A model for the decay of TKE in the CBL from the time evolution of the length and velocity scales: application in a Eulerian dispersion model

हर दिन, पृथ्वी की सतह के सबसे करीब की हवा सूरज द्वारा निर्धारित एक लय में सांस लेती है। सुबह के समय, जैसे ही सूर्य का प्रकाश जमीन पर पड़ता है, हवा गर्म होने लगती है और उथल-पुथल (churn) करने लगती है। यह उथल-पुथल एक अशांत, मिश्रित हवा की परत बनाती है जिसे संवेक्टिव बाउंड्री लेयर (convective boundary layer) कहा जाता है। इसे दिन की गर्मी से उबलते हुए सूप के एक विशाल, अदृश्य बर्तन के रूप में सोचें, जहाँ गर्मी, नमी और प्रदूषक लगातार इधर-उधर फेंके और फैलाए जाते हैं। यह मिश्रण बहुत जोरदार और कुशल होता है, जो जमीन से लेकर एक निश्चित ऊंचाई तक हवा को अच्छी तरह से मिश्रित रखता है। लेकिन जैसे ही सूरज ढलना शुरू होता है, गर्मी का स्रोत कम होने लगता है। उथल-पुथल धीमी हो जाती है, बर्तन उबलना बंद कर देता है, और हवा स्थिर होने लगती है। एक अराजक, अच्छी तरह से मिश्रित अवस्था से एक शांत, स्तरित अवस्था में यह संक्रमण वायुमंडल के लिए एक महत्वपूर्ण क्षण है। यह वह समय है जब हवा की पदार्थों को पतला करने और परिवहन करने की क्षमता नाटकीय रूप से बदल जाती है, एक ऐसा बदलाव जो सीधे तौर पर इस बात को प्रभावित करता है कि किसी कारखाने का धुआं या शहर की सड़क से निकलने वाले धुएं कैसे आसमान में यात्रा करते हैं और अंततः नीचे रहने वाले लोगों तक पहुँचते हैं।

यह समझना कि हवा वास्तव में कैसे स्थिर होती है, केवल अकादमिक जिज्ञासा का विषय नहीं है; यह वायु गुणवत्ता का पूर्वानुमान लगाने के लिए एक व्यावहारिक आवश्यकता है। जब सूरज डूबता है, तो वे अशांत भंवर (turbulent eddies) जो कभी हवा को गतिमान रखते थे, अपनी ऊर्जा खो देते हैं। हालाँकि, वे तुरंत गायब नहीं होते हैं। जमीन के पास बन रहे नए स्थिर स्तर के ऊपर हवा की एक परत रहती है, जिसे रेसिडुअल लेयर (residual layer) कहा जाता है। इस रेसिडुअल लेयर में, दिन की उथल-पुथल के अवशेषों का घूमना जारी रहता है, लेकिन वे धीरे-धीरे समाप्त हो रहे होते हैं। यदि कोई प्रदूषक इस मरती हुई परत में छोड़ा जाता है, तो उसका भाग्य पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि उथल-पुथल कितनी जल्दी कम होती है और हवा लंबवत (vertically) कैसे चलती है। यदि उथल-पुथल बहुत तेजी से खत्म हो जाती है, तो प्रदूषक हवा की एक पतली, केंद्रित पट्टी में फंस सकता है, जो बिना फैले बहुत दूर तक यात्रा करेगा। यदि यह बनी रहती है, तो प्रदूषक आगे भी मिश्रित और पतला होता रहेगा। दशकों से, वैज्ञानिक वायुमंडल के इन प्रक्रियाओं को सिम्युलेट करने के लिए जटिल गणितीय मॉडलों का उपयोग करते आए हैं, जो अक्सर हवा की ऊर्जा को ट्रैक करने के लिए कठिन समीकरणों को हल करने वाली भारी गणनाओं पर निर्भर करते हैं। ये मॉडल शक्तिशाली हैं, लेकिन ये गणनात्मक रूप से महंगे हैं और वास्तविक समय के वायु गुणवत्ता पूर्वानुमानों के लिए इन्हें तेजी से चलाना कठिन है।

ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस क्षय (decay) को समझने के लिए एक सरल, अधिक सीधा तरीका प्रस्तावित किया है। हवा के हर छोटे भंवर को नियंत्रित करने वाले जटिल, निरंतर बदलते समीकरणों को हल करने के बजाय, उन्होंने बड़े चित्र पर ध्यान केंद्रित किया: वायु परत का आकार और उसकी गति। उन्होंने महसूस किया कि जैसे-जैसे सूरज ढलता है और सतह का हीट फ्लक्स (सतह से उठने वाली गर्मी की मात्रा) कम होता है, मिश्रित परत की ऊंचाई सिकुड़ जाती है और उठती हुई हवा की धाराओं की गति एक अनुमानित तरीके से धीमी हो जाती है। इन दो मुख्य विशेषताओं—परत की ऊंचाई और हवा की गति—को समय के साथ बदलते हुए ट्रैक करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा मॉडल बनाया जो पारंपरिक तरीकों में उपयोग किए जाने वाले भारी डिफरेंशियल समीकरणों को हल करने की आवश्यकता के बिना, अशांत ऊर्जा के क्षय का वर्णन करता है। यह नदी की हर एक बूंद की गणना करने के बजाय, केवल नदी की चौड़ाई और प्रवाह की गति को मापने जैसा है ताकि यह समझा जा सके कि वह कैसे व्यवहार करती है।

