книги из ГПНТБ / Непреднамеренные воздействия на климат. Результаты исследования влияния человека на климат [коллектив. моногр

8.3. ИСТОЧНИКИ ЧАСТИЦ

8.3.1. Выброс в приземном слое

Оценки интенсивности выброса и формирования частиц радиу­ сом менее 20 мкм в приземном слое приведены в табл. 8.1, со­ ставленной по материалам, которые удалось найти в литературных источниках (для морской соли, как увидим ниже, приемлемой была только одна оценка). Вообще эти оценки колеблются в широких пределах; например, различие в количестве частиц, образующихся при лесных пожарах, превышает порядок величины. Это свидетель­ ствует о малочисленности точных данных о выбросе в глобальном масштабе и несовпадении предположений, сделанных для того

чтобы прийти к этим оценкам.

Оценивая количество частиц горных пород и почвенных частиц, поступающих в атмосферу вследствие естественных процессов, Гольдберг [30] экстраполировал скорость накопления материалов выветривания в ледниках и морских осадочных породах для рас­ чета глобального среднего выброса частиц и получил величины в пределах 100—500 Мт/год. Робинсон и Робинс [77] оценили эту величину в 200 Мт/год, приняв при расчетах, что концентрация атмосферной пыли — величина постоянная. Это согласуется с вели­ чиной 250 Мт/год, полученной Петерсоном и Юнге [69] при экстра­ поляции количества естественной и образовавшейся в результате сельскохозяйственных работ пыли, поднятой ветром над США.

Недостаточная осведомленность о поступлении в атмосферу частиц при лесных пожарах и сжигании отходов лесоразработок по сравнению с другими источниками указывает направление ис­ следований. Оценка вклада человека в сопоставлении с естествен­ ными процессами особенно желательна, так как этот вклад может быть существенным и поддается контролю. Робинсон и Робинс, основываясь на глобальной экстраполяции количества твердых примесей, попадающих в атмосферу при лесных пожарах в США, оценивают глобальный выброс в 3 Мт/год. Флён (1971 г., не опуб­ ликовано) подсчитал, что в результате сжигания кустарников, главным образом в саваннах Африки, в атмосферу поступает около 80 Мт/год твердой примеси.

Робинсон и Робинс приводят также оценку Хиди и Брока [34] — 150 Мт/год, полученную при других предположениях об источни­ ках частиц и при иных принципах глобальной экстраполяции лес­ ных пожаров в США.

Общее количество соли, поступающей в атмосферу, Эриксон [24] оценивает более чем в 1000 Мт/год. Большинство частиц соли быстро возвращается в океан, и только 100 Мт, как предполагают, оседает на суше. Предположим, что частицы соли переносятся ветром на большие расстояния и равномерно распределяются по всей поверхности Земли. Тогда, учитывая, что океаны покрывают около 2/з поверхности планеты, общее количество частиц соли, выбрасываемых в атмосферу, составляет 300 Мт/год.

168

По ходу аккумуляции монтмориллонита в осадочных морских породах Гольдберг оценил выброс продуктов вулканических извер­ жений в атмосферу — примерно 150 Мт/год. Меньшую величину, 25 Мт/год, получили Петерсон и Юнге [69], использовав кроме своих данных еще и данные Митчелла [60] для расчета средней величины за длительный период.

Количество сульфатных частиц, образующихся из сероводорода (H2S), по оценке Робинсона и Робинса, составляет 200 Мт/год. Петерсон и Юнге, учтя сульфатные частицы, образующиеся из газовых эмиссий, получили 170 Мт/год. Более низкая оценка Гольд­ берга, 130 Мт/год, основывается на предположении, что количество сульфатных частиц, образующихся из H2S биологического и вулка­ нического происхождения, равно количеству сульфатов, образую­ щихся при сгорании ископаемого топлива.

Выброс частиц аммония по Робинсону и Робинсу очень велик — 430 Мт/год, а по Петерсону и Юнге — только 60 Мт/год.

Верхний и нижний пределы количества гидрокарбонатов из рас­ тительных источников были получены Юнге и Петерсоном, так же как Робинсоном и Робинсом, по данным Вента [90].

Около 18 Мт частиц поступает за год в атмосферу из ста­ ционарных источников в США [78]. Содержание очень мелких частиц (радиусом менее 2 мкм) составляет примерно 22% общего количества, т. е. 4 Мт/год. Гольдберг оценил это количество для зем­ ного шара в целом примерно в 12 Мт/год.

