Атмосферные аэрозоли

Атмосферные аэрозоли. Обычно классификация атмосферных аэрозолей проводится на основе их разделения по способам создания, материалам и характерным размерам частиц. При этом к аэрозолям обычно относят частицы со скоростями осаждения не больше, чем у капелек воды диаметром 100 мкм крупные дождевые капли и осадки тем самым относят к отдельному классу. Пыли состоят из твердых частиц, диспергированных в результате механического измельчения твердых тел взрывы, горные работы и т. д. или высыхания капелек с растворенными веществами или частицами солевые частицы над океаном. В обыденном понятии пылью называют осадок твердых частиц на различных поверхностях, который легко переходит во взвешенное состояние.

Материалы пыли самые различные, а размеры также колеблются в широких пределах - от субмикронных 0,01 мкм до микроскопических 100 мкм. Дымы образуются при горении или возгонке летучих веществ, а также в результате химических и фотохимических реакций.

Размеры дымовых частиц - от субмикронных до 5 мкм. Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации пара или распылении жидкости. Сюда также включаются капли с растворенными веществами или содержащимися в них частицами.

Природные туманы обычно состоят из капелек с диаметром до 10 мкм и более. Капельки, а также частицы различных атмосферных загрязнений и пыли иногда называют дымкой, которая, на самом деле представляет собой комбинацию из трех названных выше основных классов аэрозолей. Систему, образующуюся в результате взаимодействия природного тумана с газообразными загрязнениями, называют смогом. Размеры частиц дымки и смога обычно - 1 мкм. Промышленные аэрозоли, образующиеся при получении и обработке горючих материалов, способны за счет развитой поверхности к более интенсивному воспламенению, чем исходные вещества.

При скоплении мелкодисперсной пыли таких материалов в замкнутых помещениях и наличии источников воспламенения может произойти взрыв. В целом использование технологических процессов и работа производств, связанных с выходом аэрозолей в рабочие помещения или атмосферу, требует тщательной оценки экологической опасности и применения различных средств очистки.

Особая чистота внутри помещений требуется при работе с радиоактивными материалами и в микроэлектронике. Допустимое содержание аэрозолей регламентируется при этом соответствующими нормативными документами. Ряд средств очистки и принципы их работы описаны в изданиях Спурный и др 1964 Грин, Лейн, 1972 Петрянов-Соколов, Сутугин, 1989 . Частицы атмосферных аэрозолей играют важную роль в процессах конденсации водяного пара и тем самым в формировании осадков. В метеорологии их просто называют ядрами конденсации, независимо от физических и химических свойств, а классификацию проводят по характерным размерам частицы Айткена - r 0,1 мкм большие частицы - r 0,1 1 мкм гигантские частицы - r 1 мкм. Источники атмосферных аэрозолей принято делить на естественные вулканические извержения, конденсация водяного пара в атмосфере, выветривание пород, разбрызгивание капелек воды над океаном, космическая пыль Для иллюстрации приведем некоторые цифры Хргиан, 1986 . За счет космической пыли на Землю поступает в год 1,4-2,0 107 т вещества при общей массе атмосферы 5 1015 т. При пылевых бурях концентрация пыли в пустынных районах может достигать 300 мкг м3, в Подмосковье до 30 мкг м3 , в районах Урала свыше 5 мкг м3. За счет разбрызгивания капелек воды при ветре со скоростью порядка 12 м с над океаном образуется до 500 мкг м3 солевых частиц - вполне ощутимые количества. антропогенные - источники, обусловленные жизнедеятельностью человека промышленные выбросы из дымовых труб, токсичные выбросы от автомобилей, пожары, взрывы, выветривание почвы в результате земледелия и открытой добычи ископаемых. Это дает поступление 3-4 108 т аэрозолей в атмосферу за год. Концентрация аэрозольного смога, обусловленная фотохимическими реакциями с выхлопными газами, в промышленных центрах достигает 200 мкг м3 Хргиан, 1986 , что вполне сравнимо с последствиями пылевых бурь. Промышленные и аварийные выбросы вредных веществ в атмосферу представляют собой непосредственную опасность для окружающей среды и населения.

