery  

 

Źródło zanieczyszczeń (emitor) – miejsce z którego zanieczyszczenia emitowane są do atmosfery 

Pochłaniacz (ang. sink) – miejsce w którym zanieczyszczenia znikają z atmosfery: gleba, rośliny, budowle, 
woda i.t.p. 

Receptor – obiekt, na który oddziałuje zanieczyszczenie powietrza: 

  - człowiek lub zwierzę, oddychające  

zanieczyszczonym powietrzem lub  skóra podrażniona przez 

 

zanieczyszczenie 

  - drzewo lub inna roślina 

  - materia nieożywiona: metal, budowla,  

tkanina,  papier, kauczuk, itp. 

  - atmosfera sama w sobie  

 Stężenie – podstawowa wielkość charakteryzująca ilość zanieczyszczeń w powietrzu; może być wyrażone w 
jednostkach masy na objętość [

g·m

-3

] lub jako części na milion [ppm] lub części na miliard [ppb].  

Wzory przeliczeniowe: 

 

 

Transport – proces rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w swobodnej atmosferze 

Dyspersja – suma procesów zachodzących podczas rozprzestrzeniania zanieczyszczeń (na odcinku źródło - 
receptor) powodujących spadek stężenia zanieczyszczeń w powietrzu  

 

 

 

ppm

C

MCz

m

g

C

9

.

40

3

MCz

m

g

C

ppm

C

9

.

40

3

background image

Dyspersja 

 Suma trzech procesów: 

  - transport zanieczyszczeń w masie  

powietrza spowodowany ruchem   adwekcyjnym (wiatrem) 

  - mieszanie się powietrza  

zanieczyszczonego z powietrzem   czystym w wyniku dyfuzji 

 

molekularnej i turbulencyjnej 

  - meandrowanie smugi zanieczyszczeń  

spowodowane zmian kierunku wiatru 

Mechanizmy samooczyszczania atmosfery – procesy powodujące usuwanie zanieczyszczeń z atmosfery 

Czas połowicznego rozkładu – okres, po którym 50 % ładunku zanieczyszczeń wyemitowanych do atmosfer 
zanika a drugie 50 % pozostaje w powietrzu 

Czas połowicznego rozkładu  

• Większość zanieczyszczeń – czas połowicznego rozkładu liczony w dobach 

• Dwutlenek węgla (CO

2

), metan (CH

4

) –  czas połowicznego rozkładu liczony w latach  

• Chlorofluorowęglany (CFCs),  – czas połowicznego rozkładu liczony w dziesiątkach lub lat a nawet ok. 100 lat.   

• 

Zanieczyszczenia pierwotne  

Substancje emitowane ze źródeł zanieczyszczeń do atmosfery bezpośrednio; zwykle o stosunkowo prostej budowie 
chemicznej np.: CO, CO

2

, SO

2

, NOx, H

2

S, NH

3

, HCl, itp.  

• 

Zanieczyszczenia wtórne  

Substancje, które nie zostały wyemitowane do atmosfery ale znajdują się w powietrzu w wyniku reakcji 
chemicznych pomiędzy zanieczyszczeniami pierwotnymi lub pomiędzy zanieczyszczeniami a składnikami stałymi 
atmosfery 

• 

Reakcje chemiczne  

 • Utlenianie:  

tlenek azotu (NO)   dwutlenek azotu (NO

2

dwutlenek azotu(NO

2

)  kwas azotowy(HNO

3

)  

2 NO + O

2

  2 NO

2

  

4 NO

+ 2 H

2

O + O

2

  4 HNO

3

  

• 

Reakcje chemiczne 

 • Utlenianie:  

siarkowodór (H

2

S)  dwutlenek siarki (SO

2

dwutlenek siarki (SO

2

)  trójtlenek siarki (SO

3

background image

trójtlenek siarki (SO

3

)  kwas siarkowy (H

2

SO

4

3 H

2

S + 2 H

2

O  3 SO

+ 3 H

2

2 SO

2

 + O

2

  3 SO

3

  

3 SO

+ 2 H

2

O  2 H

2

SO

4

 

