Wstęp do Fizyki Środowiska

1. Wstęp do Fizyki Środowiska dr Konrad Bajer Wydział Fizyki Instytut Geofizyki Zakład Fizyki Atmosfery e-mail: kbajer@fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/fs www.igf.fuw.edu.pl Semestr letni 2005/2006Środa godz. 15:15-17:00ul. Pasteura 7sala 109Egzamin pisemny

2. Plan wykładu • Podstawy mechaniki płynów • Przepływy w ośrodkach porowatych • Przepływy wód podziemnych • Przepływy wody w glebie • Mieszanie w przepływach turbulentnych • Dyfuzja i dyspersja • Konwekcja • Transport makroskopowych drobin w płynących cieczach i gazach • Elementy chemii atmosfery • Mechanika górskich zboczy • Fizyka koron drzew Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

3. Literatura • B. Cushman-Roisin, Environmetal Fluid Mechanics, Wiley, 2005. • E. Boeker, R. van Grondelle, Fizyka .środowiska, PWN 2002. • E. Boeker, R. van Grondelle, Environmental Science, Wiley 2001. • D. J. Jacob, Introduction to Atmospheric Chemistry, Princeton 1999. Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

4. Pojęcie obszaru kontrolnego (control volume) • Wyróżniamy pewien obszar, którego granice są albo fizyczne, albo wyobrażone i dla tego obszaru sporządzamy bilans tych wielkości, których transport nas interesuje i o których wiemy z fizyki, że podlegają prawom zachowania: - masa - pęd - energia - moment pędu (mniej przydatny) • Oddzielny bilans tych wielkości dla poszczególnych składników, np.: - woda w rzece unosi piasek – oddzielny bilans masy i pędu dla wody i piasku - powietrze unosi aerozol – oddzielny bilans masy i pędu dla powietrza i drobin aerozolu • Równania reakcji wiążą bilanse różnych składników - przemiany fazowe - reakcje chemiczne Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

5. Obszar kontrolny u wylotu komina Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

6. Obszar kontrolny w korycie rzeki Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

7. Obszar kontrolny w powietrzu nad miastem Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

8. Jezioro jako obszar kontrolny Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

9. Pojęcie strumienia Strumień dowolnej wielkości fizycznej, np. - masy - pędu - energii - drobin zawiesiny - rozpuszczonego chemikaliumzwiązany z jakimś procesem transportu, np. - unoszenie - przemiana fazowa jest zdefiniowany jako: • unoszenie (przepływ) – po jednej stronie powierzchni przybywa tyle samo ile po drugiej stronie ubywa (masy, pędu, etc. – strumienie są ciągłe) • przemiana fazowa (np. parowanie) po jednej stronie ubywa woda, po drugiej przybywa gaz (strumienie wody, pary energii są nieciągłe, masy jest ciągły) Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

10. Strumień adwekcyjny (adwekcja – unoszenie) = = = Koncentracja W obszarze na tyle małym, że i są w przybliżeniu jednorodne ciecze płyny gazy gęstość strumienia wpływającego Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

11. Bilans adwekcji Zakładając, że: • ścianki są płaskie, czyli jest stałe na ściance • oraz są stałe na ściance (w przybliżeniu spełnione, gdy ścianka jest dostatecznie mała w porównaniu ze skalą przestrzennej zmienności i ) • Jeśli obszar kontrolny jest duży w porównaniu z przestrzenną skalą zmienności i , to jego brzeg trzeba podzielić na wiele małych ścianek Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

12. Równanie bilansu W granicy - objętość obszaru kontrolnego • Zwykle używa się obszarów kontrolnych niezmiennych w czasie. Wtedy: Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

13. Równanie bilansu • Wewnątrz obszaru kontrolnego mogą istnieć źródła dodatnie lub ujemne (odpływy) wielkości, której bilans obliczamy. Na przykład w rzece lub w morzu może być koniec rury odprowadzającej ścieki. Taki koniec rury traktujemy jak punktowe źródło: • masy ścieków • pędu (jeśli ścieki tłoczone są pod ciśnieniem) Gdy jest skończona liczba ścianek, na których i są jednorodne, a źródła (odpływy) są punktowe W ogólnym przypadku(dla obszaru niezmiennego w czasie) Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

14. Zachowanie masy Jeśli wielkością, której bilans rozważamy jest masa (całkowita), to: Źródła masy rozważamy tylkow wyjątkowych przypadkach Koniec rury ściekowej jest w zasadzie „źródłem” masyW bilansie masy jednak ścieki są zwykle mało istotne.Zasadniczo ważne są w bilansie zanieczyszczeń. www.valt.helsinki.fi/projects/enviro/cities/kie/kie_envi.htm Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

15. Strumień masy i strumień objętości Strumień masy wpływający przez powierzchnię zamkniętą Strumień objętości wpływający przez powierzchnię zamkniętą Jeżeli gęstość jest jednorodna (przynajmniej na powierzchni ), to W ogólnym przypadku jednak tak być nie musi Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

16. Nieściśliwość Jeżeli dla każdego obszaru kontrolnego, który nie zawiera źródeł (odpływów)strumień objętości jest równy zeru: to mówimy, że przepływ jest nieściśliwy • Większość przepływów, z którymi mamy do czynienia w fizyce środowiska to są przepływy nieściśliwe Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

17. Bilans wodny jeziora Nassera Długość: 550 kmSzerokość max: 35 km Powierzchnia: 5 250 km2Pojemność: 157 km3 Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

18. Bilans wodny jeziora Nassera Średni roczny przepływ wody w Nilu: Powyżej Abu Simbel Qin = 87 km3 Poniżej tamy Assuańskiej Qout = 74 km3Powierzchnia jeziora: A = 5 250 km2 Jeżeli założymy, że woda nie wsiąka w podłoże, to możemy obliczyćtempo parowania na jednostkę powierzchni jeziora: Równanie bilansu: - tempo parowania (evaporation rate) Strumienie „in” i „out” są nie są podawane jako iloczyny pola powierzchni i prędkości,bo prędkość jest bardzo niejednorodna na przekrojach poprzecznych rzek, a wartościQin i Qout są obliczane ze skomplikowanych modeli hydrologicznych Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów

19. Pytania i zadania • W pionowej kapilarze wypełnionej wodą przesuwają się w górę pęcherzyki powietrza Narysuj wykres całkowitej masy zawartej w obszarze kontrolnym w funkcji czasu Narysuj strumień masy i strumień objętości przez górną powierzchnie obszaru kontrolnego w funkcji czasu woda powietrze Odtwórz film aby zobaczyć ruch pęcherzyków Wstęp do Fizyki Środowiska - Podstawy mechaniki płynów