1.2 Механизмы образования аэрозолей Атмосферный аэрозоль

1.2 Механизмы образования аэрозолей
Атмосферный аэрозоль — частицы твердого или жидкого вещества,
находящиеся во взвешенном состоянии в атмосфере.
Частицы аэрозоля делятся по происхождению:
а) частицы морского происхождения
—
б) продукты сгорания
—
в) частицы почвы
—
г) ядра неизвестной природы
—
3
Среднее число частиц в 1 м (концентрация) около
20 %;
40 %;
20 %;
20 %.
поверхности Земли
составляет:
большой город
—
1011 м-3 ;
сельская местность —
1010 м-3 ;
над океаном
—
109 м-3.
Только часть частиц атмосферного аэрозоля может являться активными
ядрами конденсации, сублимации или замерзания воды.
1.2.1 Пространственное распределение частиц аэрозоля
При рассмотрении вертикального профиля концентрации частиц аэрозоля
рассматривают отдельно:
- тропосферный аэрозоль (0 − 10 км);
- стратосферный аэрозоль (10 − 50 км);
- аэрозоль верхней атмосферы (выше 50 км).
Содержание аэрозоля в тропосфере в среднем убывает с высотой,
сосредоточиваясь в основном в нижнем 2 − 3-х километровом слое. Именно в
этом слое атмосферы сосредоточена основная часть грубодисперсного аэрозоля
и субмикронная фракция.
Зависимость концентрации частиц от высоты в диапазоне от 0 до 6 км
может быть приближенно описана выражением:
 
N  z = N 0 exp −
N0
z
l
где
z
,
l
(1)
− число частиц у поверхности Земли, см-3;
− высота, м;
− эмпирический коэффициент, м.
Таблица 1.1 - Значения коэффициента l
0−3
940
1400
z, км
Санкт-Петербург
Москва
В
стратосфере
субмикронной
наблюдается
фракции,
первооткрывателя.
На
слой
называемый
высотах
3−6
2215
1740
повышенной
слоем
40−50 км
Юнге,
наблюдается
концентрации
по
имени
слой
его
аэрозоля,
возникающий в результате попадания на эти высоты вулканических газов и
водяного пара.
Наличие аэрозоля в верхней атмосфере связано с "захватом" земной
атмосферой космических частиц различного размера (от 10−6 г до нескольких
тонн).
1.2.2 Распределение частиц по размерам
Размеры частиц атмосферного аэрозоля очень изменчивы (от 10-10 м, для
кластеров и ионов, до 10-3 м для капель дождя).
В зависимости от размеров частиц принять выделять субмикронную
(менее 1 мкм) и грубодисперсную (более 1 мкм) фракции аэрозоля.
Одновременно с указанной терминологией распространено деление
частиц на группы:
- частицы Айткена (менее 0.2 мкм);
- большие частицы (от 0.2 до 1.0 мкм);
- гигантские частицы (более 1.0 мкм).
1.2.3 Временные изменения спектра размеров частиц аэрозоля
Изменения спектра размеров частиц со временем в значительной степени
зависят от так называемого «времени жизни» аэрозолей, то есть времени за
которое концентрация аэрозолей убывает в «е» раз. Непрерывные физикохимические процессы трансформации аэрозолей ограничивают время жизни
аэрозолей различных размеров.
Рисунок 1.1 - Зависимость времени жизни аэрозольных частиц от их размера
Нижняя граница спектра размеров определяется коагуляцией, от есть
слиянием частиц, которая вызывает быстрое присоединение частиц размером
менее 10-9 м к более крупным.
Верхний предел размеров частиц аэрозоля определяется седиментацией,
то есть выпадением частиц в осадок. В обычных условиях частицы радиусом
более
2·10-5 м
(20 мкм)
могут
находится
во
взвешенном
состоянии
ограниченной время.
Время жизни частиц аэрозоля промежуточных размеров (от 10 -9
до 2·10-5 м) определяется комплексом процессов превращений и реакций, и
зависит от географических и метеорологических условий.
Например, для частиц радиусом от 0.1 до 10 мкм время жизни в
тропосфере составляет около одной недели, а в стратосфере — несколько
месяцев и лет.
1.2.4 Источники образования частиц аэрозоля
Основными источниками аэрозолей являются поверхности морей,
океанов и суши, извержения вулканов, жизнедеятельность растений, лесные и
степные пожары, метеоритные потоки, химические и фотохимические реакции
в атмосфере и в растительном покрове, а также источники связанные с
деятельностью человека.
При этом появление атмосферных частиц происходит либо в результате
поступления в атмосферу готовых частиц из так называемых первичных
источников, либо частицы образуются непосредственно (in situ) в атмосфере, в
результате превращений из вторичных источников.
Первичные источники
Морская и океаническая поверхность Земли является самым мощным
первичным источником аэрозольных частиц. Эти частицы образуются из
капелек воды в результате двух возможных механизмов:
1. Сдувание брызг с гребней, разбивающихся волн.
Образующиеся при этом большие капли морской воды испаряются, что
приводит к появлению частиц с r1 мкм.
2. Пузырьковый механизм.
