An introduction to environmental engineering - air pollution

1. ‫پور‬ ‫شفیع‬ ‫دکتر‬
‫مهندس‬‫انواری‬ ‫احمد‬
‫پاییز‬1391
‫هوا‬ ‫آلودگی‬

2. ‫آدیاباتیک‬ ‫گذر‬ ‫آهنگ‬
Adiabatic lapse rates
‫دارد‬ ‫وابستگی‬ ‫ارتفاع‬ ‫با‬ ‫دما‬ ‫تغییر‬ ‫نرخ‬ ‫به‬ ‫اتمسفر‬ ‫در‬ ‫ها‬ ‫آالینده‬ ‫شدن‬ ‫پراکنده‬ ‫در‬ ‫سهولت‬.‫ا‬ ‫ناپایداری‬ ‫و‬ ‫پایداری‬ ‫بنابراین‬‫و‬ ‫رقیق‬ ‫در‬ ‫تمسفر‬
‫باشد‬ ‫می‬ ‫موثر‬ ‫بسیار‬ ‫آنها‬ ‫شدن‬ ‫پراکنده‬.
‫آن‬ ‫انبساط‬ ‫و‬ ‫دما‬ ‫کاهش‬ ‫باعث‬ ‫فشار‬ ‫کاهش‬ ‫رود‬ ‫باال‬ ‫اگر‬ ‫رود‬ ‫می‬ ‫پایین‬ ‫و‬ ‫باال‬ ‫اتسمفر‬ ‫در‬ ‫که‬ ‫را‬ ‫هوا‬ ‫از‬ ‫ای‬ ‫بسته‬ ‫بگیرید‬ ‫نظر‬ ‫در‬‫اگر‬ ‫و‬ ‫شود‬ ‫می‬
‫شوند‬ ‫می‬ ‫حجم‬ ‫کاهش‬ ‫و‬ ‫دما‬ ‫افزایش‬ ‫باعث‬ ‫بیشتر‬ ‫فشار‬ ‫رود‬ ‫پایین‬.
‫شود‬ ‫می‬ ‫حجم‬ ‫و‬ ‫فشار‬ ، ‫دما‬ ‫تغییر‬ ‫باعث‬ ‫پایین‬ ‫یا‬ ‫باال‬ ‫چه‬ ‫هوا‬ ‫بسته‬ ‫این‬ ‫حرکت‬.‫محی‬ ‫که‬ ‫کرد‬ ‫تصور‬ ‫توان‬ ‫می‬ ‫عبارتی‬ ‫به‬ ‫یا‬ ‫و‬‫آن‬ ‫به‬ ‫اطراف‬ ‫ط‬
‫نماید‬ ‫می‬ ‫کسر‬ ‫یا‬ ‫افزاید‬ ‫می‬ ‫انرژی‬.‫ترمودینامیک‬ ‫اول‬ ‫قوانین‬ ‫از‬ ‫حجم‬ ‫یا‬ ‫و‬ ‫فشار‬ ، ‫دما‬ ‫از‬ ‫تغییر‬ ‫هر‬ ‫ترآورد‬ ‫برای‬ ‫توان‬ ‫می‬ ‫رو‬ ‫این‬ ‫از‬‫گازهای‬ ‫و‬
‫گرفت‬ ‫بهره‬ ‫کامل‬.

3. ‫ترمودینامیک‬ ‫قوانین‬
‫ترمودینامیک‬ ‫اول‬ ‫قانون‬
‫ترمودینامیک‬ ‫صفرم‬ ‫قانون‬
‫ترمودینامیک‬ ‫سوم‬ ‫قانون‬
‫ترمودینامیک‬ ‫دوم‬ ‫قانون‬
  QW
TT
TT
BA
CB


TT CA


4. ‫جرم‬ ‫واحد‬ ‫ازای‬ ‫به‬ ‫هوا‬ ‫بسته‬ ‫به‬ ‫شده‬ ‫اضافه‬ ‫گرمای‬(J/kg)
‫ثابت‬ ‫فشار‬ ‫در‬ ‫ویژه‬ ‫گرمای‬( .‫هوا‬ ‫برای‬)
‫یافته‬ ‫افزایش‬ ‫دمای‬ ‫جزء‬(K)
‫جرم‬ ‫واحد‬ ‫ازای‬ ‫به‬ ‫حجم‬(‫ویژه‬ ‫حجم‬)(M3/Kg)
‫هوا‬ ‫بسته‬ ‫در‬ ‫فشار‬ ‫جزء‬(pa)
dVPdw
dTCdu
dudwdQ
V