Гольдберг определил скорость образования сульфатов в атмо­ сфере вследствие сгорания ископаемого топлива, сравнив содержа­ ние сульфатов в ледниках в настоящее время и в те периоды, когда влияние человека явно отсутствовало. Его величина состав­ ляет 130 Мт/год. Петерсон и Юнге дают 200 Мт/год, модифицируя данные Робинсона и Робинса.

Скорость образования загрязнений нитратами оценивалась Пе­ терсоном и Юнге, а также Робинсоном и Робинсом по составу про­ дуктов сгорания ископаемого топлива. Они получили несущест­ венно различающиеся величины — 35 и 30 Мт/год соответственно.

В Отчете Национальной администрации по контролю загряз­ нения воздуха США [65] приведена величина общего выброса гидрокарбонатов — 29 Мт/год. Петерсон и Юнге приняли, что 75% этого количества не является метаном и, возможно, может пре­ вращаться в аэрозоли. Отчет ИКПОС [81] дает 90 Мт гидрокарбо­ натов, выпускаемых ежегодно, что является, вероятно, верхним пределом.

В заключение следует признать, что современное состояние знаний об интенсивности выбросов и образования аэрозольных частиц в атмосфере неудовлетворительно. Отношения количества

169

искусственных частиц должно удвоиться. Тогда указанное отноше­ ние будет составлять 20—50% Для общей искусственной фракции

и70% для сульфатов.

8.3.2.Образование частиц

Внастоящее время полагают, что большинство взвешенных частиц в атмосфере, вероятно, является вторичным продуктом, образующимся из веществ, которые попадают в атмосферу в виде

газов. Несколько атмосферных газов ( S O 2 , H 2 S, N H 3 ) играет особо важную роль в этих процессах. Время пребывания их в тропосфере

загрязнения оценивалась в п. 8.3.1. Недавние измерения SO2 в не­ загрязненном воздухе показали, что этот газ распространяется по всему земному шару.

Георги [29], Бюхен и Георги [9] провели анализ горизонтального и вертикального распределения SO2 . Оценка месячных концентра­ ций SO2 , сделанная де Бари и Юнге [19], выявила уменьшение кон­ центрации SO2 в направлении от Европейского континента к океану. В соответствии с точностью измерений, которую может обеспечить современная экспериментальная техника, фоновая концентрация SO2 составляет 1—2 мкг/м3. Эта величина также согласуется с ре­ зультатами, полученными Абелем и др. [ 1 д] в Изанской обсервато­ рии на высоте 2370 м на о. Тенерифе. Концентрация SO2 в чистом морском воздухе над Атлантикой, измеренная во время атлантиче­ ской экспедиции исследовательского судна «Метеор», имеет макси­ мум примерно на 50° с. ш., где она составляет 3 мкг/м3, и умень­ шается к северу и югу. Южнее 10° с. ш. SO2 над Атлантикой не обнаруживается. Несомненно, что двуокись серы образуется глав­

170

ным образом в загрязненных районах и переносится на большие расстояния, что сопровождается уменьшением ее концентрации вследствие медленного фотохимического и каталитического окисле­ ния и поглощения поверхностью океана. Меридиональный разрез, представленный на рис. 8.1, соответствует времени нахождения SO2 в атмосфере порядка 3 дней при условии, что не существует мор­

ских источников SO2 .

В отношении вертикального распределения SO2 самолетные измерения над Центральной Европой показали:

1) концентрация S 0 2 быстро уменьшается с высотой, достигая половины приземной концентрации на высоте около 1000 м над по­

1 мкг/м3.

Прямые измерения H2S чрезвычайно трудны, вследствие чего данные о сероводороде весьма скудны и неопределенны. Сероводо­ род попадает в атмосферу главным образом в результате распада органических веществ или из вулканов. Серия измерений H2S в Бедфорде (штат Массачусетс), произведенных Юнге в 1960 г., вы­ явила относительное постоянство концентрации H2S. Усовершен­ ствование способов определения концентрации H2S заслуживает первоочередного внимания.

Аммиак NH3, в основном образующийся биологически и только в малой степени при процессах горения, важен как побочный про­ дукт при образовании частиц сульфата аммония (NH4 )2 S0 4 .