Во-первых, процессы переноса примесей в атмосфере настолько динамичны, что последствия таких выбросов сказываются практически сразу.

Во-вторых, при выбросах в атмосферу загрязняется приземный слой воздуха и подстилающая поверхность почва, водоемы, растительность, что приводит к непосредственному воздействию на окружающую среду и представляет собой последующую угрозу поступления вредных веществ в организм человека и животных.

Мощные или регулярные выбросы в атмосферу могут иметь и глобальные последствия.

Поступление в атмосферу окисей серы, азота и хлора приводит к образованию водяных капель, содержащих кислоту, и к выпадению кислотных осадков.

Выбросы окисей углерода сказываются на теплообмене в нижних слоях атмосферы и способствуют глобальному потеплению климата. Проведенный в 40-60-х годах воздушные ядерные взрывы на десятилетия изменили баланс радиоактивных веществ в атмосфере и вызвали выпадения радиоактивных осадков Юнге, 1965 Стыро, 1968 Грин, Лейн, 1972 Кароль, 1972 . Широкое применение хлор- бром -содержащих фреонов, а также выброс соединений азота повлияли на состав аэрозолей в тропосфере и озонового слоя земной атмосферы Петрянов-Соколов, Сутугин, 1989 Владимиров и др 1991 . Выбросы радиоактивных веществ в результате Кыштымской и Чернобыльской аварий надолго нарушили нормальную жизнедеятельность в районах этих аварий Владимиров и др 1991 Кабакчи, Путилов, 1995 . Из этих примеров видно, что экологическая опасность различного рода газообразных и аэрозольных выбросов в атмосферу заключается не только в непосредственном влиянии вредных выбрасываемых веществ на здоровье человека, но и имеет глобальный аспект, связанный с долговременными процессами изменения химического и дисперсного состава загрязнений, переносом веществ в тропосфере и стратосфере, влиянием загрязнений на массовые балансы веществ и температурные режимы в атмосфере.

Однако не следует полагать, что аэрозоли наносят только вред и должны применяться лишь с известными мерами предосторожности.

Они широко используются в технологических процессах пищевой промышленности, применяются в медицине, служат для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, являются необходимым элементом в физических установках и промышленных процессах, используются для изготовления материалов со многими полезными свойствами 33 . Интересную историю имеет деятельность, связанная с применением аэрозолей для активного воздействия на облачные процессы засев облаков и борьбы с засухой.

В основе этой идеи лежало желание использовать неустойчивость и огромные запасы энергии атмосферных облачных систем путем засева облаков искусственными ядрами конденсации.

Однако после постоянного применения засева облаков в течение нескольких лет этот метод перестал приносить результаты и даже наблюдалась обратная картина с повышением длительности засушливых периодов. 1.5 Классификация и размеры аэрозолей. По типу происхождения и по размерам аэрозоли обычно подразделяют на две большие группы микро и макрочастицы 1 . Микрочастицы радиуса меньше 0,5-1,0 мкм образуются в процессах конденсации и коагуляции, тогда как макрочастицы возникают в основном при дезинтеграции поверхности Земли. Возможно, также классифицировать частицы просто в зависимости от размера.

Напомним, что размер средней по величине молекулы или атома составляет, колеблется в районе 0,1 нм. Концентрация частиц радиуса порядка 1 нм обычно измеряется при помощи расширительных камер камеры Вильсона, первая конструкция которых была предложена Айткеном, поэтому частицы называются ядрами, или частицами Айткена.

Они были измерены экспериментально, и, по мнению ряда авторов, представляют собой наименьшие, но размеру частицы, которые могут быть обнаружены с помощью таких камер. Частицы таких размеров в значительной степени подвержены броуновскому движению, что позволяет им достичь стенок любой камеры разумных размеров в течение нескольких секунд или, в крайнем случае, минут. Поэтому для них трудно отобрать представительную пробу, при консервации проб наблюдаются значительные потери.

