Havárie na zkoušku
12. 5. 2010
Jak ochránit okolí místa výbuchu a ušetřit tak životy lidí, kteří žijí v bezprostřední blízkosti? Jaké pohotovostní plány vypracovat pro případ bioteroristického útoku? K těmto strategickým úvahám mohou napomoci modely Aerodynamické laboratoře, která se nachází nedaleko Nového Knína. Na tomto detašovaném pracovišti Ústavu termomechaniky AV ČR se nachází speciální aerodynamický tunel, ve kterém lze modelovat chování atmosféry a látek v ní obsažených. Na příkladu modelu města, ve kterém se nachází potenciálně nebezpečný průmyslový podnik, se zkoumá, jakým způsobem by se v ovzduší šířily chemikálie, pokud by došlo k havárii. Podle toho je pak možné vypracovat vhodný pohotovostní plán. Stejným způsobem se studuje i šíření škodlivin při smogové situaci nebo případném teroristickém útoku, rovněž se numericky modeluje chování požárů.
Přijíždíme do areálu Aerodynamické laboratoře u Nového Knína. Právě tady za chvíli proběhne teroristický útok.
Ale neděste se! Půjde o experiment, který má ukázat, co by se stalo, kdyby nastal útok skutečný. V akci bude použita látka stejných fyzikálních a chemických vlastností, jako má nebezpečný nervový plyn sarin. Není však toxická. Sarin se nechvalně proslavil v roce 1995, kdy ho k útoku v japonském metru použila sekta Óm šinrikjó. Tento experiment provedli vědci z Ústavu termomechaniky už v roce 2006, a to ve spolupráci se Státním ústavem radiační ochrany.
RNDr. Klára Jurčáková, Ph.D., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: Náš úkol spočíval v tom, že jsme modelovali, co by se stalo, kdyby malé množství velice toxického plynu, například sarinu, uniklo na exponovaném místě. Jako exponované místo jsme vybrali Staroměstské náměstí a na něm čtyři různá místa, která jsou zajímavá z hlediska šíření otravné látky po náměstí.
Technici právě instalují model v měřítku 1 ku 270 do speciálního aerodynamického tunelu, který umožňuje simulovat mezní vrstvu atmosféry. Tedy vzdušné proudění ve výšce několik desítek až stovek metrů nad zemským povrchem. Tunel je dlouhý padesát metrů. Na jeho konci je ventilátor, který umožňuje plynulou regulaci otáček. Díky tomu se dá v tunelu dosáhnout rychlosti proudění vzduchu od jednoho do deseti metrů za sekundu.
Než vzduch dorazí k modelu, projde přes několik metrů dlouhý úsek drobných překážek. Ty simulují přirozené překážky, které překonává vítr na zemském povrchu. Ve vzduchu se díky nim tvoří různé víry, které se vzájemně prorůstají. Aby měření odpovídalo skutečnosti, musí souhlasit i všechny proporce modelu – výška a šířka budov, ulic, sklon terénu i vlastnosti povrchu.
RNDr. Klára Jurčáková, Ph.D., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: Abychom správně modelovali proudění v jakékoliv situaci, tak náš model musí splňovat geometrickou podobnost, to znamená – musí být všechny věci, které jsou v reálu na modelu v tom daném měřítku, a potom tzv. dynamickou podobnost.
Dynamická podobnost znamená, že i proudnice kolem předmětů na zemském povrchu jsou ve stejném měřítku, jako ty v reálu. Proto musí být povrchy modelů hrubé a proudění plně turbulentní. Nad modelem je umístěno pojízdné rameno s čidlem, které měří koncentraci látky v libovolném místě.
Výsledky experimentu se porovnávají s numerickými modely, které používají hasiči pro případnou evakuaci. Tyto modely jsou velmi jednoduché – počítá se s rovnoměrným šířením jedovaté látky od zdroje stejnou rychlostí na všechny strany. To sice dobře funguje v otevřené, převážně rovinaté krajině. Ve složité městské zástavbě se ale vzduch chová úplně jinak.
RNDr. Klára Jurčáková, Ph.D., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: To uspořádání ulic uvnitř hustého, hustě zastavěného města je velice důležité, protože ty ulice působí jako řečiště vody, jsou to koryta, kudy se ten vítr šíří přednostně vzduch a díky složitosti celého toho systému vítr nefouká pouze jedním směrem, tím hlavním směrem, který naměříme vysoko nad městskou zástavbou. Uvnitř městské zástavby vznikají různá zátiší, zákoutí, vracející se proudy.
Z experimentů například vyplynulo, že pro šíření jedovatých látek jsou velice nebezpečné komínové efekty, ke kterým dochází v závětří vysokých budov. Látky se tady nešíří vodorovně, ale směrem vzhůru. Snadno tak dosáhnou k vývodům centrálních klimatizací, které bývají umístěny nahoře na budovách. Pomáhají tomu i chemické vlastnosti těchto látek. Například právě jedovatý sarin má tendenci přilnout na povrchy.
Největší koncentraci proto vědci naměřili u země a na fasádách domů. Právě odsud se plyn také nejpomaleji odvětrává. Odborníci z Ústavu radiační ochrany pak tyto výsledky prověřili přímo v terénu. Do ovzduší vypustili neškodnou signální látku, která se chová podobně jako sarin. Na vytipovaných místech pak provedli měření. Výsledky se shodovaly s tím, co se zjistilo v aerodynamickém tunelu.
Podobné experimenty se ve světě začaly rozvíjet od 50. let minulého století. Původně stavitelé testovali odolnost budov proti větru. Jednou z inspirací pro tyto pokusy byl pád Tacomského mostu v americkém státě Washington, který se zřítil kvůli silnému větru, se kterým stavitelé nepočítali.
