CC BY
8
УДК 551.510.42
DOI: 10.21209/2227-9245-2022-28-4-50-55
МЕТОД ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ И ОПТИМАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ПРОНИКНОВЕНИЯ МОРСКОГО СОЛЕВОГО АЭРОЗОЛЯ В БЕРЕГОВЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ЗОНЫ
METHOD OF DYNAMIC MEASUREMENTS AND OPTIMAL ASSESSMENT OF THE PENETRATION DEGREE OF MARINE SALT AEROSOL INTO COASTAL PRODUCTION ZONES
Точная оценка эмиссии загрязнителей, поступающих с водной поверхности, является чрезвычайно актуальной в исследованиях массообмена между морем и атмосферой. Объектом исследования является коррозионный морской солевой аэрозоль, формируемый под воздействием ветра, в результате диссипации энергии волн при ударе о берег. Предметом исследования является степень распространения морского солевого аэрозоля под воздействием ветра в береговые жилые и промышленные зоны. Цель исследования - определить характер изменения скорости ветра во времени, при котором суммарный измерительный сигнал на выходе мобильного измерителя достиг бы экстремума, т. е. был бы достигнут наиболее достоверный результат измерений. Задача исследования: при сопоставлении растущей и убывающей скоростей ветра определить такую зависимость скорости ветра от текущего времени измерений, при которой результат измерений достиг бы экстремума. Общая задача оценки количества осевшего в береговой зоне коррозионного морского аэрозоля в данном случае сводится к оценке количества текущего неосевшего аэрозоля в воздухе. Предлагаемый метод исследования: для определения степени проникновения морского солевого аэрозоля в жилые и промышленные кварталы предлагается метод динамических измерений, осуществляемый с помощью мобильной лаборатории, оснащенной соответствующей измерительной аппаратурой. Измеритель в точке х определяет аэрозоль, сгенерированный ветром в момент ti. Для оптимального решения задачи используется метод двойного усреднения. Результаты исследования: предложен метод мобильных измерений для определения степени проникновения морского солевого аэрозоля в береговую производственную зону. Решена задача определения характера временного изменения скорости ветра в береговой зоне при известной зависимости количества осевшего морского аэрозоля от расстояния между точкой измерения и морем при условии постоянной скорости передвижения мобильного измерителя
Ключевые слова: морской аэрозоль, береговая зона, оптимизация, коррозия, измерения, скорость ветра, геометрическое усреднение, функционал, коррозийность, оседание аэрозоля
An accurate assessment of the emission of pollutants coming from the water surface is extremely relevant in studies of mass transfer between the sea and the atmosphere. The object of the study is a corrosive marine salt aerosol formed under the influence of wind, as a result of the dissipation of wave energy when hitting the shore. The subject of the study is the extent of the spread of sea salt aerosol under the influence of wind in coastal residential and industrial zones. The purpose of the study is to determine the nature of the change in wind speed over time, at which the total measuring signal at the output of the mobile meter would reach an extreme, i.e. the most reliable measurement result would be achieved. The aim of the study, when comparing the increasing and decreasing wind speeds, to determine such a dependence of wind speed on the current measurement time at which the measurement result would reach an extremum. The general task of estimating the amount of corrosive
X. С. Халилова, Национальная Академия Авиации, г.Баку x.xalilova@mail.ru
Kh. Khalilova, National Academy of Aviation, Baku
© X. С. Халилова, 2022
50
sea aerosol deposited in the coastal zone in this case is to estimate the amount of the current unsettled aerosol in the air. The proposed research method is to determine the penetration degree of sea salt aerosol into residential and industrial quarters, a dynamic measurement method is proposed, carried out using a mobile laboratory equipped with appropriate measuring equipment. The meter at point xi measures the aerosol generated by the wind at moment ti . For the optimal solution of the problem, the double averaging method is used. As a result a mobile measurement method is proposed to determine the degree of penetration of marine salt aerosol into the coastal production zone. The problem of determining the nature of the temporary change in wind speed in the coastal zone is solved with a known dependence of the amount of settled sea aerosol on the distance between the measuring point and the sea under the condition of a constant speed of movement of the mobile meter
Key words: marine aerosol, coastal zone, optimization, corrosion, measurements, wind speed, geometric averaging, functional, corrosion, aerosol settling
Б ведение. Одним из актуальных вопросов в исследовании массообмена между морем и атмосферой, в частности для оценки эмиссии загрязнителей, поступающих с водной поверхности, является точная оценка потока аэрозоля, возникающего в береговых водах. Согласно [11], поток аэрозоля в береговых зонах намного больше, чем в открытых морских пространствах, что, в частности, объясняется диссипацией волновой энергии в береговых зонах при ударе волн о берег Как отмечается в работе [12], процесс диссипации волновой энергии в береговых зонах существенно зависит от показателей движения волн, а также батиметрических особенностей рельефа береговой зоны моря. Согласно работе [3], поток аэрозоля, генерируемого в береговых зонах, пропорционален третьей степени скорости ветра, в то время как скорость оседания линейно зависит от скорости ветра.
