نمذجة الانتشار الجوي

نمذجة انتشار الملوثات في الغلاف الجوي هي محاكاة رياضية لكيفية انتشار ملوثات الهواء في الغلاف الجوي المحيط . وتُجرى هذه النمذجة باستخدام برامج حاسوبية تتضمن خوارزميات لحل المعادلات الرياضية التي تحكم انتشار الملوثات. تُستخدم نماذج الانتشار لتقدير تركيز ملوثات الهواء أو السموم المنبعثة من مصادر مثل المصانع، وحركة المرور، أو التسربات الكيميائية العرضية، في اتجاه الريح. كما يمكن استخدامها للتنبؤ بالتركيزات المستقبلية في ظل سيناريوهات محددة (مثل تغيرات مصادر الانبعاث). ولذلك، فهي النوع السائد من النماذج المستخدمة في وضع سياسات جودة الهواء. وتُعد هذه النماذج مفيدة للغاية للملوثات التي تنتشر على مسافات طويلة والتي قد تتفاعل في الغلاف الجوي. أما بالنسبة للملوثات التي تتميز بتغير مكاني-زماني كبير (مثل الملوثات التي تتلاشى بسرعة كبيرة مع المسافة من المصدر، كالكربون الأسود )، وللدراسات الوبائية، فتُستخدم أيضًا نماذج الانحدار الإحصائي لاستخدامات الأراضي.

تُعدّ نماذج الانتشار ذات أهمية بالغة للهيئات الحكومية المكلفة بحماية جودة الهواء المحيط وإدارتها . وتُستخدم هذه النماذج عادةً لتحديد ما إذا كانت المنشآت الصناعية القائمة أو المقترحة تتوافق، أو ستتوافق، مع المعايير الوطنية لجودة الهواء المحيط (NAAQS) في الولايات المتحدة ودول أخرى. كما تُسهم هذه النماذج في تصميم استراتيجيات فعّالة للتحكم في انبعاثات ملوثات الهواء الضارة. في أواخر ستينيات القرن الماضي، أطلق مكتب مكافحة تلوث الهواء التابع لوكالة حماية البيئة الأمريكية مشاريع بحثية أدت إلى تطوير نماذج لاستخدامها من قِبل مخططي المدن والنقل. ^{[ 1 ]} وكان من أبرز التطبيقات المهمة لنموذج انتشار الملوثات على الطرق، والذي نتج عن هذه الأبحاث، تطبيقه على طريق سبادينا السريع في كندا عام 1971.

تُستخدم نماذج انتشار المواد في الهواء أيضًا من قِبل فرق الاستجابة للطوارئ وموظفي إدارة الطوارئ للتخطيط لحالات التسرب الكيميائي العرضي. تُستخدم هذه النماذج لتحديد عواقب التسربات العرضية للمواد الخطرة أو السامة، والتي قد تُؤدي إلى حرائق أو انسكابات أو انفجارات تشمل مواد خطرة، مثل المواد الكيميائية أو النويدات المشعة. تُتيح نتائج نمذجة الانتشار، باستخدام أسوأ سيناريوهات مصادر التسرب العرضي والظروف الجوية، تقديرًا لمواقع المناطق المتأثرة والتركيزات المحيطة، كما تُستخدم لتحديد الإجراءات الوقائية المناسبة في حال حدوث تسرب. قد تشمل هذه الإجراءات إخلاء الأشخاص أو إجبارهم على البقاء في أماكنهم في اتجاه الريح. في المنشآت الصناعية، يُعد هذا النوع من تقييم العواقب أو التخطيط للطوارئ إلزاميًا بموجب قانون الهواء النظيف الأمريكي (CAA) المُدوّن في الجزء 68 من الباب 40 من قانون اللوائح الفيدرالية .

تختلف نماذج التشتت تبعًا للرياضيات المستخدمة في تطوير النموذج، ولكن جميعها تتطلب إدخال بيانات قد تشمل ما يلي:

