DISPERSIA ATMOSFERICA
A POLUANTILOR
Poluarea aerului
Introducere
Īnca de la aparitia sa pe Terra, homo sapiens a influentat mediul natural īn sensul dorit de el, pentru a-si asigura protectie, hrana, caldura, deci supravietuirea si dezvoltarea. Daca la īnceput impactul a fost neglijabil, datorita numarului redus de indivizi si adaptarii cvasianimalice la mediu, treptat, efectele s-au amplificat.
Industrializarea a intervenit din ce īn ce mai puternic īn mediul natural, deteriorāndu-l prin exploatarea resurselor naturale si prin prelucrarea lor prin diferite tehnici, prin intensificarea traficului si cresterea demografica.
Impactul omului asupra naturii s-a materializat prin:
modificarea radicala a peisajului geografic prin lucrari de mari proportii, ca : bazine, lacuri de acumulare, īndiguiri, desecari, extractii la zi
exploatarea puternica a resurselor materiale, ale solului si ale subsolului, precum si a resurselor energetice
modificarea climei in sensul aridizarii ei, prin transformari negative īn structura īnvelisului vegetal si īn special prin defrisari
schimbarea structurii ecosistemelor peste limitele de refacere ale lor
distrugerea unor numeroase specii de plante si animale prin deteriorarea, schimbarea sau distrugerea ecosistemelor īn care fusesera adaptate
schimbarea compozitiei atmosferei, apelor, solului, prin deversari de diverse produse
alterarea fondului genetic natural al vietuitoarelor, īn sensul scaderii capacitatii de adaptare, refacere si reproducere.
Se arunca anual īn atmosfera milioane de tone de agenti poluanti. Numai īn anul 1980 s-au aruncat 110 milioane t SOx, 59 milioane tone particule īn suspensie, 69 milioane t NOx, 194 mil t CO2, 53 mil t hidrocarburi. Efectele s-au manifestat asupra stǎrii de sanatate a pop 12112l1122m ulatiei, scaderii cantitatii si calitatii produselor agricole, edificiilor, resurselor de apa.La unii poluanti - efectele negative se resimt dupa un timp īndelungat, cum ar fi : efectul de sera, distrugerea stratului de ozon si ploile acide, cauzate de acumularile de dioxid de carbon, freoni, oxizi de azot, de sulf. Dioxidul de carbon, CH4, NOx, freonii permit radiatiei solare sa strabata atmosfera, sa ajunga pe Pamānt, dar nu mai permit reīntoarcerea energiei termice īn spatiul cosmic.
Dintre toate gazele mentionate, CO2 se afla īn cantitatea cea mai mare, fiind emis din procese de ardere īn industrie, motoare, consumul casnic, vulcani. Instalatiile de ardere si gospodariile particulare genereaza cam 30% din total CO2 emis. Se apreciaza ca CO2 este implicat īn proportie de aproximativ 50% īn efectul de sera.
Efectul de sera a produs cresterea temperaturilor medii anuale pe glob de la 140 C īn anul 1880, la 150 C īn 1980, previziunile pentru anul 2050 fiind de minim 170, maximum 200 C.
Īn Romānia, s-au emis īn atmosfera numai īn 1989, 72 mil tone CO2, 41 mil tone pulberi, 1,3 mil tone SO2, 0,45 mil tone NOx. Sunt necesare masuri severe īn toate domeniile (industrie, transporturi, agricultura, casnic) dublate de legislatie īn concordanta cu prevederile ecologice internationale, pentru diminuarea emisiilor poluante. Īnvelisul gazos reprezentat de atmosfera terestra constituie unul dintre factorii esentiali ai existentei vietii pe pamānt. Dintre componentii aerului, oxigenul este indispensabil respiratiei vegetale si animale, fenomenul de oxidare reprezentānd principala sursa de energie īn procesele vitale. Bioxidul de carbon din aer intervine īn asimilatia clorofiliana, iar azotul atmosferic reprezinta una din verigile circuitului azotului īn natura.
Clasificarea Modelelor de Poluarea a Aerului
Modelele de poluare a aerului pot fi categorisite in 3 clase generale: abordare determinism,
modele statistice
modele fizice.
