Изменение концентраций газов и кислот при дальнем переносе

Без учета турбулентной диффузии, т.е. рассеяния веществ в пространство, превращения веществ может быть представлены в виде блоков на рис. 1, где преобразования серо и азотсодержащих веществ происходит со скоростями удаления данными в Таблице 2. На этой блок-схеме для окислов азотов NO_x допущено также равновесие между оксидами при [NO₂]/[NO]=2 и их дополнительный их сток в пироксиацилнитраты в результате фотохимического смога (лекция 8).

Такая блок-схема, позволяет записать изменение каждой из фаз вещества-загрязнителя в виде (уже известного вам) кинетического уравнения первого рода:

(1)

где [Сi] молярная концентрация вещества в i -том блоке, а коэффициенты скорости преобразования или удаления l_j (g_j для окислов азота) определенного потока j из этого блока, представлены в Таблице 2 в соответствии с оценками п.9.1. Изменение [молярной концентрации сернистого газа] записывается, как (2):

(2)

Но изменение молярной концентрации серной кислоты будет зависеть от прихода окисленного SO₂ и стока со скоростями λ_4-6:

(3)

Решение уравнений 2 и 3, при условии, что начальная концентрация сернистого газа равна [SO₂]₀ дает следующие формулы для изменения количества газа [SO₂]_t и кислоты [H₂SO₄]_t во времени:

(4)

Придя к формулам (4), мы находим ответ, на вопрос: «зачем были необходимы оценки скоростей реакций в которые вступают газы и аэрозоли?». Дело в том, что в (4) концентрация сернистого газа [SO₂]_t убывает экспоненциально со временем, а концентрация аэрозоли серной кислоты [H₂SO₄]_t сначала растет до макcимального значения в момент Тmах и лишь затем убывает (вспомните концентрацию примеси от точечного источника). Это максимальное значение достигается в момент времени когда

(5)

Подставляя значения α и β из таблицы 2, получаем время через которое содержание кислоты наибольшее Tmax =ln(1,4)/0,015 час = 22,7 часов, т.е. около суток. Позволим себе интерпретировать это интервал времени, как промежуток между выбросом диоксида серы и максимумом концентрации серной кислоты в воздушной массе, прошедшей достаточно протяженный «сернистый» регион. Слово «протяженный» означает, что можно пренебречь рассеянием примеси (смешением с окружающим воздухом) по крайней мере в центре объёма воздуха уносимого от региона загрязнения. При характерной скорости переноса воздушной массы в 20-30 км/ч, очевидно, что наибольшие значения концентрации серной кислоты будут наблюдаться на удалении 450-700 км от источника.

Быстрое газофазное окисление g₃=0,12 окислов азота ведет к тому, что максимум концентрации азотной кислоты наблюдается уже через ln(165/42)/(0,165-0,042) =11 часов переноса т.е. уже в 200-300 км от источника при характерных скоростях атмосферного слоя.

Представление трансформации веществ через скорости их реакций дает нам в руки эффективный инструмент для описания масштабов зон возможного загрязнения с учетом физического и химического состава примеси. Действительно, для описания масштабов загрязнения можно использовать не только абсолютные значения концентраций (много или мало), но и средний период выведения примеси тем или иным атмосферным процессом.

Таблица 2. Характерные скорости процессов превращения и удаления кислотообразующих примесей из атмосферы.

Процесс, скорость в ч^-1	SO2	H2SO4	NOx	HNO3 (1/2газ+1/2аэрозоль)
Окисление	l3=0,027		g3=0,12
Взаимодействие с органикой			g6=0,025
Поглощение подстилающей поверхностью	l2=0,015	l4=0,005	g2=0,01	g4=0,01
Вымывание осадками	l1=0,01	l5=0,012	g1=0,01	g5=0,012
Нейтрализация в виде аэрозоли		l6=0,02		g7=0,02
Суммарная скорость выведение из атмосферы	a=0,052	b=0,037	0,165	0,042

Анализируя скорости реакций (таблица 2). можно сделать простое заключение о «индикаторе» поступления загрязнения от источника на поверхность земли. В начальные моменты времени, когда в смеси кислота-газ доминирует газ, в удалении примеси главную роль играет поглощение газа поверхностью земли, т.е. сухое удаление. Когда окисление газа зашло достаточно далеко, главную роль начинают играть процессы вымывания примесей с осадками и процессы нейтрализации кислот. Несмотря на то, что сумма коэффициентов вымывания l₁+l₅ и поглощения l₂+l₄ кислот и газа поверхностью примерно равны, быстрое окисление газа днём приводит к тому, что осадки – это доминантный процесс поступлении кислоты на поверхность почвы.

Дата добавления: 2014-01-07