• الظروف الجوية مثل سرعة الرياح واتجاهها، ومقدار الاضطراب الجوي (كما هو موضح بما يسمى "فئة الاستقرار" )، ودرجة حرارة الهواء المحيط، وارتفاع قاع أي انقلاب حراري في الأعلى قد يكون موجودًا، وغطاء السحب والإشعاع الشمسي.
• مصدر الانبعاثات (تركيز أو كمية السموم في مصادر الانبعاثات أو التسرب العرضي ) ودرجة حرارة المادة
• معايير الانبعاثات أو الإطلاق مثل موقع المصدر وارتفاعه، ونوع المصدر (مثل الحريق أو البركة أو مدخنة التهوية) وسرعة الخروج ودرجة حرارة الخروج ومعدل تدفق الكتلة أو معدل الإطلاق.
• ارتفاعات التضاريس في موقع المصدر وفي موقع (مواقع) الاستقبال، مثل المنازل والمدارس والشركات والمستشفيات القريبة.
• موقع وارتفاع وعرض أي عوائق (مثل المباني أو الهياكل الأخرى) في مسار عمود الغاز المنبعث، وخشونة السطح أو استخدام معيار أكثر عمومية مثل "التضاريس الريفية" أو "الحضرية".

تتضمن العديد من برامج نمذجة الانتشار الحديثة والمتطورة وحدة معالجة مسبقة لإدخال البيانات المناخية وغيرها، كما تتضمن العديد منها وحدة معالجة لاحقة لرسم بيانات المخرجات بيانيًا و/أو تحديد المناطق المتأثرة بملوثات الهواء على الخرائط. وقد تتضمن هذه الخرائط أيضًا خطوط تساوي التركيز التي توضح مناطق التركيزات المنخفضة إلى العالية، والتي تُحدد المناطق الأكثر خطورة على الصحة. وتُعد هذه الخطوط مفيدة في تحديد الإجراءات الوقائية اللازمة للجمهور وفرق الاستجابة.

تُعرف نماذج الانتشار الجوي أيضًا باسم نماذج الانتشار الجوي، ونماذج انتشار الهواء، ونماذج جودة الهواء، ونماذج انتشار تلوث الهواء.

يُعدّ فهم طبقات الغلاف الجوي للأرض ضروريًا لتحديد أماكن انتشار الملوثات المحمولة جوًا. تُعرف الطبقة الأقرب إلى سطح الأرض باسم التروبوسفير ، وتمتد من مستوى سطح البحر إلى ارتفاع حوالي 18 كيلومترًا (11 ميلًا) ، وتحتوي على حوالي 80% من كتلة الغلاف الجوي الكلي. تليها طبقة الستراتوسفير ، التي تمتد من 18 كيلومترًا (11 ميلًا) إلى حوالي 50 كيلومترًا (31 ميلًا) . ثم طبقة الميزوسفير، التي تمتد من 50 كيلومترًا (31 ميلًا) إلى حوالي 80 كيلومترًا (50 ميلًا) . توجد طبقات أخرى أعلى من 80 كيلومترًا، لكنها ضئيلة الأهمية في نمذجة انتشار الملوثات في الغلاف الجوي.           

يُطلق على الجزء السفلي من طبقة التروبوسفير اسم طبقة الحدود الكوكبية (PBL)، أو أحيانًا طبقة الحدود الجوية . تنخفض درجة حرارة الهواء في طبقة الحدود الكوكبية مع ازدياد الارتفاع حتى تصل إلى طبقة انعكاس حراري علوية ، وهي نوع من طبقات الانعكاس الحراري حيث يتواجد الهواء الدافئ في طبقات أعلى من الهواء البارد. تُسمى المنطقة الواقعة أسفل طبقة الانعكاس الحراري العلوية من طبقة الحدود الكوكبية بطبقة الحدود الكوكبية الحملية ؛ ويبلغ ارتفاعها عادةً من 1.5 إلى 2 كيلومتر (0.93 إلى 1.24 ميل) . يُطلق على الجزء العلوي من طبقة التروبوسفير (أي فوق طبقة الانعكاس الحراري) اسم التروبوسفير الحر ، ويمتد حتى التروبوبوز (الحد الفاصل في الغلاف الجوي للأرض بين التروبوسفير والستراتوسفير). في المناطق الاستوائية وخطوط العرض المتوسطة خلال النهار، يمكن أن تشمل طبقة الحمل الحراري الحر طبقة التروبوسفير بأكملها، والتي تصل إلى 10 إلى 18 كم (6.2 إلى 11.2 ميل) في منطقة التقارب بين المدارين .    

تُعدّ طبقة الحدود الكوكبية (PBL) ذات أهمية بالغة في نقل وتشتيت الملوثات المحمولة جوًا، نظرًا لقوة ديناميكيات الرياح المضطربة على سطح الأرض. يُعرف الجزء من طبقة الحدود الكوكبية الواقع بين سطح الأرض وقاع طبقة الانعكاس الحراري بطبقة المزج. وتنتقل وتتشتت معظم الملوثات المحمولة جوًا المنبعثة في الغلاف الجوي المحيط داخل طبقة المزج. بينما تخترق بعض الانبعاثات طبقة الانعكاس الحراري وتدخل طبقة التروبوسفير الحرة فوق طبقة الحدود الكوكبية.