После обрушивания гребня волны в морской воде остается некоторый объем
воздуха в виде множества пузырьков. Поднимаясь к поверхности воды, эти
пузырьки разрушаются и образуют 100−200 мельчайших капелек, которые
после испарения образуют частицы с максимальным радиусом r≈0.15 мкм
(субмикронная
фракция).
На
этом
процесс
образования
капель
не
заканчивается. Из впадины лопнувшего пузырька быстро (за 0.002 с) образуется
струйка воды, которая разбивается на несколько капель, которые в свою
очередь испаряются и образуют частицы с радиусом более 1.5 мкм, то есть
грубодисперсную фракцию аэрозолей.
Рисунок 1.2 - Стадии образования капелек воды из разрушающихся пузырей
воздуха
Пузырьковый механизм вносит основной вклад в количество солевых
частиц в атмосфере. Так, например, с площади 1 см2 за 1 с образуется
10−100 частиц, а время жизни таких частиц составляет 1−3 суток.
Основным механизмом образования частиц на поверхности суши
является механическое разрушение почвенного слоя (ветровая эрозия).
Турбулентный поток воздуха воздействует на выступающие над поверхностью
частицы почвы. Результаты расчетов показывают, что наиболее эффективно
процесс отрыва частицы от почвы происходит при ее радиусе в несколько
десятков микрон (около 40 мкм при скорости ветра 20 м/с).
Вынос больших частиц затруднен из-за их большой массы, а меньших —
из-за сил притяжения Ван-дер-Ваальса.
Оторванная от почвы частица, поднявшись на некоторую высоту, падает
под действием силы тяжести и после квазиупругого столкновения вновь
поднимается вверх, увеличивает свою кинетическую энергию (скорость) за счет
движения в ветровом потоке и соответственно увеличивает силу последующих
столкновений. Удары этой частицы вызывают движение других частиц более
крупных и мелких. Самые крупные частицы только скользят и перекатываются,
а мелкие отрываются и уносятся турбулентными потоками в атмосферу.
Рисунок 1.3 - Образование пылевых частиц атмосферного аэрозоля
За счет конечной вязкости воздуха в турбулентный поток попадают
частицы с радиусом более 0.25−0.5 мкм. Таким образом, радиус частиц
0.25 мкм является естественным нижним пределом для пылевого аэрозоля в
атмосфере.
Вторичные источники
Субмикронная фракция аэрозоля (r < 1 мкм) происходит от вторичных
источников за счет превращений газ-частица.
Частицы субмикронной фракции аэрозоля образуются из молекул газа.
Участвуя в броуновском движении, молекулы газа сталкиваются друг с другом.
При этом в результате временных и пространственных флуктуаций возникают
временные скопления из двух, трех и большего числа молекул (кластеры).
Через некоторое время кластер распадается на молекулы. Кластер из n молекул
нестабилен. Начиная с некоторого числа n, кластер не распадается и начинает
расти.
Если в процессе образования частицы участвовали молекулы одного
вещества, то этот процесс мономолекулярного образования частиц, а если
нескольких веществ — гетеромолекулярное образование.
1.2.5 Изменения атмосферного аэрозоля
После появления частиц аэрозоля из первичных или вторичных
источников на них начинают воздействовать процессы:
а) диффузии (турбулентной и молекулярной);
б) трансформации (коагуляция и конденсация);
в) удаление частиц из атмосферы (осаждение и вымывание).
Процессы диффузии в фиксированном объеме пространства приводят к
выравниванию (изменению) концентрации частиц, либо в результате из
броуновского движения (молекулярная диффузия), либо в результате переноса
частиц неупорядоченными движениями воздуха (турбулентная диффузия).
Под коагуляцией понимают процесс соединения (связывания) частиц при
их столкновениях. Коагуляция становится существенной для частиц аэрозоля с
размером r≈10−9 м. Благодаря процессу коагуляции, частицы увеличивают
свой размер в несколько раз, а их концентрация снижается пропорционально
r −3 . Эффективность коагуляции максимальна при r ≈10−8 м. При дальнейшем
увеличении радиуса коагуляция практически не приводит к изменению
дисперсного состава атмосферных частиц.
Часть частиц удаляется из атмосферы путем сухого удаления, то есть в
результате оседания частиц под действием силы тяжести, а часть — в
результате влажного удаления, то есть за счет перехода ядер конденсации в
капли или присоединение частиц к уже сформировавшимся облачным каплям и
последующего выпадения капель в осадок.
При благоприятных условиях на частицах аэрозоля начинается процесс
конденсации водяного пара. Частица становится ядром конденсации. В этом
случае наблюдается процесс трансформации частицы аэрозоля в каплю воды.
Если
частица
нерастворимая,
например,
частица
почвы,
дыма,
органических веществ или микроорганизмы, то она будет находиться
непосредственно внутри капли все время ее существования.
Если частица растворима, например, частицы морской соли, то она
взаимодействует с молекулами воды и образует насыщенный раствор.
Конденсация на капле раствора может происходить при относительной
влажности воздуха менее 100 %.
Таблица 1.2 - Критические значения относительной влажности
поверхностью различных веществ
Вещество
LiCl
CaCl
MgCl2
NH4HSO4
Zn(NO3)2
NaNO3
NaCl
NH4Cl
Na2SO4
KNO3
f кр , %
13
18
33
39
45
74
76
77
86
92
f кр
над