Актуальность исследования. Изучение процессов возникновения и распространения морского аэрозоля имеет важное практическое значение, заключающееся в том, что углеродистая сталь, широко используемая в различных промышленных и строительных конструкциях, находящихся в береговых зонах, под воздействием морского солевого аэрозоля подвергается коррозии. Коррозий-ность морского аэрозоля объясняется наличием в составе потока морского аэрозоля хло-ридного и сернистого аэрозоля [4-9; 13; 14]. Известно, что хлоридный аэрозоль является основным агрессивным агентом процесса атмосферной коррозии железобетонных конструкций, а также углеродистых и гальванизированных стальных конструкций [3].
Объектом исследования является морской солевой аэрозоль, обладающий свойством коррозионности, формируемый под
воздействием ветра в результате диссипации энергии волн.
Предметом исследований является определение степени распространения морского солевого аэрозоля под воздействием ветра в береговые жилые и промышленные зоны. На степень оседания хлористого солевого аэрозоля в прибрежных урбанизированных зонах влияют как метеорологические, так и геометрические факторы расположения места проводимых измерений.
Цель исследования: определить характер изменения скорости ветра во времени, при котором суммарный измерительный сигнал на выходе мобильного измерителя достиг бы экстремума, т. е. был бы достигнут наиболее достоверный результат измерений.
Задача исследования заключается в следующем: при сопоставлении растущей и убывающей скоростей ветра определить такую зависимость скорости ветра от текущего времени измерений, при которой результат измерений достиг бы экстремума.
Общая задача оценки количества осевшего в береговой зоне коррозионного морского аэрозоля в данном случае сводится к оценке количества текущего неосевшего аэрозоля в воздухе, т. к. оценка количества уже осевших на поверхность аэрозольных частиц в условиях мобильно проводимого эксперимента не представляется возможной.
Разработанность темы. Основными метеорологическими факторами, влияющими на количество осевщего солевого аэрозоля, являются скорость ветра, относительная влажность, температура воздуха. Геометрическими факторами являются расстояние от береговой линии до места проведения измерений и эффект экранирования, вызванный
наличием здании и сооружении на указанной дистанции. Так, например, согласно работе [12], существует логарифмическая зависимость между скоростью ветра и концентрацией аэрозоля:
log- - Л" = -х ■ U - .5, (1)
где U - скорость ветра;
N - концентрация аэрозоля; а - коэффициент корреляции; в - показатель, характеризующий концентрацию аэрозоля при нулевой скорости ветра.
Наиболее полная характеристика зависимости количества сгенерированного морского солевого аэрозоля от метеофакторов дана в работе [3]. Согласно [3], существует следующая многофакторная регрессионная зависимость между степенью оседания хлористого солевого аэрозоля (А) и метеофакторами:
= ■:; - oRH di:, (2)
где a, b, c, d = const для исследуемоИ точки на береговои территории;
HR - относительная влажность;
Т - температура воздуха.
Согласно [3], зависимость количества оседавшего солевого морского аэрозоля от дистанции до места проведения измерении имеет экспоненциальный характер
а)
Al = С1 ' е
(3)
где ct, c2 = const;
x - расстояние до места проведения измерении в урбанизированной зоне.
Соответствующие экспериментальные кривые результатов измерении на западном и восточном побережье Кубы приведены на рис. 1a, b [3].