باختصار، تتكون طبقات الغلاف الجوي للأرض، من سطح الأرض صعودًا، من: طبقة الحدود الكوكبية (PBL) التي تتألف من طبقة المزج التي تعلوها طبقة الانعكاس الحراري؛ والتروبوسفير الحر؛ والستراتوسفير؛ والميزوسفير، وغيرها. يُشار إلى العديد من نماذج انتشار الملوثات في الغلاف الجوي بنماذج طبقة الحدود، لأنها تُحاكي بشكل أساسي انتشار ملوثات الهواء داخل طبقة الحدود الجوية (ABL). ولتجنب الالتباس، فإن النماذج التي تُسمى نماذج النطاق المتوسط ​​(Mesoscale) لديها قدرات نمذجة انتشار تمتد أفقيًا حتى بضع مئات من الكيلومترات. وهذا لا يعني أنها تُحاكي الانتشار في الميزوسفير.

تُعدّ المراجع التقنية المتعلقة بانتشار تلوث الهواء واسعة النطاق، ويعود تاريخها إلى ثلاثينيات القرن العشرين وما قبلها. وقد اشتقّ بوسانكيه وبيرسون إحدى المعادلات المبكرة لانتشار أعمدة ملوثات الهواء. ^{[ 2 ]} لم تفترض معادلتهما التوزيع الغاوسي ، كما لم تأخذ في الحسبان تأثير انعكاس عمود الملوثات عن سطح الأرض.

استنتج السير جراهام ساتون معادلة انتشار عمود ملوثات الهواء في عام 1947 ^{[ 3 ]} والتي تضمنت افتراض التوزيع الغاوسي للانتشار الرأسي والعرضي للعمود، كما تضمنت أيضًا تأثير انعكاس العمود عن الأرض.

في ظل الحافز الذي وفرته لوائح الرقابة البيئية الصارمة ، شهد استخدام حسابات انتشار أعمدة ملوثات الهواء نموًا هائلًا بين أواخر الستينيات واليوم. وقد طُوِّرت خلال تلك الفترة العديد من برامج الحاسوب لحساب انتشار انبعاثات ملوثات الهواء، والتي عُرفت باسم "نماذج انتشار الهواء". وكانت المعادلة الكاملة لنمذجة الانتشار الغاوسي لأعمدة تلوث الهواء المستمرة والطفو، الموضحة أدناه، هي الأساس لمعظم هذه النماذج: ^{[ 4 ] [ 5 ]}

${\displaystyle C={\frac {\;Q}{u}}\cdot {\frac {\;f}{\sigma _{y}{\sqrt {2\pi }}}}\;\cdot {\frac {\;g_{1}+g_{2}+g_{3}}{\sigma _{z}{\sqrt {2\pi }}}}}$

أين:
${\displaystyle f}$	= معامل تشتت الرياح الجانبية
	=${\displaystyle \exp \;[-\,y^{2}/\,(2\;\sigma _{y}^{2}\;)\;]}$
${\displaystyle g}$	= معامل التشتت الرأسي =${\displaystyle \,g_{1}+g_{2}+g_{3}}$
${\displaystyle g_{1}}$	= تشتت رأسي بدون انعكاسات
	=${\displaystyle \;\exp \;[-\,(zH)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
${\displaystyle g_{2}}$	= التشتت الرأسي للانعكاس من الأرض
	=${\displaystyle \;\exp \;[-\,(z+H)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
${\displaystyle g_{3}}$	= التشتت الرأسي للانعكاس من انعكاس في الأعلى
	=${\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\;{\big \{}\exp \;[-\,(zH-2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z+H+2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z+H-2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]}$
	${\displaystyle +\,\exp \;[-\,(z-H+2mL)^{2}/\,(2\;\sigma _{z}^{2}\;)\;]{\big \}}}$
${\displaystyle C}$	= تركيز الانبعاثات، بوحدة جم/م³ ، عند أي مستقبل موجود في:
	x متر في اتجاه الريح من نقطة مصدر الانبعاث
	على بعد y متر من خط مركز عمود الانبعاثات بفعل الرياح الجانبية
	z متر فوق مستوى سطح الأرض
${\displaystyle Q_{}}$	= معدل انبعاث الملوثات من المصدر، بوحدة غرام/ثانية
${\displaystyle u}$	= سرعة الرياح الأفقية على طول محور عمود الدخان، م/ث
${\displaystyle H}$	= ارتفاع مركز عمود الانبعاثات فوق مستوى سطح الأرض، بالمتر
${\displaystyle \sigma _{z}}$	= الانحراف المعياري الرأسي لتوزيع الانبعاثات، بوحدة المتر
${\displaystyle \sigma _{y}}$	= الانحراف المعياري الأفقي لتوزيع الانبعاثات، بوحدة المتر
${\displaystyle L_{}}$	= الارتفاع من مستوى سطح الأرض إلى أسفل طبقة الانقلاب في الأعلى، بالمتر
${\displaystyle \exp }$	= الدالة الأسية

