大気汚染拡散の概要

以下は、大気汚染拡散の概要とトピックガイドとして提供されています。環境科学では、大気汚染拡散とは大気汚染が大気中に拡散することです。大気汚染とは、微粒子、生体分子、またはその他の有害物質が地球の大気中に放出され、病気や人間の死、食用作物などの他の生物への被害、自然環境または人工環境への被害を引き起こすことです。大気汚染は、人為的または自然の発生源から発生します。拡散とは、汚染の導入中および導入後に汚染に何が起こるかを指します。これを理解することは、汚染の特定と制御に役立ちます。

大気汚染の拡散は、大気汚染制御に関して、多くの国（これらの国では、この分野の用語の多くを法律や規制に採用し、使用している）の環境保護論者や政府の環境保護機関（地方、州、省、国）の焦点となっている。

大気汚染排出プルーム – 大気中に放出される蒸気または煙の形での汚染物質の流れ。プルームは、大気汚染の大気拡散モデル化において非常に重要です。大気汚染排出 プルームには、主に 3 つのタイプがあります。

• 浮力のある煙–周囲の空気よりも高温で密度が低い、または周囲の空気とほぼ同じ温度だが分子量が低く密度が低いため、空気より軽い煙。たとえば、工業炉の煙突からの排出物は、周囲の空気よりもかなり高温で密度が低いため、浮力があります。別の例として、メタンガスの排出煙は、メタンの分子量が周囲の空気よりも低いため、周囲温度で浮力があります。
• 高密度ガス プルーム– 周囲の空気よりも密度が高いため、空気よりも重いプルーム。プルームの分子量が空気よりも大きいため、プルームの密度が空気よりも高くなることがあります (たとえば、二酸化炭素のプルーム)。プルームの温度が空気よりもずっと低い場合も、プルームの密度が空気よりも高くなることがあります。たとえば、液化天然ガス(LNG) が誤って放出されて蒸発したガス状メタン プルームは、-161 °C (-258 °F) ほどになることがあります。
• パッシブまたはニュートラルプルーム- 空気より軽くも重くもないプルーム。

大気汚染拡散モデルには5つのタイプがあり、また、これら5つのタイプを組み合わせたモデルもいくつかある。^[1]

• ボックスモデル– ボックスモデルは最も単純なモデルです。^[2]このモデルは、気圏（地理的領域内の一定量の大気）が箱型であると仮定します。また、箱の中の大気汚染物質が均一に分布していると仮定し、その仮定を使用して気圏内の任意の場所の平均汚染物質濃度を推定します。このモデルは便利ですが、均一な汚染物質分布の仮定があまりにも単純すぎるため、気圏全体の大気汚染物質の拡散を正確に予測する能力が非常に限られています。
• ガウスモデル– ガウスモデルはおそらく最も古く（1936年頃） ^[3]、最も一般的に使用されているモデルタイプです。大気汚染物質の拡散はガウス分布に従うと仮定しており、これは汚染物質の分布が正規確率分布に従うことを意味します。ガウスモデルは、地上レベルまたは高所の発生源から発生する連続した浮遊性の大気汚染プルームの拡散を予測するために最もよく使用されます。ガウスモデルは、非連続的な大気汚染プルーム（パフモデルと呼ばれる）の拡散を予測するためにも使用できます。ガウスモデリングで使用される主要なアルゴリズムは、連続点源プルームの一般化拡散方程式です。 ^{[4] [5]}
• ラグランジュモデル– ラグランジュ拡散モデルは、大気中を移動する汚染プルーム小塊（粒子とも呼ばれる）を数学的に追跡し、小塊の動きをランダムウォークプロセスとしてモデル化します。次に、ラグランジュモデルは、多数の汚染プルーム小塊の軌跡の統計を計算することで、大気汚染の拡散を計算します。ラグランジュモデルは、小塊が最初の場所から移動するときに、移動参照フレーム^[6]を使用します。ラグランジュモデルの観測者はプルームに沿って移動すると言われています。
• オイラーモデル– オイラー拡散モデルは、多数の汚染プルームが最初の位置から移動する動きを追跡するという点でラグランジュモデルに似ています。2つのモデルの最も重要な違いは、オイラーモデルでは移動参照フレームではなく、固定された3次元直交座標グリッド^[6]を参照フレームとして使用することです。オイラーモデルの観測者はプルームが通り過ぎるのを観察すると言われています。
• 高密度ガスモデル– 高密度ガスモデルは、高密度ガス汚染プルーム（つまり、空気より重い汚染プルーム）の拡散をシミュレートするモデルです。最も一般的に使用される 3 つの高密度ガスモデルは次のとおりです。 ^{[引用が必要] [疑わしい–議論が必要]}
  • DEGADISモデルは、米国沿岸警備隊と米国環境保護庁の委託を受けて、アーカンソー大学のジェリー・ヘイブンス博士とトム・スパイサー博士によって開発された。^[7]
  • SLABモデルは、米国エネルギー省、米国空軍、米国石油協会の資金提供を受けてローレンス・リバモア国立研究所によって開発された。^[8]
  • シェル石油の研究部門が開発したHEGADASモデル。 ^[9]

