4.5 Verspreidingsprocessen in het Nieuw Nationaal Model

Inleiding

In de vorige paragraaf staan enkele basisbegrippen uit de verspreidingstheorie die in het model gebruikt zijn. In deze paragraaf komen de overige belangrijke verschijnselen over verspreiding van luchtverontreiniging aan bod. Het is niet de bedoeling volledig te zijn. Uitgebreide theoretische achtergronden van het NNM zijn te vinden in InfoMil (1998)[1] en Erbrink (1995)[2].

Stabiliteit van de atmosfeer

De stabiliteit van de atmosfeer is uitgedrukt in een variabele, de Monin-Obukhovlengte, die afhankelijk is van de meteorologische toestand. Deze variabele is een maat voor de hoogte waarop de wrijvingskrachten belangrijker zijn dan de convectiekrachten. De Monin-Obukhovlengte geeft aan of er sprake is een stabiele, instabiele of neutrale atmosfeer.

Afhankelijk van de stabiliteit, uitgedrukt in de Monin-Obukhovlengte, kiest het NNM voor verschillende rekenschema’s. Dit zijn schema's voor het berekenen van de breedte in de horizontale richting (s_y) en de breedte in de verticale richting (s_z) van de pluim. In deze rekenschema’s betrekt het NNM de Monin-Obukhovlengte. Hierdoor is er binnen elke stabiliteitsklasse een continue afhankelijkheid van de stabiliteit, waardoor elke klasse meer detaillering bevat.

Windsnelheidsprofiel

In de oppervlaktelaag, grofweg de onderste 200 meter van de grenslaag, neemt over het algemeen de windsnelheid afhankelijk van de stabiliteit met de hoogte toe. Daarboven wordt de windsnelheid constant verondersteld. Ook verandert de windrichting met de hoogte. Voor deze draaiing van de wind met de hoogte is in het model een empirische (op basis van waarneming) formulering aangebracht, gebaseerd op empirische gegevens verkregen uit metingen te Cabauw[3].

Chemische omzetting

Het NNM is alleen geldig voor chemisch inerte stoffen; stoffen die scheikundig niet of nauwelijks reageren. Alleen voor stikstofoxide (NO) berekent het model wel een omzetting, in NO₂. NO ontstaat bij verbranding bij hoge temperaturen en reageert in de lucht tot stikstofdioxide (NO₂), dat veel schadelijker is voor de mens dan NO. Deze reactie is afhankelijk van ozonconcentraties, zonne‑instraling, temperatuur en NO-concentraties in de pluim. Het NNM houdt met al deze factoren rekening.

Het NNM houdt verder geen rekening met chemische reacties. Gebruik het NNM niet voor die stoffen die juist ontstaan door reactie in de atmosfeer (zoals ozon). Voor andere dan chemisch inerte stoffen, rekent het NNM dus conservatief. Het model houdt geen rekening met het verdwijnen van de stof uit de atmosfeer.

Depositie

Luchtverontreiniging blijft niet altijd in de atmosfeer: er vindt verwijdering van de stoffen plaats door opname aan de bodem (droge depositie) en door opname in wolken of regen (natte depositie). Droge depositie is het verticale transport van gassen of deeltjes, doordat deze zich hechten aan het aardoppervlak. Het NNM verrekent ook de natte depositie. Een derde mogelijkheid is dat de stof chemisch wordt omgezet en daarna pas deponeert. Door depositie neemt de hoeveelheid emissie uit een bron met de afstand schijnbaar af: we noemen dat brondepletie. Het NNM rekent met deze brondepletie door de bronterm met toenemende afstand kleiner te laten zijn.

Droge depositie is sterk afhankelijk van de component: ammoniak deponeert vrij snel, terwijl CO helemaal niet deponeert. De verwijdering door chemische omzettingen speelt voor de meeste stoffen geen rol voor de afstanden waarvoor het NNM geldt. Het NNM past alleen chemie toe voor de vorming van NO₂ uit NO. NO deponeert nauwelijks, NO₂ juist weer wel, zij het niet zo snel als SO₂ of NH₃.

Door deze verwijdering aan het oppervlak ontstaat een concentratiegradiënt (een richting waarin de concentratie van één of meerdere componenten sterk varieert). Dit zorgt voor het verticale transport. De snelheid van depositie is afhankelijk van de stabiliteit, de ruwheidslengte, het landgebruik (het NNM maakt geen onderscheid tussen de verschillende typen landgebruik), het soort gas en de periode van het jaar. Bij stofdeeltjes is, behalve de genoemde factoren voor gassen, ook de deeltjesgrootte van belang. (Fijn)Stof deponeert namelijk ook; daarbij is het voor kleine deeltjes vooral van belang dat het stof blijft plakken aan gewassen of de bodem. Maar voor de concentratie in de lucht is het depositieproces niet van groot belang en is voor PM10 daarom te verwaarlozen.

Naar mate de deeltjes groter zijn, gaat de valsnelheid een steeds belangrijkere rol spelen. In principe is dit in het NNM opgenomen tot deeltjes van ongeveer 30 µm. Daar voorbij is de valsnelheid zo belangrijk dat een pluim waarschijnlijk horizontaal met de wind meewaait: de pluimas daalt dan zo snel dat dit de concentraties op leefniveau merkbaar gaat beïnvloeden.

Natte depositie bestaat uit twee processen, het uitregenen en het uitwassen. Het uitregenen vindt plaats in een regenwolk en het uitwassen onder een regenwolk[4]. Beide processen hangen af van de diffusiecoëfficiënt van het gas of de grootteverdeling van het stof. Het uitwassen is van belang dicht bij de bron, het uitregenen wat verder weg van de bron. Voor hoge bronnen is uitregenen relatief van groter belang dan voor lage bronnen.

Voor zowel droge als natte depositie brengt het model een afname van de concentratie in de pluim in rekening. Doorgaans is de droge depositie het sterkst. Natte depositie is vooral op grotere afstanden belangrijk.

[1] Het Nieuwe Nationaal Model, verslag van het onderzoek van de projectgroep revisie Nationaal Model, InfoMil, 1998

[2] Hans Erbrink, Turbulent Diffusion from tall Stacks, the use of advanced boundary-layer meteorological parameters in the gaussian model "Stacks", PhD thesis Vrije Universiteit Amsterdam, 1995

[3] Het Nieuwe Nationaal Model, verslag van het onderzoek van de projectgroep revisie Nationaal Model, InfoMil, 1998, p. 97

[4] Het Nieuwe Nationaal Model, verslag van het onderzoek van de projectgroep revisie Nationaal Model, InfoMil, 1998, p. 112