6.6. Дисперсные системы в атмосфере

Дисперсные системы, состоящие из твердых или жидких частиц, распределенных в газовой фазе, называют аэрозолями.

Для существования устойчивого аэрозоля необходимо выполне­ние следующих условий:

1. скорость седиментации частиц мала;

2. силами инерции при перемещении частиц можно пренебречь (от­ношение сил инерции к силам вязкости мало);

3. броуновское движение частиц весьма эффективно;

4. система характеризуется высокой удельной поверхностью.

Физический смысл этих условий сводится к следующему. Обыч­но внешней силой, воздействующей на эрозольную частицу, являет­ся гравитация. Это означает, что время жизни частицы в атмосфе­ре определяется скоростью ее седиментации. Если радиус частицы больше, чем величина среднего свободного пробега молекулы, то скорость седиментации W_g описывается уравнением Стокса:

W_g = 2r²_чq/(9), (130)

где r и _ч – радиус и плотность частицы (в сферическом приближе­нии);

q – ускорение свободного падения;

 – динамическая вязкость газа (для воздуха при 298 К  = 1,81 ^. 10^–4 Па ^. с).

В атмосфере W_g зависит от высоты над уровнем моря. Более того, в тропосфере восходящие потоки еще больше затрудняют интерпретацию понятия W_g. Все же в слое воздуха можно в качестве верхнего предела W_g принять значение 0,1 м ^. с^–1 при _ч = 1 г ^. см^–3 (первый критерий устойчивости). Данное значение W_g определя­ет скорость падения частицы радиуса 30 мкм. Однако в атмосфе­ре встречаются и большие по размеру частицы, которые благодаря восходящим атмосферным потокам могут быть обнаружены на зна­чительных расстояниях от источника выброса.

Второй критерий устойчивости формулируется как

Wr/ = Re < 1, (131)

где  – плотность воздуха;

W – скорость движения частицы, об­условленного внешним воздействием;

Rе – число Рейнольдса.

Таким образом, в устойчивых аэрозольных системах при нор­мальных атмосферных условиях скорость движения частицы ра­диуса 10 мкм не может превысить 30 см ^. с^–1, а если радиус равен 30 мкм, то критическая скорость равна 10 см ^. с^–1. Если внешнее воз­действие обусловлено силой гравитации, 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 r < 0,5 мкм (третий критерий устойчивости).

Четвертый критерий удовлетворяется, если площадь поверхно­сти частицы превосходит ее объем по крайней мере в 10 раз. Имен­но поэтому поверхностные явления играют значительную роль в физико-химических превращениях аэрозолей.

Перечисленные критерии позволяют установить верхний предел размеров аэрозольных частиц. Что же 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 m_ч » т_r, где m_ч и m_г — массы аэрозольной частицы и молекулы газа соответственно. Исходя из среднего размера молекул основных компонентов атмосферы, можно принять значение 1 нм в качестве нижнего предела.

Важным следствием броуновского движения является столкно­вение частиц и их последующая коагуляция. Скорость коагуляции описывается уравнением:

(132)

где N – число частиц в единице объема;

t – время;

D – коэффици­ент диффузии частиц;

D = kT(1+AL/t)6r) (133)

где k – константа Больцмана;

Т – абсолютная температура;

А – поправочный коэффициент Стокса – Кунихема;

L – средняя длина свободного пробега молекул газа (L = 65,3 нм при нормальных условиях).

Коэффициент А описывается уравнением:

A = 1,257 + 0,400exp(–1,10r/L) (134)

Из уравнений (132) и (133) получаем:

(135)

Из уравнения (135) следует, что скорость выведения частиц из атмосферы в результате их коагуляции пропорциональна ква­драту концентрации и обратно пропорциональна радиусу частиц. Таким образом, выведение малых по размеру, но присутствующих в высоких концентрациях аэрозольных частиц – высокоэффектив­ный процесс.

Аэрозоли обычно подразделяют на две большие группы по проис­хождению и по размерам частиц – микро- и макрочастицы. Микро­частицы (радиус меньше 0,5-1,0 мкм) образуются в процессах коа­гуляции и конденсации, тогда как макрочастицы (радиус > 1,0 мкм) возникают в основном при дезинтеграции поверхности Земли.

Возможно также классифицировать частицы в зависимости только от размера. Напомним, что размер средней по величине мо­лекулы или атома составляет ~ 0,1 нм. На сегодняшний день не существует точного определения того, насколько большим должен быть молекулярный кластер, чтобы превратиться в частицу, но ча­стицы радиуса порядка 1 нм = 10^–7см (концентрация таких ча­стиц обычно измеряется при помощи расширительных камер, пер­вая конструкция которых была предложена Айткеном, поэтому ча­стицы называются ядрами, или частицами, Айткена) были изме­рены экспериментально и, по мнению ряда авторов, представляют собой наименьшие по размеру частицы, которые могут быть обнару­жены с помощью расширительных 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 порядка 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^–5см 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 (за исключением случая наиболее летучих соединений, размер образу­ющихся частиц меньше).

Размер 10^–4см (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 2 ^. 10^–2 см ^. с^–1, но даже такое медленное осаждение за 1 сутки составляет уже 20 м. 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^–3см (10 мкм) – это приблизительный размер ядер облака, которые представляют собой очень важную специальную подгруппу атмосферных аэрозолей. Скорость падения такой ча­стицы плотностью 2 г/см³ при нормальных условиях составляет 2см ^. с^–1, 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 с помощью обыч­ного оптического микроскопа.

Размер 10^–2см (100 мкм) – это размер капель измороси (ско­рость оседания = 100 см ^. с^–1). 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^–1см (1мм) – типичный размер дождевых капель. В атмосфере в год образуется приблизительно 4 ^. 10²² дождевых капель, что составляет 10 капель на 1 см² поверхности Земли.

В среднем дожде, однако, их объемная концентрация невелика – 10^–5см^–3 (или 10 капель на 1 м³ 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, поэтому жидких аэ­розолей размером 1 см 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, метеориты и частицы пепла при извержении вулканов могут достигать и больших размеров.

Итак, даже самая краткая классификация по размерам занима­ет область от 10^–8см до 10 см. Если исключить экстремальные случаи, то останется область в шесть порядков – от 10^–7см 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.

Важно представлять себе, 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 оцениваться очень осторожно.