शोधकर्ताओं ने स्थापित, जटिल मॉडलों और वायुमंडल के बड़े कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त डेटा के साथ अपने नए दृष्टिकोण का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि उनका सरल तरीका उल्लेखनीय सटीकता के साथ अशांत ऊर्जा के व्यवहार को पुनरुत्पादित करता है। उन परिदृश्यों में, जहाँ हवा की गति मुख्य रूप से जमीन से उठने वाली गर्मी द्वारा संचालित थी, उनका मॉडल जटिल सिमुलेशन के लगभग समान परिणाम देता है। नया मॉडल सही ढंग से भविष्यवाणी करता है कि सतह के हीट फ्लक्स के शून्य होने पर हवा के भंवरों की ऊर्जा कैसे समाप्त होगी। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने उथल-पुथल के घटने की इस नई समझ का उपयोग "एडी डिफ्यूज़िविटीज़" (eddy diffusities) की गणना करने के लिए किया। सरल शब्दों में, यह इस बात का माप है कि हवा किसी पदार्थ को कितनी आसानी से मिश्रित और फैला सकती है। उनका मॉडल मिश्रण के इन मानों को उत्पन्न करता है जो समय और ऊंचाई दोनों के साथ बदलते हैं, जो इस वास्तविकता को पकड़ता है कि सूरज ढलने पर परत के ऊपरी हिस्से की हवा निचले हिस्से की तुलना में अलग व्यवहार करती है।

यह देखने के लिए कि वास्तविक दुनिया के प्रदूषण के लिए यह कितना मायने रखता है, टीम ने अपने नए मिश्रण मानों को एक कंप्यूटर मॉडल में डाला जो प्रदूषकों के बादल के हवा में घूमने का अनुकरण करता है। उन्होंने दो अलग-अलग परीक्षण मामले चलाए। पहले मामले में, जहाँ हवा की गति मुख्य रूप से गर्मी द्वारा संचालित थी, उनके नए मॉडल और पुराने, ऊंचाई-स्वतंत्र मॉडलों ने बहुत समान परिणाम दिए। दोनों ने दिखाया कि जैसे-जैसे सूरज ढलता है, प्रदूषक शुरू में अच्छी तरह से मिश्रित होता है, लेकिन एक बार जब जमीन के पास की स्थिर वायु परत इतनी ऊँची हो जाती है कि वह स्रोत को निगल ले, तो प्रदूषक एक पतली, ऊँची पट्टी बनाता है जो जमीन को छुए बिना बहुत दूर तक यात्रा करता है। हालाँकि, दूसरे परीक्षण मामले ने एक महत्वपूर्ण अंतर प्रकट किया। इस परिदृश्य में तेज हवाएं शामिल थीं, जो यांत्रिक बल जोड़ती हैं, जिससे हवा में उथल-पुथल बनी रहती है भले ही गर्मी कम हो जाए। इस हवादार, 'शीयर' (sheared) वातावरण में, पुराने मॉडल, जो यह मानकर चलते थे कि मिश्रण की क्षमता सभी ऊंचाइयों पर समान है, प्रदूषक के प्रसार को काफी कम आंकते थे। उन्होंने भविष्यवाणी की कि प्रदूषक बहुत अधिक केंद्रित रहेगा। नया मॉडल, जो यह ध्यान में रखता है कि हवा की ऊंचाई और हवा के 'शीयर' के कारण उथल-पुथल लंबे समय तक जीवित रहती है, यह दिखाता है कि प्रदूषक वास्तव में कहीं अधिक फैल जाएगा।

इन निष्कर्षों से पता चलता है कि वायु गुणवत्ता के पूर्वानुमानों के लिए, विशेष रूप से हवा वाले मौसम में, मिश्रण की ऊंचाई समय के साथ होने जितनी ही महत्वपूर्ण है। पुराने, सरल मॉडल जो पूरे स्तर को समान मिश्रण क्षमता वाला मानते थे, वे तब चूक सकते हैं जब हवा के यांत्रिक बल (mechanical forces) मजबूत हों। नया दृष्टिकोण, उथल-पुथल के क्षय को हवा की परत की बदलती ऊंचाई और गति से स्पष्ट रूप से जोड़कर, सूर्यास्त के दौरान प्रदूषकों के व्यवहार की अधिक सटीक तस्वीर पेश करता है। यह सबसे जटिल समीकरणों के भारी गणनात्मक बोझ के बिना, घटती हुई संवेक्टिव लेयर की जटिल भौतिकी को पकड़ने का एक तरीका प्रदान करता है। पूर्वानुमानकर्ताओं और पर्यावरण योजनाकारों के लिए, इसका अर्थ एक ऐसा उपकरण है जो उपयोग में सरल और भविष्यवाणियों में अधिक सटीक है, विशेष रूप से जब हवा चल रही हो और सूरज ढल रहा हो, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सार्वजनिक स्वास्थ्य की रक्षा के लिए उपयोग किए जाने वाले मॉडल वायुमंडल की वास्तविक, गतिशील प्रकृति को दर्शाते हैं।