有効煙突高さと大気拡散とは（なぜ煙突は高い方が良いのか）

工場や発電所の煙突から出る煙は、空にのぼりながら風で流され、横にも広がっていきます。

その煙が、地上ではどのくらいの濃さになるのか。これを考えるのが大気拡散です。

このとき出発点になるのが「有効煙突高さ」です。まずここから整理します。

有効煙突高さとは

有効煙突高さとは、実際の煙突の高さに、排ガス自身が上にあがる分（上昇高さ）を足した高さのことです。

煙突から出た排ガスは、出口の高さでとどまらず、さらに上へのぼっていきます。

のぼる理由は2つあります。

1つ目は運動量です。排ガスは煙突から勢いよく上向きに吹き出すため、その勢いでしばらく上昇します。

2つ目は浮力です。排ガスは周りの空気より高温で軽いため、温かい空気が上にのぼるのと同じ理屈で浮き上がります。

この2つでのぼった分が上昇高さです。煙が実際にたなびき始める高さは、煙突の物理的な高さよりもこの上昇高さの分だけ高くなります。

そこで、煙突の高さと上昇高さを合わせた高さを、煙の出どころとみなします。これが有効煙突高さ（He）です。

なぜ煙突は高い方が良いのか

煙突を高くしたり、有効煙突高さを高くしたりすると、地上の濃度はどうなるのでしょうか。

煙は高い位置から出るほど、地上にたどり着くまでに長い距離を流され、その間に広く薄まります。

その結果、地上で煙がいちばん濃くなる地点の濃度（これを最大着地濃度といいます）が下がります。

有効煙突高さが高いほど、地上の最大着地濃度は低くなります。これが、煙突を高くする基本的な理由です。

逆に言うと、煙突が低かったり、排ガスがあまり上昇しなかったりすると、煙が薄まりきらないうちに地上に届き、近くの地表で濃度が高くなりやすくなります。

同じ量の煙でも、高いところから出すほど地面に届くまでに広がって薄まる、というのが核心です。だから「上昇高さも込みでどれだけ高い位置から出るか」＝有効煙突高さが効いてきます。

大気拡散とは（煙はどう広がるか）

有効煙突高さの位置から出た煙は、風下に流されながら、上下方向にも横方向にも広がっていきます。この広がりが大気拡散です。

煙の広がり方には特徴があります。煙の断面を見ると、中心軸がいちばん濃く、外側に行くほど薄くなる、なだらかな釣鐘のような形（正規分布の形）になります。

この釣鐘型（正規分布型）の広がりを前提にした考え方が、ガウス型（正規形）プルームモデルです。プルームとは、たなびく煙の流れのことです。

風下に進むほど煙の広がりの幅は大きくなり、そのぶん中心の濃度は薄まっていきます。

ダウンウォッシュ（風下で煙が引き込まれる現象）

有効煙突高さの考え方は「煙がきれいに上昇して、風下に広がる」のが前提です。ところが、それを乱す現象があります。

その代表がダウンウォッシュです。

ダウンウォッシュとは、建屋や煙突自身のすぐ風下にできる空気の渦に、出たばかりの煙が引き込まれて下に巻き込まれる現象です。

風が建物や煙突にぶつかると、その裏側（風下）に渦ができます。煙の勢い（上昇）より風が強いと、煙がこの渦に取り込まれ、上にのぼらずに引き下ろされてしまいます。

こうなると、せっかくの有効煙突高さがいかされず、煙突の近くの地表で濃度が高くなってしまいます。

ダウンウォッシュを避けるには、煙突を周りの建物より十分高くする、排ガスの吹き出しの勢い（速度）を確保して上昇させる、といった対策がとられます。

大規模大気特論での扱い

大規模大気特論は、大きな工場・発電所のばい煙が、周辺の地上にどれだけの濃度をもたらすかを扱う科目です。

その中心が、ここで見た有効煙突高さと大気拡散です。

具体的には、有効煙突高さや風速、煙の広がりの幅（拡散幅）を使って、風下の地上濃度を求める正規形プルーム拡散式が登場します。

また、煙の広がりの幅は、煙を平均してとらえる時間（平均化時間）によって変わること、安定した大気か乱れた大気か（乱流拡散）によっても変わることなど、拡散の条件を問う出題があります。

細かい数値計算は科目本番で扱いますが、まずは「有効煙突高さが高い→地上の最大着地濃度は低い」「煙はガウス型に広がる」という定性的な関係を押さえておくと、式の意味が読み取りやすくなります。

理解度チェック

まとめ

有効煙突高さは、実際の煙突高さに排ガスの上昇高さ（運動量と浮力でのぼる分）を足した高さです。

有効煙突高さが高いほど、煙は地上に届くまでに広く薄まり、最大着地濃度は低くなります。煙は風下にガウス型（中心が濃く外側ほど薄い）に広がります。

ただし、ダウンウォッシュで煙が引き込まれると、近くの地表で濃度が上がってしまう点には注意が必要です。

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