لا تشمل المعادلة المذكورة أعلاه الانعكاس الصاعد من الأرض فحسب، بل تشمل أيضًا الانعكاس الهابط من أسفل أي غطاء انعكاس موجود في الغلاف الجوي.

مجموع الحدود الأسية الأربعة في${\displaystyle g_{3}}$يتقارب إلى قيمة نهائية بسرعة كبيرة. في معظم الحالات، يوفر مجموع المتسلسلة مع m = 1 و m = 2 و m = 3 حلاً مناسباً.

${\displaystyle \sigma _{z}}$و${\displaystyle \sigma _{y}}$تعتمد هذه النتائج على فئة استقرار الغلاف الجوي (أي مقياس اضطراب الغلاف الجوي المحيط) وعلى المسافة في اتجاه الريح إلى المستقبل. أهم متغيرين يؤثران على درجة تشتت انبعاثات الملوثات هما ارتفاع نقطة مصدر الانبعاث ودرجة اضطراب الغلاف الجوي. فكلما زاد الاضطراب، تحسنت درجة التشتت.

المعادلات ^{[ 6 ] و[ 7 ]} لـ${\displaystyle \sigma _{y}}$و${\displaystyle \sigma _{z}}$نكون:

${\displaystyle \sigma _{y}}$(x) = exp(I _y + J _y ln(x) + K _y [ln(x)] ² )

${\displaystyle \sigma _{z}}$(x) = exp(I _z + J _z ln(x) + K _z [ln(x)] ² )

(وحدات${\displaystyle \sigma _{z}}$، و${\displaystyle \sigma _{y}}$(و x بالمتر)

اقترح ف. باسكويل تصنيف فئات الاستقرار. ^{[ 8 ]} وتُعرف فئات الاستقرار الست بما يلي: أ- غير مستقر للغاية، ب- غير مستقر إلى حد ما، ج- غير مستقر قليلاً، د- محايد، هـ- مستقر قليلاً، و- مستقر إلى حد ما

تُعرض نتائج حسابات تركيزات ملوثات الهواء عادةً على شكل خريطة كنتورية لتركيزات ملوثات الهواء ، وذلك لإظهار التباين المكاني في مستويات الملوثات على مساحة واسعة قيد الدراسة. وبهذه الطريقة، يمكن لخطوط الكنتور أن تُغطي مواقع المستقبلات الحساسة، وتُظهر العلاقة المكانية بين ملوثات الهواء والمناطق ذات الأهمية.

بينما تعتمد النماذج القديمة على فئات الاستقرار (انظر مصطلحات انتشار تلوث الهواء ) لتحديد${\displaystyle \sigma _{y}}$و${\displaystyle \sigma _{z}}$، وتعتمد النماذج الأحدث بشكل متزايد على نظرية التشابه مونين-أوبوخوف لاستخلاص هذه المعلمات.

تتطلب معادلة انتشار ملوثات الهواء الغاوسية (التي نوقشت أعلاه) إدخال H وهو ارتفاع خط الوسط لعمود الملوثات فوق مستوى سطح الأرض - و H هو مجموع H _s (الارتفاع الفعلي لنقطة مصدر انبعاث عمود الملوثات) بالإضافة إلى Δ H (ارتفاع العمود بسبب طفو العمود).

