大氣湍流擴散

相鄰的空氣質點群,在湍流運動中沿完全不同的軌跡作無規則的運動,使它們之間的距離不斷增加,使空氣中本來濃度較大的物質,逐漸變得稀疏,相反地,原來在不同地方的物質,也能通過湍流運動而相互混合。

基本介紹

  • 中文名:大氣湍流擴散
  • 外文名:Atmospheric turbulence diffusion
  • 本質:不同的軌跡作無規則的運動
  • 相關文獻:《大氣擴散估算手冊》
  • 學科:物理學
現象,產生原理,

現象

相鄰的空氣質點群,在湍流運動中沿完全不同的軌跡作無規則的運動,使它們之間的距離不斷增加,使空氣中本來濃度較大的物質,逐漸變得稀疏,相反地,原來在不同地方的物質,也能通過湍流運動而相互混合(見大氣湍流)。這種現象和氣體或液體中的分子擴散很相似,但兩者間的物理過程完全不同,後者是由分子的脈動運動所造成的。

產生原理

從理論上講,大氣的湍流擴散服從統計規律,宜用統計理論進行研究,但因它和分子擴散現象相似,故最通用的研究方法是借用分子擴散方程的形式,用湍流擴散係數代替分子擴散係數,從這種方程出發進行研究。對於空間任一點(x、y、z),其湍流擴散方程為
一般以平均風向為x方向,y為橫風方向,z 為鉛直方向。式中x是懸浮物質的濃度,Kx、Ky、Kz分別為x、у、z方向的湍流擴散係數,在非各向同性的湍流擴散中,Kx、Ky、Kz不相等。當擴散源點(排污口)的高度、幾何形狀以及排放物質的濃度和單位時間內的排放量給定後,即可求出不同氣象條件下,擴散物質濃度隨空間和時間(t)的分布。在簡單的情況下,濃度呈常態分配。
大氣湍流擴散過程中,x、у、z 方向上的擴散能力的強弱,由Kx、Ky、Kz來度量。大氣中的分子擴散過程甚弱,通常分子擴散係數D≈1.6×10米/秒,與湍流擴散相比幾乎可以忽略不計。湍流擴散係數不但是時間和空間的函式,而且依賴於湍流運動的性質和大尺度的氣象條件,通常用實驗的方法來確定。附圖給出煙囪中煙的排放情況與大氣層結穩定性的關係。圖的右側為煙的典型形狀,左側為實際氣溫的鉛直分布(實線)和溫度的乾絕熱遞減率鉛直分布(虛線)(見大氣靜力穩定度)。如果大氣下層為中性穩定層結,上層為穩定層結,則煙不向上擴散,而向下擴散,致使下層煙的濃度增大(b)。通常在大氣層結不穩定而且風大的氣象條件下,湍流擴散強;而在層結穩定且風小的氣象條件下,湍流擴散弱。大氣湍流擴散研究,具有重大的實際意義。它和工業排放物對大氣的污染直接有關(見空氣污染氣象學);在軍事上也有其重要的用途,如研究核彈爆炸後的塵埃分布等。 參考書目
F.Pasquill,Atmospheric Diffusion,2nd ed.,Ellis Horwood,Chichester,1974.
D.B.特納爾著,中國科學院大氣物理研究所譯:《大氣擴散估算手冊》,科學技術文獻出版社,北京,1978(D.B.Turner,Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates,
U.S.Government Printing Office,Washington,D.C.1970.)

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