В работе[3] приводится экспоненциальная зависимость количества осевшего аэрозоля от скорости ветра в виде
(4)
const. При этом подразумевается, что ветер дует от моря к берегу.
Предлагаемый метод. Для определения степени проникновения морского солевого аэрозоля в жилые и промышленные кварталы предлагается метод динамических измерении, осуществляемыи с помощью мобильнои лаборатории, оснащеннои соответствующеи измерительнои аппара-турои.
А2= с3-, где c3, c4
b)
I MOJM,!
Рис. 1 a, b Графики зависимости количества осевшего
морского аэрозоля от расстояния до берега: (a) в западной зоне; (b) - в восточной зоне [3] / Fig. 1. Graphics of dependence of quantity of precipitated marine aerosol on distance to coast line: (a) in western zone; (b) in eastern zone
Рис. 2. Схема реализации динамического метода
измерения степени проникновения морского солевого аэрозоля в воздух береговых территорий: 1 - море; 2 - береговая зона; 3 - мобильный измеритель аэрозоля; ti - моменты измерения вдоль оси х от моря/ Fig. 2. Chart diagram of dynamic method for measurements of level of marine salt aerosol intrusion into air of coastal
territories. Used numbers mean: 1 - sea; 2 - coastal zone; mobile aerosol measuring device; ti - moments of measurements along axis x
Измерения проводятся на равностоящих дискретных временных и пространственных точках с помощью мобильной лаборатории, передвигающейся с постоянной скоростью, равной отношению пространственной дискреты к временной дискрете. Считаем, что за временной промежуток At = ti - tM (At = const) аэрозоль, сгенерированный ветром, в момент tM успевает оседать в береговой зоне и по прибытии мобильного измерителя в точку xi в воздухе присутствует аэрозоль, сгенерированный ветром, имеющим скорость U(ti). При этом, имеется в виду, что скорость передвижения измерителя достаточно низкая, что обеспечивает оседание аэрозолей за период At, а скорость ветра достаточно высокая, чтобы успеть привнести сгенерированный аэрозоль в точку измерений. Таким образом, измеритель в точке xi измеряет аэрозоль, сгенерированный ветром в момент ti.
Для решения изложенной задачи воспользуемся методом двойного усреднения, предложенного в [13]. Согласно этому методу, данная задача может быть решена в следующей последовательности:
1) вычисление геометрического среднего А1 и А2;
2) введение функции связи, а также определенного интегрального ограничительного условия на эту функцию
Осуществим усреднение л
ср
U = f(x),
(5)
определяющую в данном случае связь между скоростью ветра и координатами точек измерений в дискретные моменты времени;
3) вычисление определенного интеграла произведения А1-А2 в пределах (0-хтах);
4) составление и решение задачи Ла-гранжа для определения оптимальной функции И = /(*),., ПРИ которой общее измеренное количество осевшего на указанной дистанции морского солевого аэрозоля достигает экстремальной величины.
Вычисление геометрического средного А1 и А2 с учетом (3) и (4) осуществим как
с'^угл - (С,
(6)
где f± + у2 = 1.
Введем функцию связи (5), а также огра ничительное условие
I.' f\x':dx = С-; С- = sc^sr,
где х - максимальное значение х.
^ тах
(7)
= -"--■ d. (8)
xmax
С учетом (7) и (8) составим задачу Лагранжа Введем следующие обозначения:
к, =
Ш1 ■ ГУ* '-З .
Ч- = (10)
.
С учетом (10) выражение (9) запишем как
(11)
Оптимальная функция fix\im, согласно [14], должна удовлетворить условию
Гх^дг к«/:.*)!
.
dfbc)
Из (12) получим
Из (13) получим
о[гт
w / КЗ
(12)
(13)
(14)
Таким образом, при решении (14) целевой функционал (11) достигает экстремума. При этом, вторая производная интегранта в (11) является положительной величиной, что указывает на то, что этот экстремум является минимумом.
Определим значение множителя Лагранжа. Из выражения (14) находим
(15)
С учетом (14) и (15) получим
(16)
Физический смысл (16) означает, что при проведении многоточечных динамических измерений, передвигаясь от моря вглубь урбанизированной территории с равными геометрическими и временными шагами Дх и Дt, суммарный результат измерений аэрозоля в воздухе достигнет минимума при изменении
скорости ветра по выражению (16). Следовательно, эвристически ясно, что для достижения максимального сигнала на выходе мобильного измерителя измерения должны быть выполнены в период, когда скорость ветра не убывает, а нарастает во времени.