Modelele deterministe sunt in principal legate de diferite tipuri de aproximari numerice (spre exemplu, diferenta finita si tehnici finite) in solutia cotatiilor partiale ce reprezinla un proces fizic relevant de dispersie atmosferica. Pentru acest proces, trebuie sa fie disponibil un inventar de emisii si trebuie sa se cunoasca in deosebi variabilele meteorologice. Modelul determinist este cel mai adecvat pentru decizii planificate pe termen lung.
In contrast cu modelul determinist, cel statistic calculeaza concentratiile de aer din mediu, utilizand relatia statistica stabilita intre parametrii meteorologici si ceilalti parametri. Doar concluziile semi cantitative pot fi trasate pe baza unor aspecte privind calitatea aerului. Modelul statistic este foarte util pentru evaluarea pe termen scurt a concentratiilor. Avantajul acestor modele consta in eforturile mici, care stimuleaza concentratia masurata intr-un punct sau campul concentratiei. Nu este necesar nici un inventar de emisii. Dezavantajele, in afara de masurarea concentratiei, sunt necesare. Ele pot fi utilizate, de asemenea, pentru a lua in considerare concentratia flundamentului modelului determinist.
Pentru modelele fizice, este simulat un proces real la scara mai mica in laborator, prin experimente fizice, care modeieaza trasaturile importante ale procesului initial care este studiat. In cazui unei situatii complexe de poluare a aerului, atunci cand modelele deterministe si/ sau masuratorile campului experimental devin foarte costisitoare, simularea din laborator, care utilizeaza modele la scara mai mica in tuneluri eoliene sau canale acvatice este deseori cea mai buna abordare. Avantajul cel mai important al modelelor fizice este acela ca geometria modelului scalar, cat si viteza fluxului si celelalte modele esentiale pot fi usor modificate si controlate. In general, modelarea fizica trebuie utilizata ca instrument de cercetare in procesele atmosferice specifice. La scara de descrestere a situatiei atmosferice prototip, acuratetea simularii modelului fizic creste.
Modelul determinist:
Majoritatea
modelelor deterministe utilizeaza sau sunt echivalente cu solutiile de
utilizare ale ecuatiei de difuzie. Ecuatia de difuzie se bazeaza pe principiul
conservarii masei. Fluxurile turbulente ale materialului sunt exprimate prin
relatia gradientului, exprimata prin fluxul turbulent, proportional cu
gradientul concentratiei si ,,
Conditia granitei la suprafata solului trebuie stabilita si este deseori considerata a fi materialul de difuzare (gaze), care nu este absorbit de sol, ceea ce inseamna ca materialul este ,,reflectat" in atmosfera. Celalalt caz extrem, conform caruia tot materialul care ajunge la suprafata solului este absorbit, nu este adecvat, eel putin nu pentru gaze. Reflectarea partiala a materialului in sol este cel mai realist caz, insa implicit declaratia celuilalt parametru, care este denumit de obicei velocitate depusa.
Deseori, este stability conditia granitei pentru limita superioara a volumului de difuzie, in deosebi in cazul inversiunii. In acest caz, de asemenea, este utilizata presupunerea reflectarii totale in limita superioara.
Modelele calculeaza concentratia intr-un punct al receptorului de la o sursa. Daca este prezenta mai mult de o sursa, contributiile de ia fiecare sursa la punctul receptorului sunt total izatc.
Modele de Stare
Conditia de stare fixa implica faptui ca toate variabilele si parametrii sunt constant in timp. Aceasta include concentratia, insemnand . Totusi, solutile pentru starea fixa se obtin deseori cu ajutorul ecuatiei dependente de timp insa cu toti parametrii meteorologici si ceilalti parametri, mentinuti constanti. Se poate calcula apoi in timp, pana cand este atinsa starea fixa pentru concentratie. Modelul de stare fixa, prin natura presupunerii inerente a constantei temporale a parametrilor, poate fi calculat doar pentru distante scurte (ordinea la 10 km) si pentru un timp de parcurgere scurt (ordine la 2 ore), astfel modelele mentionate mai jos pot fi de asemenea utilizate pentru modelarea starii fixe.