Mechanizmy samooczyszczania  

 Reakcje fizyko - chemiczne – procesy transformacji zanieczyszczeń w atmosferze; spadek stężenia w wyniku tych 
transformacji może być wyrażony jako funkcja wykładnicza:  

 

Mechanizmy samooczyszczania  

 Mokra depozycja – procesy wiązania chemicznego lub fizycznego zanieczyszczeń wewnątrz chmur, mgieł i 
osadów atmosferycznych i procesy wymywania zanieczyszczeń z atmosfery przez opady; spadek stężenia w wyniku 
tych procesów może być wyrażony jako funkcja wykładnicza: 

 

Sucha depozycja – proces osadzania się zanieczyszczeń na powierzchni ziemi: gleba, rośliny, budynki, woda itp.) 
w wyniku zetknięcia się z tą powierzchnią 

 Osiadanie grawitacyjne – proces osiadania na powierzchni ziemi grubszych ziaren pyłu i kropelek aerozolu na 
skutek działania siły ciążenia; związek między prędkością opadania a średnicą cząstek i gęstością wyraża równanie: 

 

 

        Zmiany stężenia  

Czas uśredniania – okres dla którego określa się średnią wartość stężenia zanieczyszczeń (na podstawie pomiarów 
lub obliczeń)  

Stężenie średnie roczne – średnia wartość stężenia obliczona dla 1 roku kalendarzowego; jedna z wartości 
normatywnych  

Stężenie maksymalne jednogodzinne – średnia wartość stężenia obliczona dla 1 godziny; jedna z wartości 
normatywnych  

Cykliczne zmiany stężenia  

 Cykl dobowy – emisja zanieczyszczeń podczas dnia jest większa niż podczas nocy; z drugiej strony warunki 
meteorologiczne i warunki dyspersji są inne podczas dnia i nocy; oba te elementy powodują zmienność stężenia w 
cyklu dzień - noc 

 Cykl tygodniowy – (dni powszednie i dni weekendowe) związany z innym sposobem życia podczas dni 
powszednich i dni weekendowych 

 Cykl sezonowy – związany z warunkami klimatycznymi i sezonowym przebiegiem pogody  





o

o

t

t

C

C

693

.

0

exp

)

exp(

t

C

C

o

t

2

5

10

191

.

3

d

u

p

background image

 Trend – związany z wieloletnimi (zwykle nie cyklicznymi) zmianami jakości powietrza w obrębie społeczności, 
regionu, kraju wynikający z rozwoju cywilizacyjnego i zmian stylu życia  

 

RÓWNANIE  
DYFUZJI 

MODELOWANIE 

Ogólne równanie dyfuzji : 

 

 

SKŁADNIKI RÓWNANIA DYFUZJI  

 

Składnik adwekcyjny 

charakteryzuje zmianę stężenia zanieczyszczeń w powietrzu w wyniku ruchu masy powietrza (wiatru). Zależy od 
prędkości ruchu powietrza  u, v i w odpowiednio w kierunku osi OX, OY i OZ.  

 

 

Składnik dyfuzyjny 

charakteryzuje zmianę stężenia zanieczyszczeń w wyniku dyfuzji molekularnej i turbulencyjnej. Zależy od 
współczynników dyfuzji (głównie turbulencyjnej) wzdłuż osi trójwymiarowego układu współrzędnych XYZ.  

 

Funkcje charakteryzujące ładunek zanieczyszczeń, jaki jest emitowany do atmosfery, przemiany fizyko-
chemiczne
 oraz osiadanie i wymywanie zanieczyszczeń: 

Q – ładunek (objętość), 

R – przemiany (reakcje) fizyko-chemiczne, 

D – osiadanie i wymywanie (sucha i mokra depozycja).  

Równanie ciągłości strugi  

 

 

 

 

z

S

w

y

S

v

x

S

u

t

S

dt

dS





z

S

K

z

y

S

K

y

x

S

K

x

z

y

x

z

w

y

v

x

u

S

D

R

Q

z

S

w

y

S

v

x

S

u

t

S

z

S

K

z

y

S

K

y

x

S

K

x

z

y

x

D

R

Q

z

w

y

v

x

u

S

background image

MODELOWANIE 

Ogólne równanie dyfuzji : 

 

 

 

ZAŁOŻENIA UPRASZCZAJĄCE 

1.  Poszukuje się rozwiązania stacjonarnego i ustalonego w czasie. Wprowadzanie zanieczyszczeń do 

Atmosfery nie jest gwałtowne: 

 

2.  Przyjmuje się układ współrzędnych taki, że oś OX pokrywa się z kierunkiem wektora prędkości wiatru u

Oś OX nosi nazwę głównej osi transportu zanieczyszczeń. 

