5.1. Mô hìn hô nhiễm không khắ
chấ tô nhiễm
Hướng gió rất ắt khi không ựổi trong thời gian phát thải: nó có thể thay ựổi nhiều lần. Những thay ựổi như vậy của hướng gió ựược gọi là sự nhiễụ Phụ thuộc vào các ựiều kiện ổn ựịnh A, B, C mà chất ô nhiễm ựược phân tán rộng hay hẹp. Thường chúng ựược phân tán theo hình quạt với gốc là ựiểm gây ô nhiễm và chạy dọc theo hướng gió. độ rộng của hình quạt có thể to hay nhỏ phụ thuộc vào ựộ nhiễu và ựộ ổn ựịnh của môi trường.
3.1.2. độ ổn ựịnh của khắ quyển và sự phân bố hàm lượng chất ô nhiễm
3.1.2.1. Khắ quyển không ổn ựịnh khi biến thiên nhiệt ựộ của môi trường (Tmt) > biến thiên nhiệt ựộ của khối khắ (Tkk)
Nếu sự phân bố nhiệt ựộ theo chiều cao có Tmt > Tkk tức là ựộ giảm nhiệt ựộ theo chiều cao mạnh hơn so với ựộ giảm nhiệt ựộ
theo quá trình ựoạn nhiệt Ờ người ta gọi ựó là phân bố nhiệt ựộ Ộsiêu ựoạn nhiệtỢ thì khi một khối không khắ bị một lực tác ựộng ựẩy lên cao, nhiệt ựộ của nó giảm theo quá trình ựoạn nhiệt Tkk < Tmt nên nhiệt ựộ của nó trở nên lớn hơn nhiệt ựộ xung quanh và do ựó, nó nhẹ hơn không khắ xung quanh.
Hình 3.3. Khắ quyển không ổn ựịnh hoặc siêu ựoạn nhiệt. Trong
trường hợp chưa bão hòa (bên trái), khi nâng lên cao, khối khắ chưa bão hòa tại mỗi mức ựều nóng hơn nhiệt ựộ không khắ xung quanh và vì vậy nhẹ hơn. Trong trường hợp này khối khắ sẽ thoát ra khỏi vị trắ ban ựầu với gia tốc cụ thể. Trong trường hợp bão hòa (bên phải), khi nâng lên cao, khối khắ bão hòa tại mỗi mức ựều nóng hơn nhiệt ựộ không khắ xung quanh. Trong trường hợp này khối khắ sẽ thoát ra
khỏi vị trắ ban ựầụ Nguồn: Bùi Tá Long (2008)
Như vậy khối không khắ sẽ tiếp tục bị ựẩy lên caọ Ngược lại, nếu lực tác ựộng ban ựầu ựẩy khối không khắ xuống dưới thì nhiệt ựộ của nó sẽ nhỏ hơn, tức nặng hơn so với không khắ xung quanh, và như vậy nó sẽ tiếp tục chuyển ựộng xuống dướị Tóm lại, trong ựiều kiện siêu ựoạn nhiệt (Tmt > Tkk) mọi chuyển ựộng thẳng ựứng của một bộ phận không khắ luôn luôn có kèm theo gia tốc (hình 3.3).
điều kiện phân bố nhiệt ựộ nêu trên (siêu ựoạn nhiệt) là ựiều kiện khắ quyển không ổn ựịnh. Trong ựiều kiện này các chất ô nhiễm khuếch tán ra môi trường xung quanh ựược thuận lợi và nhanh chóng.
3.1.2.2. Khắ quyển trung tắnh khi Tmt = Tkk
Hình 3.4. Khắ quyển ổn ựịnh hoặc Ộdưới ựoạn nhiệtỢ với khối khắ chưa bão hòa (bên trái) và bão hòa (bên phải), khi nâng lên cao khối khắ lạnh hơn và nặng hơn không khắ xung quanh. Trong trường hợp này khối khắ có xu hướng quay trở lại vị trắ ban ựầụ
Nguồn: Bùi Tá Long (2008)
Trường hợp phân bố nhiệt ựộ theo chiều cao trùng với ựoạn nhiệt (Tmt = Tkk), ta có ựiều kiện khắ quyển trung tắnh.