dPVdVPVPd
nRTVP


)(
dT
dQ
CP

nRCC VP

dPVdTdQ CP
.. 
dP
V
dT
dQ
CP





)(1005 0cP
Kg
J
C 
‫رابطه‬1
‫رابطه‬2
‫رابطه‬3

5. ‫گردد‬ ‫نمی‬ ‫خارج‬ ‫آن‬ ‫از‬ ‫یا‬ ‫و‬ ‫وارد‬ ‫آن‬ ‫به‬ ‫گرمایی‬ ‫هیچ‬ ‫رود‬ ‫می‬ ‫باال‬ ‫به‬ ‫هوا‬ ‫بسته‬ ‫که‬ ‫هنگامی‬ ‫که‬ ‫کنیم‬ ‫فرض‬ ‫چنانچه‬(dQ = 0)‫فرآیند‬ ‫یعنی‬
‫آدیاباتیک‬(‫درو‬ ‫بی‬)‫آنگاه‬ ‫باشد‬
‫رابطه‬(4)‫باشد‬ ‫می‬ ‫فشار‬ ‫تغییر‬ ‫با‬ ‫اتمسفر‬ ‫دمای‬ ‫تغییر‬ ‫چگونگی‬ ‫از‬ ‫حاکی‬.‫تغیی‬ ‫هستیم‬ ‫آن‬ ‫جستجوی‬ ‫در‬ ‫ما‬ ‫آنچه‬ ‫لکن‬‫در‬ ‫ارتفاع‬ ‫با‬ ‫دما‬ ‫ر‬
‫باشد‬ ‫می‬ ‫اتمسفر‬.
‫ارتفاع‬ ‫افزایش‬ ‫برای‬dz‫فشار‬dp‫باشد‬ ‫می‬ ‫زیر‬ ‫شرح‬ ‫به‬.
‫رابطه‬ ‫دو‬ ‫جابجایی‬ ‫و‬ ‫ترکیب‬ ‫از‬(4)‫و‬(5)‫که‬ ‫آید‬ ‫می‬ ‫بدست‬
‫چون‬ ‫طرفی‬ ‫از‬V‫و‬ ‫جرم‬ ‫واحد‬ ‫ازای‬ ‫به‬ ‫حجم‬ρ‫نتیجه‬ ‫در‬ ‫باشد‬ ‫می‬ ‫حجم‬ ‫واحد‬ ‫ازای‬ ‫به‬ ‫جرم‬V.ρ = 1
A
dzAg
dzzPzP
...
)()(


)..()()( dzgzpdzzpdp 
dz
dp
dp
dT
dz
dT

).( g
V
dz
dT
cP

cP
g
dz
dT 

cP
V
dp
dT

‫رابطه‬6
‫رابطه‬5
‫رابطه‬4
‫رابطه‬7

6. ‫رابطه‬ ‫برای‬(8)‫گیرد‬ ‫می‬ ‫صورت‬ ‫گرما‬ ‫انتقال‬ ‫بدون‬ ‫فرآیند‬ ‫و‬ ‫خشک‬ ‫هوا‬ ‫و‬ ‫کامل‬ ‫گاز‬ ‫هوا‬ ‫که‬ ‫بود‬ ‫این‬ ‫بر‬ ‫فرض‬.‫منا‬ ‫فرضیات‬ ‫که‬‫است‬ ‫سبی‬.
‫و‬ ‫نبوده‬ ‫صادق‬ ‫همواره‬ ‫شرایط‬ ‫این‬ ‫لیکن‬Cp‫عدد‬ ‫از‬1005‫بود‬ ‫خواهد‬ ‫متفاوت‬.‫بسته‬ ‫شدن‬ ‫گرم‬ ‫و‬ ‫سرد‬ ‫عث‬ ‫با‬ ‫هوا‬ ‫در‬ ‫رطوبت‬ ‫وجود‬ ‫واقع‬ ‫در‬
‫گردد‬ ‫می‬ ‫هوا‬.‫بود‬ ‫نخواهد‬ ‫ثابت‬ ‫همواره‬ ‫آدیاباتیک‬ ‫مرطوب‬ ‫گذر‬ ‫آهنگ‬ ، ‫آدیاباتیک‬ ‫خشک‬ ‫گذر‬ ‫آهنگ‬ ‫عکس‬ ‫به‬ ‫عبارتی‬ ‫به‬( .‫به‬‫میزان‬
‫بود‬ ‫خواهد‬ ‫متفاوت‬ ‫زمین‬ ‫مکان‬ ‫و‬ ‫رطوبت‬)‫از‬ ‫تابعی‬ ‫و‬‫دما‬‫باشد‬ ‫می‬ ‫نیز‬.‫گذر‬ ‫آهنگ‬ ‫برای‬ ‫بینانه‬ ‫واقع‬ ‫میانگین‬ ‫یک‬ ‫لیکن‬‫آدیاباتیک‬ ‫مرطوب‬
6‫است‬ ‫مناسب‬ ‫ارتفاع‬ ‫افزایش‬ ‫کیلومتر‬ ‫هر‬ ‫ازای‬ ‫به‬ ‫سلسیوس‬ ‫درجه‬.‫ک‬ ‫قدری‬ ‫ای‬ ‫حاره‬ ‫مناطق‬ ‫و‬ ‫باالتر‬ ‫قدری‬ ‫قطبین‬ ‫برای‬ ‫و‬‫بود‬ ‫خواهد‬ ‫متر‬.
)(00976.0
)(1005
)(806.9 0
0
2
m
Kg
J
m
dz
dT
c
c
s 


