公害防止（大気）大規模大気特論の「排煙拡散の一般特性」に関する覚えるポイントをまとめました
ダウンウォッシュ
ダウンウォッシュとは
煙突から出た煙が煙突自身やそばの建物により渦を作り、それにより煙が地上へと降りる現象
建造物によって発生する場合は、特にダウンドラフトと呼ぶ
ダウンウォッシュの影響と防止方法
- 煙に含まれる汚染物質が拡散せず、近くに濃度の高いまま着地する
- ダウンウォッシュを防ぐ方法
- 吐出速度を風速の1.5倍以上にする
- 煙突高さを付近の建造物の2.5倍以上にする
- 渦が生じにくい形状の煙突にする
ブリッグスによる簡易推定法
ダウンウォッシュが発生する条件下での煙突の高さからダウンウォッシュの効果を見積もる方法
$$H^{´}=\color{red}{H+2D(\frac{v_{g}}{u}－1.5)}$$
$H^{´}$：ダウンウォッシュ時の煙の高さ[m]、$H$：実煙突高さ[m]
$D$：煙突出口の直径[m]、$v_{g}$排ガスの吐出速度[m/s]
$u$：風速[m/s]
$v_{g}$＜1.5$u$の場合、ダウンウォッシュが発生
$v_{g}$≧1.5$u$の場合、$H^{´}＝H$となりダウンウォッシュは発生しない
排煙の着地濃度
- 有効煙突高さが増せば最大着地濃度距離Xmaxは増大し、最大着地濃度Cmaxは減少
- 鉛直方向の煙の拡散幅が増せばXmaxは減少し、Cmaxは増大する
大気拡散と気象条件
低層大気中での大気拡散は風と熱対流により起こる
- 風は風速の速度勾配差で起こり、強制対流である
- 熱対流は温度勾配で起こり、自由対流である
大気の温度変化
温度勾配により起こる大気拡散の特徴
- 温位は各高度の気塊を断熱的に1000hPa（地面付近）の状態に移した時の温度
- 断熱的に気塊の高度を変化させるとき、乾燥空気では100m上昇すると温度が0.98℃下がる
この温度勾配を乾燥断熱減率という - 大気層の気温の減率γが乾燥断熱率γd（0.98℃）よりも小さいと熱的に安定
- 大気層の温位の減率が乾燥断熱減率よりも小さいときは温位が高く、熱的に不安定
- 減率が乾燥断熱減率に等しい大気層では、温位は高さで一定
煙の形
温度勾配による煙の拡散は6種類に分類される
| 煙の形 | 大気の状態 (上層) | 大気の状態 (下層) | 特徴 |
|---|---|---|---|
| ループ | 不安定 | 不安定 | 煙は上下に大きく蛇行 煙源近くに高濃度 晴れた日中に発生 |
| 錐 | 中立または弱安定 | 中立または弱安定 | 拡散は横・鉛直方向でほぼ同じ |
| 扇 | 強安定 | 強安定 | 水平方向に煙が広がる 晴れた夜間から朝方に発生 |
| 屋根 | 不安定 | 安定 | 温度勾配が途中で折れている |
| いぶし | 安定 | 不安定 | 対流が生じ、煙にいぶされた状態になる |
| トラップ | 強安定・逆転 | 弱安定・中立 | 下層に長時間トラップされる |
大気の状態は煙の形が蛇行している場合は不安定、広がらない場合は安定と覚えましょう
風向変動
風向により起こる大気拡散の特徴
- 平均化時間が長く、気流の蛇行があると水平方向の煙の拡散幅を増大させる
- SOxやNOxなどの大気汚染物質の拡散では平均化時間は1時間程度
- 気流の蛇行は総観的な気圧配置や風上の山岳などの地形に起因
大気境界層
大気境界層とは
高度1～2kmの大気層は地表面の熱や力学的影響を直接に受ける部分で大気境界層と呼ばれる
混合層・接地安定層・中立境界層に分類される
| 地上～1km | 混合層 | 自由対流 |
| 厚さ100m以下 | 中立境界層 | 強制対流 |
| 地上200m以下 | 接地安定層（温度逆転層） | 対流が起こりにくい |
| 地上30～50m | コンスタントフラックス層 | ー |
大気境界層のうち、地上30～50mまでの層はコンスタントフラックス層と呼ばれ、熱と運動量の鉛直フラックスが高度によらず一定、風速・温度の鉛直フラックスが大きい
混合層 （不安定）
日射により空気が暖められて、その熱対流により大気が混合される層
- 熱の勾配による自由対流が起こる
- 晴れた昼間に発生、地上1km以下に形成
- 温位は高さによらず一定、減率約0.6℃/100m
- 混合層の上端部分は安定な大気（温位逆転層）があり、リッドと呼ばれ、高さが上がるほど気温は減少し、温位は増加
中立境界層（中立）
大気の安定度が中立の境界層
- 風速勾配による強制対流が起こる
- 曇りや風の強い日に形成されやすい
- 厚さは100m以下
接地安定層 （安定）
- 対流があまり起こらない
- 晴れた夜に発達する層
- 放射冷却により地表面が冷たく、上層が暖かくなるため、大気が安定
- 地上200m以下に形成
- 逆転層中は強い安定状態になっていて、拡散速度は遅い
接地安定層の種類と特徴
- 放射性逆転層：晴れた風の弱い夜間、地表層の放射冷却により発生
- 地形性逆転：山越えのフェーン気流が谷間の空気塊の上空を吹くために発生
- 沈降性逆転：高気圧圏内で、空気の降下により気温が断熱上昇するために発生
- 前線性逆転：前線の存在により、下層に寒気が上層に暖気がくるために発生
- 移流性逆転：冷たい地表面上に暖かい空気が流れ込み、下層から気温が降下して発生
内部境界層
内部境界層とは
春から夏にかけた晴天時には、水温の低い海上から流れてくる海風は大気の乱れの小さい安定した大気層になっている。一方、地表近くでは日射による乱れの大きな大気層が生じている。この海上から流れてきた乱れの小さい大気層と地表近くの乱れの大きな大気層が接する境界の内側を内部境界層という
内部境界層の特徴
- 内部境界層内では、熱対流のため乱流が大きく乱れているので、煙は急激に拡散し着地濃度が高くなる
- 熱対流がない場合でも、強制対流による乱れにより拡散幅は増加する
海風、陸風、都市のヒートアイランド
海風
海陸の温度差により起こり、季節風が弱くなる夏季の昼間に多く発生
陸は強い日射により温められ、海面と比べて相対的に温度が高くなる。地面が温められると、上空に向かって混合層が発達するが海面上では発達しないため、地面付近に気圧差で（陸が低圧）海風が陸に侵入する。海風時に形成される内部境界層はヒュミゲーションの原因となる。
ヒュミゲーション
海風が海上から陸上に吹き付けると上空には冷たい風が、低空には暖かい空気がある状態になる。一般的には暖かい空気は上へ、冷たい空気は下へ移動するため、空気が大きく動く。冬の早朝に起こる。
陸風
夜間は陸面の温度が海面に比べてしばしば下がる。このような状態では陸上から海上に向かって風が吹く。陸上には混合層のような層は発達せず、安定層が形成される（厚さ100m以下）。
ヒートアイランド現象
都市の高温化は冬季の夜間が顕著なため、ヒートアイランドが起こりやすい。
都市の高温化の原因は、都市やビルの被覆が土壌から熱容量の大きいコンクリートに変化し、昼間にためた熱を夜間に放出すること、高層の建造物が空気の上下混合を促進し、地面付近に冷気ためにくくしていること、廃熱が地面付近に放出されることである。
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