Role turbulence při odvětrávání zplodin z městských ulic

Předpověď šíření polutantů (znečišťujících a škodlivých látek) v městském prostředí je pro vědce výzvou. Hlavní problém spočívá ve správné předpovědi turbulentního proudění vzduchu, které je v prostředí městských ulic a křižovatek složitější než nad rovným terénem. Nabíhající vítr řízený frontálními systémy je již ve své podstatě vysoce turbulentní a jeho interakce s budovami měst turbulenci ještě dále zvyšuje. Tím se zvyšuje i složitost předpovědi. Obecné řešení turbulentního proudění nestlačitelné tekutiny, za jakou je považován i atmosférický vzduch v blízkosti zemského povrchu, není doposud známo, a zůstává tak nevyřešeným matematickým problémem milénia. Předpověď šíření nebezpečné látky pro jediný simulovaný případ (např. pro jeden směr větru) klade vysoké časové nároky i na nejlepší světové superpočítače, kterým numerický výpočet předpovědi trvá i několik dnů. V případě náhlého úniku nebezpečné látky v důsledku havárie nebo teroristického útoku je však třeba předpovědět šíření v řádu desítek minut.

V Laboratoři aerodynamiky prostředí v Novém Kníně studujeme šíření polutantů ve městech. Řízené experimenty v aerodynamickém tunelu nám umožňují podrobně zkoumat ventilaci tzv. uličních kaňonů ve zmenšeném měřítku. Jak už název napovídá, uliční kaňon je ulice, která je z obou stran ohraničena dostatečně vysokými budovami. Pokud vítr fouká kolmo na podélnou osu kaňonu, tvoří budovy významnou překážku ventilaci zplodin, např. z automobilové dopravy. Uvnitř kaňonu zpravidla vzniká svislý vzdušný vír, který cirkuluje zplodiny mezi jeho návětrnou a závětrnou stranou, a jen v určitých momentech je odvětráván vzhůru nad střechy budov (viz video). Na první pohled se může zdát, že tento princip odvětrávání je velmi nahodilý a těžko předvídatelný. Náš tým však prokázal, že v tomto zdánlivém chaotickém proudění vznikají opakující se uspořádané struktury, které zásadně přispívají k odvětrávání zplodin z ulic měst. Počet těchto struktur, respektive jejich frekvence výskytu, je ovlivněn zejména tvarem a výškou střech. Například u sedlových střech dochází k častějšímu výskytu těchto struktur, a tedy k rychlejšímu odvětrání zplodin než u střech rovných.

Využití tohoto poznatku napomůže k snadnější, a tedy i rychlejší předpovědi šíření nebezpečných látek v ulicích měst, což může přispět k rychlejší a účinnější reakci záchranných složek. Tento poznatek lze využít také ke zvýšení kvality ovzduší ve městech, a  to jak u stávající, tak u plánované zástavby.

Kontakt: Ing. Štěpán Nosek, Ph.D.