АТМОСФЕРА КАК КОЛЛОИД Куценогий К.П., Куценогий П.К. Институт химической кинетики и горения СО РАН [email protected] Введение Вертикальные профили температуры и давления газовой компоненты атмосферы Спектр размеров атмосферных аэрозольных частиц, источники и механизмы формирования спектра размеров Оптические свойства атмосферных аэрозольных частиц. Влияние на радиационный теплообмен и видимость в атмосфере Гетерогенные физико-химические процессы в атмосфере Пространственно-временная изменчивость характеристик атмосферы Заключение 1 Введение Атмосфера Земли. 1978, БСЭ, Советская энциклопедия, М., с. 1127-1138. Газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято называть ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое Фукс Н.А. Механика аэрозолей, 1955 Аэрозоли – взвешенные в газе твердые и жидкие частицы размером от 10-3 до 102 мкм 2 Вертикальный профиль температуры и давления в атмосфере Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности 3 Дымка, туман, облака и осадки Видимость и радиационный теплообмен Видимость в атмосфере без аэрозольных частиц составляет более 200 км. В приземном слое атмосферы фоновых территорий видимость составляет 20-50 км. В дымке видимость составляет около 10 км, в плотном тумане 0,1 – 1 км, в облаках – 1-10 м. При наличии сплошной облачности поток солнечного излучения уменьшается в несколько раз, что приводит к понижению температуры приземного и пограничного слоя атмосферы. 4 Спектр размеров атмосферных аэрозолей и механизмы его формирования 5 Гетерогенные физико-химические процессы в атмосфере Суточные циклы изменения спектра размеров, счетной и массовой концентрации субмикронной фракции атмосферных аэрозолей в пограничном слое атмосферы, их сезонная изменчивость. 6 Влияние техногенной нагрузки на пространственно-временную изменчивость многоэлементного состава атмосферных аэрозолей. Метод относительных концентраций. 7 4 K Ca 6 Al C 4 CH Mg Na Si 2 20 30 40 m/z 50 60 Ca 3 K Si 2 1 Fe 0 10 C 0 10 70 Интенсивность, отн. ед 8 30 Al Интенсивность, отн. ед. Интенсивность, отн. ед. 10 Mg Na CH SiOH Fe Поверхность K 25 x 0,25 CH3 20 H2O CaOH C 30 40 m/z 50 60 OH 0 10 20 30 x 10 Na2O Ti COH P 5 70 Fe+CaO Al+C2H3 C2H2 Si Ti 20 Cr Na 15 10 Объём Ca 40 50 60 70 m/z Типичные масс – спектры вторичной ионной эмиссии 12 б Cx10 1,6 200 Ti + + Al x 0,2 + Si + 100 OH + Fe + CH 0 10 20 30 ГЛУБИНА, A 40 + 50 + 8 CHx10 Al 6 4 Si 2 Ток ионов, отн.ед. Al Ток ионов, отн.ед. ТОК ИОНОВ, отн.ед. 300 0 Ca 10 CH2 x 10 1,2 + Fe x 2 0,8 + Si x 0,2 0,4 + + C Ti Na 0 0,0 0 2 4 6 8 Глубина, нм. 10 12 14 0 10 20 30 Глубина, нм 40 50 Зависимости для токов вторичных ионов от глубины травления 8 I, отн.ед. H2O ×0.3 H2 CH3 H2O 10 ×0.2 COH CO COH3 5 CO2 CH3 H2 0 0 20 40 60 80 400 100 m/z 800 Термодесорбционные спектры для масс 2, 15 и 18. 4 CO2 aem29 aem31 aem43 3 I, отн.ед. Обзорный термодесорбционный массспектр, наблюдающийся при линейном нагревании аэрозолей, отобранных в Иркутске 24-25 февраля 1998 г. 600 T, K Термодесорбционные спектры для масс 29, 31, 43 и 44. 2 1 0 300 400 500 600 T, K 700 800 9 Элементный состав поверхности аэрозолей, отобранных в п. Ключи в 1993 г. (отн. атомные %). 10 Суточные циклы градиента потенциала и их сезонная изменчивость 11 На Рис. А приведены результаты измерения тонкой структуры вертикального профиля суммарной счетной концентрации, а на рисунке Б показаны вертикальные профили аэрозольных частиц диаметром около 1 мкм и 2,0-2,5 мкм. А Б 12 Вертикальные профили счетной концентрации, размера и ионного состава при ракетном зондировании атмосферы до высоты 80 км 13 Естественные и антропогенные аэрозольные частицы в атмосфере Вулканы, пыльные бури Сахары, Афганец и др. пустынные аэрозоли. Метеорный поток. Перламутровые, серебристые полярные стратосферные облака (проблема озоновой дыры). Слоистая структура аэрозольных слоев в тропосфере и атмосфере. h = 19, 25, 50, 75 км – высота максимумов светорассеяния, Δh = 7 км - толщина слоя. 14 Заключение 1. Анализ существующих экспериментальных и теоретических исследований показал, что атмосфера – сложная динамическая и гетерогенная система, свойства которой определяются взаимодействием физическо-химических и биологических процессов, происходящих в различных частях биосферы, и взаимодействием с космосом. 2. Исследование пространственно-временной изменчивости фазового и химического состава атмосферы позволило выяснить разнообразные источники естественного и антропогенного происхождения и механизмы сложных гомогенных и гетерогенных процессов, влияющих на различные свойства атмосферы локального, регионального и глобального масштабов. 3. В любой точке атмосферного пространства одновременно присутствуют как газообразная компонента, так и жидкие и твердые аэрозольные частицы. Поэтому атмосфера – это коллоидная система. К такому выводу пришли исследователи еще в начале и середине прошлого столетия (Schmanss A., Wigand A. 1929, Хргиан А.Х., 1958). 4. Итоги экспедиции ГАРЭКС-79 имеют важное значение для достаточно надежного учета атмосферы как коллоида в моделях общей циркуляции атмосферы (ОЦА) и теории климата. 5. Исследуя свойства космического пространства (Гринберг М. Межзвездная пыль, 1970), автор пишет:”В настоящее время мы твердо знаем, что в пространстве между звездами присутствуют в виде газа и пылевых частиц значительное количество вещества”. Таким образом, коллоидной 15 системой является не только наша планета, но и космос. 16