• 大気汚染物質排出源の種類 – 特徴に応じて名前が付けられている
  • 形状による発生源 – 発生源には 4 つの基本的な形状があります。これらは次のとおりです。
    • 点源 - 大気汚染物質の排出源として特定可能な単一の発生源（たとえば、燃焼炉の煙突からの排出物）。点源は、高所または地上レベルにあるとも呼ばれます。点源には幾何学的寸法はありません。
    • 線状発生源 - 大気汚染物質排出の 1 次元発生源 (たとえば、道路上の車両交通からの排出)。
    • 面発生源 - 拡散した大気汚染物質の排出の 2 次元発生源 (たとえば、森林火災、埋立地からの排出、または揮発性液体の大量流出による蒸発蒸気など)。
    • 体積源 - 拡散大気汚染物質排出の 3 次元源。本質的には、3 次元目 (高さ) を持つ面源です (たとえば、石油精製所や石油化学工場などの産業施設内のさまざまな高さにある配管 フランジ、バルブ、その他の機器からの漏洩ガス排出)。別の例としては、複数の屋根通気口や複数の開いた窓がある自動車塗装工場からの排出があります。
  • 動きによる情報源
    • 固定発生源-煙突は固定発生源の例です
    • 移動源 –バスは移動源の例です
  • 都市化レベル別の発生源 - 発生源が都市内にあるかどうかは、都市部がいわゆるヒートアイランドを形成し、都市部から上昇する熱によって都市部の上空の大気が農村部の上空の大気よりも乱流になるという点で関係がある。
    • 都市源 - 排出源は都市部にある
    • 農村発生源 - 排出源は農村地域にある
  • 標高別の水源
    • 地表または地上レベルのソース
    • 地表近くのソース
    • 上昇したソース
  • 期間別の情報源
    • パフまたは断続的な発生源 - 短期的な発生源（例えば、多くの偶発的な排出物は短期的なパフです）
    • 継続的発生源 - 長期的発生源（例えば、ほとんどの排気ガス排出は継続的である）

乱流の拡散への影響– 乱流は汚染されていない空気の煙への巻き込みと混合を増加させ、それによって煙の中の汚染物質の濃度を下げる働きをします（つまり、煙の拡散を促進します）。したがって、任意の時点で存在する大気の乱流の量を分類することが重要です。このタイプの拡散は規模に依存します。 ^[10]そのため、汚染物質の雲が存在する最大の渦よりも小さい流れでは、混合が起こります。大気中の混合運動の大きさに制限はないため、雲が大きいほど、混合運動は大きく強くなります。したがって、このタイプの拡散は規模に依存します。

パスキルの大気安定度クラス – 大気の乱気流の量を分類する方法として最も古く、長年にわたり最も一般的に使用されていた方法は、1961年にパスキルによって開発された方法です^{。[11]彼は大気の乱気流をA、B、C、D、E、Fという6つの}安定度クラス に分類し、クラスAが最も不安定または最も乱気流の多いクラス、クラスFが最も安定または最も乱気流の少ないクラスとしました。

• 表1に6つのクラスを示す。
• 表2は、各クラスを定義する気象条件を示しています。安定クラスは、いくつかの重要な考え方を示しています。太陽放射は地球表面を温めることで大気の不安定性を高め、暖かい空気がより冷たい（したがって密度が高い）空気の下にあり、垂直混合を促進します。晴れた夜は地面がより速く冷えるため、より安定した状態と逆転現象が発生し、状態が安定に向かいます。風は垂直混合を増加させ、あらゆる種類の成層を破壊し、安定クラスを中立（D）に押し上げます。^[12]

表1: パスキル安定度クラス

表2: パスキル安定度クラスを定義する気象条件

^{入射する太陽放射は、強い（> 700 W m −2}）、中程度（350〜700 W m ⁻²）、弱い（< 350 W m ⁻²）に基づいています^[13]

安定性クラスは、

• 温度勾配^[14]
• 風向の変動^[14]
• リチャードソン数^[15]
• バルクリチャードソン数^[15]
• モニン・オブホフ長^[16]

高度な大気汚染拡散モデル – 上記の表 2 に示すように、6 つのパスキル クラスの定義に一般的に使用される単純な気象パラメータを使用して大気の乱流を分類しません。より高度なモデルでは、何らかの形式のモニン-オブホフ相似理論が使用されます。いくつかの例を以下に示します。

