Способ определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. Сущность: измеряют объемную активность радона одновременно на двух высотах: 0,5-2 м от поверхности земли и не менее 10 м от поверхности земли. С учетом полученных значений рассчитывают коэффициент турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. Технический результат: определение коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. 1 табл.

 

Изобретение относится к способам контроля за состоянием и динамикой атмосферы, метеорологических величин, а именно к определению коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы по измеренной объемной активности радона, и может быть использовано для изучения переноса воздушных масс, для исследования динамики и кинетики газов и аэрозолей, в том числе радиоактивных.

Известен способ измерения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере [SU 1764016 A1, МПК5 G01W 1/02, опубл. 23.09.1992], включающий формирование факела трассера с помощью точечного источника тепловой энергии, определение ширины факела трассера σ1 и σ2 в двух его сечениях, расположенных на расстоянии n друг от друга перпендикулярно оси факела трассера и вычисление коэффициента турбулентной диффузии по формуле:

,

где DT - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с;

V - скорость перемещения факела трассера, м/с;

n - расстояние между сечениями факела трассера, м;

σi - ширина факела трассера, м, которую определяют из выражения:

,

где ΔTLi, ΔTTi - изменение температуры воздушного потока относительно окружающей среды, соответственно на линейном участке длиной L, м, и в средней точке участка, °C.

Недостатки этого способа:

- сложный процесс измерения из-за большого количества необходимого оборудования: термометров, нагревательного элемента, штанг, консоли, опорных колец и пр.;

- невозможность использования для мониторинга, то есть проведения непрерывных последовательных измерений без участия оператора;

- использование дополнительного трассера - искусственного источника тепла приводит к искажению воздухообмена в области измерения, что влияет на турбулентный воздухообмен в целом в приземной атмосфере и тем самым увеличивает суммарную неопределенность результатов измерений.

Известен способ определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы [Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - С. 28] по формуле:

,

где DT - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с;

k1 - коэффициент пропорциональности турбулентной диффузии, определяемый расчетным способом по измеряемым на опыте величинам, м/с;

z - высота от поверхности земли, на которой определяют коэффициент турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы, м.

Для устойчивого состояния атмосферы коэффициент пропорциональности турбулентной диффузии k1 определяют по формуле:

,

где χ=0,43 - постоянная Кармана, отн. ед. [Морозов В., Куповых Г. Теория электрических явлений в атмосфере. Математическое моделирование атмосферно-электрических процессов. 2012. - С. 188];

u2, u1 - скорости ветра, м/с, измеренные на двух высотах z2 и z1.

При неравновесных (неустойчивых) условиях в приземном слое атмосферы коэффициент пропорциональности турбулентной диффузии k1 определяют из выражения [Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - С. 22]:

где Б - параметр устойчивости, , отн. ед.;

ΔT - разность температур на высотах z3 и z2, K;

Ta - температура по абсолютной шкале, K;

h - высота приземного слоя атмосферы, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

z1, z2, z3 - различные высоты, отсчитываемые от поверхности земли, м;

z0 - параметр шероховатости, зависящий от рельефа местности, м.

Основные недостатки такого способа:

1. Высота приземного слоя атмосферы h является переменной величиной и изменяется в широких пределах от 50 до 250 м в зависимости от стратификации атмосферы и величины скорости ветра.

2. При расчете коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы для неустойчивых состояний атмосферы возникают трудности, связанные с определением параметра шероховатости z0, так как рельеф местности очень сложно отнести к какому-либо одному типу.

3. Значения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы характеризуют вполне определенное состояние атмосферы и не могут быть использованы для других, быстро меняющихся условий.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является определение коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы.

Согласно изобретению способ определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы заключается в том, что в выбранном месте одновременно измеряют объемную активность радона на высоте z1 от 0,5 м до 2 м от поверхности земли и на высоте z2 не менее 10 м от поверхности земли. Определяют коэффициент турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы из выражения:

где DT - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с;

z1 - первая высота измерения объемной активности радона, м;

z2 - вторая высота измерения объемной активности радона, м;

A1 - объемная активность радона, измеренная на высоте z1, Бк/м3;

A2 - объемная активность радона, измеренная на высоте z2, Бк/м3;

DM - коэффициент молекулярной диффузии радона в воздухе, равный 1,2⋅10-5 м2/с;

λRn - постоянная радиоактивного распада радона, равная 2,1⋅10-6 1/с.

Выбор первой и второй высот измерения обусловлен характером изменения объемной активности радона по высоте. При изменении коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы наибольшее изменение испытывает объемная активность радона на высоте от 0,5 м до 2 м от поверхности земли. Выбор второй высоты, на которой производят измерение объемной активности радона обусловлен условиями снижения погрешности результата измерения. Распределение объемной активности радона по высоте следует экспоненциальному закону: ее снижением с ростом высоты. При увеличении турбулентного обмена приземной атмосферы и, следовательно, росте коэффициента турбулентной диффузии распределение радона по высоте приближается к равномерному. При этом, чем больше разница между двумя высотами измерения, тем больше разница между измеренными значениями объемной активности радона на разных высотах. Поэтому вторая высота измерения объемной активности радона составляет не менее 10 м.

