Légköri szennyeződésterjedés modellezésének kérdései Levegőkémia kiselőadás Nagy Attila meteorológus III. évf. 2007. december 11.

Légszennyező anyagok Elsődleges: NOx, SO2, CO, CnHm, HF,… Másodlagos: a primer szennyezőkből keletkeznek sugárzás miatt nedvesség jelenlétében oxidáció során (pl. ózon)

Légszennyező anyagok Kén-dioxid (szénégetés, kénsavgyártás, papírgyártás) Nitrogén-oxidok (műtrágyagyártás, HNO3-gyártás, villámlás) Szén-monoxid (tökéletlen égés) és CO2 Ammónia (nitrogénműtrágyák gyártása) Fluorvegyületek (üveggyártás, zománcozás, Al-kohászat, szuperfoszfát gyártása) Szénhidrogének (metán) Ózon (troposzférában, másodlagos légszennyező)

A légszennyezés hatásai EMISSZIÓ – TRANSZMISSZIÓ – DEPOZÍCIÓ(körforgás) Lokális: erőmű környezetében Regionális: fotokémiai szmog Kontinentális: savas esők Globális: ózonréteg elvékonyodása, üvegházhatás fölerősödése, klímaváltozás

Vizsgálati szempontok Kibocsátási körülmények - Nem elég a koncentrációt ismerni, kell tudni a forrásokról is - vonal (közlekedés) - pont (ipar, szolgáltatók) - terület (lakossági fűtés, autók indítása) =emissziós leltár készítése - kéménymagasság - a felszín érdessége - háttér-koncentrációk (magasabb skálán kapott értékmező)

2000. évi emissziós adatbázis Összes forrásból származó nitrogén-oxidok emissziója (t/év) 2000. évi emissziós adatbázis

Vizsgálati szempontok Levegőkémiai viselkedés - kémiai reakciók ismerete, tartózkodási idő Meteorológiai viszonyok - „napszak” - szélviszonyok, nedvesség, hőmérséklet - felhőzet - határréteg vastagsága - rétegzettség (általában nehéz kezelni, de fontos)

Áttekintés A modellezés eredménye jelenidőben nézve is informatív, hiszen folytonos eloszlást adva kiegészíti a diszkrét pontokból álló mérési mezőt.

A modellezési folyamat Kémiai komponensek Kémiai almodell Magaslégköri adatok Dinamikus almodell Felszíni meteorológiai adatok Felszín-, növényzet- és talajparaméterek Ülepedési modell Terjedési modell Emisszió Eredmény Ülepedési sebesség Fluxus

A szennyeződésterjedést leíró modellek osztályozása Statisztikus és dinamikus elv Adatsorok alapján statisztikai módszerekkel történő vizsgálat Hosszú távú előrejelzésre alkalmas – pusztán – regresszió útján Pontos előrejelzésre alkalmas, de csak rövid időre (differenciálegyenletek)

Statisztikus modellek Előny: Egyszerűek, gyorsan futtathatók. Hátrányok: Nem írják le az időben változó folyamatokat (periodicitások, egyes évek során bekövetkező változások). Nem alkalmasak extrém helyzetek vizsgálatára és előrejelzésére (szmog-, ózonriadó), stratégiák kidolgozására nem használható!

Példa: CAR-modell Feladat: A CO évi átlagos koncentrációjának becslése egy utca környezetében A megoldás lépései: - háttérszennyezettség meghatározása - ch - lokális utcai kibocsátás meghatározása - E (függ: járművek típusa, átlagos sebessége, forgalomsűrűség) - a lokális koncentráció becslése - cl (E alapján, figyelembe véve az utca geometriáját, a növényzetet, és a szélviszonyokat) - c= ch+cl

Predictor-modell (CERC fejlesztése az ADMS-Urban alapján) A háttérszennyezettség, ill. az egyes szennyező anyagok, valamint a különböző meteorológiai helyzetekben kialakuló levegőminőségi értékek közötti korreláció-számítás eredményeit alkalmazza.

Dinamikus modellek Adott kiindulási helyzetből a fizikai és kémiai folyamatok matematikai leírásán keresztül becsülik az adott légszennyező koncentrációjának térbeli és időbeli alakulását. Előnyük: az időben változó folyamatok leírására is képesek, így pl. döntés-előkészítési célokra is alkalmazhatók (szmogriadó,…) Hátrányuk: fejlesztésük komoly kutatás-fejlesztést igényel gyors, nagykapacitású számítógépek kellenek

Kétféle megközelítés: Dinamikus modellek Kétféle megközelítés: Doboz-modell feltevések: ideális keveredés nincs turbulencia a konc. változás csak a 3 fő lépéstől függ Feladat: az egyes anyagfajták koncentrációváltozását leíró differenciálegyenlet megoldása 2. Terjedési modellek

Skálafüggés (légszennyezők hatótávolságának függvénye) Terjedési modellek Skálafüggés (légszennyezők hatótávolságának függvénye) A karakterisztikus méret nő => idő is – kémiai mechanizmus alkalmas megválasztása szükséges - Utcahasadék („street canyon”) modell: egyedülálló, alacsony forrás az épületek közötti áramlás határozza meg a szennyezőanyagok diszperzióját kar. méretek: 0,1 - 2 km, illetve –idő: néhány perc-néhány óra - Lokális léptékű modell: több pont-, vonal-, vagy területi forrás Jellemző méret: 10 km (max. 100 km) Példa: város, nagyobb ipari terület

