<5주차>

3.5 안정도 조건

안정도 : 대기 난류를 감소시키거나 증가시킬려는 경향, 대기의 수직혼합에 대한 척도

※ 환경감율(environmental lapse rate) 실제 대기에서 고도에 따른 온도변화, 위도 고도, 습도, 계절에 따라 다름

※ 대기안정도(정적 안정도)와 기온감율 정적안정도(static stability) : 고도에 따른 기온분포(밀도차이)로부터 안정도 판정

점A에서 상승 혹은 하강기류 발생시 기단의 움직임 설명 실선 : 환경감율, 점선 : 건조단열감율

1) 과단열적(superadiabatic) (a) 환경체감률 > 건조단열체감률 unstable(대기가 상하 방향으로 이동시 원위치로 되돌아가지 않음) 대기의 상하운동 활발, 오염물 확산 양호 구름생성, 강수현상 빈번

2) 미단열적(subadiabatic) (c) 환경체감률 < 건조단열체감률 상하방향으로 운동하는 공기가 원위치로 되돌아 갈려는 경향

weakly stable 공기의 수직운동 억제, 난류가 형성되지 않음 오염물 분산속도가 느림 일기 양호

3) 중립(neutral) 환경체감률 = 건조단열체감률 상승하는 공기가 더 이상 상승하지도 않고 원 위치로 하강하지도 않는 상태 4) 역전(inversion) 환경체감률 << 건조단열체감률

※ 온위구배(potential temperature gradient)에 의한 안정도 온위( ) - 단위부피의 공기가 최초기압에서 단열적으로 1000mbar(100kPa)의 표

준기압으로 이동되었을 때 기단이 가지는 온도

건조한 대기에 대하여,

θ= T (k-1)/k = T 0.288

θ: 온위 Po:표준압력(1000mb) k=Cp/Cv = 1.4

P:최초의 기압, mbar T : 절대온도, K

※ 온위가 동일=밀도가 동일

∝ ∝

∝ 온위가 높을수록 공기밀도는 작아짐

∴ 온위의 연직분포로부터 대기안정도 판정 가능 * 공기가 이동할 때 온위가 동일한 면을 따라 움직인다. * 고도가 올라감에 따라 온위 감소 → 대기불안정 증가 → 대기안정

양변에 대수를 취하고 z에 대하여 미분하면

θ

θ = -

=-ρg

P =ρRT (ρ=moral density, mol/cm3)

θ

θ = 〔 + 〕

for ideal gas Cp-Cv = R

=

θ

θ = 〔 + 〕

Γ = =

기압의 변화가 적을 경우 θ≒T

ΔθΔ

= ΔΔ

+ Γ= ΔΔ

+ ΔΔ

온위구배는 환경체감률과 건조단열체감률의 차로서 나타낼 수 있다.

ΔθΔ

: negative-과단열적(불안정)

⇒

positive-미단열적(안정)

⇒

⇒

(역전)

zero (중립)

▶ 역전(inversion) 역전층은 절대안정층으로 공기의 수직운동이 억제되므로 대류가 일어날 수 없

고, 대기 하층에서의 오염물질이 상층으로 확산되지 않는다.

발생위치에 따라 접지역전-복사역전, 이류성역전 공중역전-침강역전, 전선역전, 해풍역전

1) 복사역전(radiative inversion) 일사가 없는 밤동안 지표의 복사냉각에 의해 일어남

특징 - 가을～봄 사이의 하늘이 맑고 바람이 약한 날, 자정이후 새벽에 걸쳐 발생 - 안개발생 빈번 - 아침에 일사에 의한 지표가열로 소멸 - 사막지방에서 아침에 발생

2) 이류성 역전(flow inversion) 따뜻한 공기가 찬 지표면 위로 불어올 때 지표 가까운 공기층이 지면에 의해 냉

각되어 접지역전발생

3) 침강역전 이동이 빠르지 않는 고기압 구역에서 기층 전체가 서서히 침강하면서 압축에

의해 공기가 단열승온 되어 역전층 형성 식(3.3)

=

⊤

특징-오염물 배출원보다 높은 곳에 생성, 단기간의 대기오염 문제는 일으키지

않으나 장시간 계속되면 대기오염물이 축적됨, 매우 넓은 범위에서 지속적으로 형성

4) 전선역전 : 찬공기 위로 온난전선이 통과하는 경우, 한랭전선이 따뜻한 공기 속으로 통과하는 경우 국지적 역전층 발생 이동성이므로 오염물질의 정체에는 영향이 적다.