• AERMOD ^[17] – 米国EPAの最も先進的なモデルであり、大気の乱流を分類するためにパスキル安定度クラスを使用しなくなりました。代わりに、表面粗度長とモニン・オブホフ長を使用します。
• ADMS 4 ^[18] –イギリスで最も先進的なモデルであり、モニン・オブホフ長、境界層の高さ、風速を使用して大気の乱流を分類します。

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• 建物の影響またはダウンウォッシュ: 大気汚染の煙が近くの建物やその他の構造物の上を流れると、建物の風下側に乱流渦が形成されます。これらの渦により、近くの建物や構造物の約 5 倍の高さにある煙突源からの煙は、建物や構造物がない場合よりもはるかに早く地面に押し下げられます。この影響により、建物や構造物の下流の近くの地表レベルの汚染物質の濃度が大幅に増加する可能性があります。煙の中の汚染物質が地面との接触によって減少する場合 (たとえば、粒子状物質)、建物や構造物のすぐ下流での濃度の増加により、さらに下流での濃度は低下します。
• 汚染プルーム成分の下層表面への 沈着は、乾式沈着または湿式沈着として定義できます。
  • 乾性沈着とは、吸収や重力沈降などの移動過程を通じて、地表や植物（または水面）との接触により、汚染物質の煙からガス状または粒子状の物質が除去される現象です。これは、下層表面の移動抵抗に関連する沈着速度によって計算できます。
  • 湿性沈着とは、雨の作用によって汚染プルームの成分が除去されることです。汚染プルーム内の放射性核種が雨の集中によって湿性沈着すると、その下の表面にいわゆる放射能のホットスポットが形成されることがよくあります。
• 逆転層: ^[5]通常、地表近くの空気は上空の空気よりも暖かいです。これは、太陽放射が地表を温め、それが今度はその真上の大気層を温めることで、大気が下から温められるためです。したがって、通常、高度が上がるにつれて大気の温度は下がります。しかし、特定の気象条件下では、高度が上がるにつれて温度が上がる大気層が形成されることがあります。このような層を逆転層と呼びます。このような層が地表に形成される場合、地表逆転層と呼ばれます。逆転層が地表からある程度上空に形成される場合、上空の逆転層（キャッピング逆転層と呼ばれることもあります）と呼ばれます。上空の逆転層内の空気は非常に安定しており、垂直方向の動きがほとんどありません。逆転層内で上昇する空気の塊はすぐに膨張し、それによって断熱的に冷却されて周囲の空気よりも低い温度になり、その塊は上昇を停止します。沈みつつある塊はすぐに断熱圧縮されて周囲の空気よりも高温になり、塊は沈み続けるのを止めます。したがって、上空の逆転層に進入した大気汚染の煙は、上空の逆転層を完全に通過するのに十分な運動量がない限り、垂直方向の混合をほとんど受けません。これが、上空の逆転層がキャッピング逆転層と呼ばれることがある理由の 1 つです。
• 混合高度: ^[5]上空で逆転層が形成されると、地球の表面と上空での逆転層の底部との間の大気層は混合層と呼ばれ、地球の表面と上空での逆転層の底部との間の距離は混合高度と呼ばれます。上空での逆転層の下で拡散する大気汚染プルームは、上空での逆転層の底部（蓋と呼ばれることもある）の下で発生する垂直方向の混合に限定されます。汚染プルームが逆転層を貫通したとしても、それ以上の顕著な垂直方向の混合は受けません。汚染プルームが上空の逆転層を完全に通過することは、汚染プルームの発生源が非常に高く、逆転層の蓋がかなり低い場合を除いて、めったに起こりません。

• ADMS 3 (大気拡散モデリング システム) – 点、線、体積、面の発生源から連続的に、または点の発生源から断続的に排出される大気汚染物質の濃度を計算するための高度な大気汚染拡散モデル。
• オースタル
• エアモッド
• CANARY（クエスト作）
• カルパフ
• 分散21
• FLAC形式
• ＩＳＣ３
• メルキュール
• NAME（分散モデル）
• パナッシュ
• ファスト
• パフ・プルーム
• シラネ

• 大気拡散モデリングの参考文献
• AP 42 大気汚染物質排出係数の集計
• 大気拡散モデリング
• 道路空気拡散モデリング
• 空気拡散モデリングに役立つ変換と公式
• 大気拡散モデルの一覧
• ヤマティーノ法
• 大気汚染予測

• ターナー、DB (1994)。大気拡散推定ワークブック：拡散モデリング入門（第2版） 。CRC Press。ISBN 1-56670-023-X。翻訳：
• Beychok, Milton R. (2005)。煙道ガス分散の基礎（第 4 版）。著者出版。ISBN 0-9644588-0-2。

• 大気質モデル（米国EPAのウェブサイト）
• 欧州大気・気候変動トピックセンター（欧州環境機関の一部）のモデル文書システム（MDS）