Modliul Gaussian
Ecuatia dispersiei Gaussian pentru o sursa cu un punct mai ridicat se obtine prin presupunerea profilurilor de concentratie a agentilor poluanti in orice pozitie joasa a vantului. x, care are forma dc distribuire normals di-variata.
Considerand umplerea unei singure cuve a fumalului. se fac urmatoarele supozitii: (a) profilurile de concentratie pentru umplere sunt Gaussian, atat in directia y, cat si z, (b) constanta inseamna viteza vantutui, u, si directia, rata de emisie a agentului poluant fix, continuu Q (c) dispersia in directia x este neglijabil comparata cu transportul unui grup prin intermediut vantului, (d) agentul poluant este gazul stabil sau aerosolul, care nu reactioneaza chimic sau este rezultat, (e) starea fixa si conditia de transport omogen, si (f) topografia nu este complexa
Unde h este inaltimea care elibereaza agentul poluant. Expresia este valabila din cuva furnalului, la distanta scazuta a vantului, la care sistemul de umplere se intersecteaza cu solul.
Concluzie
In masura in care se iau in considerare aplicatiile de regularitate. Abordarea Gaussian pare a fi cea mai buna. Gifford (1975), autoritate conduc&toare in domeniul dispersiei atmosferice a notat: formula Gaussian, utilizata in mod corespunzator, este lipsita de stralucire ca instrument practic de modelare a difuziei. Este simpla din punct de vedere matematic si mai mult, este in acord cu teoria mult prin lucru incomplet.
Derivarea ecuatiei de dispersie Gaussian necesita presupunerea conditiilor constante pentru intreaga distanta a parcursului de umplere din punctul sursei de emisie la receptorul la nivelul solului cu vant la intensitate scazuta. Totusi, nu putem spune cu certitudine rezonabila ca viteza vantului la inaltimea liniei centrale de umplere si clasa de stabilitate atmosferica sunt cunoscute exact sau ca ele sunt constante pentru intreaga distanja a parcursului de umplere. Indiferent daca aceasta omogeneitate apare de fapt este o problema de pura intamplare, in deosebi pentru distante mari. De asemenea, determinarea vitezei exacte a vantului si a clasei de stabilitate atmosferica la inaltimea liniei centraie de umplere necesita (a) cresterea predictiei de umplere exacts si (b) relatia exacta dintre viteza vantului si altitudine ... nici una dintre ele nu se poate atinge.
Pe scurt, modeiele Gaussian presupun o stare fixa ideaia a conditiilor meteorologice constante pentru distante mari. geometrie de umplere idealizata , teren uniform plat, conservarea compieta a masei si distributia Gaussian exacts. Aceste conditii ideale apar rareori.
Sursele de poluare atmosferica Pot fi fixe, sau mobile
Sursele fixe sunt constituite din: - dispozitivele de combustie industriale si menajere, care emit pulberi, oxizi de carbon, de sulf, de azot, etc. Cu cāt combustibilul este de calitate mai scazuta, arderea decurge cu randament mai mic si se elimina cantitati mai mari de poluanti. Astfel, carbunii inferiori (lignitul, carbunele brun, turba, sistul
bituminos) lasa la ardere cantitati mari de cenusa, CO, CO2, SOx, NOx. Pacura elimina CO, CO2, SOx, iar gazul metan (combustibil superior) numai CO2 si urma de CO;
- Instalatiile industriale din chimie, metalurgie, materiale de constructii etc. elimina oxizi de Fe, Mn, Cr, Ni, Zn, Pb, Cd, Cu, SiO2, CO2, C, etc.;
- Vulcanii, apele statatoare (balti, mlastini) emit diverse gaze, vapori ;
- Rezidiile de orice provenienta, haldate pe sol, animalele si plantele īn putrefactie constituie tot atātea surse fixe de poluare atmosferica.
Sursele mobile de poluare īmprastie la distante mult mai mari decāt sursele fixe, diversi poluanti. In aceasta categorie intra: vāntul, pasarile, apa, mijloacele de transport rutier, pe calea ferata, naval si aerian.
Imprastierea poluantilor este īntotdeauna influentata de miscarea aerului, care se realizeaza datorita diferentelor de temperatura existente īn doua regiuni adiacente.
Temperatura modifica densitatea aerului, producānd curenti orizontali, verticali, sau vārtejuri (turbioane).