Заключение. Для определения степени проникновения морского солевого аэрозоля в урбанизированную зону в зависимости от скорости ветра предложен метод динамических измерений с помощью передвижной лаборатории, оснащенной измерительной аппаратурой. Сформулирована задача определения оптимальной временной зависимости скорости ветра в береговой зоне при условии постоянной скорости передвижения мобильного измерителя и при условии полного оседания аэрозоля за время Дt между двумя последовательными измерениями, при которой суммарный результат измере-
Список литературы _
ний достигает экстремума. Дано решение задачи с применением известного метода двойного усреднения и решения вариационной задачи Лагранжа. Отмечено, что предлагаемый метод позволяет определить суммарное количество аэрозоля, осевшего на рассматриваемой дистанции прохождения мобильного измерителя.
Предложенный метод позволяет оценить степень проникновения морского солевого аэрозоля в урбанизированную территорию в зависимости от скорости ветра. Чтобы определить суммарное количество осевшего на рассмотренной дистанции аэрозоля за временной промежуток п-Д^ где п-количе-ство точек измерений, достаточно интегрировать выражения (8) по г, подставив х — V где V - скорость передвижения мобильного измерителя.
1. Джавадов Н. Г., Асадов X. Г., Казымлы Р. В. Метод двойного усреднения для минимизации неопределённости результатов измерении парниковых газов в наземных распределённых сетях атмосферных измерении // Метрология. 2020. № 2. С. 19-30. DOI: 10.32446/0132-4713.2020-2-19-30.
2. Эльсгольц Л. Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1974. 473 с.
3. Castaneda A., Corvo F., Howland J., Marrero R. Penetration of marine aerosol in a tropical coastal city: Havana // Atmosfera. 2018. 31(1). P. 87-104. D0I:10.20937/ATM.2018.31.01.06.
4. Cole I. S., Panterson D. A., Ganther W. D. Holistic model for atmospheric corrosion. Part I.Theoretical framework for production, transportation and deposition of marine salts // Corrosion Engineering Science and Technology. 2003. No. 38. P. 129-134. DOI: 10.1179/147842203767789203.
5. Cole I. S., Paterson D. A., Ganther W. D., King G. A., Furmanand S. A., Lau D. Holistic model for atmospheric corrosion. Part II. Experimental measurements of deposition of marine salts in a number of lobg range studies // Corrosion Engineering Science and Technology. 2003. No. 38. P. 259-266.
6. Harkel M. J. T. The effects of particle-size distribution and chloride depletion of sea-salt aerosols on estimating atmospheric deposition at a coastal site // Atmospheric Environment. 1997. No. 31. P. 417-427. DOI: 10.1016/S1352-2310(96)00249-X.
7. Meira G., Andrade C., Alonso C., Padaratz I., Borba J. Measurement and modelling of marine salt transportation and deposition in a tropical region in Brazil // Atmospheric Environment. 2006. No. 40. P. 5596-5607. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2006.04.053.
8. Meira G., Andrade C., Alonso C., Padaratz I., Borba J. Salinity of marine aerosols in a Brazilian coastal area-influence of wind regime // Atmospheric Environment. 2007. 41. P. 8431-8441. DOI: 10.1016/j.at-mosenv. 2007.07.004.
9. Mustafa M. A., Yusof K. M. Atmospheric chloride penetration into concrete in semi-tropical marine environment // Cement and concrete research. 1994. Res. 24. P. 661-70. DOI: 10.1016/0008-8846(94)90190-2.
10. Pan Y, Cui S., Rao R. A model for predicting coastal aerosol size distributions in Chinese seas// Earth and Space Science. 7. 2020. https://doi.org/10.1029/2020EA001136.
11. Petelski T., Chomka M. Marine aerosol fluxes in the coastal zone -BAEX experimental data// Oceanologia. 1996. No. 38(4). P. 469-484.
12. Petelski T., Chomka M. Modelling the sea aerosol emission in the coastal zone // Oceanologia. 1997. No. 39(3). P. 211-225.
