SỰ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC NGUYÊN TỐ VI KHÍ HẬU TRONG KHÍ QUYỂN & TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ

1
Báo cáo chuyên đề :
“SỰ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC NGUYÊN TỐ VI KHÍ HẬU
TRONG KHÍ QUYỂN & TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐỐI
VỚI MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ”
GVHD :TS ĐINH XUÂN THẮNG
HVTH : LÊ NGUYÊN KHÔI
2
Nội dung báo cáo
I/ Mở đầu.
II/ Khái niệm cơ bản.
III/ Biến thiên nhiệt độ trong khí quyển.
IV/ Ảnh hưởng của biến thiên nhiệt độ đối với ô nhiễm không
khí.
V/ Cấp độ gió và ảnh hưởng của nó đối với ô nhiễm không
khí.
VI/ Mối quan hệ của nhiệt độ và cấp độ gió trong quá trình tính
toán phát tán chất ô nhiễm.
VII/ Kết luận.
3
I – Mở đầu
•
2 nguyên tố vi khí hậu được xét đến trong chuyên đề này :

Nhiệt độ.

Cấp độ gió.
•
Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình khuyếch tán
chất ô nhiễm trong không khí cũng như các quá trình khác
trong không khí như: sa lắng, chuyển hóa chất ô nhiễm v.v

•
Khảo sát sự biến thiên của nhiệt độ và cấp độ gió là rất cần
thiết.
4
II- Khái niệm cơ bản
2.1 Bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời truyền dưới dạng sóng điện từ, năng lượng
tập trung dưới dạng sóng ngắn.

Là nguồn năng lượng chính của mỗi quá trình trong khí quyển.
Hình 1 .Bức xạ mặt trời đến mặt đất.
5
2.1.1- Sự suy giảm bức xạ khi qua khí quyển

Do các hiện tượng : hấp thụ, phản xạ và khuyếch tán trong khí quyển.
2.1.2- Bức xạ trực tiếp (Q)

Là bức xạ đến mặt đất từ mặt trời với chùm tia song song.

Được tính qua công thức Bugơ-Lambe:
Trong đó:
= cường độ bức xạ đến mặt đất.
= cường độ bức xạ tại biên giới trên của khí quyển.
= bước sóng ánh sáng.
= độ trong suốt của khí quyển.
0
I = .λ.Ρ
Ι
0

I = .λ.Ρ
Ι
.
0
Ι = λ.Ρ
Ι
I
0
Ι
λ
Ρ
0
I
=
.λ.Ρ
Ι
6
2.1.3- Tán xạ (q)

Bức xạ mặt trời đến mặt đất từ mỗi nơi trên bầu trời do khuyếch tán
được gọi là tán xạ.

Sự khuyếch tán xảy ra do các : phân tử khí, các phân tử lơ lửng, bụi,
hạt nước, mây…
2.1.4- Phản xạ

Tổng xạ đến mặt đất bị phản xạ một phầnvề phía khí quyển và phần
bức xạ này gọi là bức xạ phản chiếu hay phản xạ (S).

Đối với sóng ngắn, ta sử dụng công thức Albêdô(A) của mặt hoạt động:


Albêdô phụ thuộc dạng mặt đệm, loại đất, thảm thực vật, độ ẩm…
(%)
Q q
Α =
+
S
7
2.2- Đặc điểm của khí quyển
- Lớp khí quyển bao quanh trái đất chủ yếu gồm:
•
Khí nitơ(78%)
•
Khí oxy(21%)
•
Các khí trơ như: argon,neon, heli…(1%)
2.2.1- Tầng đối lưu(troposphere)

Là lớp tiếp giáp với mặt đất, có bề dày từ 10-12 km.

Hoàn toàn trong suốt với các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời.

Có thành phần hơi nước hấp thu rất mạnh bức xạ sóng dài của mặt đất.

Nhiệt độ giảm theo chiều cao trung bình khoảng 0,5-0,6
0
C/100m.

