5.3.4. Масштабы распространения тяжелых газов в атмосфере

Для определения количественной границы понятия «тяжелый газ» следует воспользоваться критерием Ричардсона, представляющим собой отношение подъемных сил, действующих на турбулентную частицу примеси, к инерционной составляющей силы, обусловленной турбулентными флуктуациями газа:

В этом выражении  представляет собой гравитационное ускорение турбулентной частицы, а U², -инерционное ускорение, обусловленное турбулентными флуктуациями газа со скоростью порядка величины динамической скорости U,в пределах облака размерами .Принимая в качестве границы существования тяжелого газа условие

>10

(5.11)

для типичного нейтрального состояния атмосферы, характеризующегося величиной динамической скорости U_*,0,2 м/с, получим:

Согласно полученным оценкам, тяжелым является холодный воздух, температура которого на градус меньше температуры окружающей среды. К тяжелым следует отнести также газы, молекулярный вес которых больше молекулярного веса воздуха () или легкие, но охлажденные газы, которые, например, образуются при кипении криогенных жидкостей. В этом случае критерий тяжелого газа приобретает вид:

где С - относителоная массовая концентрация примеси. T₀ - температура окружающей среды,  - разность между температурой облака и окружающей среды.

Практически к тяжелым газам относятся также взвешенные в воздухе аэрозоли.
Рассеяние различных газов в атмосфере сопровождается уменьшением массовой концентрации примеси и разности между температурой газа и окружающей средой. На какой-то стадии развития процесса это приводит к нарушению условия (5.11). В дальнейшем распространение любой примеси приобретает характер рассеяния нейтрального по плавучести газа. Для правильной постановки задачи моделирования явления необходимо знать возможные линейные масштабы развития процесса. Пространственная протяженность облаков тяжелых газов зависит от количества возможных степеней свободы его движения. Характерные линейные размеры облаков можно оценить, исходя из условия сохранения массы выброшенной примеси:
М_р = С(М_р+М),

где М_р - общая масса примеси, М- присоединенная масса воздуха.
При сильном ветре рассеяние тяжелого газа может носить трехмерный характер. В этом случае максимальный линейный размер облака Rсвязан с размером источника R₀и граничной концентрацией примеси тяжелого газа, равной, согласно уравнению (5.11) Cb2-10^-3, соотношением

При более слабом ветре рассеяние тяжелого газа будет происходить преимущественно в горизонтальном направлении. В этом случае максимальный линейный размер облака будет приблизительно на два порядка величины превосходить размер источника

При струйном выбросе тяжелого газа вдоль поверхности земли максимальная длина его распространения Х может быть оценена с помощью эмпирического уравнения
С1 / (0,3X/d)соотношением X/d1-³, где d- диаметр источника.
Приведенные оценки показывают значительные геометрические масштабы существования облаков тяжелых газов. Их максимальные размеры могут достигать десяти километров. Распространение облаков в условиях промышленной площадки или города может сопровождаться большим потенциальным ущербом от загрязнения местности и окружающей среды.