2022年医学专题—放射性物质在大气中的行为(1).ppt

放射性物质在大气(dq)中的行为,第一页，共九十页。,4.1放射性物质在大气(dq)中的化学行为4.2放射性物质在大气中的输运和弥散4.3放射性物质在大气中的沉积和再悬浮,第二页，共九十页。,放射性物质在大气中的化学(huxu)行为,放射性物质在大气中的化学(huxu)行为,形成(xngchng)气溶胶,主要源于被大气中本身存在的固体微粒或雾所捕集,发生化学反应,氧化反应,碳酸盐化反应,光化学反应,同位素交换反应,第三页，共九十页。,1、什么是干绝热递减率干气团绝热上升或下降单位(dnwi)高度(通常100m)的温度变化量称为干绝热递减率，用d表示，单位K/100m,4.2放射性物质在大气中的输运(sh yn)和弥散,第四页，共九十页。,定量（单位(dnwi)质量的环境空气）由热力学第一定律,又气压(qy)随高度变化规律：,又理想气体(l xin q t)状态方程：,将代入，则得：,实际中Ti与环境温度T之差不超过10，Ti/T1。,干空气气体常数287.0J/(Kg.K),表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）100m，温度降低（或升高）约1。,第五页，共九十页。,2、气温的垂直(chuzh)分布（温度层结）,气温(qwn)直减率（大气）,（递减(djin)层结）,逆温是大气温度随高度增加而升高的现象，逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。,g,g,g,g,正常分布层结,，,中性层结（绝热直减率）,0,，,等温层结,0,，,逆温层结,g,g,g,g,正常分布层结,，,中性层结（绝热直减率）,0,，,等温层结,0,，,逆温层结,第六页，共九十页。,3、大气(dq)稳定度及其判据,定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映(fnyng)其是否容易发生对流定性描述：,外力使气块上升(shngshng)或下降,气块去掉外力,气块减速，有返回趋势，稳定,气块加速上升或下降，不稳定,气块停在外力去掉处，中性,不稳定条件下有利于污染物扩散,第七页，共九十页。,大气(dq)稳定度及其判据,定量(dngling)判断,假设(jish),则有,单位体积的气块所受的力浮力：g重力：ig,准静力条件：P=Pi,第八页，共九十页。,气块加速度与其位移方向(fngxing)相同，气块加速运动,气块加速度与其位移方向(fngxing)相反，气块减速运动,第九页，共九十页。,有关(yugun)辐射逆温,在晴朗无云或少云、风力不大的夜晚，地面辐射冷却很快，贴近地面的大气温度下降最多，而高层大气冷却慢，造成温度自下而上的增加，称为(chn wi)辐射逆温。辐射逆温层的产生是有规律的，一般只在夜间形成，早晨随着太阳不断加热地表，地面温度上升，逆温自下而上逐渐消失，一般在上午完全消失。,第十页，共九十页。,烟流形状(xngzhun)与大气稳定度的关系,波浪(blng)型（不稳）d,锥型（中性(zhngxng)or弱稳）d,爬升型（下逆，上不稳）,漫烟型（上逆、下不稳）,扇型（逆温）0,第十一页，共九十页。,大气运动包括垂直运动与水平运动。以垂直运动为主的空气(kngq)运动，称为上曳气流或下曳气流。空气在水平方向的流动称为风。气压的水平分布不均匀是风的起因。,大气(dq)边界层的风场,第十二页，共九十页。,大气(dq)边界层的风场,引起大气(dq)运动的作用力,源于气压的分布(fnb)不均，可分解为水平方向和垂直方向两个分量,水平气压梯度使空气产生水平运动，空气开始运动之后产生的力,第十三页，共九十页。,水平面上存在(cnzi)着气压梯度，就产生了促使大气由高压区流向低压区的力，叫水平气压梯度力。,1.水平(shupng)气压梯度力,b.垂直于等压线,c.由高压(goy)指向低压,气压梯度力,a.导致大气水平运动的原动力,第十四页，共九十页。,2.地转偏向力 由于地球自转(zzhun)而产生的使运动着的大气偏离气压梯度方向的力称为地转偏向力,风速(fn s),地球(dqi)自转角速度,当地的纬度,第十五页，共九十页。,（百帕(bi p)）100010051010,水平(shupng)气压梯度力,地转偏向(pinxing)力,（北半球）,a.伴随风的产生而产生,b.垂直于空气的运动 方向(即风向),北半球向指向右，南半球指向左；,d.由低纬向 高纬增大；,c.只改变风向不改变风速；,第十六页，共九十页。,17,在气压梯度力和地转偏向力共同作用(zuyng)下的风（北半球高空）,（百帕(bi p)）10001005101010151020,气压(qy)梯度力,地转偏向力,风向,气压梯度力,地转偏向力,风向,第十七页，共九十页。,3.摩擦力 水平气压梯度力使空气运动产生加速度，但风速加大总是有限度的。因为处于运动状态不同的气层之间，空气和地面之间都会相互发生(fshng)作用，对气流运动产生阻力。气层之间产生的阻力，称为内摩擦力；地面对气流运动产生的阻力，叫外摩擦力。摩擦力总是和运动的方向相反。摩擦力的存在限制了风速的加大。,第十八页，共九十页。,地转偏向(pinxing)力,地面(dmin)摩擦力,与空气(kngq)运动方向相反近地12km内明显,水平气压梯度力,第十九页，共九十页。,水平(shupng)气压梯度力,地转偏向(pinxing)力,(使风向(fngxing)垂直于等压线),(使北半球风向右偏,南半球风向左偏),地面摩擦力,大气作水平运动所受作用力,二力平衡,风向平行于等压线,三种力共同作用下,风向斜穿等压线,（与空气的运动方向相反）,空气产生水平运动的原动力,第二十页，共九十页。,4.2.2湍流(tunli)扩散基本理论,一、湍流扩散的基本概念扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：扩散比分子扩散快105106倍1、什么是湍流？除在水平(shupng)方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规则运动。