Imprastierea poluantilor dintr-o sursa fixa, īn plan orizontal acopera o arie eliptica, deoarece este influentata de vānt si de miscarea de rotatie a Pamāntului (fig.1.a).Imprastierea poluantilor din surse mobile, īn miscare urmeaza alte legi matematice (fig.1.b).
Fig.1. Imprastierea poluantilor īn plan orizontal.
a - din sursa fixa; b - din sursa mobila.
Daca sursele sunt īn apropiere, īntre ele zona sufera impurificarea cu ambii poluanti.
Imprastierea poluantilor depinde si de starea de agregare, iar la particulele solide
si lichide si de marimea particulelor. Astfel, particulele solide vor cadea mai repede, cu
cāt diametrul si densitatea lor sunt mai mari, cele lichide vor cadea la distanta mai mare,
diametrul mare favorizānd caderea, iar gazele vor fi transportate la distanta cea mai mare,
poluānd o arie mult mai mare (fig.2).
Fig.2. Distanta de cadere a unor particule din atmosfera, fata de sursa de poluare. 1- particule mari; 2 - particule mici; 3 - gaze.
Poluantii emisi din cosuri industriale formeaza egreta de dispersie. Considerānd h īnaltimea cosului, h īnaltimea de urcare a poluantului deasupra cosului, rezulta ca īnaltimea totala de urcare īn altmofera a poluantului este:
H = h + h
Daca sursa de poluare se afla amplasata lānga o constructie īnalta, pot exista urmatoarele trei situatii: a - īnaltimea sursei depaseste mult īnaltimea cladirii, deci poluarea se va regasi dupa cladire si la distanta; b - sursa depaseste cladirea īn īnaltime si agentul poluant se concentreaza īn spatele cladirii; c - īnaltimile sunt egale si poluarea se concentreaza īn spatele cladirii.
Intensificarea poluarii atmosferice se poate īntāmpla īn urmatoarele situatii: - existenta īn aceeasi zona geografica a mai multor surse de poluare: intensificarea activitatii umane īn zona; accidente īn functionarea unor instalatii (explozii, incendii,
evacuari fortate de poluanti īn atmosfera, etc.); relief īnalt, sau alte obstacole (cladiri
īnalte, ziduri) care īmpiedica diluarea prin īmprastiere pe o arie mai mare a poluantilor; fenomene meteorologice favorabile poluarii.
Relieful, īn multe cazuri, datorita spatiului restrāns si a miscarii reduse a curentilor de aer īmpiedica dispersarea poluantilor pe o suprafata mai mare si deci diluarea lor. Situatia se īntālneste īn vai si depresiuni, unde īn anumite situatii poluarea se accentueaza.
Unele fenomene atmosferice pot amplifica poluarea. Astfel.: lipsa curentilor de aer (starea de calm), datorita unei mase de aer cu densitate si presiune mai mare decāt īn zonele īnvecinate. Starea poate dura ore, sau zile, timp īn care poluantii se acumuleaza, depasind concentratiile de prag admisibile; ceata, inversia termica, provocata de
īmpiedicarea miscarii verticale a maselor de aer rece si cald . In mod obisnuit, aerul rece patrunde si īndeparteaza aerul cald, ce poate fi si poluat. Dar īn depresiuni, aerul cald se poate aduna la sute sau mii de metri altitudine, pastrānd poluarea īn zona.
Curentii de aer si precipitatiile ajuta la purificarea aerului, prin procese fizice de sedimentare, dizolvare īn apa , procese chimice (reactii cu apa) si apoi depunere.
