Большое влияние, оказываемое на распространение промышленных выбросов скоростью ветра и вертикальным распределением температуры воздуха, позволило выделить основные типы дымового факела, определяющие степень загрязнения приземного слоя атмосферы (рис.2) “Конусообразная струя”, постепенно расширяясь, достигает поверхности земли примерно на расстоянии, равном 20 высотам трубы. “Волнообразная” струя, возникающая при сверхдиабатическом градиенте, создает кратковременные значительные концентрации и на близких расстояниях от трубы (2-3 высоты трубы). “Приподнятая” струя возникает при слое инверсии ниже устья трубы, в связи с чем рассеивание выброса происходит выше слоя инверсии. В случае выброса в слое инверсии наблюдается “нитевидная” струя. Наиболее неблагоприятны состояния атмосферы, при которых наблюдается “задымляющая” струя. В этом случае слой инверсии располагается над трубой и компоненты выброса концентрируются в узком слое атмосферы. Частным случаем “задымляющей”струи является “опасная”, возникающая при устойчивой антициклонической погоде, малых скоростях ветра, т.е. когда длительно сохраняются словия, характерные для возникновения “задымляющей” струи.
Рис.2 Типы дымового факела (струй) в зависимости от вертикального распределения температуры воздуха (схема)
1- “конусообразная”; 2- “волнообразная”; 3-“приподнятая”; 4-“нитевидная”; 5-“задымляющая”; пунктиром указано адиабатическое состояние атмосферы. Сплошной линией обозначена температурная стратификация, обусловливающая форму факела.
Рассмотрим физическую сущность процесса рассеивания вредных веществ в воздушном бассейне.
Вредные вещества (газовоздушная смесь) при выбросе через трубы (шахты) в атмосферу смешиваются с атмосферным воздухом. Благодаря турбулентности воздушной среды газовоздушная смесь размывается в расширяющемся выхлопном факеле, вследствие чего отношение объема врености к объему воздуха непрерывно уменьшается, т.е. концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе падает.
Если газовоздушная смесь выбрасывается из трубы при полном покое атмосферного воздуха (конечно, при отсутствии температурной инверсии), то образование газовоздушной среды совершается по законам свободной струи. При таких условиях расширяющаяся струя может подниматься на большую высоту, т.е. двигаться до тех пор, пока не будет в каком-то высоком слое атмосферы подхвачена потоком воздушной массы, перемещающейся или вертикально, или же горизонтально, но уже в другом направлении. При этих условиях падение струи в нижние слои атмосферы будет происходить далеко от места выброса, а концентрация вредных веществ, вследствие продолжительного размывания струи в высоких слоях атмосферы будет ничтожно мала.
В реальных условиях расчет ведется при определенной (опасной) скорости ветра. Такого рода движения струи характеризуется ведущими моментами:
А) под влиянием скорости ветра струя по выходе из трубы искривляется, поднимаясь вначале круто над устьем трубы на известную высоту (в зависимости от скорости выброса из устья трубы), затем более медленно и, накоенц, ось струи становится более или менее горизонтальной;
Б) расширение струи вначале происходит под влиянием турбулентности самой струи и окружающей воздушной среды; затем, когда ось струи переходит в горизонтальное положение, расширение струи практически происходит только под влиянием турбулентности атмосферного воздуха;
В) до перехода оси струи в горизонтальное положение, ее движение совершается под влиянием скорости выхлопа газовоздушной смеси из устья трубы и скорости ветра, после перехода в горизонтальное положение – только под влиянием ветра;
Г) расширяясь, газовоздушная струя на каком-то расстоянии от трубы по направлению ветра касается своим краем поверхности земли; начальная точка соприкосновения струи с поверхностью земли называется началом зоны загрязнения;
Д) за началом зоны загрязнения, концентрация вредных веществ в воздухе над поверхностью земли создается как-бы двумя источниками: падающим из атмосферы факелом струи и газом, ранее достигшим поверхности земли и продолжающим свое движение над землей по направлению ветра (фон);
Е) на определенном расстоянии от начала зоны загрязнения, концентрация в приземном слое достигает максимаьной величины, затем сначала быстро, а далее медленно начинает уменьшаться.
Вышесказанное иллюстрируется на рис.3 В реальных условиях движение газового потока может отличаться от несколько идеализированной описанной схемы
Рис.3 Схема дымового факела