4.4 Meteorologie en verspreiding

Inleiding

Om de verspreidingstheorie te kunnen begrijpen is een korte inleiding in enkele meteorologische begrippen nodig. Deze inleiding heeft alleen betrekking op de processen die van belang zijn voor de werking van het NNM.

Grenslaag

De processen in de planetaire grenslaag of kortweg grenslaag beheersen voor een groot deel de verspreiding tot op enkele tientallen kilometers afstand van de bron. De grenslaag is de laag die grenst aan het aardoppervlak. Het aardoppervlak beïnvloedt wind en temperatuur (binnen een tijdschaal van een uur). Omdat het aardoppervlak door thermische uitwisseling en ruwheid de menging bevordert, spreekt men ook wel van menglaag. Het aardoppervlak vormt de ondergrens van deze laag en de menglaaghoogte is de bovengrens.

De menglaaghoogte vormt een scheiding tussen twee lagen van de atmosfeer, de menglaag en de vrije atmosfeer, waartussen weinig uitwisseling plaatsvindt.

De menglaaghoogte kent een dagelijkse gang. De menglaag reikt overdag:

• bij bewolking tot 500 meter
• bij veel zon tot 2000 meter

's Nachts kan bij afkoeling van het aardoppervlak een ondiepere nachtelijke grenslaag met een hoogte tussen 50 en 200 meter ontstaan. Daarboven bevindt zich dan nog het deel van de menglaag van overdag die wordt aangeduid als de residulaag.

Bronnen met een grote effectieve hoogte zullen daarom, afhankelijk van het uur van de dag, soms boven de menglaaghoogte kunnen emitteren. Geëmitteerde stoffen blijven dan boven de menglaag en bereiken het aardoppervlak dan vaak niet. Stoffen die boven de menglaaghoogte zijn uitgestoten (bijvoorbeeld in de nacht) blijven in de residulaag. De stoffen kunnen eventueel weer binnen de menglaag komen als overdag de menglaaghoogte stijgt. Als de pluim terugvalt, is sprake van fumigatie. [1]

Vanwege deze verschijnselen is het van belang dat bronnen die slechts een gedeelte van de dag uitstoten op de juiste uren van de dag in het model zijn opgegeven (zie ook deel II hoofdstuk 3).

Turbulentie

Turbulentie bestaat uit willekeurige fluctuaties in windrichting en snelheid met een maximale tijdschaal van een kwartier door wervels. De turbulentie zorgt voor zowel horizontale als verticale verspreiding van luchtverontreiniging.

Turbulentie ontstaat door twee mechanismen:
1. convectie, is het ontstaan van stijgende warme luchtbellen door verwarming van het aardoppervlak;
2. wrijving, van de wind aan het aardoppervlak en obstakels.

De verwarming van het aardoppervlak vindt overdag plaats door de zonne-instraling. Vooral als er weinig bewolking is en als de zon hoog staat. Dit laatste is afhankelijk van de tijd op de dag en van het seizoen. Daarom is het bij bronnen die slechts een gedeelte van het jaar emitteren van belang dat de juiste periode van het jaar is opgegeven (zie ook deel II hoofdstuk 3). De wrijving aan het oppervlak komt terug in de wrijvingssnelheid. Deze is hoger door een hoge windsnelheid en door een hoge terreinruwheid (zie ook deel II hoofdstuk 2).

Het model kan de afzonderlijke wervels kunnen niet berekenen. Wel kan het het effect van het geheel aan turbulentie op de verspreiding beschrijven door statistische methoden. In het NNM is hiervoor de statistische benadering van het Gaussisch pluimmodel gekozen.

Stabiliteit van de atmosfeer

De stabiliteit van de atmosfeer drukt uit in welke mate de atmosfeer het ontstaan van turbulentie stimuleert of onderdrukt. In het NNM zijn drie termen onderscheiden: stabiel, neutraal en onstabiel. Het effect van de stabiliteit van de atmosfeer op de verspreiding is te zien in Figuur 4.2. Vooral 's avonds en 's nachts is er sprake van een stabiele grenslaag. Een stabiele grenslaag vereist een sterke remming van de turbulentie, waardoor de verspreiding van luchtverontreiniging minder goed plaatsvindt.

Situaties die turbulentie bevorderen, leiden tot een onstabiele grenslaag, waardoor de verspreiding van luchtverontreiniging beter plaatsvindt. De onstabiele grenslaag ontstaat bij veel zon en weinig wind. De neutrale grenslaag neemt rond verspreiding van luchtverontreiniging een tussenpositie in. Bij bewolking en wind kan er sprake zijn van een neutrale grenslaag.

Menglaaghoogte als inversie

Een kenmerkende parameter voor de stabiliteit is het verloop van de temperatuur met de hoogte. In het algemeen daalt de temperatuur met de hoogte. In een statisch neutrale grenslaag neemt de temperatuur van de lucht af met de hoogte met ongeveer 0,01 °C·m^-1. Dit wordt de adiabatische temperatuurgradiënt genoemd. In figuur 4.2 is de temperatuur uitgezet tegen de hoogte bij verschillende stabiliteitsklassen. Bij een kleinere daling dan 0,01 °C·m^-1 of zelfs een stijging is de grenslaag statisch stabiel, bij een grotere daling statisch onstabiel. Als de potentiële temperatuur (d.w.z. adiabatisch gecorrigeerd voor hoogte verschillen) met de hoogte toeneemt, spreekt men van een inversie. Verticale bewegingen in deze laag worden sterk onderdrukt.

Inversies zorgen voor de begrenzing van de menglaag aan de bovenzijde. Daardoor vindt er zo weinig uitwisseling tussen de boven- en onderliggende laag plaats. In de loop van de dag, naarmate er meer warme luchtbellen opstijgen door het opwarmen van het aardoppervlak, komt deze inversie op steeds grotere hoogte te liggen. Tegen de avond ontstaat er op geringe hoogte weer een nieuwe inversie door afkoeling aan de bodem. In het NNM worden de groei en afname van de menglaag in de loop van de dag berekend op basis van geavanceerde rekenschemas. Het oude Nationaal Model (NM) gebruikte per stabiliteitsklasse een vaste waarde voor de menglaaghoogte.

Figuur 4.2: Voor de verspreiding van emissies afkomstig van schoorstenen is de stabiliteit één van de belangrijkste parameters. (Overgenomen uit KNMI, 1979 [2])

[1] Fumigatie wordt niet meegenomen in het NNM

[2] Luchtverontreiniging en weer, KNMI, 1979