2.1. Zaniedbuje się składnik związany z pionową adwekcją wiatru: 

 

2.2. Zaniedbuje się składnik związany z adwekcją wiatru na kierunku prostopadłym do głównej osi transportu 

zanieczyszczeń: 
 

 

3.  Wymiana na drodze dyfuzji w kierunku transportu zanieczyszczeń (wzdłuż osi OX) jest o wiele mniejsza 

niż rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń wzdłuż tej osi. Inaczej mówiąc zanieczyszczenia nie ulegają 
dyfuzji pod wiatr: 

 

4. Warunki meteorologiczne i fizjograficzne na odcinku emitor – receptor są jednorodne: 

4.1. Pionowy profil prędkości wiatru jest stały. Prędkość wiatru zależy jedynie od wysokości n.p.g. 

4.2. Dyfuzja atmosferyczna jest stała. Zmienność dyfuzji w profilu pionowym uśrednia się 

4.3. Teren jest płaski a jedyną miarą nierówności jest współczynnik szorstkości aerodynamicznej podłoża 

5. Powietrze jest płynem nieściśliwym: 

 

 

6. Emitowane zanieczyszczenie jest zanieczyszczeniem pasywnym. Oznacza to, że nie wpływa ono na dynamikę 
ośrodka i jest biernie unoszone zgodnie ze średnim ruchem masy powietrza 

 

z

S

w

y

S

v

x

S

u

t

S

dt

dS





z

S

K

z

y

S

K

y

x

S

K

x

z

y

x

z

w

y

v

x

u

S

D

R

Q

0

t

S

0

z

S

w

0

y

S

v



x

S

u

x

S

K

x

x

0

z

w

y

v

x

u

background image

6.1. Zaniedbuje się przemiany fizyko – chemiczne zanieczyszczeń w Atmosferze: 

 

6.2. Nie ma zjawiska wymywania zanieczyszczeń przez opady i nie ma zjawiska osiadania zanieczyszczeń (brak 
mokrej i suchej depozycji):  

 

7. Emitowane zanieczyszczenie może rozprzestrzeniać się do dowolnej wysokości. Pomija się oddziaływanie górnej 
inwersji termicznej 

8. Emitowane zanieczyszczenie może rozprzestrzeniać się do podłoża. Przy powierzchni ziemi zanieczyszczenie 
odbija się i przemieszcza się dalej  zgodnie ze średnim ruchem masy powietrza 

Ostatecznie, po założeniach upraszczających równanie przyjmuje następującą postać:  

 

 

ROZWIĄZANIE RÓWNANIA DYFUZJI 

Po rozwiązaniu analitycznym uproszczonego równania dyfuzji i zastąpieniu współczynników dyfuzji K

y 

oraz K

z

 

współczynnikami dyspersji poziomej i pionowej 

y

 i 

z

 uzyskuje się równanie  zwane równaniem Pasquille’a  

RÓWNANIE PASQUILLE’A  

 

 

Jako ładunek zanieczyszczeń Q wprowadza się ustaloną w czasie emisję E w [ 

g/s ] i wówczas w wyniku 

otrzymuje się wielkość stężenia zanieczyszczenia S w [ 

g/m

] a także: 

 

y

2

=2·K

y

·t 

 

 

 

z

2

=2·K

z

·t 

  

RÓWNANIE PASQUILLE’A  

Zapis równania Pasquille’a jest równoważny postaci:  

 

 

 

 

0

R

0

D

x

S

u

Q

z

S

K

z

y

S

K

y

z

y

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,





2

2

2

exp

y

y





2
z

2

2
z

2

H

z

-

exp

H

z

exp

z

y

u

E

t

z

y

x

S

2

,

,

,

e

y

y

2

2

2



e

z

H

z

2

2

2



e

z

H

z

2

2

2