Không khí rất dày đặc, chiếm ¾ khối lượng toàn bộ khí quyển.


Trong tầng đối lưu có thể chia thành các lớp sau:
+ Lớp đáy : là lớp không khí sát đất, có độ cao khoảng 2m.
+ Lớp dưới (lớp ma sát): đỉnh của lớp này lên đến độ cao 1-2 km.
+ Lớp giữa : giới hạn từ 2-6 km.
+ Lớp trên : là lớp trung gian của lớp giữa và lớp đỉnh của tầng đối lưu.
+ Lớp đỉnh: là giới hạn trên của tầng đối lưu.
8
2.2.2- Tầng bình lưu (Stratosphere)
•
Nằm phía trên tầng đối lưu, ở độ cao từ 12-55 km.
•
Có chứa 1 lượng nhỏ khí ozon
2.2.3- Tầng trung gian (Mesosphere)
•
Nằm trên tầng bình lưu, ở độ cao từ 55-85 km.
2.2.4- Tầng nhiệt quyển (Thermosphere)
•
Là tầng trên cùng của khí quyển, lớp không khí rất loãng.
III- Biến thiên nhiệt độ trong khí quyển
3.1- Nhiệt động học của quá trình chuyển động thẳng đứng của một bộ
phận không khí.
3.1.1- Đối với không khí khô
-
Phương trình đoạn nhiệt đối với không khí khô:
.
0,286.
.
dT R dp dp
T p
C p

p
= =
9
Trong đó:
= hằng số chất khí của không khí khô, Pa.m
3
/kg.K
= tỷ nhiệt của chất khí ở điều kiện đẳng áp, J/kg.K
3.1.2- Đối với không khí ẩm
-
Phương trình đoạn nhiệt đối với không khí ẩm:
Trong đó:
= hằng số chất khí của không khí khô, Pa.m3/kg.K
= tỷ nhiệt đẳng áp của không khí ẩm.
= dung ẩm
R
C
p
.
' .
dT R dp
T
C p
p
=
1 1,83
.
1 1,61
'
p

C
p
C
+ ω
=
+ ω
R
'
p
C
ω
10
3.1.3- Đối với không khí bão hòa hơi nước
- Phương trình đẳng nhiệt:
= hệ số và phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, 0< <1
= hằng số chất khí của không khí khô, Pa.m3/kg.K
= tỷ nhiệt của chất khí ở điều kiện đẳng áp, J/kg.K
3.2- Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao của khối không khí trong quá trình
dãn nở hoặc nén ép đoạn nhiệt.
3.2.1- Khối không khí khô và không khí ẩm
.
. '
.
dT R dp
T
C p
p
= β
'β
R

C
p
'β
3
9,81
9,76.10 , /
1005
dT g
K m
dz
C
p
−
Γ = − = = =
11
Trong đó:
= gradien nhiệt độ hay độ giảm nhiệt độ của khối không khí khi bốc lên
cao trong điều kiện đoạn nhiệt, giá trị này cũng gần đúng trong
trường hợp khối không khí ẩm chưa bão hòa hơi nước.
= cao độ
3.2.2- Khối không khí bão hòa hơi nước
Trong đó cũng là hàm số của áp suất và nhiệt độ giống như .Trị số ứng với
áp suất và nhiệt độ khác nhau, K/100m (xem tài liệu)
3.3- Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao và độ ổn định của khí quyển
Diễn ra theo quy luật hàm số bậc nhất:
Γ
dz
'Γ
'β
' . ', /

dT g
K m
dz
C
p
Γ = − = β
2 2
1 1
( )T z
T
z
−β
= −
dT
dz
β = −
12
Trong đó:
= gradient nhiệt độ, K/m
, = nhiệt độ ở độ cao ,
3.3.1- Khí quyển không ổn định khi >
Hình 3. Khí quyển không ổn định.
β
1
T
2
T
1
z
2

z
β
Γ
13
3.3.2- Khí quyển trung tính khi =
Hình 4. Khí quyển trung tính.
3.3.3- Khí quyển ổn định khi 0< <
Hình 5. Khí quyển ổn định.
β
Γ
β
Γ
14
3.3.4- Khí quyển ổn định khi < 0 <
Hình 6. Khí quyển ổn định cao.
3.4- Biến trình ngày của sự phân bố nhiệt độ theo chiều cao

