From the SelectedWorks of Robert Olenacz September 1, 1998 Modelowane msj ozonu w przyzemnej warstwe atmosfery na przykładze Nowego Sącza Marek Bogack Maran Mazur Robert Olenacz Avalable at: https://works.bepress.com/robert_olenacz/115/
MODELOWANIE IMISJI OZONU W PRZYZIEMNEJ WARSTWIE ATMOSFERY NA PRZYKŁADZIE NOWEGO SĄCZA Marek BOGACKI, Maran MAZUR, Robert OLENIACZ Akadema Górnczo-Hutncza w Krakowe Katedra Kształtowana Ochrony Środowska Al. Mckewcza 30, 30-069 KRAKÓW W referace omówone zostały wynk badań zwązanych z modelowanem zjawsk fzykochemcznych zachodzących w przyzemnej warstwe atmosfery w aspekce tworzena sę ozonu. Przeprowadzony na terene Nowego Sącza eksperyment potwerdzł możlwość stosowana modelowana matematycznego do dagnozowana, ewentualne prognozowana stężeń ozonu w dowolnym obszarze oblczenowym. 1. WSTĘP Pozom stężena ozonu w przyzemnej warstwe atmosfery stanow sumę ozonu antropogencznego, powstałego na skutek przeman fzykochemcznych zaneczyszczeń perwotnych emtowanych do atmosfery, oraz ozonu pochodzena naturalnego. Ten ostatn z kole, jak wykazują badana, ma swoje źródło w procesach fotochemcznych zachodzących w troposferze oraz jest wynkem wdzerana sę ozonu stratosferycznego w górne warstwy troposfery poprzez necągłośc w tropopauze. W ostatnch latach średn w skal globalnej pozom tła ozonu, rejestrowany w dolnych warstwach atmosfery wynos ok. 30 ppb wydaje sę meć tendencję zwyżkową. Szczególne stotny wzrost stężena ozonu obserwuje sę w okrese letnm w dużych aglomeracjach mejskch oraz w ch poblżu. Wywołany jest on główne emsją lotnych zwązków organcznych (LZO) oraz tlenków azotu (NO x ), których źródłem najczęścej są: motoryzacja, przemysł chemczny oraz źródła bogenne. Od ponad 30 lat prowadzone są na śwece na szeroką skalę badana, których celem jest poznane mechanzmów przebegu reakcj fotochemcznych w troposferze w aspekce tworzena sę ozonu oraz nnych zaneczyszczeń wtórnych. Efektem tych badań jest opracowane welu dzesątek mechanzmów opsujących w sposób jakoścowy loścowy knetykę przebegu głównych reakcj. Wększość z tych mechanzmów w zakrese chem zwązków neorgancznych jest ze sobą spójnych, natomast w przypadku zwązków organcznych borących udzał w reakcjach stneją jeszcze pewne neścsłośc. Neścsłośc te dotyczą główne zwązków kompleksowych wynkają z olbrzymej złożonośc zagadnena. Pommo tych neścsłośc stnejące mechanzmy reakcj mogą służyć do zgrubnego opsu przebegu reakcj fotochemcznych w przyzemnej warstwe atmosfery. Fakt stnena tego typu mechanzmów oraz odpowedn pozom zaawansowana w zakrese technk komputerowej 27
stał sę przesłanką do rozwoju model matematycznych, dzęk którym możlwe stało sę komputerowe symulowane przebegu procesów fzykochemcznych mających mejsce w nskej troposferze. Jednym z najprostszych zarazem najbardzej odpowednch dla modelowana tego typu zjawsk wydają sę być modele skrzynkowe (box-modele). Znajdują one szeroke zastosowane ne tylko w teoretycznych pracach studalnych nakerowanych na konstruowane mechanzmów reakcj fotochemcznych, ale równeż posadają funkcję aplkacyjną, która predestynuje je np. do szacowana pozomu msj