産業大気汚染源 大気拡散モデリング とは、大気汚染物質が 周囲の大気中 でどのように拡散するかを数学的にシミュレーションすること です。これは、汚染物質の拡散を支配する数式を解くアルゴリズム を含むコンピュータプログラムを用いて行われます。拡散モデルは 、工業プラント、自動車交通、偶発的な化学物質放出などの発生源から排出される大気汚染物質や毒素の風下側の大気中濃度 を推定するために使用されます。また、特定のシナリオ（例えば、排出源の変化）の下での将来の濃度を予測するためにも使用できます。そのため、大気質政策の策定において最も広く用いられているモデルです。拡散モデルは、広範囲に拡散し、大気中で反応する可能性のある汚染物質に最も有効です。空間的・時間的に非常に変動が大きい汚染物質（例えば、ブラックカーボン のように発生源からの距離による減衰が非常に急峻な汚染物質）や疫学 研究においては、統計的な土地利用回帰モデルも使用されます。
拡散モデルは、大気質の 保護と管理を担当する政府機関にとって重要です。これらのモデルは通常、米国およびその他の国の既存のまたは計画中の新しい工業施設が 国家大気質基準 (NAAQS)に準拠しているかどうか、または準拠する予定であるかどうかを判断するために使用されます。これらのモデルはまた、有害な大気汚染物質の排出を 削減するための効果的な制御戦略の設計にも役立ちます。1960 年代後半、米国 EPA の大気汚染管理局は、都市計画担当者や交通計画担当者が使用するモデルの開発につながる研究プロジェクトを開始しました。[ 1 ] スパディナ高速道路 に適用されました。
大気拡散モデルは、公共安全対応者や緊急事態管理担当者が偶発的な化学物質放出の緊急計画策定にも使用されます。モデルは、有害物質や有毒物質の偶発的な放出による影響を判断するために使用されます。偶発的な放出は、化学物質や放射性核種などの有害物質が関わる火災、流出、爆発を引き起こす可能性があります。最悪のケースの偶発的放出源の用語 と気象条件を使用した拡散モデリングの結果は、影響を受ける場所、環境濃度を推定し、放出が発生した場合に適切な保護措置を決定するために使用できます。適切な保護措置には、風下方向の人々の避難や屋内待避 が含まれる場合があります。産業施設では、この種の影響評価または緊急計画策定は、米国連邦規則集第40巻第68部に規定されている米国 大気浄化法 （CAA）によって義務付けられています。
分散モデルは、モデル開発に使用される数学的手法によって異なりますが、いずれも以下のようなデータの入力が必要です。
風速や風向、大気 乱流 の量（ 「安定度クラス」 と呼ばれるもので特徴づけられる）、外気温、上空に存在する可能性のある逆転 層の底までの高さ、雲量、日射量などの気象条件。発生源項（排出または偶発的放出の発生源項 における毒素の濃度または量）および物質の温度排出または放出パラメータには、発生源の位置と高さ、発生源の種類（火災、プール、または換気煙突など）、排出速度 、排出温度、質量流量 または放出速度などが含まれます。 発生源地点および近隣の住宅、学校、企業、病院などの受波地点における地形標高。 放出されたガスプルームの経路にある障害物（建物やその他の構造物など）の位置、高さ、幅、表面の粗さ、またはより一般的なパラメータである「農村部」または「都市部」の地形の使用。 最新の高度な拡散モデリングプログラムの多くは、気象データなどの入力を行うための前処理 モジュールを備えており、出力データをグラフ化したり、大気汚染物質の影響を受けた地域を地図上にプロットし たりするための後処理モジュールも備えています。影響を受けた地域のプロットには、濃度が最小から高濃度までの範囲を示す等値線が 含まれる場合もあり、これにより健康リスクが最も高い地域を特定できます。等値線プロットは、一般市民や対応要員に対する保護措置を決定する際に役立ちます。
大気拡散モデルは、大気拡散モデル、空気拡散モデル、大気質モデル、大気汚染拡散モデルとも呼ばれます。