Không khí siêu đoạn nhiệt

Nghịch nhiệt bức xạ
Hình 7. Phân bố nhiệt độ theo chiều cao vào các thời điểm trong ngày.
β
Γ
15
3.5- Nghịch nhiệt
Hình 8. Lớp nghịch nhiệt sát mặt đất và lớp nghịch nhiệt trên cao.
- Nghịch nhiệt đóng 1 vai trò quan trọng trong khí hậu học ô nhiễm không khí bởi
các lý do sau:

Không khí trở nên rất ổn định khi có nghịch nhiệt.


Cản trở quá trình khuyếch tán các chất ô nhiễm theo cả phương thẳng đứng lẫn
phương ngang.
16
3.5- Nghịch nhiệt (tt)
- Nghịch nhiệt được hình thành do các nguyên nhân sau:

Làm lạnh lớp không khí từ bên dưới.

Làm nóng lớp không khí từ phía trên.

Chuyển động của dòng không khí lạnh bên dưới dòng không khí ấm.

Chuyển động của dòng không khí ấm bên trên lớp không khí lạnh.
- Dựa vào nguồn gốc chúng ta có những dạng nghịch nhiệt sau:

Nghịch nhiệt bức xạ.

Nghịch nhiệt front.

Nghịch nhiệt rối.

Nghịch nhiệt nén.
17
IV- Ảnh hưởng của biến thiên nhiệt độ đối với ô nhiễm không khí
4.1- Quá trình khuyếch tán chất ô nhiễm
Sự biến thiên nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sự phát tán dòng khí thải trong các
trường hợp sau:

Khi khí quyển không ổn định thì luồng khói có dạng uốn lượn.

Hình 9. Dạng luồng khói khi khí quyển không ổn định.
18
4.1- Quá trình khuyếch tán chất ô nhiễm (tt)

Luồng khói dạng hình côn thường hình thành trong điều kiện khí quyển trung tính

hoặc gần trung tính.
Hình 10. Dạng luồng khói khi khí quyển gần trung tính.

Luồng khói dạng hình quạt thường xảy ra trong điều kiện khí quyển ổn định với phân

bố nhiệt theo chiều cao là nghịch nhiệt kết hợp với gió nhẹ.
Hình 11. Dạng luồng khói khi khí quyển có lớp nghịch nhiệt từ mặt đất.
19
4.1- Quá trình khuyếch tán chất ô nhiễm (tt)

Khi khí quyển có sự phân tầng thì chất ô nhiễm sẽ tích tụ ở gần mép trên lớp nghịch
nhiệt và tạo thành 1 mặt khá bằng phẳng của luồng khói.
Hình 12. Dạng luồng khói khi khí quyển có lớp nghịch nhiệt đến độ cao ống khói.

Khi cả bên trên và bên dưới của ống khói đều có lớp nghịch nhiệt thì luồng khói sẽ bi
giói hạn ở giữa 2 lớp nghịch nhiệt làm cho chất ô nhiễm rất khó khuyếch tán lên trên hay
xuống dưới.
Hình 13. Dạng luồng khói khi khí quyển có lớp nghịch nhiệt ở hai biên.
20
4.1- Quá trình khuyếch tán chất ô nhiễm (tt)

Lớp nghịch nhiệt ở bên trên lớp siêu đoạn nhiệt, luồng khói khuyếch tán mạnh ở
bên dưới mặt đất còn gọi là hiện tượng xông khói.
Hình 14. Dạng luồng khói khi khí quyển có lớp nghịch nhiệt ở trên ống khói.