)
100
(1)(76.9
00
mkmdz
dT
cc
 ‫رابطه‬8
‫را‬ ‫گاما‬ ‫اتمسفری‬ ‫خاص‬ ‫شرایط‬ ‫این‬ ‫برای‬ ‫که‬‫آهن‬‫گ‬
‫خشک‬ ‫گذر‬‫آدیاباتیک‬‫گویند‬.Dry adiabatic
lapse rate

7. ‫اتمسفر‬ ‫پایدای‬
Atmospheric Stability
‫گذر‬ ‫آهنگ‬ ‫با‬ ‫شدن‬ ‫آشنا‬ ‫از‬ ‫منظور‬
(‫مرطوب‬ ، ‫خشک‬)‫برآو‬ ‫آدیاباتیک‬‫رد‬
‫برای‬ ‫اتمسفر‬ ‫پایداری‬ ‫شرایط‬
‫باش‬ ‫می‬ ‫آن‬ ‫در‬ ‫ها‬ ‫آالینده‬ ‫پراکنش‬‫د‬.

8. A stable atmosphere. An absolutely stable
atmosphere exists when a rising air parcel is
colder and heavier (i.e., more dense) than
the air surrounding it. If given the chance
(i.e., released), the air parcel in both
situations would return to its original
position, the surface.
An unstable atmosphere. An absolutely
unstable atmosphere exists when a rising air
parcel is warmer and lighter (i.e., less dense)
than the air surrounding it. If given the chance
(i.e., released), the lifted parcel in both
situations would continue to move away
(accelerate) from its original position.

9. ‫دما‬ ‫وارونگی‬
Temperature inversion
‫ب‬ ‫حرکت‬ ‫امکان‬ ‫مجازی‬ ‫سقف‬ ‫یک‬ ‫که‬ ‫ای‬ ‫گونه‬ ‫به‬ ‫دهد‬ ‫می‬ ‫نشان‬ ‫را‬ ‫اتمسفر‬ ‫پایداری‬ ‫نهایت‬‫االرونده‬
‫سازد‬ ‫می‬ ‫محدود‬ ‫اتسمفر‬ ‫در‬ ‫را‬ ‫ها‬ ‫آالینده‬.
‫دما‬ ‫وارونگی‬(Temerature
Inversion)
1-‫تشعشعی‬ ‫وارونگی‬(Radiation Inversion):‫وابسته‬ ‫به‬
‫ا‬ ‫زمستانی‬ ‫صاف‬ ‫شبهای‬ ‫در‬ ‫ویژه‬ ‫به‬ ‫زمین‬ ‫سطح‬ ‫شدن‬ ‫سرد‬‫ست‬.
2-‫فروکشی‬ ‫وارونگی‬(Subsidence inversion):‫به‬
‫مناط‬ ‫در‬ ‫رونده‬ ‫پایین‬ ‫هوای‬ ‫جرم‬ ‫کننده‬ ‫گرم‬ ‫تراکم‬ ‫وابسته‬‫با‬ ‫ق‬
‫باشد‬ ‫می‬ ‫باال‬ ‫فشار‬.

