2.1.2 Сток аэрозолей в тропосфере

Существование аэрозольных частиц в атмосфере определяется их «временем жизни», под которым понимается отрезок времени, за который концентрация частиц уменьшится в 2,3 раза (т.е. в е раз).

Время пребывания пыли и аэрозолей в атмосфере зависит от:

- размера частицы;

- плотности вещества частицы;

- скорости ветра;

- высоты, на которую они были подняты изначально;

- вида осадков.

Поскольку размеры аэрозольных частиц в тропосфере различаются на несколько порядков, механизм их удаления из атмосферы также различен.

Известно, что объем тел пропорционален кубу линейных размеров, а поверхность – квадрату. Относительная поверхность у малых частиц больше, чем у крупных. При прочих равных условиях малые частицы переносятся в атмосфере на большие расстояния от места их возникновения. Наиболее мелкие частицы, называемые «ядрами Айткена», выводятся из атмосферы за счет процессов коагуляции и диффузионного осаждения. Они ведут себя подобно газообразным веществам: не оседают из воздуха, не вымываются из атмосферы осадками, что увеличивает время их пребывания в атмосфере. Гигантские частицы выпадают в процессе седиментации (осаждение). Большие частицы могут выводятся из атмосферы совокупностью различных механизмов осаждения.

Другим важным процессом стока аэрозольных частиц из тропосферы является разномасштабная конвекция. В этом случае наблюдается перенос аэрозольных частиц из нижних слоев атмосферы в верхние в результате развития конвективных потоков и вовлечение их в облака выше уровня конденсации. В облаках осуществляется абсорбция их водяными каплями, т.е. происходит внутриоблачное вымывание. Кроме того, выпадающие осадки поглощают присутствующие в атмосфере пыли и аэрозоли.

Крупные частицы обычно оседают в течение нескольких часов или суток, тем не менее, они могут переноситься на значительные расстояния, если вначале оказались на достаточной высоте. Например, в 1985 г. над Ашхабадом несколько часов свирепствовал песчаный ураган – ветер принес десятки тысяч тонн песка из Аравийских пустынь. Те частицы, которые ведут себя как газообразные вещества, пребывают в нижних слоях атмосферы 10-20 суток, что достаточно для их распространения по всему полушарию. В стратосфере такие частицы существуют 1-3 года. Это значительно увеличивает толщину облачного покрова Земли. Для аэрозольных частиц, находящихся в стратосфере, время их жизни увеличивается с высотой и оценивается значением около месяца в тропопаузе, 1-2 года на высоте 20 км и от 4 до 20 лет на высоте 50 км.

В таблице 2.2 приведены данные по времени выведения аэрозолей из атмосферы.

Таблица 2.2 - Время выведения аэрозолей радиусом (r, мкм) при разных процессах выведения из атмосферы

Процесс	Аэрозоли, r, мкм
	ядра Айткена, r ≤ 0,1 мкм	крупные частицы, r = 0,5 мкм	ядра «Гиганты», r ≥ 5 мкм
Седиментация*	более 1000 лет	1 год	10 часов
Инерционное осаждение на поверхностях	4 суток	10 часов	1 часов
Осаждение при турбулентной диффузии	4 суток	10 часов	1 часов
Растворение в качестве ядер конденсации	5 минут	10 минут	1 часов

* Седиментация – оседание.

В таблице 2.3 представлены данные по «времени жизни» аэрозолей при выпадении осадков.

Таблица 2.3 – Среднее «время жизни» аэрозолей при выпадении осадков

Вид осадков	«Время жизни», час
Морось	0,6
Слабый дождь	0,8
Умеренный дождь	0,9
Сильный дождь	1,5

В таблице 2.4 представлены данные по концентрациям аэрозольных частиц до и после дождя.

Таблица 2.4 – Вымывание аэрозольных частиц дождями

Период наблюдения	Концентрация аэрозольных частиц, мкг/м3
	NH4+	NO3-	SO42-
Перед дождем	6,7	6,0	16,7
После дождя	4,7	1,6	9,7
Осталось после дождя, %	70,0	27,0	58,0

Т.о., основными путями удаления аэрозолей из атмосферы является вымывание и осаждение.

Оценки глобальных потоков аэрозольных частиц естественного происхождения обобщенны в табл. 2.5, приори­тетные источники происхождения и функции распределения их размеров представле­ны на рис. 2.2 и 2.3.