13. Petelski T., Chomka M. Sea salt emission from the coastal zone // Oceanologia. 2000. No. 42. P. 399-410.
14. Rios-Rojas F. J., Aperador-Rodriguez D., Hernandez Garcia E., Arroyave C. Annual atmospheric corrosion rate and dose-response function for carbon steel in Bogota // Atmosfera. 2017. No. 30. P. 53-61. DOI:10.20937/ATM.2017.30.01.05.
References _
1. Dzhavadov N. G., Asadov Kh. G., Kazymly R. V. Metrologiya (Metrology), 2020, no. 2, pp. 19-30. DOI: 10.32446/0132-4713.2020-2-19-30.
2. Elsgolts L. E. Differentsialnye uravneniya i variatsionnoye ischisleniye (Differential Equations and the Calculus of Variations). Moscow: Science, 1974, 473 p.
3. Castaneda A., Corvo F., Howland J., Marrero R. Atmosfera (Atmosfera), 2018, 31(1), pp. 87-104. D0I:10.20937/ATM.2018.31.01.06.
4. Cole I. S., Panterson D. A., Ganther W. D. Corrosion Engineering Science and Technology (Corrosion Engineering Science and Technology), 2003, no. 38, pp. 129-134. DOI: 10.1179/147842203767789203.
5. Cole I. S., Paterson D. A., Ganther W. D., King G. A., Furmanand S. A., Lau D. Corrosion Engineering Science and Technology (Corrosion Engineering Science and Technology), 2003, no. 38, pp. 259-266.
6. Harkel M. J. T. Atmospheric Environment (Atmospheric Environment), 1997, no. 31, pp. 417-427. DOI: 10.1016/S1352-2310(96)00249-X.
7. Meira G., Andrade C., Alonso C., Padaratz I., Borba J. Atmospheric Environment (Atmospheric Environment), 2006, no. 40, pp. 5596-5607. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2006.04.053.
8. Meira G., Andrade C., Alonso C., Padaratz I., Borba J. Atmospheric Environment (Atmospheric Environment), 2007, 41. pp. 8431-8441. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2007.07.004.
9. Mustafa M. A., Yusof K. M. Cement and concrete research (Cement and concrete research), 1994, Res. 24, pp. 661-70. DOI: 10.1016/0008-8846(94)90190-2.
10. Pan Y, Cui S., Rao R. Earth and Space Science (Earth and Space Science). 2020.7. DOI: https://doi. org/10.1029/2020EA001136.
11. Petelski T., Chomka M. Oceanologia (Oceanologia), 1996, no. 38(4), pp. 469-484.
12. Petelski T., Chomka M. Oceanologia (Oceanologia), 1997, no. 39(3), pp. 211-225.
13. Petelski T., Chomka M. Oceanologia (Oceanologia), 2000, no. 42, pp. 399-410.
14. Rios-Rojas F. J., Aperador-Rodriguez D., Hernandez Garcia E., Arroyave C. Atmosfera (Atmosfera, 2017, no. 30, pp. 53-61. DOI:10.20937/ATM.2017.30.01.05.
Информация об авторе _ Information about the author
ХалиловаХадиджа Сабир гызы, преподаватель Национальной академии авиации, г. Баку, Азербайджанская Республика. Область научных интересов: аэрозольное загрязнение береговых зон x.xalilova@mail.ru
Khalilova Khadizha Sabirgizi, lecturer, National Academy of Aviation, Baku, Republic of Azerbaijan. Research interests: aerosol pollution of coastal zones
Для цитирования_
Халилова X. С. Метод динамических измерений и оптимальной оценки степени проникновения морского солевого аэрозоля в береговые производственные зоны// Вестник Забайкальского государственного университета. 2022. Т. 28, № 4. С. 50-55. DOI: 10.21209/2227-9245-2022-28-4-50-55.
Khalilova Kh. Method of dynamic measurements and optimal assessment of the penetration degree of marine salt aerosol into coastal production zones // Transbaikal State University Journal, 2022, vol. 28, no. 4, pp. 50-55. DOI: 10.21209/2227-92452022-28-4-50-55.
Статья поступила в редакцию: 08.04.2022 г. Статья принята к публикации: 12.04.2022 г.
