Атмосферные аэрозоли и их свойства
Аэрозоль это взвешенные в атмосфере твердые и жидкие частицы размеров, превышающих молекулярные.
Аэрозоли отличают от облачных и дождевых капель, главным образом, по химическому составу. Если облачные и дождевые капли практически полностью состоят из воды, аэрозоли содержат значительное количество других материалов. Аэрозоли также отличаются от облачных и дождевых капель по размеру и концентрациям. В англоязычной терминологии аэрозоли часто называют Particulate Matter (PM), чтобы подчеркнуть, что их главное свойство – содержание вещества.
Типы атмосферного аэрозоля:
а) Пыль земного и космического происхождения (Dust);
продуцируется механически;
б) Морская соль;
в) Дымы лесных пожаров;
г) Продукты вулканических выбросов;
д) Индустриальные выбросы;
е) Продукты конденсации и сублимации;
ж) Споры и пыльца растений;
з) Продукты органического распада (микроорганизмы)
и) Легкие ионы.
Экологические эффекты аэрозоля:
1) Повышенные концентрации затрудняют дыхание;
2) Влияют на прозрачность атмосферы, определяя видимость;
3) Влияют на климат, поглощая и рассеивая солнечную радиацию;
4) Служат ядрами конденсации при образовании облачных капель;
5) Являются основой для поверхностных химических реакций, называемых гетерогенными;
6) Инициируют химические процессы в жидкой фазе в атмосфере.
РМ10 частицы размеров 10 мкм и меньше могут проникать в бронхи, легкие и алвеолы. Частицы большего размера чаще всего фильтруются носом или горлом, а РМ10 проникают внутрь и могут вызвать проблемы со здоровьем. Еще более мелкие частицы, с размером меньшим чем 2.5 мкм могут проникать в область газового обмена в легких и приводить к нарушению обменных процессов и сердечно-сосудистым нарушениям.
Размеры аэрозоля (радиус)
а) газовые молекулы – 0.5 нм;
б) малые аэрозоли – меньше 0.2 мкм;
в) средние аэрозоли 0.2 – 1 мкм;
г) крупные аэрозоли – 1 – 100 мкм;
д) капли туманов – 10-20 мкм
е) средние облачные капли – 10-200 мкм;
ж) крупные облачные капли – 200 мкм;
з) морось – 400 мкм;
и) малые дождевые капли – 1000 мкм;
к) средние дождевые капли – 2000 мкм;
л) большие дождевые капли – 8000 мкм.
Аэрозоль может быть первичным (попадающим в атмосферу сразу в виде частиц) или вторичным (образующимся в атмосфере из газов).
Химический состав атмосферного аэрозоля
Аэрозольные частицы содержат неорганические и органические компоненты, а также могут представлять собой растворы. Наибольшую часть жидкого аэрозоля, как правило, составляет вода. Она служит растворителем для растворимых веществ. Вместе они и образуют раствор. Растворенные вещества могут распадаться, или оставаться в основной форме. Распавшиеся в растворе вещества образуют положительные и отрицательные ионы.
Неорганические компоненты в аэрозоле включают сульфаты, нитраты, аммиаки, соду, хлориды, кальций, магний, калий, железо, свинец, цинк, марганец, медь, алюминий, кремний, никель. Сульфатные компоненты включают серную кислоту (H2SO4), сульфатные ионы (HSO4-, SO42-). Нитраты включают азотную кислоту, нитрат аммония. Аммиачные составляющие представляют собой аммиак (NH3). Содовые компоненты включают натрий, хлорид натрия.
Элементарный углерод является неорганическим представителем углерода в аэрозоле. Его еще называют черный углерод или сажа. Попадает в атмосферу в результате неполного сгорания. Сильно поглощает солнечную радиацию.
Органический углерод отличается от черного тем, что если элементарный состоит только из углерода, то органический как минимум содержит углерод и водород и часто кислород и азот. Черный углерод попадает в атмосферу только в результате эмиссий, а органический – и эмиссии и химические реакции в атмосфере. Органический углерод имеет белый или песочный цвет.
Тропосферный аэрозоль содержит серу (сульфаты), аммиак (NH3), нитраты (азотные составляющие), соду, хлориды, металлы, углеродные материалы,
Влияние аэрозоля на баланс газовых примесей в атмосфере
Может быть, так называемое, прямое влияние аэрозоля на климат (прямой эффект). Оно заключается, во-первых, в обратном рассеянии в космическое пространство части солнечной радиации, увеличивая, тем самым, альбедо системы Земля – атмосфера и уменьшая температуры земной поверхности днем, т.е. в период освещения солнцем. Во-вторых, некоторые аэрозольные частицы поглощают солнечную радиацию и излучают инфракрасную радиацию, уменьшая эффект охлаждения из-за рассеяния назад. В-третьих, аэрозоли поглощают и переизлучают уходящую инфракрасную радиацию земной поверхности и нижней атмосферы, внося свой вклад в парниковый эффект.
Уменьшение температуры поверхности Земли вызывает уменьшение потоки энергии в пограничный слой атмосферы, уменьшая температуры ПСА. Ночью, наоборот аэрозоли увеличивают нисходящий поток ИК радиации, увеличивая, тем самым, температуру поверхности. В результате температура ПСА ночью увеличивается в результате воздействия аэрозоля.
Поглощающие свойства аэрозоля определяются его химическим составом, т.е. содержанием веществ, способных поглощать солнечную энергию. Если аэрозоль не содержит поглощающих радиацию веществ, то основной эффект – рассеяние ведет к охлаждению земной поверхности до 1.5 градусов. Если добавляется поглощающих веществ в количестве, уменьшающим альбедо однократного рассеяния с 1 до 0.83, то наблюдается нагрев земной поверхности.
Знак прямого эффекта влияния аэрозоля на климат меняется от района к району в зависимости от состава аэрозоля. В городских условиях антропогенные выбросы приводят к существованию поглощающих составляющих. В результате днем преобладает охлаждение, а ночью нагрев, с результирующим нагревом в среднем за сутки. Кроме того, вторичный аэрозоль, образующийся в результате газовых химических реакций, тоже получается разный в разных районах в зависимости от химического состава воздуха.
Кроме того, могут возникать непрямые эффекты влияния аэрозоля на климат. Аэрозольные частицы могут выступать в качестве ядер конденсации для облачных капель. Общая сконденсированная масса остается неизменной, т.к. она определяется термодинамикой, а количество облачных капель увеличивается. В результате средний размер облачных капель уменьшается. Суммарное сечение поглощения большого количества мелких частиц больше, чем суммарное сечение поглощения малого количества больших частиц с одинаковым общим объемом. Суммарное альбедо увеличивается. В результате происходит охлаждение воздуха у поверхности.
Второй непрямой эффект возникает в связи с тем, что уменьшение среднего размера аэрозольных частиц уменьшает гравитационное осаждение капель и количество осадков уменьшается, время жизни облаков увеличивается и альбедо системы тоже увеличивается, а температура уменьшается.
Аэрозоли также влияют на скорости фотодиссоциации атмосферных газов, тем самым, воздействуя на их концентрации, а через них на нагрев атмосферы и поверхности.