Trong ựiều kiện này nếu một khối không khắ ở vị trắ ban ựầu bất kỳ bị ựẩy lên cao hoặc xuống thấp, nhiệt ựộ của nó sẽ nhanh chóng thay ựổi theo quá trình ựoạn nhiệt và luôn luôn cân bằng với nhiệt ựộ môi trường xung quanh, khối lượng ựơn vị của nó không nặng cũng không nhẹ hơn so với không khắ xung quanh và, do ựó, nó sẽ chiếm vị trắ cân bằng mới mà không tiếp tục chuyển ựộng theo lực ựẩy ban ựầụ Ta gọi ựiều kiện này là ựiều kiện trung tắnh.
Trong ựiều kiện trung tắnh sự khuếch tán các chất ô nhiễm không thuận lợi bằng ựiều kiện không ổn ựịnh.
3.1.2.3. Khắ quyển ổn ựịnh khi 0 < Tmt < Tkk
Khi ựộ giảm nhiệt ựộ theo chiều cao dương nhưng nhỏ hơn so với gradient nhiệt ựộ của quá trình ựoạn nhiệt khô, ta có khắ quyển ổn ựịnh. Trong trường hợp này nếu một khối không khắ bị ựẩy lên cao (hoặc xuống thấp) thì nhiệt ựộ của nó theo quá trình ựoạn nhiệt sẽ nhỏ hơn (hoặc lớn hơn) so với nhiệt ựộ xung quanh tức khối lượng của nó nặng hơn (hoặc nhẹ hơn) so với không khắ xung quanh. Sự chênh lệch nhiệt ựộ ựó cũng tức là chênh lệch khối lượng ựơn vị - sẽ có xu hướng kéo khối không khắ trở lại vị trắ ban ựầụ Như vậy trong ựiều kiện khắ quyển ổn ựịnh luôn luôn có hiện tượng kìm hãm sự chuyển ựộng thẳng ựứng của không khắ và do ựó quá trình khuếch tán các chất ô nhiễm cũng bị hạn chế.
3.1.2.4. Khắ quyển ổn ựịnh khi Tmt < 0 < Tkk
Trường hợp Tmt < 0 ta có nghịch nhiệt. Trường hợp này hoàn toàn giống như trường hợp Ộdưới ựoạn nhiệtỢ nhưng ựộ ổn ựịnh của khắ quyển còn cao hơn so với trường hợp dưới ựoạn nhiệt do chênh lệch nhiệt ựộ của khối không khắ khi dịch chuyển lên cao hoặc xuống thấp so với nhiệt ựộ xung quanh có giá trị lớn hơn nhiều so với trường hợp dưới ựoạn nhiệt và vì thế lực kéo trở lại vị trắ ban ựầu mạnh hơn, khắ quyển ắt có khả năng bị xáo trộn hơn. Tóm lại, ta có thể tổng kết các ựiều kiện ổn ựịnh của khắ quyển bằng biểu thức dưới ựây:
Tmt > Tkk: khắ quyển không ổn Tmt = Tkk : khắ quyển trung tắnh
Tmt < Tkk : khắ quyển ổn ựịnh từ vừa ựến mạnh Tmt (kể cả khi Tmt > 0 hoặc Tmt < 0 )
3.1.2.5. Hình dạng của luồng khói phụ thuộc vào các cấp ổn ựịnh khác nhau
Hình 3.5: Các trạng thái của môi trường và sự tác ựộng của nó ựến sự phân bố của dải khói trong không gian
Trung tắnh Ổn ựịnh Ổn ựịnh Không ổn ựịnh Ổn ựịnh Uốn lượn (Tmt>Tkk) Hình nón (Tmt=Tkk) Hình quạt (Tmm<Tkk, Tmt<0) Vồng lên (Tmt>Tkk, Tmt<0<Tkk) Xông khói (Tmt<0<Tkk, Tmt>Tkk) đ ộ c a o đ ộ c a o đ ộ c a o đ ộ c a o đ ộ c a o Nhiệt ựộ Không ổn ựịnh Không ổn ựịnh
- - - Sự biến thiên nhiệt ựộ của môi trường (Tmt) --- Sự biến thiên nhiệt ựộ của khối khắ (Tkk)
a
b
c
d
Quá trình rối diễn ra phần lớn là do sự chênh lệch nhiệt ựộ giữa luồng khói và không khắ xung quanh. Sự phân bố nhiệt ựộ theo chiều cao của khắ quyển có liên quan chặt chẽ ựến chênh lệch nhiệt ựộ nói trên.