Terjedési modellek - Városi lépték („urban scale”): magas pont-, területi forrás néhány 10 km, max. 500 km a beépítettséget, mint felszíni érdességet veszik figyelembe - Regionális lépték („large mesoscale”): városi méretű, összetett források(„füstfáklyák”) 1500 km (Közép-Európa pl.) - Kontinentális lépték („macro scale”): regionális füstfáklyák 3000 km< - Globális lépték: A Föld teljes légköre

1. Gauss-modell Magas pontforrások esetén gyakran alkalmazzák. A kontinuitási egyenletből levezethető egyszerűsítő feltevések mellett. Fontosak: - az időjárási helyzet stacionárius - nincs kémiai változás - folytonos kibocsátás időben állandó - nincs turbulens diffúzió - sík felszín, nincs ülepedés - a szélmezőnek csak egyik komponense nem 0

A Gauss-egyenlet és megoldása Q: kibocsátott szennyezőanyag mennyisége he: effektív kéménymagasság σy, σz : szóródási paraméterek (empirikus úton ismertek) A térbeli eloszlás így nagyon könnyen számítható, de az erős feltételek miatt használata korlátozott.

2. Lagrange-modell A légáramlásokkal együttmozgó, térben homogén összetételűnek feltételezett légcellát vizsgálunk. Alkalmazása: térben és időben kissé változó koncentrációjú, hosszabb tartózkodási idejű, kevésbé reaktív anyagok előrejelzésére és térbeli eloszlására ugyanis: a turbulens diffúzió elhanyagolásával keletkező hiba csökkenthető a légcella méretének növelésével, de így a térbeli homogenitás sérül ezzel pedig a nemlineáris kapcsolat hibája is nő

3. Euler-modell A 2- vagy 3D-s rácshálózat minden pontjára és minden anyagra megoldandó a koncentráció-változásokat leíró, csatolt parciális differenciálegyenlet-rendszer. C: a c1,…,cn anyagfajták koncentrációvektora V: háromdimenziós szélmező S: anyagfajták forrásai és nyelői (ülepedés, emisszió, reakciók) D: molekuláris diffúziós együtthatók vektora

Euler-modell Megfelelő feltételek: - divergenciamentes sebességmező - összenyomhatatlanság - a konc.változás térbeli jellemző hosszúsága nagyobb, mint a turbulens örvények jellemző mérete - nincs molekuláris diffúzió Ekkor az előbbi egyenlet kifejthető és egyszerűsíthető:

Numerikus megoldás 1. Térbeli diszkretizáció: 2. Időbeli integrálás Ehhez alkalmazott: hagyományos rács (négyzet, háromszög, tetraéder, téglatest…) -véges differenciák módszere -végeselem módszer -peremelemes módszer 2. Időbeli integrálás A rácspontokra oldják meg az egyenleteket úgy, hogy valamilyen állandó vagy változó időlépésenként haladunk. („method of lines” módszer= a térbeli diszkretizáció után keletkezett köz.diff. rendszer időbeli integrálása)

Numerikus megoldás Problémák: Az időlépés vagy a rácstávolság növelése jelentősen növeli a numerikus hibát, sőt konvergencia- és stabilitási problémákat is felvethet. A klasszikus 3D-s modell túl bonyolult a számítások miatt. A gyakorlatban ezért kvázi 2D-ós modelleket alkalmaznak. Itt a légkört rétegekre bontják fel, amelyekre külön-külön 2D-ós modellel kiszámítják a koncentrációkat. Ezután megfelelő fizikai modellek segítségével építik be a vertikális anyagátvitelt.

Numerikus megoldás Egy lehetséges javítás: részecskekövetés módszere – adaptív rácsok (diszkrét részecskék koordinátáinak követése) A pályát az ismert sebességmező alapján számítják. A hagyományos rács hátránya, hogy néhol és némelyik „időpillanatban” túl elnagyolt, másik helyen vagy időben pedig feleslegesen részletes. Adaptív rácsmodelleknél a felbontás a véges felbontásból származó numerikus hibától függően sűrűsödik vagy ritkul, ezzel növelve a pontosságot és a számítási igényt.

Hagyományos és adaptív rácsok összehasonlítása Nagy sűrűségű, állandó felbontású rács (17,5 km) Adaptív rács, Budapestre koncentrálva

Adaptív rács fejlődése

Összehasonlítás Adaptív Finom Durva

Magyarországon használt terjedési modellek 1984-89: Központi Kémiai Kutató Intézet és OMSZ: Lagrange-típusú modell Budapestre 90-es évek közepe: Központi Fizikai Kutató Intézet Atomenegia Kutatóintézete: ISC2 Gauss-típusú – SO2 és Vanádium terjedése a magyarországi erőművekből Közelmúlt: Dasy Kft. adaptációja Bp-re: Légköri Diszperziós Modellező Rendszer városi változata – ADMS-Urban -meteorológiai előfeldolgozás -1x1 km-es felbontású emisszió-adatbázis -kémiai reakciókat is figyelembe vesz -képes épületek, utcahasadékok áramlásának szimulációjára is RODOS- rendszer: („Realtime Online Decision Support”) Egy esetleges nukleáris katasztrófa kezelésére alkalmas.

További példák…

Felhasznált irodalom Lagzi István: Környezetvédelem II. előadás (részletek) http://www.kvvm.hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/karmkezikk1/1-04.htm Hágel Edit: A levegőszennyezés előrejelzésének légkörfizikai problémái: empirikus és kísérleti vizsgálat (Tudományos Diákköri dolgozat) http://www.otk.hu/cd05/1szek/Pataki%20Ildikó.htm#top http://members.chello.hu/dasy.kft/forecast/Budapest.htm http://www.met.hu/pages/lm/

Köszönöm a figyelmet!