ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Химический состав тропосферных аэрозолей из "Химический состав и радиоактивность атмосферы" Долгое время изучение атмосферных ядер конденсации практически было синонимом изучения частиц Айткена. Эти частицы привлекали особое внимание вследствие их высокой концентрации и четко выраженных изменений в зависимости от географического местоположения и погоды. Айткен создал очень удобный счетчик ядер конденсации для определения их концентрации, и с его помощью были проведены многочисленные наблюдения во всем мире. Интерес к частицам Айткена в дальнейшем еще более возрос вследствие их роли в атмосферном электричестве, которое активно исследовалось в первой половине настоящего столетия. [c.181] Было сделано несколько попыток определить состав ядер Айткена путем косвенных измерений. Так, например, предполагалось, что счетчик Айткена фиксирует только гигроскопичные или растворимые в воде вещества, но не сухую пыль. Однако было показано, что ядрами конденсации могут служить все вещества, если только перенасыщение достаточно велико (как в счетчике), частицы находятся в надлежащей области размеров и концентрация частиц является достаточной [48]. [c.182] Другим путем определения состава было исследование возможных источников естественных ядер Айткена. Значительные усилия были посвящены этим исследованиям, которые были начаты Айткеном [1] и продолжены другими [28]. Было выяснено, что эти частицы могут образовываться при многочисленных процессах, которые подразделяются на три основные категории. [c.182] Однако эти возможные скорости образования едва ли можно наблюдать непосредственно, потому что образование аэрозолей вследствие реакций газов — довольно сложное явление. Первоначально формируются молекулы, но эти молекулы, вероятно, очень быстро превращаются в небольшие скопления путем поглощения других полярных молекул, таких, как вода. Аналогичный процесс наблюдается в случае малых ионов. Эти скопления, или первичные частицы , имеют размер порядка (5—8) X ХЮ мк и являются сильно подвижными. Если отсутствуют другие аэрозоли или их недостаточно много, концентрация этих скоплений молекул будет линейно увеличиваться со временем до тех пор, пока коагуляция среди самих этих скоплений или с другими частицами не станет значительной. Теперь уже скорость увеличения будет уменьшаться, и в конечном итоге концентрация достигнет насыщения или пройдет через максимум, вследствие того что скорость присоединения первичных частиц к более старым и большим будет быстро увеличиваться по мере их роста. После этого первоначального периода достигается квазиустойчивое состояние с постоянной концентрацией первичных частиц, которая регулируется скоростью образования и коагуляции, а также медленным устойчивым ростом более старых частиц. [c.183] Процесс присоединения первичных частиц к естественным аэрозолям аналогичен захвату продуктов распада радона (см. разд. 3.2). Скорость присоединения в функции размеров частиц дана на рис. 54 согласно теориям коагуляции Смолуховского и Лассена. Для континентального распределения частиц скорость присоединения имеет максимум при радиусе 0,1 мк или чуть меньшем. Значительная часть материала, образующегося при газовых реакциях, например при фотоокислении ЗОг, будет поэтому приходиться на частицы в интервале этих размеров. [c.184] Из всего этого следует, что скорость, с которой образуются новые аэрозольные частицы вследствие газовых реакций, является довольно сложной функцией концентрации уже имеющихся аэрозолей, скорости реакции и, возможно, химических свойств имеющихся соединений. Однако количественной информации по этому вопросу не имеется. [c.184] Ничего не известно о количестве почвенных частиц, поступающих в воздух, радиус которых меньше 0,1 мк. При климатических условиях влажных средних широт этот источник может оказаться несущественным но это будет не так в засушливых областях, поскольку пылевые частицы данного размера будут иметь сильную тенденцию образовывать агрегаты с более крупными частицами почвы, если только относительная влажность не слишком низка и разделение вследствие механического действия ветра не становится эффективным. Другой возможностью в засушливых областях является кристаллизация на поверхности соли, растворенной в грунтовой воде, из-за низкой влажности или нагревания. Тумей [116] получил, что при этом может образоваться 10 —10 частиц см и что эти частицы могут быть достаточно малы. Частицы, образовавшиеся таким путем, будут растворимы в воде, но скорость образования их, по-видимому, недостаточно велика для объяснения высоких концентраций над сушей. Тот факт, что избыток К и Са по отношению к морской соли имеет место даже в льдах центральной Гренландии, дает основание предполагать, что в воздухе существует некоторое количество очень малых частиц, которые образовались где-нибудь над сушей и переместились на большие расстояния. [c.185] Это краткое рассмотрение показывает, что частицы Айткена образуются в результате целого ряда процессов, и поэтому мы не можем сделать каких-либо заключений относительно их среднего состава. То же са.мое показано тщательной компиляцией, проделанной Ландсбергом [74] и Беркхардтом и Флопом [8] для отдельных наблюдений концентраций ядер Айткена и их корреляции с местоположением, временем суток, направлением ветра и другими географическими и метеорологическими факторами. Все эти данные определенно указывают, что поверхность земли и континентальные области с плотным населением и развитой промышленностью являются главным источником ядер Айткена. [c.185] В некоторой степени концентрация частиц Айткена может даже использоваться в качестве индикатора причин загрязнения, хотя частицы Айткена представляют только очень малую долю загрязняющих примесей. Но все-таки все эти исследования не могут дать информацию относительно среднего химического состава ядер Айткена или точно определить один или несколько главных источников. [c.185] Несмотря на развитие электронной микроскопии и усовершенствование микрохимических методов, положение дел в последние годы не изменилось. Отождествить частицы с размерами 0,1 мк с помошью электронного микроскопа даже труднее, чем более крупные, вследствие очень низкой контрастности испарившихся капелек раствора такого размера и плотности. Подходящая микроаналитическая техника теперь уже имеется, но еще не применялась. Поэтому вопрос о химическом составе частиц Айткена и их основных источниках остается открытым. [c.186] Данное положение несколько облегчается дву.