СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2018 года по МПК G01W1/00 

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 D_T - коэффициент турбулентной диффузии, м²/с;

V - скорость перемещения факела трассера, м/с;

n - расстояние между сечениями факела трассера, м;

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

,

где ΔT_Li, ΔT_Ti - 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 D_T - 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;

T_a - 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 D_T - 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;

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

λ_Rn - 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.

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.

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 D_T - 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;

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

λ_Rn - постоянная радиоактивного распада радона, 1/с.