НОМЕНКЛАТУРА И ОСОБЕННОСТИ ТРОПОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ

 

В настоящее время номенклатура атмосферного аэрозоля отражает его происхождение и распределение по размерам и частичной концентрации. В учении об атмосфере выделяют три характерных диапазона (моды):

– частицы с радиусами менее 0,1 мкм;

– частицы с радиусами от 0,1 до 1 мкм;

– частицы с радиусами более 1 мкм.

В метеорологии самые мелкие частицы называют ядрами Айткена. Их появление в атмосфере связано с гомо- или гетеронуклеацией – образованием новых относительно устойчивых частиц из газообразных предшественников. Примером таких процессов может служить образование мельчайших частиц сажи при горении природного газа или частиц голубоватой дымки, часто возникающей над массивами хвойных лесов в жаркую безветренную погоду в результате окисления выделяемых растениями терпеновых углеводородов C₁₀H_16.

Вторую моду образуют аэрозоли, иногда называемые частицами Ми. Они возникают главным образом за счет коагуляции уже существующих частиц ядерной моды или их роста в результате гетерогенной конденсации различных газов (например, паров воды). Поэтому эту моду называют такжекоагуляционной или конденсационной.

Частицы с радиусами более 1 мкм появляются в атмосфере чаще всего в результате процессов разрушения конденсированной фазы. Это продукты испарения брызгами морской воды, мелкая фракции вулканического пепла, а также поднимаемая ветром в атмосферу минеральная пыль. Преимущественно к дисперсионной моде относятся биогенные по своему характеру частицы – в основном фрагменты растительных тканей.

Таким образом, атмосферный аэрозоль – продукт сложной совокупности физических, химических, и биологических процессов.

Относительные количества частиц, принадлежащих к различным модам, существенно различаются, уменьшаясь от мелких к более крупным, тогда как массовая концентрация в этом ряду обычно растет:

Радиус,мкм < 0,1 0,1 – 1,0 > 1,0

Относительное число,% 90 – 93 7 – 10 0,1 – 1,0

Относительная масса,% < 20 < 30 49 – 99

Абсолютная величина частичной и массовой концентрации аэрозолей лежит в широких интервалах: в фоновых районах она составляет 10³ частиц в 1 см³(см^-3), а в воздухе городов – достигает 10⁶ – 10⁸ см^-3. Массовая концентрация аэрозолей в городском воздухе может превышать 350 мкг/м³, тогда как над открытыми районами океанов она находится в переделах 20 – 90 мкг/м³.

Важной характеристикой, определяющей многие фундаментальные свойства аэрозолей, является площадь поверхности образующих их частиц. Вследствие недостаточной изученности этой характеристики при описании свойств и поведения атмосферного аэрозоля обычно прибегают к упрощенному представлению: считают, что частицы имеют сферическую форму, их поверхность однородна, плотность равномерна. Однако электронная микроскопия отчетливо демонстрирует их разнородность: собираемые в тропосфере пробы обычно одновременно содержат сложные агрегаты (длинные цепочки и «звездочки»), иглы, волокна, многогранники и пластинки. На долю частиц нуклеационной моды приходится не только самая большая частичная концентрация, но и основная часть поверхности атмосферного аэрозоля. Наибольший вклад в величину поверхности вносят частицы со средним радиусом 0,13 мкм. Удельная поверхность аэрозоля в приземном воздухе в отсутствие пылевых бурь обычно составляет 50 – 100 мкм²/см³, в воздухе городов и шлейфах вулканических облаков она резко ( до двух-трех порядков величины) возрастает. Удельная поверхность аэрозоля, выраженная в м²/г, имеет порядок 10⁶, т.е. намного превосходит величину, характерную для активированных углей (около 10³ м²/г).

Масса тонкодисперсного аэрозоля оценивается величиной около 5 ·10⁷ т, а скорость его образования – около 5 · 10⁹т/год. Это означает, что полное обновление происходит примерно 100 раз в год.

В тропосфере с высотой содержание аэрозолей уменьшается. Зависимость частичной концентрации аэрозоля от высоты над уровнем моря носит экспоненциальный характер:

N_{H =} N_o exp(-H/H_o),

где N_H – концентрация частиц на высоте Н;

N_o – приземная концентрация частиц;

H_o – экспериментально определяемый параметр, зависящий как от природы частиц, так и от условий их существования (главным образом – от турбулентности атмосферы).

В аэрозольной модели тропосферы принят следующий средний состав частиц. До высоты 3 км 50% приходится на долю сульфатов (в основном – среднего сульфата аммония), 35% – на долю частиц почвенного происхождения, состоящих (в %) из SiO₂ (53), Al₂O₃ (17), Fе₂O₃ (7) и прочих компонентов (23), 15% – на долю морской соли (главный компонент – хлорид натрия). Выше 3 км 60% частиц составляют сульфаты, 40% частиц имеют почвенное происхождение.