Procesele depind evident de natura poluantilor, starea lor de agregare, solubilitatea īn apa, reactivitatea cu apa, precum si de interactiunile dintre ei. De exemplu, SOx si NOx reactioneaza cu apa, dar īn prezenta cu hidrocarburi prezinta efect poluant sinergetic
Influenta factorilor climatici asupra dispersiei
si transportului poluantilor
Deoarece temperatura scade odata cu altitudinea, atunci cand un strat de aer rece se absoarbe sub un strat de aer cald ,are loc o inversiune termica, poluantii se acumuleaza la suprafata pamantului fiind mult mai daunatori pentru sanatatea omului. Odata cu acest fenomen are loc si o distrugere a stratului de ozon aflat la aprozimativ 24 km de pamant. Acest strat are rolul de a filtra radiatiile daunatoare ale Soarelui, radiatiile ultraviolete. Cand aceste nu sunt oprite are loc efectul de sera, ce determina cresterea temperaturii medii a planetei, iar ca principal resposabil in formare acestui efect este dioxidul de carbon. Tot legat de inversiunea termica, important este ca stratul de inversiune termica actioneaza ca un capac impiedicand dispersia si transportul poluantilor. Mai mult aceste straturi sunt propice formarii cetei, ca urmare a condensarii vaporilor de apa si a existentei poluarii sub forma de pulberi, deci uneori si a smogului. Temperature poate determina mai multe tipuri de atmosfera, in functie de gradientul adiabatic uscat si anume: atmosfera indiferenta, atmosfera instabila si atmosfera stabila. Gradientul adiabatic uscat reprezinta masura cantitativa a racirii unei particule cand se ridica, adiabatic,in atmosfera uscata. Atmosfera indiferenta esta atunci cand gradientul de descrestere a temperaturii atmosferei este egal cu gradientul adiabatic uscat. Asadar intr-o astfel de atmosfera concentratia de poluantii este aceeasi in toate directiile, oricare ar fi pozitia particulei in masa atmosferei are temperature egala cu atmosfera, deci dispersia si transportul poluantilor nu sunt influentate, ci depind doar de parametrii cinetici ai jetului de poluant. Atmosfera instabila se formeaza atunci cand conditiile de temperatura sunt supraadiabatice, adica descresterea temperaturii este superioara gradientului adiabatic uscat.pentru un nivel dat, orice particular aflata intr-o miscare de coborare va ramane mai rece decat atmosfera, va ave densitatea mai mare si va continua miscare in jos. Invers, daca particula va fi la orice nivel mai calda decat mediul ambient, deci mai usoara, va continua sa se ridice. Atmosfera instabila este favorabila dispersiei si transportului poluantilor, mai putin situatia in care masa de aer incarcata cu poluanti este obligata sa coboare. Atmosfera stabila se intalneste atunci cand descresterea verticala de temperature este inferioara gradientului adiabatic uscat. Daca particular de aer este supusa la o miscare ascendenta ea este mai rece decat mediul ambient, are densitate mai mare si tendinta de a cobora. Daca particula de aer a primit un impuls vertical dirijat in jos, ea este maicalda decat mediul si are tendinta sa urce. Ambele deplasari u ca rezultat revenirea la nivelul initial. In conditiile unei astfel de atmosfere difuzia si transportul poluantilor nu sunt favorizate.
Vantul
Vantul reprezinta deplasarea orizontala a maselor de aer atmosferic datorita, in principal, diferentelor de presiune dintre zonele de pe suprafata solului,cre se resimte pana la cca. 1 km altitudine. Acesta se caracterizeaza prin directie si viteza. Se considera, conventional, vant daca viteza curentilor de aer este mai mare de 0,5 m/s. Pentu viteze mai mici se considera calm atmosferic, perioada in care vantul nu influenteaza dispersia si transportul poluantilor. Directia vantului reprezinta directia de miscare a poluantilor, de aceea un vant moderat va favoriza dispersia si transportul poluantilor mult mai bine decat unul cu viteza mare, care are tendinta de a retine poluantii la nivelul solului.
Turbulenta aerului
Turbulenta reprezinta starea de miscare a aerului in care se formeaza vartejuri, produse de curentii verticali de convectie, in opozitie cu vantul, la care miscarea este orizontala. Este proportionala cu miscare vantului si dependenta de constructiile de pe sol, forme de relief si de capacitatea de inmagazinare a caldurii. Dupa cauzele care o provoaca, turbulenta se clasifica in termica, datorata diferentelor de temperatura ale aerului din apropierea solului si dinamica, datorata frecarii dintre masele de aer si elementele orografice de la sol. Acest factor climatic favorizeaza dispersia si transportul poluantilor. In opozitie cu miscarea turbulenta este miscarea laminara caracteristica momentelor de acalmie, cand dispersia si transportul poluantilor are loc, dar prin difuzie moleculara si procesul de sedimentare.