大気層 大気中の汚染物質が大気中でどのように拡散するかを理解するには、地球の大気 層について議論する必要があります。地球の表面に最も近い層は対流圏 18 km（11 マイル） の高さまで広がり、大気全体の質量の約80パーセントを占めています。成層圏は 18 km（11 マイル） から約50 km（31 マイル） まで広がっています。3番目の層は中間圏で 、 50 km（31 マイル） から約80 km（50 マイル） まで広がっています。80 kmより上にも他の層がありますが、大気拡散モデルに関しては重要ではありません。
対流圏の最下層は惑星境界層 大気境界層 と呼ばれます。PBLの気温は高度の上昇とともに低下し、キャッピングインバージョン 逆転層 の一種です。PBLのキャッピングインバージョンより下の領域を対流惑星境界層 1.5～2 km（0.93～1.24 マイル） です。対流圏の上部（つまり、逆転層より上）は自由対流圏と呼ばれ、 対流圏界面 （地球大気における対流圏と成層圏の境界）まで広がっています。熱帯および中緯度地域では、日中の自由対流層は 対流圏全体を占めることがあり、熱帯収束帯 ではその高さは最大で10～18 km (6.2～11.2 マイル) になります。
大気境界層（PBL）は、大気汚染物質の輸送と拡散において重要な役割を果たします。これは、風の乱流力が地表付近で最も強いためです。PBLのうち、地表と逆転層の底の間にある部分は混合層と呼ばれます。大気中に放出された大気汚染物質のほぼすべては、この混合層内で輸送・拡散されます。一部の汚染物質は逆転層を貫通し、PBLより上の自由対流圏へと流れ込みます。
要約すると、地表から上空にかけての地球大気の層は、混合層と逆転層からなる境界層（PBL）、自由対流圏、成層圏、中間圏などです。多くの大気拡散モデルは、主に大気境界層（ABL）内での大気汚染物質の拡散をモデル化するため、境界層モデル と呼ばれています。混乱を避けるため、メソスケールモデル と呼ばれるモデルは、水平方向に数百キロメートルまで拡散をモデル化する機能を備えています。これは、中間圏での拡散をモデル化するという意味ではありません。
ガウス型大気汚染物質拡散方程式 大気汚染拡散に関する技術文献は非常に豊富で、1930年代以前にまで遡ります。初期の大気汚染プルーム拡散方程式の1つは、BosanquetとPearsonによって導出されました。[ 2 ] 彼らの方程式はガウス分布を 仮定しておらず、汚染プルームの地表反射の影響も含まれていませんでした。
サー・グラハム・サットンは1947年に大気汚染物質のプルーム拡散方程式を導出した[ 3 ]。
厳格な環境規制 の出現によってもたらされた刺激により、1960 年代後半から今日までの間に大気汚染物質プルーム拡散計算の使用が飛躍的に増加しました。その期間中に、大気汚染物質排出の拡散を計算するための多数のコンピュータ プログラムが開発され、それらは「大気拡散モデル」と呼ばれました。これらのモデルのほとんどの基礎は、以下に示す連続浮力大気汚染プルーム のガウス拡散モデリングの完全な方程式です。 [ 4 ] [ 5 ]
C = Q u ⋅ f σ y 2 π ⋅ g 1 + g 2 + g 3 σ z 2 π {\displaystyle C={\frac {\;Q}{u}}\cdot {\frac {\;f}{\sigma _{y}{\sqrt {2\pi }}}}\;\cdot {\frac {\;g_{1}+g_{2}+g_{3}}{\sigma _{z}{\sqrt {2\pi }}}}}
上記の式には、地面からの上向き反射だけでなく、大気中に存在する逆転層の底からの下向き反射も含まれています。
4 つの指数項の合計g 3 {\displaystyle g_{3}} 最終値に非常に速やかに収束します。ほとんどの場合、 m = 1、m = 2、m = 3の級数の和で十分な解が得られます。
σ z \displaystyle \sigma _{z}} σ y \displaystyle \sigma _{y}}
式[ 6 ] [ 7 ] σ y \displaystyle \sigma _{y}} σ z \displaystyle \sigma _{z}}