لتحديد قيمة ΔH ، استخدمت معظم نماذج انتشار الملوثات في الهواء، التي طُوّرت بين أواخر الستينيات وأوائل الألفية الثانية، ما يُعرف بمعادلات بريغز. نشر جي. إيه. بريغز ملاحظاته ومقارناته حول ارتفاع عمود الدخان لأول مرة عام 1965. ^{[ 9 ]} وفي عام 1968، قارن، في ندوة رعتها منظمة CONCAWE الهولندية، العديد من نماذج ارتفاع عمود الدخان المتوفرة آنذاك في الأدبيات العلمية. ^{[ 10 ]} وفي العام نفسه، كتب بريغز أيضًا القسم الخاص بالتحليلات المقارنة لنماذج ارتفاع عمود الدخان في المنشور الذي حرّره سليد ^{[ 11 ]} . تبع ذلك في عام 1969 مراجعته النقدية الشاملة للأدبيات المتعلقة بارتفاع عمود الدخان، ^{[ 12 ]} حيث اقترح مجموعة من معادلات ارتفاع عمود الدخان التي أصبحت تُعرف على نطاق واسع باسم "معادلات بريغز". وفي وقت لاحق، قام بريجز بتعديل معادلات ارتفاع عمود الدخان التي وضعها عام 1969 في عامي 1971 و1972. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

قسم بريغز أعمدة تلوث الهواء إلى هذه الفئات العامة الأربع:

• أعمدة نفث باردة في ظروف جوية هادئة
• أعمدة هواء باردة في ظروف جوية محيطة عاصفة
• أعمدة ساخنة ومتصاعدة في ظروف هواء محيطة هادئة
• أعمدة ساخنة ومتصاعدة في ظروف هواء محيطة عاصفة

اعتبر بريغز أن مسار أعمدة النفثات الباردة يهيمن عليه زخم سرعتها الابتدائي، بينما يهيمن زخم طفوها على مسار أعمدة النفثات الساخنة الطافية، لدرجة أن زخم سرعتها الابتدائي يصبح ضئيلاً نسبياً. ورغم أن بريغز اقترح معادلات لارتفاع الأعمدة لكل فئة من الفئات المذكورة، فمن المهم التأكيد على أن "معادلات بريغز" الشائعة الاستخدام هي تلك التي اقترحها لأعمدة النفثات الساخنة الطافية المنحنية.

بشكل عام، تستند معادلات بريغز للأعمدة الساخنة المرتفعة المنحنية إلى ملاحظات وبيانات تتعلق بأعمدة من مصادر احتراق نموذجية، مثل مداخن غازات الاحتراق من غلايات توليد البخار التي تحرق الوقود الأحفوري في محطات الطاقة الكبيرة. ولذلك، من المرجح أن سرعات خروج الغازات من المداخن كانت في نطاق 6 إلى  30 مترًا في الثانية  ، مع درجات حرارة خروج تتراوح بين 120  و260  درجة مئوية.

يُعرض أدناه مخطط منطقي لاستخدام معادلات بريغز ^{[ 4 ]} للحصول على مسار ارتفاع عمود الدخان المائل للأعلى:

أين:
Δh	= ارتفاع عمود الدخان، بالمتر
F	= عامل الطفو، بوحدة م / ث⁻³
x	= المسافة في اتجاه الريح من مصدر عمود الدخان، بالمتر
x f	= المسافة في اتجاه الريح من مصدر عمود الدخان إلى نقطة أقصى ارتفاع له، بالمتر
u	= سرعة الرياح عند الارتفاع الفعلي للمدخنة، بالمتر/ثانية
s	= معامل الاستقرار، بوحدة ثانية⁻²

تمت مناقشة المعايير المذكورة أعلاه المستخدمة في معادلات بريغز في كتاب بيتشوك. ^{[ 4 ]}

• مركز دعم وكالة حماية البيئة لنمذجة الغلاف الجوي التنظيمية
• مجموعة نمذجة جودة الهواء التابعة لوكالة حماية البيئة (AQMG)
• مختبر موارد الهواء التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)
• موقع لجنة الاتصال المعنية بنمذجة انتشار الملوثات في الغلاف الجوي في المملكة المتحدة
• موقع مكتب نمذجة التشتت في المملكة المتحدة
• نموذج نقل الكيمياء الجوية LOTOS-EUROS
• نموذج المواد ذات الأولوية التشغيلية (OPS) (باللغة الهولندية)
• نمذجة تشتت نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) HAMS
• موسوعة ويكي حول نمذجة انتشار الملوثات في الغلاف الجوي . موجهة للمجتمع الدولي من خبراء نمذجة انتشار الملوثات في الغلاف الجوي - وخاصة الباحثين، بالإضافة إلى مستخدمي النماذج. وتهدف إلى تبادل الخبرات التي اكتسبها خبراء نمذجة الانتشار خلال عملهم.