zaneczyszczeń wtórnych w rzeczywstej atmosferze [1]. Właśne ta funkcja modelu poddana została wnklwej ocene w trakce eksperymentu przeprowadzonego w warunkach rzeczywstych na obszarze Nowego Sącza. Celem tego eksperymentu było zweryfkowane wynków stężeń ozonu otrzymanych na drodze oblczenowej (przy użycu modelu skrzynk) z rzeczywstym stężenam ozonu zarejestrowanym przez automatyczne stacje montorngu powetrza. Analzę porównawczą przeprowadzono na przykładze epzodu smogowego, który sę formował w dnach 1 3 lpca 1993 roku. O wyborze Nowego Sącza na mejsce eksperymentu zadecydowały przede wszystkm następujące względy: korzystne położene geografczne (lokalzacja w kotlne, brak znaczących źródeł emsj poza grancam masta), stnene bazy danych o emsj z głównych grup źródeł (komunkacja, źródła stacjonarne), stnene 2 stacj montorngu powetrza, które w sposób cągły merzyły pozom stężeń: O 3, NO x, SO 2 CO oraz take parametry meteorologczne jak: prędkość kerunek watru, temperatura oraz wlgotność względna powetrza, zachmurzene oraz pozom promenowana całkowtego. W okrese eksperymentu panowały sprzyjające warunk meteorologczne, wynkające z faktu znajdowana sę w tych dnach całej Polsk połudnowej w strefe podwyższonego cśnena. 2. OPIS MODELU SKRZYNKI Model skrzynk należy do najprostszych model, tzw. 0-wymarowych. W modelu tym obszar oblczenowy zdefnowany jest jako przestrzeń wyznaczona przez stałą powerzchnę oraz zmenną wysokość. W takm układze oblczenowym uwzględnane są następujące procesy: emsja zaneczyszczeń, rozceńczane zaneczyszczeń poprzez przewetrzane obszaru oblczenowego oraz zmanę wysokośc warstwy meszana, napływ zaneczyszczeń do obszaru oblczenowego, depozycja zaneczyszczeń, przemany chemczne zaneczyszczeń. 28
Model ten funkcjonuje przy następujących założenach upraszczających: cała analzowana masa powetrza jest jednorodna pod względem składu chemcznego, temperatury oraz wlgotnośc, dyfuzja zaneczyszczeń przez ścany boczne skrzynk jest znkomo mała, górna powerzchna skrzynk odwzorowuje górną grancę warstwy meszana [2]. Uproszczony schemat funkcjonowana modelu skrzynk przedstawono na rys. 1. Rys. 1. Szkc modelu skrzynk A powerzchna podstawy skrzynk [m 2 ], ds element brzegu skrzynk [m], u(t,s) szybkość strumena masy powetrza wchodząca prostopadle do wnętrza skrzynk poprzez element jej brzegu ds [m/s], h(t) wysokość skrzynk [m], dh zmana wysokośc skrzynk [m], c (t) stężene -tego składnka w skrzynce ( = 1,...,N) [ppm], c,h (t) stężene -tego składnka nad skrzynką ( =1,...,N) [ppm], c,r (t) stężene -tego składnka na brzegu skrzynk ( = 1,...,N) [ppm], Q (t) źródło emsj [ppm m 3 s -1 ], v,d (t) - efektywna szybkość depozycj w skrzynce [m/s], r (t,c j ) szybkość przemany chemcznej ( =1,...,N) [ppm/s], N lczba substancj (zaneczyszczeń) borących udzał w reakcjach, t czas [s]. Zdefnowany model oparty jest na blanse strumena masy (ppm m 3 ) każdej borącej udzał w reakcjach chemcznych substancj w obszarze wyznaczonym grancą skrzynk [2,3,4]. Układ równań opsujących zjawska zachodzące w obszarze oblczenowym przyjmuje następującą formę (objaśnena do symbol są pod rysunkem 1): dc dt 1 A max, d u,0 ds c c c r c c, R v h Q A h dh h dt, H Do rozwązana tak sformułowanego układu równań różnczkowych zastosowano metodę welokrokową typu predyktor-korektor z automatycznym doborem rzędu welomanu nterpolacyjnego oraz kroku całkującego. 29