Od 80. let se vědci začínají věnovat i šíření škodlivin v ovzduší – například z průmyslu nebo dopravy. Aerodynamický tunel v Novém Kníně začal být postupně budován na začátku 90. let minulého století. Jeden z prvních úkolů souvisel s koncentracemi jedovatého olova na Příbramsku. Ty totiž mnohonásobně překračovaly povolené limity, ačkoli nový majitel Kovohutí investoval velké prostředky do ekologických opatření.
prof. RNDr. Zbyněk Jaňour, CSc., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: Z původních 650 tun olova, které produkovala továrna v 60. letech, se emise snížily zhruba na jednu tunu za rok, to znamenám, že emise byly sníženy o dva řády. Přitom ty koncentrace v okolí zůstávaly stejné.
Továrna kvůli tomu platila pokutu pět milionů korun ročně. Vědci proto postavili model okolí Příbrami. Měřítko – jedna ku pěti tisícům. Pak změřili šíření emisí, které továrna vypouštěla v šedesátých letech před instalováním filtračních systémů a zvýšením komína. Druhé měření simulovalo situaci na začátku 90. let.
prof. RNDr. Zbyněk Jaňour, CSc., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: Prokázalo se, že ty přízemní koncentrace olova, které byly původně velice vysoké, tak se snížily minimálně o dva řády v celém okolí, a tedy bylo prokázáno, že zdrojem tohoto znečištění nemůže být ta továrna.
Kdo byl tedy skutečným viníkem? V okolí Příbrami se podle dostupných záznamů těží olověná ruda už téměř tisíc let. Půda v okolí je proto olovem silně prosycená. Protože se nejvyšší koncentrace jedovaté látky naměřily vždy na jaře a na podzim došli odborníci k závěru, že olovo se uvolňuje do ovzduší při orání. Kovohutě už nemusely platit pokutu a získaly dokonce cenu prince Charlese za přínos životnímu prostředí.
Přesuňme se teď do jiného českého města – do Pardubic. Kromě perníku, hokeje a dostihového závodiště proslavilo toto město i několik průmyslových závodů. Jedním z nich je chemická továrna Synthesia. V cisternách se sem denně vozí tuny nebezpečných látek. Radnici proto zajímalo, co by se stalo, kdyby při přepravě unikl chlór. Najednou by ho mohlo být až 44 tun.
prof. RNDr. Zbyněk Jaňour, CSc., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: Nejprve jsme řešili nejbližší okolí té továrny. Tehdy jsme byli nuceni vyrobit model v měřítku jedna ku tisíci, a na tom jsme zkoumali, kam se šíří ten chlor během toho úniku.
Zkoušely se čtyři hlavní směry proudění větru a výsledky se porovnávaly s evakuačními plány, které má krajský úřad. Kritická oblast se v tomto případě ukázala být menší, než kolik původní plány předpokládaly. V dalších letech se pak měření opakovala na modelu širšího okolí v měřítku jedna ku šesti tisícům. Koncentrace ve vyznačených oblastech by podle nich neměly být takové, aby ohrožovaly životy lidí.
prof. RNDr. Zbyněk Jaňour, CSc., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: K tomu by mohlo dojít v bezprostřední blízkosti, tedy uvnitř té továrny, nikoliv za hranicemi té továrny, tam ty koncentrace jsou řádově asi 20 ppm, což jsou koncentrace, které jsou zdravotně závadné, mají vliv na dýchací ústrojí, ale není to smrtelné.
Prověřovala se i možnost, že by k úniku z cisterny došlo na nádraží. V takovém případě by byli ohroženi jen lidé, kteří žijí v jeho nejbližším okolí.
Před několika lety měřili vědci v aerodynamickém tunelu také znečištění z dopravy v německém Hannoveru. Rádi by se v budoucnu podívali i na situaci v Praze. Zájem o výzkum by však muselo projevit město nebo nějaká soukromá firma. Jenom zhotovení samotného modelu je poměrné nákladná záležitost. Zajímavých míst by přitom v Praze byla celé řada – třeba pražská magistrála.
Modelovat každou konkrétní situaci je složité a nákladné, proto se vědci snaží hledat i obecné zákonitosti šíření látek v městské zástavbě. Na zjednodušených modelech zkoušejí, jaký vliv na proudění vzduchu mají výšky budov, tvary střech, šířky ulic, rozmístění křižovatek nebo volná prostranství.
Podobné experimenty by mohly zajímat nejen města, ale i architekty a developerské společnosti. Nemusí jít jen o znečištění, ale třeba i o to, aby v okolí budov nefoukal příliš silný vítr. V České republice ale zatím neexistuje žádný předpis, který by stavitelům ukládal zkoumat, jaký vliv bude mít jejich stavba na proudění vzduchu v okolí.
RNDr. Klára Jurčáková, Ph.D., Aerodynamické laboratoře Ústavu termomechaniky AV ČR: Například v Japonsku je přímo zákon, který investorům velikých staveb, například výškových staveb nad sto metrů, ukládá udělat test v aerodynamickém tunelu na to, jak postavení takovéto budovy ovlivní proudění v nejbližším okolí.
Pokud zkoušky ve větrném tunelu dopadnou špatně, má architekt povinnost návrh upravit.
Měření v aerodymickém tunelu tak poskytuje možnost zamezit situacím nepříjemným pro chodce, stejně jako vypracovat pohotovostní plány použitelné při teroristických útocích, únicích nebezpečných látek nebo obřích požárech.
Autor: Tereza Pultarová