Введение к работе
Актуальность теыы. Из-за все возрастающего антропогенного юздействия на атмосферу проблема ее загрязнения приобретает осо-toe значение. Одним из шсгих и практически ванных разделов науки, зязанных с изучением физики, химии ;; экологии атмосферы, является ізучение процесса распространения аэрозольных и газовых примесей. >ундаментальные основы решения задач такого рода были заложеш в :ачале нашего века после построения теории броуновского движения, лалогия процесса диффузии примеси в атмосфере с процессом молеку-:ярной диффузии и распространением тепла позволила разработать до-таточно строгие количественные методы описания процесса турбулен-ной диффузии примеси [I*, 2*].
.Однако, практическое применение этих методов в ряде случаев аталкивается на ряд трудностей. В первую очередь это связано с ем, что уравнения, предназначенные для описания процесса распрос-ранения примеси, являются незамкнутыми. Например, при замыкании х методами первого порядка требуется задание в общем случае неиз-эстных значений коэффициентов турбулентной диффузии. Из-за тур'у-энтности атмосферы процесс распространения является случайны!.!. 3 о же время современные метода описания распространения позволяют злучать лишь первые два момента концентрации примеси: среднее качение и дисперсию. Этих характеристик явно недостаточно для рвения конкретных практических задач. Поэтому статистическое списане процесса распространения примеси, связанное с определением за->на распределения ее концентрации, приобретает особое практичес-зе значение. Точного решения данной задачи до сих пор не получе->. Ограниченное число экспериментальных работ на эту тему предла-эет аппроксимировать функцию распределения рядом типовых законов югарифмически-нормальным [3*], гамма-распределением, распределе-іем Вейбулла и др.). Вместе с тем не вполне ясны диапазоны приме-мости экспериментальных результатов, В смежной области - теории 'рбулентного горения разработаны достаточно строгие методы ста-ютического описания, но они не могут быть непосредственно пере-сены на описание процесса распространения атмосферных примесей. ледствиа вышесказанного решение указанных задач является вкту-;ьным и имеет большое практическое значение.
Изложенным выше состоянием проблемы обусловлена цель работы: зработка количественного метода статистического описания процес-распростраяения аэрозольных и газовых примесей в атмосфере.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые подучены точные аналитические решения обратного уравнения Колмогорова для одно- и двухточечных функций плотности вероятности концентрации распространяющейся в атмосфере примеси и интеграла от концентрации примеси по времени (интегральной концентрации), учитывающие наличие эффекта перемежаемости.
-
Для стационарного случая распространения получены: функция плотности вероятности перехода концентрации из некоторого начал--ного в некоторое конечное состояние, корреляционная функция V. плотность спектральной мощности пульсаций концентрации.
-
Рассмотрен дискретный аналог одноточечного закона распределения концентрации атмосферных примесей.
-
На основании экспериментов, проведенных на аэродинамической трубе, с привлечением результатов независимых натурных исследований и классических результатов теории турбулентного горения, дано обоснование полученных теоретических результатов.
-
Рассмотрены многочисленные примеры практического использования разработанного статистического метода.
.6. Впервые проведены прямые измерения тензора коэффициентов турбулентной диффузии в атмосфере и обоснована гипотеза об их пропорциональности соответствующим компонентам тензора вязких напряжений Рейнольдса.
Достоверность результатов, полученных в теоретической част»; работы, подтверждена данными экспериментов, проводившихся соискателем на аэродинамической трубе, соответствием полученных решений классическим асимптотикам из теории турбулентного горения, а также экспериментальными данными независимых исследователей, полученными в натурных условиях. Результаты, обоснованные в различных разделах диссертации, дополняют друг друга и создают целостную, физически непротиворечивую картину статистического поведения концентрации примеси при ее распространении в атмосфере.
Научная и практическая ценность работы. Разработанный метод позволяет определять ранее недоступные статистические характеристики процесса распространения примесей, что значительно расширяет диапазон решаемых фундаментальных и прикладных задач. Обоснование пропорциональности коэффициентов турбулентной диффузии соответствующим компонентам тензора вязких напряжений позволяет задавать их реальные значения при моделировании распространения примесей.
Апробация работа. По мэре получения результаты диссертационной работы докладывались на: научных семинарах Института химической кинетики и горения СО РАН (Новосибирск); НПО "Тайфун" (Обнинск); ВНИИ Молекулярной Биологии, НИИ Аэробиологии, ГНЦ ВБ "Вектор" (Кольцове); ВНИИ Особо чистых биологических препаратов (Санкт-Петербург); ВНИИ Прикладной микробиологии (Оболенск); Института теплофизики СО РАН (Новосибирск); Третьем совещании Рабочей группы "Лабораторное моделирование динамических процессов в океане" (Новосибирск); Совещании "Вопросы исследования поведения и распределения биологических средств защиты растений и леса в атмосфере" (Новосибирск); II-IY заседаниях Рабочей группы проекта "Аэрозоли Сибири" (Томск); Научно-практической конференции "О создании единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири" (Новосибирск).
личный вклад соискателя в работы, выполненные в соавторстве, заключается в постановке задачи исследований на каждом этапе работ, непосредственном участии в исследованиях на всех этапах, обработке и оформлении полученных данных. Все основные теоретические результаты работы получены лично соискателем. Творческий вклад соискателя в экспериментальную часть работы и разработку практических приложений метода оценивается в 60%.
Структура и объеи диссертации, публикации- диссертация включает введение, пять глав, заключение и список литературы из 128 наименований. Общий объем работы составляет 244 страницы машинописного текста. Диссертация иллюстрирована 27 рисунками и 15 таблицами. Основные результаты диссертации опубликованы в монографии [I], 19-ти работах [2-20], а также ряде тезисов совещаний и конференций [21-35], список которых помещен в конце реферата.