Наименьшее время пребывания в атмосфере характерно для самых мелких и самых крупных частиц.

Четвертый критерий удовлетворяется, если площадь поверхности частицы превосходит ее объем по крайней мере в 10 раз.

ВРЕМЯ ЖИЗНИ (УСТОЙЧИВОСТЬ) АЭРОЗОЛЯ

Чрезвычайно важной характеристикой является время жизни частиц в атмосфере. Время жизни частиц связано с устойчивостью аэрозоля. Аэрозоль является устойчивым, если:

– скорость седиментации частиц мала;

– силами инерции при перемещении частиц можно пренебречь;

– броуновское движение частиц весьма эффективно;

– система характеризуется высокой удельной поверхностью.

Время жизни частицы в атмосфере определяется скоростью ее седиментации под действием силы тяжести. Если размеры частицы больше чем величина свободного пробега молекулы, то скорость седиментации описывается уравнением Стокса:

W_g = d_ч ²ρ_чg/(18),

где d_ч и ρ_ч– диаметр и плотность частицы;

g – ускорение свободного падения;

μ – динамическая вязкость газа (для воздуха при 298К μ = 1,81 · 10^-5 Па · с).

В атмосфере W_g зависит от высоты над уровнем моря. Кроме того, восходящие потоки еще более затрудняют интерпретацию понятия «скорость седиментации». Все же в качестве верхнего предела можно принять значение W_g= 0,1 м/с (первый критерий устойчивости).

Второй критерий устойчивости формулируется как

Wd_ч ρ_в/μ = Re <0,02,

где W – скорость движения частицы, обусловленного внешним воздействием;

ρ_в– плотность воздуха;

Re – критерий Рейнольдса.

Таким образом, в устойчивых аэрозольных системах при нормальных атмосферных условиях скорость движения частицы диаметром 1 мкм не может превысить 30см/с, а частицы диаметром 10 мкм – 3 см/с. Если внешнее воздействие обусловлено силой тяжести. То второй критерий эквивалентен первому.

Броуновское движение аэрозольных частиц является следствием их случайных соударений с молекулами газов, составляющих атмосферу. Скорость броуновского движения увеличивается с уменьшением размера частиц и обычно принимается во внимание, если диаметр частицы меньше 1 мкм (третий критерий устойчивости).
Перечисленные критерии позволяют установить верхний предел размеров аэрозольных частиц. Что касается нижнего предела, то в его оценке обычно исходят из следующих посылок. Система рассматривается как аэрозольная, если размер частиц больше, чем размер молекул газовой фазы, в которой частицы распределены. В то же время масса частиц много больше массы молекул газа. Исходя из среднего размера молекул основных компонентов атмосферы можно принять значение 1 нм в качестве нижнего предела.
В конечном счете единственным стоком аэрозолей из атмосферы оказывается осаждение на подстилающую поверхность. Однако принадлежащие к разным модам частицы осаждаются по существенно разным механизмам и с разными скоростями.

Прежде всего выделяют осаждение сухое и влажное (с осадками в виде дождя, тумана и пр.). В случае относительно крупных частиц (диаметром более 1 мкм) основными способами удаления из атмосферы оказываются гравитационное осаждение и подоблачное вымывание, включающее инерционный захват частиц каплями дождя или снежинками. По мере уменьшения размеров частиц вклад того и другого механизма в формирование нисходящего потока аэрозолей снижается и становится минимальным для частиц с размерами 0,1 – 1,0 мкм. Однако при дальнейшем уменьшении размеров эффективность сухого осаждения и вымывания снова возрастает. Это объясняется тем, что в случае нуклеационного аэрозоля основными параметрами, определяющими скорость их выведения, являются их большая подвижность (вследствие эффективного броуновского движения) и высокая концентрация (в см^-3). Изменение концентрации во времени для них описывается уравнением:

– dN/dτ = 4πDd_чN² ,

где N – частичная концентрация аэрозоля, см^-3;

τ – время;

D–коэффициентдиффузиичастиц. Последний определяется как

D = kT(1 + 2AL/d_ч)/3πμd_ч, (77)

где k – постоянная Больцмана;

A – коэффициент Стокса;

L – средняя длина свободного пробега молекул газа.

Коэффициент Стокса описывается уравнением:

А = 1,257 + 0,4 exp(-0,55d_ч/L)

Из уравнений (76) и (77) получаем:

– dN/dτ = 4kT(1 + 2AL/d_ч)N²/(3μ ). (78)

Из уравнения (78) следует, что скорость выведения частиц нуклеационной моды из атмосферы пропорциональна квадрату их концентрации и обратно пропорциональна их диаметру. При средней длине свободного пробега 6,5 · 10^-8 м, среднем диаметре частиц 0,6 · 10^-8 м и их концентрации 10³ см^-3, время полувыведения τ_1/2 = 1/(4πDd_чN²) = 1 сут. Таким образом, одним из основных каналов стока частиц нуклеационной моды является их слипание при соударениях (коагуляция), приводящее к образованию аэрозолей с более крупными частицами.