3. METODYKA PRZYGOTOWANIA DANYCH DO OBLICZEŃ Modelowane msj ozonu w przyzemnej warstwe atmosfery wymagało przygotowana szeregu danych wejścowych. Należały do nch: powerzchna oblczenowa, warunk meteorologczne, mechanzm reakcj chemcznych, welkość oraz struktura jakoścowa emtowanych do atmosfery zaneczyszczeń, początkowe stężena zaneczyszczeń. Wszystke wymenone parametry zostały określone w sposób gwarantujący możlwe najwększą dokładność. W tym celu korzystano przede wszystkm z wynków pomarów bezpośrednch analzowanych welkośc, a w przypadku braku możlwośc wykonana takch pomarów z powodów techncznych bądź ekonomcznych, do określena wymaganych parametrów zastosowano metody oblczenowe oparte na metodykach wykorzystujących aktualny stan wedzy w danym zakrese. W przypadkach kedy określene jakegoś parametru ne było możlwe w oparcu o wspomnane metody, stosowano założena upraszczające, bądź szacowano jego welkość w oparcu o najnowsze dane lteraturowe. 3.1. Powerzchna oblczenowa Powerzchnę obszaru oblczenowego wyznaczono w oparcu o rzeczywste grance admnstracyjne masta. Do oblczena pola powerzchn zastosowano metodę parametryzacyjną, która pozwala na określene powerzchn dowolnego welokąta. Oblczone pole powerzchn wynosło 57 261 944 m 2. 3.2. Warunk meteorologczne W celu odwzorowana w modelu oblczenowym rzeczywstej sytuacj meteorologcznej, jaka panowała w dnach 1 3.07.1993 r. na obszarze Nowego Sącza wymagane było zebrane kompleksowych nformacj na temat welkośc podstawowych parametrów meteorologcznych, które w sposób bezpośredn bądź pośredn stanowły dane wejścowe do programu oblczenowego. Do parametrów meteorologcznych, które pochodzły z pomarów bezpośrednch, należały: temperatura powetrza ( o C), prędkość watru (m/s), kerunek watru ( o N), wlgotność względna (%) oraz promenowane całkowte (mw/cm 2 ). Pozostałe welkośc meteorologczne określono na drodze oblczenowej. Należały do nch take parametry jak: współczynnk wymany powetrza w obszarze oblczenowym (1/mn), zawartość pary wodnej w powetrzu (ppm) oraz stała szybkośc fotolzy NO 2 (1/mn). Przebeg zmennośc w czase wybranych parametrów meteorologcznych przedstawono na rys. 2. 30
Rys. 2. Przebeg czasowe wybranych parametrów meteorologcznych występujących na obszarze Nowego Sącza w dnach 1 3 lpca 1993 r. Odrębne zagadnene stanowło wyznaczene głębokośc warstwy meszana. Poneważ pomar tego parametru metodam teledetekcyjnym ne był możlwy ze względów techncznych organzacyjnych, postanowono określć go na drodze pośrednej posługując sę w tym celu metodam oblczenowym, tj. metodą równań parametryzacyjnych metodą Walczewskego. Dodatkowo oblczone w ten sposób profle głębokośc warstwy meszana porównano z proflem wyznaczonym dla Krakowa przy pomocy sodaru (rys. 3). 31