5) 해풍역전(seabreeze inversion) 바다위의 비교적 찬공기가 가열된 육지로 불어올 때 찬공기가 지표 가까이에 따뜻

한 공기가 대기 상층에 형성되어 나타나는 역전, 이동성이므로 오염물질의 정체에

는 영향이 적다.

▶ 대기안정도 평가 방법

A : strongly unstable, B : moderately unstable, C : slightly unstable D : neutral or adiabatic, E : slightly stable, F : mederately stable - : strongly stable

: 수평적 풍향의 표준편차, : 수직풍향의 표준편차 G : 핵규제위원회의 기준에 포함된 등급 ※ bi-vane : 수평 및 수직성분의 풍향 측정 기기3.6 풍속 - 지구경계층=행성경계층(planetary boundary layer) 지표마찰의 영향을 받는 대기층 높이 불안정한 대기 > 안정한 대기 : 불안정한 대기에서 오염물의 수직분산 양호

- 낮과 밤의 풍속분포 밤이 낮보다 more stable 하므로 풍속분포가 완만하다. 낮의 지구경계층 높이가 밤보다 더 높다. - 고도에 따른 풍속의 변화 지상풍의 측정에서 국제표준고도 : 10m 고도에 따른 풍속 경계층의 두께와 풍속분포는 대기안정도와 표면거칠기의 함수

※ Deacon의 지수법칙

(3-13)

※ 표면 거칠기에 따른 풍속의 변화

※ 대기안정도 상태에 따른 풍속분포

중립일 경우 고도에 따른 풍속 : log log

3.7 최대혼합고(maximun mixing depth, MMD)

- 대기 저층에서 오염물의 확산 : 대류 및 난류혼합에 의해 분산 혼합의 수직거리-밤낮, 계절, 지형에 영향 대류에 의한 혼합층의 깊이의 1개월 평균값 → mean MMD

대기내의 유체의 정역학적인 평형상태에서

dP = -ρgdz (3-14)

대기가 가열되어 상향으로 가속운동하는 경우 가속도,

: 가열된 공기덩어리 밀도 : 주위의 가열되지 않은 공기 밀도

가열된 공기와 가열되지 않은 공기에 대한 이상기체상태방정식,

따라서 상승공기의 부력가속도,

=부력가속도 : 건조단열 체감률에 의해 상승하는 공기는 주위

공기의 온도와 같게 될 때까지 상승

보통 밤에 가장 낮고 낮동안에 증가, 겨울철인 1, 2월에 최소, 초여름 6월에 최대(열혼합의 증가 때문)

※ MMD 구하는 법

1) radiosonde를 사용하여 대기의 고도에 따른 온도분포를 측정하여 환경체감률 선을 그림. 2) 1달의 최고지표온도를 출발점으로 하여 건조단열체감률을 그래프에 표시 3) 교차점이 최대혼합고 임

3.8 바람장미(wind rose) 풍속과 풍향의 빈도분포에 관한 자료를 그림으로 표시

8개의 주방향, 8개의 보조방향

풍향의 빈도는 spoke의 전체길이에 비례

풍향은 바람이 불어오는 쪽의 방향

주풍(prevailing wind)-바람장미에서 가장 빈번히 관측된 풍향

오염물 확산을 예측하는 자료로 활용

대기오염및연습 참고자료

1. 대기오염제어, 이상권 외 9명 공역, 도서출판 동화기술, 2009년 원저 : AIR POLLUTION ITS ORIGIN AND CONTROL, Kenneth Wark, Cecil F. Warner, Wayne T. Davis, Prentice Hall, INC, 2004

2. 대기오염방지공학, 김동술, 김태오 공역, 도서출판 동화기술, 2003년 원저 : Air pollution Control : A Design Approach, C. David Cooper, F. C. Alley, 2-nd Edition, Waveland Press, Inc. 1994년

3. 2013 대기환경기사. 산업기사, 이승원, 성안당, 2013년

4. 대기오염측정분석학, 박기학, 손종열 공저, 형설출판사, 2000년

5. Air Pollution Engineering Manual, 2-nd Edition, US. EPA

6. Handbook of Air Pollution Technology, Edited by Seymour Calvert and Harold M. Englund, John Wiley & Sons, 1984

7. 대기오염제어공학, 이규성 외 5인 공저, 형설출판사, 2000년

8. 최신 대기오염방지기술, 김종석 외 11인 공저, 동화기술, 2000년

9. 대기오염과 방지기술, 동종인, 신광출판사, 2000년