Umiditatea atmosferica, precipitatiile si norii
Umiditatea atmosferica este un factor climatic ce are un aspect nu foarte favorabil asupra dispersiei si transportului poluantilor, ci din potriva ajuta uneori la formarea unor efecte foarte daunatoare vietii, precum ceata si chiar smogul.Precipitatiile in opozitie cu ceata,contribuie la dispersia si transportul poluantilor la nivelul atmosferei, insa influenteaza negativ solul si apele, deoarece toti poluantii ajung la nivelul acestor componenti, unde se infiltreaza schimband proprietatile lor, deci are loc un fenomen de poluare. Solul poate fi poluat :
-direct, prin deversari de deseuri pe terenuri urbane sau rurale, sau din īngrasaminte si pesticide aruncate pe terenurile agricole ;
-indirect, prin depunerea agentilor poluanti ejectati initial īn atmosfera, apa ploilor contaminate cu agenti poluanti "spalati" din atmosfera contaminata, transportul agentilor poluanti de catre vānt de pe un loc pe altul, infiltrarea prin sol a apelor contaminate.
Īn ceea ce priveste poluarea prin intermediul agentilor poluanti din
atmosfera, se observa anumite particularitati. Spre exemplu, ca regula generala, solurile cele mai contaminate se vor afla in preajma surselor de poluare. Pe masura, īnsa, ce īnaltimea cosurilor de evacuare a gazelor contaminate creste, contaminarea terenului din imediata apropiere a sursei de poluare va scadea ca nivel de contaminare dar regiunea contaminata se va extinde īn suprafata.
Nivelul contaminarii solului depinde si de regimul ploilor.Acestea spala īn general atmosfera de agentii poluanti si īi depun pe sol, dar īn acelasi timp spala si solul, ajutānd la vehicularea agentilor poluanti spre emisari. Trebuie totusi amintit ca ploile favorizeaza si contaminarea īn adāncime a solului. Īntr-o oarecare masura poluarea solului depinde si de vegetatia care īl acopera, precum si de natura īnsasi a solului. Poluarea apei se produce atunci cand, in urma introducerii unor substante determinate - solide, lichide, gazoase, radioactive - apele sufera modificari fizice, chimice sau biologice, susceptibile de a le face improprii sau periculoase pentru sanatatea publica, pentru viata acvatica, pentru pescuitul industrial, pentru industrie si turism.
Norii, ca plafon compact, static si de joasa altitudine creeaza un spatiu inchis, in care dispersia si transportul poluantilor nu sunt favorizate, insa atunci cand creeaza un plafon discontinuu si in continua miscare favorizeaza fenomenele de dispersie si transport al poluantilor.
Fenomenele macrometeorologice
Un rol deosebit de nefavorabil asupra procesului de dispersie si de transport al poluantilor il au masele anticiclonice (cu presiune atmosferica mare in raport cu imprejurarile). Exista zone pe glob unde frecventa si durata maselor anticiclonice este mare, existenta acestora favorizand inversiunea termica, ceata si calmul atmosferic, fenomene ce le-am caracterizat mai sus. Masele anticiclonice au o durat mai mare toamna si iarna, fata de primavara si vara. Datorita acestor motive, cresterea nivelului de poluare in aceste zone a produs primele accidente de masa, zone a caror poluare este sub control legislativ sever.
Dupa cum se constata factorii climatici au o influenta mare asupra dispersiei si transportului poluantilor. Importanta lor este cu atat mai mare incat au puterea de a transforma un mediu prielnic vietii in unul total neprielnic si invers. Deci natura ne poate fi atat prieten cat si dusman, de aceea e bine sa o putem intelege si sa traim in perfecta armonie cu regulile ei si aceasta pentru binele societatii umane, intrucat nedreptatea o producem noi si nu aceasta.
BIBLIOGRAFIE
MARIA POPESCU , MIRON POPESCU-ECOLOGIE APLICATA
BOTNARIUC N., VLADINEANU A.-ECOLOGIE
BARBEA M., URSU P.-POLUAREA SI PROTECTIA ATMOSFEREI
www.hydrop.pub.ro
www.google.ro
|