Rys. 3. Głębokość warstwy meszana nad obszarem Nowego Sącza w dnach 1 3.07.1993 r. określona różnym metodam [5]. 3.3. Mechanzm reakcj chemcznych Modelowane msj ozonu wymagało zdefnowana mechanzmu reakcj zachodzących w przyzemnej warstwe atmosfery. Analza mechanzmów pod kątem możlwośc ch zastosowana w przypadku Nowego Sącza wykazała, że najodpowednejszym mechanzmem jest mechanzm Bottenhema Strausz a [6]. Wybór tego mechanzmu reakcj podyktowany był jego syntetycznym charakterem oraz kompleksowym ujęcem chem zwązków organcznych. W mechanzme wszystke wyemtowane zwązk organczne sprowadzono do czterech grup reprezentujących: alkany, alkeny, węglowodory aromatyczne oraz aldehydy. 3.4. Emsja zaneczyszczeń Inwentaryzację emsj z obszaru Nowego Sącza dla potrzeb modelowana przeprowadzono w odnesenu do następujących zaneczyszczeń: NO, NO 2, SO 2, CO, alkanów, alkenów, węglowodorów aromatycznych oraz aldehydów. Analze poddane zostały zarówno stacjonarne źródła emsj take jak: energetyka przemysłowa, energetyka komunalna, technologe przemysłowe, palenska domowe, dystrybucja palw, zużyce rozpuszczalnków, jak równeż źródła moblne, w ramach których uwzględnono w sposób całoścowy emsję z komunkacj (w tym parowane palwa ze zbornków samochodowych oraz tzw. zmne starty ). Informacje o emsj z w/w źródeł pochodzły z bazy danych Urzędu Wojewódzkego w Nowym Sączu oraz bezpośrednch badań przeprowadzonych przez autorów na terene masta [7]. Wynk nwentaryzacj po odpowednm przygotowanu przedstawono w forme czasowych przebegów welkośc emsj na rys. 4. 32
Rys. 4. Zmenność welkośc emsj analzowanych zaneczyszczeń z obszaru Nowego Sącza w dnach 1-3 lpca 1993 r. 33
3.5. Stężena początkowe Ważnym elementem w procese modelowana było określene stężeń początkowych analzowanych zaneczyszczeń. Zadane to zrealzowano w dwojak sposób. W przypadku zaneczyszczeń merzonych na stacjach montorngu powetrza (tj. O 3, NO, NO 2, CO SO 2 ) jako stężena początkowe przyjęto wartośc rzeczywste stężeń zarejestrowane dna 1 lpca o godz. 00:00. Natomast w przypadku pozostałych zaneczyszczeń uwzględnanych w mechanzme reakcj chemcznych podjęto próbę oszacowana stężeń na drodze teoretycznej, bazując na aktualnej wedzy z zakresu chem atmosfery. W wynku przeprowadzonej analzy okazało sę, że wele z substancj w godznach nocnych (w momence rozpoczęca oblczeń) albo posada stężena blske zeru (np. rodnk), lub też ne berze czynnego udzału w tworzenu sę ozonu (CO 2, HNO 3 ). Substancją, która może znajdować sę w atmosferze w stotnych loścach jest HNO 2. Zwązek ten jednak w porze nocnej jest bardzo stablny. Mając na uwadze powyższe względy postanowono przyjąć dla zaneczyszczeń ne merzonych stężena początkowe na pozome zerowym [1]. 4. WYNIKI OBLICZEŃ Założone na wstępe badań cele zwązane z modelowanem msj zrealzowano w forme dwuetapowej. W perwszym etape wykonano modelowane wstępne w ramach którego oszacowano pozom msj ozonu powodowany znwentaryzowaną w obszarze oblczenowym emsją. Oblczena wykonano w trzech warantach, różnących sę jedyne przyjętym proflem głębokośc warstwy meszana (rozdz.3.2.). W trakce modelowana okazało sę, że znwentaryzowana emsja jest nedoszacowana, szczególne w zakrese zaneczyszczeń organcznych. Dlatego też podjęto próbę jej zmodyfkowana