风速的脉动（上、下）风向的摆动（左、右）2、湍流与扩散的关系 把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。,第二十一页，共九十页。,3、起因与两种形式 热力：温度垂直分布不均，其强度主要取决于大气(dq)稳定度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度，其强度主要取决于风速梯度和地面的粗糙度,第二十二页，共九十页。,湍流(tunli)扩散理论简介,主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.梯度输送理论类比于分子扩散(kusn)，污染物的扩散(kusn)速率与负浓度梯度成正比2.湍流统计理论3.相似理论,第二十三页，共九十页。,2.湍流统计理论：泰勒(GITaYler)首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。图4-1表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布(fnb)以x轴为对称轴，并符合正态分布(fnb)。,第二十四页，共九十页。,图4-1由湍流引起(ynq)的扩散,第二十五页，共九十页。,3.相似(xin s)理论,湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多(xdu)科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。,第二十六页，共九十页。,第二十七页，共九十页。,大气(dq)湍流与污染物的扩散,图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。图b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。图c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述(shngsh)几种过程共同完成的。,第二十八页，共九十页。,4.2.3 高斯(o s)扩散模式,第二十九页，共九十页。,坐标系 右手坐标系（食指x轴；中指y轴；拇指z轴），原点：为无界点源或地面(dmin)源的排放点，或者高架源排放点在地面(dmin)上的投影点；x为主风向；y为横风向；z为垂直向,一、高斯(o s)模式的有关假定,4.2.3 高斯(o s)扩散模式,第三十页，共九十页。,高斯模式的四点假设 a污染物浓度在y、z风向上分布(fnb)为正态分布(fnb)b全部高度风速均匀稳定c源强是连续均匀稳定的d扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）,一、高斯模式的有关(yugun)假定,4.2.3 高斯扩散(kusn)模式,第三十一页，共九十页。,由假设a可以写出下风向(fngxing)任一点（x,y,z)的污染物的平均浓度的分布函数,由概率论可以(ky)写出方差的表达式,由d可以(ky)写出源强的积分式,第三十二页，共九十页。,将代入中，积分(jfn)可得,将和代入，积分(jfn)可得,将代入可得,（4.15）,平均(pngjn)风速，m/s；Q源强，Bq/s；y侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，m；z竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，m；,无界空间连续点源的扩散公式,第三十三页，共九十页。,2、高位连续点源扩散模式高位源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面一定高度的排放源。地面对污染物的影响很复杂，如果地面对污染物全部吸收，则4.15式仍适用于地面以上的大气，根据假设(jish)d可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用“像源法”处理把P点污染物浓度看成为两部分作用之和。即相当于位置在（0，0，h）的实源和位置在（0，0，-h）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。,第三十四页，共九十页。,建立三个坐标系：1、以实源在地面的投影点为原点，P点坐标为（x，y，z）；2、以实源为原点；3、以像源为原点。（1）实源贡献：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z-h）。不考虑地面的影响，实源在P点形成(xngchng)的污染物浓度为：,第三十五页，共九十页。,实际(shj)浓度,(4.16),（2）像源贡献：P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为（z+h），像源在P点形成(xngchng)的污染物浓度为：,第三十六页，共九十页。,高位连续点源扩散(kusn)模式,(4.18),(4.17),第三十七页，共九十页。,由此求得,(4.19,4.20),地面最大浓度(nngd)模式：,考虑地面(dmin)轴线浓度模式,第三十八页，共九十页。,地面连续(linx)点源的弥散模式,地面(dmin)源高斯模式令h=0,地面浓度(nngd)模式，令z0,地面轴线浓度模式：再取y=0,(4.23),(4.22),(4.21),第三十九页，共九十页。,短期释放(shfng)的时间积分浓度,源强一定，烟羽完全通过P点这一时间内、在P点所产生(chnshng)的浓度,一次释放(shfng)的核素总量,对于从释放开始到某一时刻t，烟羽在P点作用的时间为t-x/u，此时P点处的时间积分浓度t,第四十页，共九十页。,4.24高斯(o s)模式中各项参数值的选定,Q源强 计算或实测 平均风速 多年(du nin)的风速资料、扩散参数 h 有效烟囱高度,第四十一页，共九十页。,1、大气扩散(kusn)参数（y，z）的确定,PG曲