Частицы малых размеров очень быстро коагулируют с частицами больших размеров. При рассмотрении судьбы частиц следует иметь в виду, что частицы, достигшие стенок камеры, остаются на них вследствие действия сил адгезии. Это отличает поведение частиц от поведения молекул, однако классификация на такой основе не получила развития из-за малой изученности природы адгезионных взаимодействий. Размер 10-6 см характеризует частицы более стабильные, для них коагуляция при атмосферных условиях протекает достаточно медленно, поэтому консервация проб возможна.

Из экспериментальных методов для прямых наблюдений за такими частицами, обычно используют электронную микроскопию. Частицы размером 10-5 см называют большими в контексте атмосферных аэрозолей. На такие аэрозоли одинаково слабое воздействие оказывают как броуновское движение, так и гравитационное осаждение.

Частицы таких размеров, по-видимому, характеризуются наибольшим временем жизни. Интересно отметить, что большие частицы трудно получить непосредственно как при измельчении твердого тела обычно размеры частиц при самом тонком помоле больше, так и при конденсации из газовой фазы где, за исключением случая наиболее летучих соединений, размер образующихся частиц меньше. Размер 10-4 см 1 мкм - это, на жаргоне специалистов по атмосферным аэрозолям, хвост фракции гигантских частиц в атмосфере.

Скорость падения под действием силы тяжести частиц размером 1 мкм приблизительно равна 0,2 мм с, но даже такое медленное осаждение за 1 сутки представляет собой уже 20м. Скорость оседания возрастает пропорционально квадрату радиуса частицы для частиц таких размеров. Такие частицы легко наблюдать на поверхности при небольшом увеличении, но точно измерить их трудно. Размер 10-3 см 10 мкм - это приблизительный размер ядер облака, которые представляют собой очень важную специальную подгруппу атмосферных аэрозолей.

Скорость падения 10 мкм частицы плотности 2 г см3 при нормальных условиях составляет величину 2 см с, поэтому в течение нескольких минут в стандартной комнате большинство таких частиц осело бы на пол. Частицы таких размеров можно увидеть невооруженным глазом на контрастной поверхности, а их размеры могут быть определены обычным оптическим микроскопом. Размер 10-2 см 100 мкм - размер капель измороси скорость оседания 1 м с. Повседневный опыт показывает, что в хорошую погоду частицы таких размеров в атмосфере отсутствуют или очень редки, за исключением пыльных бурь и других подобных явлений антропогенных или природных.

Частицы таких размеров характерны для морских аэрозолей, но быстро оседают и практически не наблюдаются далеко от источника образования. Размер 10-1 см 1 мм - типичный размер дождевых капель. В атмосфере в год образуется приблизительно 4 1022 дождевых капель, что составляет 104 капель на 1см2 поверхности Земли. В среднем дожде, однако, их объемная концентрация невелика - 10-5 см3 или 10 капель на 1 кубический метр воздуха. В нижних слоях атмосферы средняя концентрация меньше на два порядка.

Размер 1 см. Падающие капли дождя из-за гидродинамических эффектов разбиваются до диаметра 0,5 см, и поэтому жидких аэрозолей такого размера не наблюдается. Однако, град и снежинки твердые гидрометеориты могут достичь таких размеров. Размер 10 см. Имеются сообщения о граде такого размера. Легко оценить масштабы наносимого им вреда.

Размер 10 см. Можно сказать, что 10 см - верхний предел размеров атмосферных частиц. Конечно, самолеты, метеориты и пепел при извержении вулканов могут достигать и больших размеров. Итак, даже самая краткая классификация по размерам занимает область от 10-8 см до 10 см. Если исключить экстремальные случаи, то останется область в шесть порядков - от 10-7 см до нескольких миллиметров. Если перейти к массовым или объемным характеристикам, то получится разброс в 20 порядков, а для такой характеристики, как концентрация, ситуация еще более впечатляющая.

Крайне важно понять, что область от 1 мкм до размера молекулы так же велика, как от 1 мкм до градины больших размеров. Поэтому такие макрохарактеристики, как концентрация частиц аэрозоля или средний размер частиц аэрозоля должны быть определены очень осторожно. 1.6