Trong mục trước ựã trình bày, tùy thuộc vào sự phân bố nhiệt ựộ theo chiều cao, khắ quyển ựược phân thành ba cấp ổn ựịnh: không ổn ựịnh, trung tắnh và ổn ựịnh. Hình dạng và sự phân bố nồng ựộ của luồng khói phụ thuộc vào ựặc tắnh phân tầng của khắ quyển.
Khi khắ quyển không ổn ựịnh, nghĩa là khi sự phân bố nhiệt ựộ theo chiều cao có dạng siêu ựoạn nhiệt, luồng khói sẽ có dạng uốn lượn (các phần tử khói khi bị một tác ựộng xáo trộn ngẫu nhiên nào ựó mà bay lên cao thì nó sẽ tiếp tục bay lên cao và, ngược lại, khi hướng xuống thấp thì nó sẽ tiếp tục bay xuống thấp). Trường hợp này thường xảy ra vào ban ngày khi mặt trời ựốt nóng mặt ựất với cường ựộ bức xạ lớn và tạo ra ựiều kiện không ổn ựịnh của trường nhiệt ựộ (hình 3.5a).
Luồng khói có dạng hình côn (coning) như ựược chỉ ra trên (hình 3.5b) ựược hình thành trong ựiều kiện khắ quyển trung tắnh hoặc gần như trung tắnh. Trường hợp này xảy ra khi trời có mây che phủ làm cho bức xạ mặt trời hướng vào mặt ựất vào ban ngày và bức xạ hồng ngoại từ mặt ựất hướng vào không trung vào ban ựêm ựều bị giảm.
Luồng khói hình quạt thường xảy ra trong ựiều kiện khắ quyển ổn ựịnh với sự phân bố chiều cao nghịch nhiệt kết hợp với gió nhẹ. Trong ựiều kiện này, sự trao ựổi rối (khuếch tán, pha loãng) theo chiều ựứng không xảy ra) mà nó chỉ phát triển theo chiều ngang làm luồng khói có dạng mỏng và xoè rộng trên mặt bằng như hình quạt hình 3.5c.
Trên hình 3.5d là dạng luồng khói xảy ra trong trường hợp khi xảy ra nghịch nhiệt từ miệng ống khói xuống mặt ựất còn phắa trên ống khói vẫn có phân bố nhiệt ựộ bình thường (ựoạn nhiệt, siêu
ựoạn nhiệt hoặc dưới ựoạn nhiệt). Trong trường hợp này chất ô nhiễm sẽ tắch tụ ở gần mép trên của lớp nghịch nhiệt. Theo quan ựiểm của các nhà khắ tượng học, trường hợp này có lợi về mặt môi trường vì nồng ựộ ở mặt ựất ựược hạn chế ở mức thấp nhất. Trường hợp này thường xảy ra vào buổi chiều tối khi mặt trời lặn và khi trời trong.
Hình 3.6. Luồng khói bị hạn chế ở cả biên trên lẫn biên dưới như Ộmắc bẫyỢ (trapping) Ờ nghịch nhiệt bên dưới và bên trên ống khói
Khi có sự phân tầng ngược với trường hợp trên: lớp nghịch nhiệt từ miệng ống khói lên phắa trên, phắa từ miệng ống khói xuống ựất là lớp siêu ựoạn nhiệt, luồng khói khuếch tán sẽ có dạng như ựược chỉ ra trên hình 3.5ẹ Trong trường hợp này, luồng khói khuếch tán mạnh ở phắa dưới, chúng Ộxông khóiỢ mặt ựất. Theo các nhà khắ tượng ựây là trường hợp bất lợi và nó thường xảy ra vào ban sáng khi mặt trời mới mọc bắt ựầu hâm nóng mặt ựất nhưng chưa thể loại bỏ lớp nghịch nhiệt ở lớp dưới mặt ựất. Trên hình 3.6 là trường hợp luồng khói bị mắc kẹt giữa hai lớp nghịch nhiệt nằm phắa trên và phắa dưới ống khóị Trong trường hợp này, chất ô nhiễm rất khó khuếch tán lên phắa trên hay phắa dướị
3.1.3. Phương trình cơ bản mô tả sự truyền tải và khuếch tán chất ô nhiễm