АТМОСФЕРА КАК КОЛЛОИД

АТМОСФЕРА КАК КОЛЛОИД
Куценогий К.П., Куценогий П.К.
Институт химической кинетики и горения СО РАН
koutsen@kinetics.nsc.ru
Введение
Вертикальные профили температуры и давления
газовой компоненты атмосферы
Спектр размеров атмосферных аэрозольных частиц,
источники и механизмы формирования спектра размеров
Оптические свойства атмосферных аэрозольных частиц.
Влияние на радиационный теплообмен и видимость в
атмосфере
Гетерогенные физико-химические процессы в атмосфере
Пространственно-временная изменчивость характеристик
атмосферы
Заключение
1
Введение
Атмосфера Земли. 1978, БСЭ, Советская энциклопедия, М., с.
1127-1138.
Газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой
принято называть ту область вокруг Земли, в
которой газовая среда вращается вместе с Землей
как единое целое
Фукс Н.А. Механика аэрозолей, 1955
Аэрозоли – взвешенные в газе твердые и жидкие
частицы размером от 10-3 до 102 мкм
2
Вертикальный профиль
температуры и давления в
атмосфере
Химический состав сухого
атмосферного воздуха у
земной поверхности
3
Дымка, туман, облака и осадки
Видимость и радиационный теплообмен
Видимость в атмосфере без аэрозольных частиц составляет более 200 км.
В приземном слое атмосферы фоновых территорий видимость
составляет 20-50 км. В дымке видимость составляет около 10 км, в
плотном тумане 0,1 – 1 км, в облаках – 1-10 м.
При наличии сплошной облачности поток солнечного излучения
уменьшается в несколько раз, что приводит к понижению температуры
приземного и пограничного слоя атмосферы.
4
Спектр размеров атмосферных аэрозолей и механизмы его формирования
5
Гетерогенные физико-химические процессы в атмосфере
Суточные циклы изменения
спектра размеров, счетной и
массовой концентрации
субмикронной фракции
атмосферных аэрозолей в
пограничном слое атмосферы,
их сезонная изменчивость.
6
Влияние техногенной нагрузки на
пространственно-временную изменчивость
многоэлементного состава атмосферных
аэрозолей. Метод относительных концентраций.
7
4
K
Ca
6
Al
C
4
CH
Mg
Na
Si
2
20
30
40
m/z
50
60
Ca
3
K
Si
2
1
Fe
0
10
C
0
10
70
Интенсивность, отн. ед
8
30
Al
Интенсивность, отн. ед.
Интенсивность, отн. ед.
10
Mg
Na
CH
SiOH
Fe
Поверхность
K
25
x 0,25
CH3
20
H2O
CaOH
C
30
40
m/z
50
60
OH
0
10
20
30
x 10
Na2O
Ti
COH
P
5
70
Fe+CaO
Al+C2H3
C2H2
Si
Ti
20
Cr
Na
15
10
Объём
Ca
40
50
60
70
m/z
Типичные масс – спектры вторичной ионной эмиссии
12
б
Cx10
1,6
200
Ti
+
+
Al x 0,2
+
Si
+
100
OH
+
Fe
+
CH
0
10
20
30
ГЛУБИНА, A
40
+
50
+
8
CHx10
Al
6
4
Si
2
Ток ионов, отн.ед.
Al
Ток ионов, отн.ед.
ТОК ИОНОВ, отн.ед.
300
0
Ca
10
CH2 x 10
1,2
+
Fe
x 2
0,8
+
Si x 0,2
0,4
+
+
C
Ti
Na
0
0,0
0
2
4
6
8
Глубина, нм.
10
12
14
0
10
20
30
Глубина, нм
40
50
Зависимости для токов вторичных ионов от глубины травления
8
I, отн.ед.
H2O ×0.3
H2
CH3
H2O
10
×0.2
COH
CO
COH3
5
CO2
CH3
H2
0
0
20
40
60
80
400
100
m/z
800
Термодесорбционные спектры
для масс 2, 15 и 18.
4
CO2
aem29
aem31
aem43
3
I, отн.ед.
Обзорный
термодесорбционный массспектр, наблюдающийся при
линейном нагревании
аэрозолей, отобранных в
Иркутске 24-25 февраля 1998 г.
600
T, K
Термодесорбционные
спектры для масс 29,
31, 43 и 44.
2
1
0
300
400
500
600
T, K
700
800
9
Элементный состав поверхности аэрозолей,
отобранных в п. Ключи в 1993 г. (отн. атомные %).
10
Суточные циклы градиента потенциала и их сезонная изменчивость
11
На Рис. А приведены результаты
измерения тонкой структуры
вертикального профиля суммарной
счетной концентрации, а на рисунке Б
показаны вертикальные профили
аэрозольных частиц диаметром около 1
мкм и 2,0-2,5 мкм.
А
Б
12
Вертикальные профили счетной концентрации, размера и ионного состава
при ракетном зондировании атмосферы до высоты 80 км
13
Естественные и антропогенные аэрозольные частицы в атмосфере
Вулканы, пыльные бури Сахары, Афганец и др.
пустынные аэрозоли.
Метеорный поток.
Перламутровые, серебристые полярные стратосферные
облака (проблема озоновой дыры).
Слоистая структура аэрозольных слоев в тропосфере и
атмосфере.
h = 19, 25, 50, 75 км – высота максимумов светорассеяния,
Δh = 7 км
- толщина слоя.
14
Заключение
1. Анализ существующих экспериментальных и теоретических исследований показал,
что атмосфера – сложная динамическая и гетерогенная система, свойства которой
определяются взаимодействием физическо-химических и биологических процессов,
происходящих в различных частях биосферы, и взаимодействием с космосом.
2. Исследование пространственно-временной изменчивости фазового и химического
состава атмосферы позволило выяснить разнообразные источники естественного и
антропогенного происхождения и механизмы сложных гомогенных и гетерогенных
процессов, влияющих на различные свойства атмосферы локального,
регионального и глобального масштабов.
3. В любой точке атмосферного пространства одновременно присутствуют как
газообразная компонента, так и жидкие и твердые аэрозольные частицы. Поэтому
атмосфера – это коллоидная система. К такому выводу пришли исследователи еще
в начале и середине прошлого столетия (Schmanss A., Wigand A. 1929, Хргиан А.Х.,
1958).
4. Итоги экспедиции ГАРЭКС-79 имеют важное значение для достаточно надежного
учета атмосферы как коллоида в моделях общей циркуляции атмосферы (ОЦА) и
теории климата.
5. Исследуя свойства космического пространства (Гринберг М. Межзвездная пыль,
1970), автор пишет:”В настоящее время мы твердо знаем, что в
пространстве между звездами присутствуют в виде газа и пылевых
частиц значительное количество вещества”. Таким образом, коллоидной
15
системой является не только наша планета, но и космос.
16