na podstawe rzeczywstych przebegów stężeń O 3, NO, NO 2, CO SO 2. W oparcu o wynk uzyskane w trakce klkudzesęcu cyklów oblczenowych określono wartość skorygowaną emsj poszczególnych zaneczyszczeń, która jak sę wydaje bardzej jest zblżona do wartośc rzeczywstych. Dla tak oblczonej emsj przeprowadzono modelowane właścwe. Posłużyło ono w perwszej kolejnośc do wyznaczena najbardzej prawdopodobnego przebegu głębokośc warstwy meszana a następne do weryfkacj całego modelu oblczenowego. Jako najbardzej zblżony do rzeczywstego uznano profl głębokośc warstwy meszana wyznaczony metodą Walczewskego. Dla tego proflu prowadzono węc dalsze oblczena. Wynk oblczeń przedstawono na rys. 5. Z porównana przebegu stężena ozonu oblczonego na drodze modelowana matematycznego z przebegem stężena ozonu zmerzonego na stacjach montorngu powetrza wynka jednoznaczne, że stneje zadawalająca zgodność wartośc oblczenowych z wartoścam pomarowym. Brak pełnej zgodnośc wynka przede wszystkm z uproszczeń stosowanych w modelu oraz ogranczeń zwązanych z możlwoścą odwzorowana w sposób bardzo dokładny 34
Rys. 5. Porównane przebegu stężena ozonu określonego na drodze pomarowej oblczenowej. przebegów parametrów wejścowych do modelu. Wśród tych parametrów najstotnejszą rolę odgrywa znajomość emsj poszczególnych zaneczyszczeń oraz rzeczywstego proflu głębokośc warstwy meszana. 5. PODSUMOWANIE Wynk badań dowodły, że stneje możlwość symulowana zjawsk zachodzących w przyzemnej warstwe atmosfery na drodze modelowana matematycznego. Oblczena teoretyczne oraz eksperyment przeprowadzony w Nowym Sączu zweryfkowały poprawność konstrukcj modelu oraz wykazały szeroke możlwośc jego praktycznego zastosowana. Badana wykazały ponadto, że o jakośc uzyskwanych wynków w głównym stopnu decyduje staranność w przygotowanu danych wejścowych, szczególne w zakrese emsj oraz parametrów meteorologcznych. 6. LITERATURA [1] Bogack M. Modelowane procesu przeman chemcznych zachodzących w przyzemnej warstwe atmosfery w aspekce tworzena sę ozonu. Badana własne nr. 10.150.402. Katedra Kształtowana Ochrony Środowska AGH. Kraków 1998 (praca nepublkowana) [2] Bogack M., Mazur. M., Olenacz R.: Prognozowane wpływu motoryzacj na pozom stężena ozonu w przyzemnej warstwe atmosfery. Materały z II Konferencj nt. Problemy ochrony powetrza w aglomeracjach mejsko-przemysłowych. Ustroń, 1996 [3] Egger A. M.: Smulaton der Luftverschmutzung n Raum Graz mt enem Enboxmodell. Dplomarbet, TU Graz, 1991 [4] Moussopoulos N., Oehler w., Zellner K.: Kraftfahrzeugemssonen und Ozonbldung. Sprnger Verlag, 1989 35
[5] Walczewsk J., Belak M., Burzyńsk J., Ślwńska U.: Oblczone głębokośc warstwy meszana w atmosferze dla nowego Sącza w okrese od 1 do 3 lpca 1993 roku. Zakład Teledetekcj Atmosfery, IMGW. Kraków, 1998 (praca nepublkowana) [6] Bottenhem J.W., Strausz O.P.: Modelng study of a chemcally reactve power plant plume. Atmospherc Envronment, vol. 16, no 1, s. 85-97, 1982 [7] Mazur M., Bogack M., Olenacz R.: Zastosowane metody oblczenowo-pomarowej do oceny stanu zaneczyszczena powetrza w Nowym Sączu. Inżynera Środowska 1996, tom 1. Wyd. AGH, Kraków 36