Таким образом, предложенный способ определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы по измеренной объемной активности радона является: 1) простым, поскольку используют стандартные промышленно выпускаемые радиометры радона; 2) достоверным, поскольку используется природный трассер - радиоактивный газ радон, и не нужно введение искусственного трассера в виде источника тепла, что приводит к искажению воздухообмена в области измерения и влияет на турбулентный воздухообмен в целом в приземной атмосфере и тем самым увеличивает суммарную неопределенность результатов измерений.

Способ определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы по измеренной объемной активности радона позволяет производить не только разовые измерения, но и длительный автоматизированный мониторинг без участия оператора, если использовать радиометры радона, работающие в режиме мониторинга.

Для определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы выбрали площадку, расположенную около института мониторинга климатических и экологических систем г. Томска.

Используя два радиометра радона РРА-01М-03, основанные на полупроводниковой альфа-спектрометрии, одновременно произвели два измерения объемной активности радона на высоте 2 м и на высоте 25 м (на крыше здания института мониторинга климатических и экологических систем). Значения объемных активностей радона A1 и A2 составили, соответственно, 29,68 Бк/м3 и 25,67 Бк/м3.

Определили коэффициент турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы из выражения (2), который составил:

Определение коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы на различных высотах представлено в таблице 1.

Способ определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы, отличающийся тем, что одновременно измеряют объемную активность радона на высоте z1 от 0,5 м до 2 м от поверхности земли и на высоте z2 не менее 10 м от поверхности земли, затем определяют коэффициент турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы из выражения:

где DT - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с;

z1 - первая высота измерения объемной активности радона, м;

z2 - вторая высота измерения объемной активности радона, м;

А1 - объемная активность радона, измеренная на высоте z1, Бк/м3;

А2 - объемная активность радона, измеренная на высоте z2, Бк/м3;

DM - коэффициент молекулярной диффузии радона в воздухе, м2/с;

λRn - постоянная радиоактивного распада радона, 1/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению и обработке данных о турбулентности устройствами связи на борту самолетов. Технический результат состоит в уменьшении или исключении «ложноположительных» событий турбулентности.

Изобретение касается гидродинамического моделирования источника штормовых нагонов и экстремальных течений под воздействием подвижного атмосферного тайфуна. Сущность: определяют внешнее возмущение для прямого вычислительного эксперимента при моделировании штормовых нагонов и экстремальных течений вблизи побережья с возможностью выбора наиболее вероятных или потенциально опасных маршрутов атмосферных тайфунов и глубоких циклонов над открытым морем.

Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и предназначено для прогноза возникновения ограниченной посадочной видимости, обусловленной слепящим воздействием солнца, низко расположенного над горизонтом, на экипаж воздушного судна (ВС) при посадке (взлете).

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для биомониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы металлами. Сущность: собирают талломы лишайников со стволов деревьев, произрастающих в антропогенно-трансформированной и фоновой (не загрязненной антропогенными выбросами) зонах.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения неблагоприятных и опасных метеорологических явлений конвективного происхождения.

Изобретение относится к области технологий борьбы с ураганом в интересах защиты населения от него путем прерывания развития его мощности. Способ воздействия на ураган, циклон, тайфун включает осуществление взрывного воздействия при угрозе достижения скорости ветра 20-30 м/с в расчетных точках на окружности, охватывающей сплошную облачность урагана на расстоянии 20-30 км от нее в верхней части тропосферы.

Изобретение относится к способам экологического мониторинга химически опасных объектов. Сущность: определяют концентрацию опасных веществ в зоне закрытого в помещении объекта.

Изобретение относится к области экологического картографирования и может быть использовано для решения различных природоохранных задач. Сущность: определяют перечень учитываемых объектов: важных компонентов биоты (ВКБ) - экологических групп/подгрупп/видов биоты, особо значимых объектов (ОЗО) и природоохранных территорий (ПОТ).

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для мониторинга атмосферного воздуха санитарно-защитных зон промышленных объектов.

Изобретение относится к области палеоклиматологии и может быть использовано для восстановления рядов метеорологических характеристик. Сущность: выполняют предварительное датирование путем подсчета годовых сигналов в изотопном составе.

Изобретение относится к способам дистанционного зондирования атмосферы и может быть использовано для определения траектории распространения облаков токсичных газообразных веществ в атмосфере, например, в целях прогнозирования последствий аварий на химически опасных объектах.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. Сущность: измеряют объемную активность радона одновременно на двух высотах: 0,5-2 м от поверхности земли и не менее 10 м от поверхности земли. С учетом полученных значений рассчитывают коэффициент турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. Технический результат: определение коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. 1 табл.

Наверх