Ввоздухе над Европой содержание NH3 составляет 5—7 мкг/м3

[28].В морском воздухе во Флориде и на Гавайях концентрация аммиака колеблется от 3 до 5 мкг/м3. Предварительные измерения NH3 с самолетов в свободной атмосфере указывают на относи­ тельно малые концентрации, около 1 мкг/м3. Вертикальное и гори­ зонтальное распределение NH3 в средних и высоких слоях тропо­ сферы заслуживает более детального изучения, иначе нельзя сде­ лать количественное заключение о значении этих газов как источ­ ников атмосферных аэрозольных частиц.

8.3.3. Трансформация газов в аэрозольные частицы

Двуокись серы — один из главных загрязнителей воздуха; ее окисление до сернистой кислоты является важным атмосферным процессом. Образование частиц сульфата аммония, разумеется, существенно с точки зрения возможного влияния на климат, по­ скольку установлено их присутствие в глобальном масштабе.

Было высказано предположение о трех возможных механизмах образования частиц из газов в атмосфере.

171

1. Фотохимическое окисление, гетерогенные газовые реакции.

Этот процесс, вероятно, возможен только в засушливых районах и в высоких слоях тропосферы. По Коксу и Пенкетту [16], скорость конверсии составляет 0,03% SO2 , окисляемого за 1 ч в чистом воздухе фотохимическим путем. Брикард и др. [7] показали, что если концентрация SO2 в воздухе прогрессивно возрастает, то до­ стигается уровень насыщения, за пределами которого образование частиц перестает быть функцией концентрации SÖ2. Смесь 0 2 + N2 при наличии следов S 02 под влиянием радиации не образует аэро­ зольных частиц, хотя в присутствии N 02 и N2 такое образование происходит. Авторы [7] сделали вывод, что прямое фотоокисление

Фотохимические реакции происходят также с терпенами, выде­ ляющимися из растительных веществ под влиянием солнечного света. Над обширными лесными районами они обусловливают явле­ ние, известное под названием «голубая дымка». Это явление подробно (см. п. 8.6.1) изучал Вент [90, 14д].

2. Каталитическое окисление в присутствии тяжелых металлов.

Согласно Юнге и Риану [8д], этот процесс в большой степени за­ висит от присутствия подходящих катализаторов — ионов тяжелых металлов — и, вероятно, эффективен только в загрязненном воздухе. Они нашли, что трансформация останавливается, когда достигается определенное значение pH. Этот механизм наиболее вероятен как в дымке, образованной сухими частицами, так и

воблачных каплях.

3.Реакция аммония с двуокисью серы в присутствии жидкой воды (реакция облачных капель). Главные особенности вертикаль­ ного и горизонтального распределения сульфатных частиц в тропо­

значение pH поддерживается достаточно высоким, например, вслед­ ствие поступления NH3, реакция может продолжаться. В соответ­ ствии с современными знаниями, которые еще нельзя считать пол­ ными, механизм образования сульфата аммония эффективен только в присутствии жидкой воды, т. е. в районах, где существуют обла­ ка и туманы. Расчеты по моделям показывают, что скорость окис­

наруживают пик концентрации под нижней границей облака. Как конечный продукт этой реакции частицы сульфата аммония оста­ ются взвешенными в воздухе после испарения капель облаков и туманов.

Когда в профильтрованный воздух сначала вводят аммоний, а затем S 0 2, число ядер конденсации увеличивается примерно от

ІО5 до ІО6 см-3, радиус же капель резко возрастает от 3-10~9 до ІО-6 см [7].

172

Итак, согласно экспериментам, трансформация SO2 в частицы требует одной или нескольких газовых примесей, иначе нельзя объяснить наблюдаемые эффекты. Поскольку время пребывания в тропосфере частиц (NH^SCU в среднем превышает время суще­ ствования газовых компонент SO2 , H2 S и NH3, можно заключить, что этот механизм может значительно влиять на глобальное со­ держание аэрозольных частиц и, таким образом, воздействовать на радиационный баланс атмосферы.

8.3.4.Рекомендации

1.Мы рекомендуем сбор количественной информации о скоро­ сти глобального производства частиц с погрешностью, не превыша­ ющей 100%. Это потребует разработки экспериментальных и ста­ тистических методов определения скорости образования или вы­

броса частиц, например, при извержении вулканов, выносе пыли с истощенных пастбищ, засушливых и пустынных областей. Все ис­ следования должны дать информацию о потоках массы и о распре­ делении частиц по размерам в пределах радиусов 0,01—10 мкм.

2.Мы рекомендуем изучать трансформацию атмосферных газо­ вых примесей, приводящую к образованию частиц. Это изучение должно включать сбор надежных данных о распределении этих газов в атмосфере, их жизненном цикле и времени пребывания в атмосфере.