σ y \displaystyle \sigma _{y}} y + J y ln(x) + K y [ln(x)] 2 )
σ z \displaystyle \sigma _{z}} z + J z ln(x) + K z [ln(x)] 2 )
（単位）σ z \displaystyle \sigma _{z}} σ y \displaystyle \sigma _{y}}
安定性クラスの分類はF. Pasquillによって提案された。[ 8 ]
大気汚染物質濃度 の計算結果は、調査対象地域における汚染物質濃度の空間的変動を示すために、しばしば大気汚染物質 濃度等高線図 として表現される。このようにして等高線は、感受性の高い受容体の位置と重なり合い、大気汚染物質と対象地域との空間的な関係を明らかにすることができる。
従来のモデルでは、 σ y \displaystyle \sigma _{y}} σ z \displaystyle \sigma _{z}} 、モニン・オブホフの相似理論 にますます依存するようになっている。
ブリッグスの煙の上昇方程式 （上記で説明した）ガウス大気汚染物質拡散方程式では、汚染物質プルームの中心線の高さであるHを入力として必要とします。Hは、 H s （汚染物質プルームの排出源の実際の物理的な高さ）とΔ H （プルームの浮力によるプルームの上昇）の合計です。
浮力を持つガウス型大気汚染物質拡散プルームの可視化 Δ H を決定するために、1960 年代後半から 2000 年代初頭にかけて開発された大気拡散モデルの多く、あるいはほとんどは、ブリッグス方程式として知られるものを使用していた。GA ブリッグスは、1965 年に初めて煙の上昇に関する観測と比較を発表した。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
ブリッグスは、大気汚染物質のプルームを以下の4つの一般的なカテゴリーに分類した。
穏やかな外気条件下における冷たいジェット噴流 風の強い外気条件下における冷たいジェット噴流 穏やかな周囲の空気中で発生する、高温で浮力のある噴煙 風の強い周囲の空気中で発生する、高温で浮力のある噴煙 ブリッグスは、冷たいジェットプルームの軌跡は初期速度運動量によって支配され、高温で浮力のあるプルームの軌跡は浮力運動量によって支配され、初期速度運動量は比較的重要ではないと考えた。ブリッグスは上記の各プルームカテゴリーについてプルーム上昇方程式を提案したが、広く使用されるようになった「ブリッグスの方程式」は、彼が曲がった高温の浮力のあるプルームに対して提案したものであることを強調することが重要である。
一般的に、ブリッグスの、曲がった高温の浮力のある煙柱に関する方程式は、大規模発電所で化石燃料 を燃焼させる蒸気発生ボイラーの煙突など、典型的な燃焼源からの煙 柱に関する観測とデータに基づいています。したがって、煙突出口の速度はおそらく20～100フィート/秒（6～30メートル/秒）の範囲で、出口温度は250～500 °F（120～260 °C）の範囲であったと考えられます。
ブリッグス方程式[ 4 ]
ブリッグスの方程式で使用される上記のパラメータについては、ベイチョクの著書で説明されています。[ 4 ]
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さらに読む
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外部リンク EPA（米国環境保護庁）の大気規制モデリング支援センター 米国環境保護庁（EPA）の大気質モデリンググループ（AQMG） NOAA（米国海洋大気庁）の大気資源研究所（ARL） 英国大気拡散モデリング連絡委員会ウェブサイト 英国分散モデリング局のウェブサイト 大気化学輸送モデル LOTOS-EUROS 運用優先物質モデル（OPS ）（オランダ語） HAMS-GPS分散モデリング 大気拡散モデリングに関するWiki。大気拡散モデリングの国際的なコミュニティ（主に研究者、そしてモデルの利用者）を対象としています。その目的は、拡散モデリング担当者が業務を通じて得た経験を集約することです。