Таблица 2.5 - Оценки глобальных потоков веществ в атмосферу от различных

источников

Источник	Морская соль	Пыль	Вулканическая пыль	Лесные пожары	Метеоритная пыль
%	64,2	32,1	2,1	1,5	<0,1

Из табл. 2.4 следует, что основным источником естественного глобального аэрозоля (64,2 %) является океан. Другим важным источником служит подъем пыли в аридных районах (32,1 %), где исходная концентрация над районом выброса может достигать миллиграмма твердого вещества на 1 м³ воздуха. Это на порядок выше, чем бывает в городских условиях. Важнейшими географическими районами такого пылеобразования в северном полушарии являются пустыня Сахара в Африке, пусты­ни и полупустыни Азии, некоторые полупустынные и степные районы на территории США и России.

Рисунок 2.2 - Источники поступления и размеры аэрозольных частиц

Рисунок 2.2 – Размеры аэрозольных частиц естественного и антропогенного происхождения

Аэрозольные частицы вступают во взаимодействие с окружающей средой, в результате чего изменяются их физические, химические и токсикологические характеристики.

Яркой иллюстрацией этому может служить изменение химического состояния многих тяжёлых металлов при их переносе в составе частиц на большие расстояния. Известно, что значительная часть таких металлов, как Cu, Ni и Pb, поступает в атмосферу в составе нерастворимых в воде соединений. В зависимости от характера источника доля нерастворимых форм этих металлов составляет в коллоидах соответственно 53-97, 65-98 и 55-99 %, соответственно. Однако анализ переносимых воздушными потоками в Антарктиду аэрозолей показывает, что все три металла полностью находятся в них в форме водорастворимых соединений. Вероятным объяснением этому служит постепенное накопление на аэрозольных частицах кислот, вымывающих металлы из минеральных матриц. Отметим сразу: переход металлов в раствор – фактор экологически неблагоприятный, поскольку высокую токсичность проявляют как раз ионные формы металлов, обладающие к тому же наибольшей подвижностью.

Вымывание металлов после захвата аэрозольных частиц каплями облачной воды или вследствие поглощения частицами аэрозолей кислот и их предшественников из газовой фазы формирует новые реакционные свойства дисперсной фазы: растворенные компоненты могут выступать в качестве катализаторов гомогенных жидкофазных окислительных процессов.

Спектральные исследования показывают, что ионы железа присутствуют в атмосферных каплях в основном в виде аквакомплексов типа [Fe(OH)(H₂O)₅]²⁺, [Fe(OH)(H₂O)₄]⁺, [Fe(SO₃)(H₂O)₅]⁺, а ионы Cu²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺ - в форме гексааквакомплексов.

Такие комплексы активно поглощают свет в широком спектральном диапазоне с образованием радикалов:

hν

[Fe(OH)(H₂O)₅]²⁺ → [Fe(H₂O)₆]²⁺+ HO^•

[O₂]

где HO^• – радикал гидроксида.

В ночное время в качестве основного "поставщика" радикалов гидроксида в жидкой фазе выступает реакция Фентона – разложение Н₂О₂ ионами железа (II):

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + HO^- + HO^•.

Постоянный поток из газовой фазы в жидкую фазу пероксида водорода и восстановительных компонентов (например, формальдегида) придаёт этому процессу каталитический характер, поскольку ионы железа вновь переходят в двухвалентное состояние:

Fe³⁺ + H₂C = O → Fe²⁺ + ^•CH = O + H⁺

^•CHO + O₂ → HOO^• + CO.

Гидроксильный и гидропероксидный (НОО^•) радикалы – наиболее мощные окислители из числа присутствующих в земной атмосфере. Они с наибольшей скоростью, как в газовой, так и в жидкой фазе переводят NO в NO₂ и SO₂ в SO₃, а также инициируют окисление органических соединений.

Кроме гомогенных жидкофазных реакций в атмосфере Земли происходит гетерогенное окисление газовых компонентов и паров на поверхности твердых частиц. Доля последних в общей аэрозольной составляющей атмосферы очень значительна.

Взаимодействие молекул с поверхностью частиц аэрозоля включает:

1) адсорбцию и десорбцию;

2) темновые и фотостимулированные реакции адсорбированных компонентов между собой и с поверхностью частиц.