3.Мы рекомендуем периодическое измерение (например, с ин­ тервалами в 2 года) выбросов из главных источников искусствен­

ных частиц, которые человек может контролировать.

8.4. УДАЛЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ И ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ

8.4.1. Состояние вопроса

Естественные и искусственные субстанции удаляются из атмо­ сферы различными процессами. Для твердых и газовых примесей

втропосфере существуют следующие стоки:

1)для частиц

—сухое отложение путем осаждения и диффузии; —• сухое удаление путем соударения с растениями;

—объединение с элементами осадков при конденсации, вымы­ вании в облаке и вымывании под облаком;

2)для газов

—адсорбция или реакция на земной поверхности;

— превращение в аэрозоли путем химической реакции в атмо­ сфере;

— поглощение элементами осадков.

Эффективность абсорбции аэрозольных частиц и молекул газов зависит от скорости распространения загрязнителей в при­ земном слое, который создает сопротивление, обусловливающее вертикальный градиент загрязнения (64]. Некоторые поверхности являются почти совершенными стоками для газов и частиц: веще­

173

ства поглощаются необратимо. Другой граничный случай — полное отражение — вводится в модели диффузии, но, вероятно, он не существует в природе. Эффективность абсорбции на поверхности еще недостаточно понята; в частности, очищающий эффект лесов пока непредсказуем. Роса, образующаяся на поверхности, вероятно, активно содействует отложению частиц и газов на грунте. Основной физический механизм этих процессов мало известен.

Измерения осаждения S 02, одного из главных газовых загрязни­ телей, на различных почвах показали, что поглощение его быстро увеличивается с увеличением влажности и pH почвы. Исследование глубины проникновения выявило, что обычно только очень тонкий поверхностный слой содержит S 0 2, но в очень влажной почве был обнаружен перенос S02 в более глубокие слои. Приняв эффектив­ ность поглощения S 0 2 древесным углем за 100%, мы находим, что эффективность поглощения S 02 различными почвами колеблется от 20 до 90%, причем наибольшая величина характерна для покрытых травой поверхностей. Скорость отложения, равная величине отложе­ ния, деленной на концентрацию вещества в воздухе, составляет для S 0 2 приблизительно 1—2 см/с.

Частицы оседают в атмосфере под действием силы тяжести. Если пренебречь адвективным и конвективным переносом, то ско­ рость осаждения будет определяться временем пребывания более крупных частиц в воздухе. Этот процесс осаждения затрагивает только те частицы, радиус которых больше 1 мкм.

Приблизительная скорость осаждения частиц в спокойном воз­ духе при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. приведена в табл. 8.2 (концентрация частиц 1 г/м3). Из этой таблицы видно, что частицы радиусом более 10 мкм быстро удаляются из атмо­ сферы сухим осаждением. С другой стороны, скорость осаждения частиц, радиус которых меньше 0,1 мкм, становится пренебрежимо малой. Вклад сухого осаждения в общую скорость отложения

вумеренных широтах составляет примерно 10—20%. Разумеется,

врайонах с малым количеством осадков этот вклад больше. Кон­ денсация водяного пара на частицах изменяет их размер; частицы растут, и скорость осаждения увеличивается.

Очищение воздуха осадками является одним из главных про­ цессов удаления газовых, жидких и твердых загрязнителей из атмо­ сферы в почву. Оно имеет три главных аспекта: 1) перенос при­ месей к месту очищения; 2) внутриоблачное очищение элементами облака, обычно называемое вымыванием в облаке; 3) подоблач­ ное очищение осадками, которое обычно называют вымыванием. Вымывание в облаке и вымывание в подоблачном слое опре­ деляются главным образом следующими пятью параметрами:

174

1)размером и концентрацией частиц в атмосфере;

2)размером и концентрацией облачных и дождевых капель, действующих как коллекторы;

3)запасом жидкой воды в облаке при непрерывной конден­

сации;

4)значением pH и химическим составом облачной и дождевой

воды;

5)степенью растворимости газов и частиц в водяных каплях.

Исследования Баилке и Георги [3], Баилке [2] показали, что в случае S 02 скорость очищения возрастает с увеличением интен­

у поверхности, а с высотой она уменьшается. В хорошо переме­ шанной атмосфере, где концентрация не зависит от высоты, несом­ ненно преобладает вымывание в облаке.