21
4.2- Các quá trình khác
Sự biến thiên nhiệt độ ngoài ảnh hưởng đến quá trình khuyếch tán chất ô
nhiễm, nó còn ảnh huởng đến các quá trình sau:

Quá trình bay hơi của các dung môi hữu cơ và các chất ô nhiễm dễ bay hơi.

Quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm trong khí quyển thông qua quá trình
quang hóa.
V- Cấp độ gió và ảnh hưởng của nó đối với ô nhiễm không khí
5.1- Các vòng tuần hoàn nhiệt
Nó sinh ra các vùng áp thấp và vùng áp cao.
5.2- Sự thay đổi của vận tốc gió theo chiều cao.

Chuyển động của không khí trên mặt đất cũng chịu tác động của mặt đất:
- Độ nhám.
- Độ gồ ghề.

Vận tốc không khí ở sát mặt đất là bằng 0 và càng lên cao vận tốc gió càng lớn,
lúc đầu tăng nhanh về sau chậm dần.
22
5.3- Ảnh hưởng đến ô nhiễm không khí
5.3.1- Quá trình khuyếch tán chất ô nhiễm

Lặng gió(0-0,5 m/s) và gió cấp 1 (0,6-1,7 m/s) có khả năng gây ô nhiễm về môi
trường và bản thân nhà máy.

Gió cấp 2 (1,8-3,3 m/s); gió cấp 3 (3,4-5,2 m/s) có thể gây ô nhiễm cho khu vực
dân cư nằm tiếp giáp với nhà máy.


Các cấp gió cao hơn, có tác dụng khuyếch tán nhanh chóng chất ô nhiễm ra
phạm vi rộng và xa, làm cho nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất giảm đi rất nhanh.
5.3.2- Các quá trình khác
Gió không chỉ ảnh hưởng đến sự khuyếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển mà
còn ảnh hưởng đến các quá trình khác:

Quá trình sa lắng của bụi.

Quá trình phát tán lớp bụi sát mặt đất vào trong khí quyển.

Quá trình lan truyền ồn trong không khí.
23
VI- Mối quan hệ của nhiệt độ và cấp độ gió trong quá trình tính toán
phát tán chất ô nhiễm
6.1- Công thức của Bosanquet và Pearson (1936)
Trong đó:

= vận tốc gió trung bình.
, = lần lượt là hệ số khuyếch tán theo chiều đứng và chiều ngang
tùy theo mức độ rối của khí quyển, các giá trị này thường lấy theo thực nghiệm.
2
1 / 2 2 2 2
( , ) exp
.
(2 ) . . . . 2 .
M y H
C x y
p x
p q u x q x
 

 
 
 ÷
 
 ÷
= − +
 
 ÷
 
 ÷
π
 
 
 
u
p
q
24
6.2- Công thức Sutton (1947)
Trong đó:
= vận tốc gió trung bình.
= hệ số phụ thuộc vào độ biến thiên nhiệt độ theo chiều cao.
, = hệ số khuyếch tán (xem tài liệu)
n
u
y
S
z
S
2 2 2

( , , )
2 2 2 2 2 2 2
( ) ( )
exp exp exp
. . . .
x y z
n n n n
y z y z z
M y z H z H
C
S S u x S x S x S x
− − − −
 
 
   
 ÷
 
   
− +
 
 ÷
   
= − − + −
 
 ÷
   
 
 ÷
 ÷
π

   
 
   
 
 
25
6.3- Mô hình Gauss
Trong đó:
= vận tốc gió trung bình.
, = hệ số khuyếch tán phụ thuộc vào cấp độ ổn định của khí quyển.
2 2 2
( , , )
2 2 2
( ) ( )
exp exp exp
. . .
2 2 2
x y z
y z
y z z
M y z H z H
C
u
 
 
   
 ÷
 
   
− +

 
 ÷
   
= − − + −
 
 ÷
   
2π σ σ
 
 ÷
 ÷
σ σ σ
   
 
   
 
 
u
y
σ
z
σ