12. Other Types of Inversions
• Frontal - warm air overrides cooler air
• Advective - warm air flows over a cold surface or
cold air

15. ‫تشعشعی‬ ‫وارونگی‬Radiation Inversion

16. • Result from radiational cooling of the ground
• Occur on cloudless nights – nocturnal
• Typically surface based
• Are intensified in river valleys
• Cause pollutants to be “trapped”
Fig 3.3
What happens to inversion when sun rises?
‫تشعشعی‬ ‫وارونگی‬Radiation Inversion

17. ‫فروکشی‬ ‫وارونگی‬Subsidence Inversion
• Associated with high-pressure systems
• Inversion layer is formed aloft
• Covers hundreds of thousands of square kms
• Persists for days
‫هست‬ ‫در‬ ‫هوا‬ ، ‫است‬ ‫معروف‬ ‫ها‬ ‫سیکلون‬ ‫آنتی‬ ‫به‬ ‫که‬ ‫فشار‬ ‫پر‬ ‫سیستم‬ ‫با‬ ‫است‬ ‫مرتبط‬ ‫که‬ ‫فروکشی‬ ‫وارونگی‬‫به‬ ‫آن‬ ‫مرکزی‬ ‫ه‬
‫در‬ ‫باال‬ ‫سمت‬ ‫به‬ ‫شود‬ ‫می‬ ‫دیده‬ ‫شکل‬ ‫در‬ ‫که‬ ‫گونه‬ ‫همان‬ ‫بیرونی‬ ‫های‬ ‫لبه‬ ‫در‬ ‫هوا‬ ‫ولی‬ ‫بوده‬ ‫حرکت‬ ‫در‬ ‫پایین‬ ‫سمت‬‫می‬ ‫حرکت‬
‫باشد‬.

18. • Breakup after sunrise
• Breakup results in elevated ground level
concentrations
• Breakup described as a fumigation
‫تشعشعی‬ ‫وارونگی‬Radiation Inversion

20. ‫تشعشعی‬ ‫وارونگی‬Radiation Inversion

21. Inversion: temperature increases with altitude

22. Inverted Lapse Rates (Strongly Stable)
• Characterized by increasing temperature with height
Does it occur during the day or at night?
Is it associated with high or low pressure systems?
Does it improve or deteriorate air quality?
Inversion

23. Inversion

24. Helena
Montana

26. The inversion layer prevents pollutants from
escaping into the air above it. If the inversion
lowers, the mixing depth decreases and the
pollutants are concentrated within a smaller
volume.
The smoke from the shorter stack is trapped
within the inversion, while the smoke from
the taller stack, above the inversion, rises,
mixes, and disperses downwind.

27. Inversion

28. This is an example of a
generalized temperature
profile for a surface
inversion.
Temperature-profile
changes in bottom diagram
after the sun has heated
the surface.

29. A temperature inversion, in which a warm air layer sits atop a cooler air layer, can take place in
either of two sets of topography and weather conditions. Air pollutants can build to harmful
levels during an inversion, which can occur during cold, cloudy weather in a valley surrounded
by mountains (left). Frequent and prolonged temperature inversions can also occur in an area
with a sunny climate, light winds, mountains on three sides, and the ocean on the other
(right). A layer of descending warm air from a high-pressure system prevents ocean-cooled air
near the ground from ascending enough to disperse and dilute pollutants. Because of their
topography, Los Angeles, California (USA), and Mexico City, Mexico, have frequent
temperature inversions, many of them prolonged, during the summer and fall.

30. Thermal (temperature) inversion
• Usually, tropospheric air temperature
decreases as altitude increases.
– Warm air rises, causing vertical
mixing.
• Thermal inversion: a layer of cool air
occurs beneath a layer of warmer air
– Inversion layer: the band of air in
which temperature rises with
altitude
– Denser, cooler air at the bottom of
the layer resists mixing.
– Pollutants are trapped at ground
level.

31. Comparison of environmental lapse rates with the adiabatic
lapse rate with relationships to stability conditions.
‫ناپاید‬‫ار‬ ‫خنثی‬
‫پایدار‬ ‫پای‬ ‫بسیار‬‫دار‬

32. Lapse Rate: Negative of the temperature
gradient in the atmosphere
Concept that describes (non-)movement of air near the surface
Dry adiabatic lapse rate ()
= 0.976 oC/100 m ~ 1 oC/100 m
International standard lapse rate
= 0.0066 oC/m (avg mid-latitude)
Q: Which one has a larger temperature
change for the same change in elevation?
Why?
Q: Does lapse rate have anything to do with
air quality?

33. Neutral Lapse Rates
• Temperature decreases are similar to the adiabatic lapse rate
• Results from:
– Cloudy conditions
– Elevated wind speeds
– Day/night transitions
• Describes good dispersion conditions
Isothermal Lapse Rates (Weakly Stable)
• Characterized by no temperature change with height
• Atmosphere is somewhat stable
• Dispersion conditions are moderate

34. 34
Stability Conditions
Adiabatic lapse rate
Environmental lapse rate