В то время как вымывание газовых примесей подвержено броу­ новскому рассеянию, поглощение частиц элементами облака и дождя является результатом как диффузии (в случае ядер Айткена), так и соударения (в случае больших частиц).

Теоретические расчеты эффективности захвата частиц каплями выполнены Гринфельдом [31] и др.; результаты расчетов собраны Энгельманом и Слином [23]. Расчеты индивидуального вклада аэро­

(см. табл. 8.3).

Ряд наблюдений показал, что вымывание частиц осадками в ка­ кой-то степени зависит от типа осадков. Итагаки и Коенума [37], Рейтер [74] и Георги [27] установили, что снежные хлопья и падаю­ щие ледяные кристаллы являются более эффективными «мусорщи­ ками», чем капли дождя. Георги считает, что высокая очищающая способность плавающих снежных хлопьев обусловлена их большой поверхностью. Виттори и Проди [88] нашли, что ледяные кристаллы (растущие в смешанных облаках) обладают большей способностью собирать инородные частицы, чем капли воды. Для понимания роли

175

процессов диффузии (включая эффекты электрического заряда), предложенных различными авторами в качестве активных механиз­ мов трансформирования частиц в капли и ледяные кристаллы, не­ обходимы дальнейшие исследования.

Во время и после отдельных дождей и ливней часто наблюда­ ется уменьшение концентрации SO2 и твердых примесей вблизи по­ верхности. Однако только дожди с интенсивностью более 1 мм/ч вызывают заметное уменьшение количества больших частиц и ядер Айткена в приземном слое. В литературе описаны случаи, когда ежедневные измерения мутности указывали на ее устойчивое возра­ стание, несмотря на несколько ливней, наблюдавшихся в это время [26]. Следовательно, в высокоиндустриальных районах скорость образования примесей превышает скорость их удаления путем вымывания в облаке и подоблачном слое.

Сообщение Лазруса (1969 г., данные не опубликованы) о боль­ шой концентрации металлов, особенно свинца, в осадках и сооб­ щение Рейквома [73] об увеличении содержания кислоты в осадках над Скандинавией и другими частями Европы привлекают внимание к химии осадков и к возможности предсказывать очищение воздуха на основе изучения собирающих загрязнения механизмов, действу­ ющих в облаках и осадках под облаками.

Процессы очищения во многом обусловливают время нахожде­ ния в атмосфере твердых и газовых примесей, вступающих в реак­ цию с элементами осадков. Время пребывания в атмосфере опреде­ ляется путем деления всей массы примесей в резервуаре (тропо­ сфере) на полную скорость выброса или скорость удаления (они равны при стабильных условиях). Обычно время пребывания относят к массе, а не к отдельным частицам, которые не сохраняют своей индивидуальности в процессе коагуляции.

Втропосфере изменения в распределении частиц по размерам

ив распределении концентрации по вертикали приведут к опреде­ ленному изменению времени пребывания частиц, которое зависит также от широты и от характера облачности. Время пребывания

втропосфере естественных частиц рассчитывалось главным обра­ зом по данным об атмосферной радиоактивности. По Юнге [41], время пребывания в атмосфере колеблется от 3 до 32 дней в уме­ ренных широтах, причем для приземного слоя воздуха оно со­ ставляет одну неделю.

Вумеренных широтах туманы и осадки ответственны за удале­ ние из тропосферы примерно 70—80% массы твердых и газообраз­ ных примесей, которые вступают в реакцию с водой.

8.4.2. Рекомендация

Мы рекомендуем более подробно изучать главные механизмы удаления твердых и газообразных примесей осадками, твердых частиц — путем диффузии, поглощения на поверхности и осажде­ ния на нее, а газов — путем поглощения подстилающей поверх­ ностью. Все это особенно важно для расчета времени пребывания примесей в атмосфере.

176

8.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ

8.5.1. Три общих типа

Одним из основных параметров, которым оперируют при всех рассуждениях о влиянии частиц на радиацию и образование обла­ ков, является распределение частиц по размерам. В глобальном

в локальном и региональном масштабе. Ее считают нижним преде­ лом счетной концентрации, измеренной счетчиком ядер конденса­ ции. Преставляется обоснованным использовать в качестве такого предела концентрацию, равную 700 частиц/см*3. Распределение по размерам, представленное на рис. 8.2, соответствует концентрации приблизительно 200 частиц/см3.

Мы располагаем лишь небольшим количеством данных о распре­ делении частиц по размерам, причем практически отсутствуют дан­ ные о частицах, радиус которых меньше 0,1 мкм. Результаты