мя факторами. Для Центральной Европы средние кривые роста частиц Айткена очень похожи на кривые для гигантских частиц, как это показано на рис. 29. Из этого можно заключить, что отношение растворимого вещества к нерастворимому является подобным во всем диапазоне размеров частиц. Кроме того, в соответствии с рис. 28 имеется об.мен масс между частицами Айткена и большими частицами вследствие коагуляции. Это дает основание предполагать, что оба диапазона размеров будут иметь некоторые общие составные части. Эти соображения подтверждаются наблюдениями, которые показывают, что большое число источников частиц Айткена, возникающих в результате деятельности человека, дают также большие или даже гигантские частицы. По этим причинам можно ожидать, что частицы Айткена до некоторой степени подобны по составу большим частицам, относительно которых имеется некоторая информация, которая будет рассмотрена в последующих разделах. [c.186] Океаны являются наиболее значительным мировым источником аэрозолей. Вудкок и его коллеги [3, 65] убедительно продемонстрировали, что подавляющее большинство морских солевых частиц крупнее 1 мк образуются при разрыве многочисленных маленьких воздушных пузырьков, возникающих когда разбиваются волны. На рис. 34 схематически показано, как вследствие разрыва пузырьков образуется маленькая струя, которая разрушается, давая приблизительно 2—10 капелек почти одинакового размера, и выбрасывает их в воздух до высоты 15 см, в зависимости от размера пузырька. Размер капли составляет около 0,1 величины пузырька, так что распределение частиц по размерам в значительной степени определяется скоростью образования и распределением по размерам пузырьков. [c.186] Морские капли будут испаряться в воздухе из-за низкой концентрации соли в морской воде. В зависимости от относительной влажности воздуха капельки уменьшатся в 2—3 раза, прежде чем придут в равновесие с воздухом. Бланчард и Вудкок [3] предположили, что нижний предел размеров лопающихся пузырьков определяется растворением пузырьков в морской воде. Воздух в морской воде должен быть в некотором перенасыщении, для того чтобы маленькие пузырьки могли существовать, в противном случае они будут растворяться в разбивающейся волне, когда они, образовавшись, медленно поднимаются к поверхности. Самые мелкие пузырьки, которые достигают поверхности океана на гребне волны, имеют диаметр приблизительно 100 мк, что соответствует сухим солевым частицам с радиусом около 2 мк. Еще более мелкие пузырьки со средним диаметром около 40 мк наблюдаются только в случае таяния снежных хлопьев в морской воде. При нормальных условиях нижний предел размеров пузырьков не настолько мал, чтобы объяснить наблюдаемый нижний предел размеров морских солевых частиц с радиусом около 0,1 мк [83]. [c.187] Очень вероятно, что эти мельчайшие частички образуются благодаря другим процессам. Мейсон [81] наблюдал, что каждый лопающийся пузырь образует 100—200 маленьких частичек, которые он подсчитал в камере Вильсона. Наибольшие частицы имели в сухом состоянии радиус 0,15 мк. Он предположил, что эти частицы формируются при разрыве пленки пузыря, как показано на рис. 34, и нашел, что этот механизм неприемлем для более мелких пузырьков. Тумей [116] подтвердил эти результаты. [c.188] Концентрация пузырей в гребне волны быстро уменьшается с увеличением размеров пузырей. Наибольшие пузыри, наблюдавшиеся Бланчардом и Вудкоком, имели диаметр около 1500 мк они образуют сухие солевые частицы радиусом около 25 мк. Вероятно, встречаются еще большие частицы, но они ускользают от наблюдения, так что при нормальных условиях ветра верхний предел образования несколько больше, чем предел, накладываемый седиментацией, — от 10 до 20 мк. [c.188] Из этих исследований очень трудно получить значения скорости крупномасштабного образования морских солевых частиц. Эрикссон [25] вычислил среднюю скорость перемещения морской соли над океаном по данным Вудкока о распределении размеров и концентрации частиц в воздухе. Он пришел к выводу, что при стационарных условиях 0,3% морской поверхности должно быть покрыто белыми барашками . Это будет соответствовать средней скорости образования около 1 ча-стиц1см сек — цифра, которая дает лишь порядок величины. Имеющаяся информация по скорости образования, седиментации и вымыванию еще недостаточна для оценки среднего времени пребывания морских аэрозолей над океаном, но приемлемой величиной все же представляется период в 1—3 дня. [c.188] На рис. 25 показаны примеры распределений, которые Вудкок получил на высоте около 600 м. Можно заметить, что концентрация увеличивается с ростом силы ветра и что это увеличение более заметно для больших частиц. Это смещает пик в распределении масс частиц по логарифму радиуса приблизительно от 2 жк к 10 мк без изменения характера распределения. Концентрации, определенные Метниексом, по-впдимому, несколько меньше (см. рис. 25). Он также провел измерения в Дублине, где получил в общем более высокие концентрации (табл. 32) и более крутой наклон кривых распределения (р= = 2,9), чем на западном берегу Ирландии. Это представляет интерес, поскольку Рау [101] в Германии также получил довольно высокие концентрации для мельчайших хлоридных частиц. Такое увеличение малых хлоридных частиц может объясняться либо образованием их над сушей, либо раздроблением крупных частиц морских брызг. [c.189] Вернуться к основной статье