Особенности космических аэрозолей

Лекция 5. Аэрозоли в атмосфере

Учебные вопросы

1. Основные свойства аэрозолей.

2. Классификации аэрозолей.

3. Особенности космических аэрозолей

4. Особенности терригенных аэрозолей

5. Особенности вулканических аэрозолей

6. Особенности океанических аэрозолей

7.Особенности биологических (растительных) аэрозолей

8.Частицы аэрозоля и оптические свойства атмосферы.

9. Аэрозоли и организм человека

Основные свойства аэрозолей

Аэрозоли являются одним из постоянно присутствующих в атмосфере ее компонентов. Они представляют собой двухфазные среды, в которых диспергирующая среда – возух, а дисперсная среда – твердые или жидкие частицы радиусом более 10^-9м. .

1. Многие частицы аэрозоля, состоящие из веществ, растворимых в воде или гигроскопичных, в тропосфере являются атмосферными ядрами конденсации. Вокруг таких частиц в воздушной среде, содержащей в соответствующих количествах водяной пар, могут конденсироваться водяные оболочки. Это приводит к возникновению облаков, влияющих на поток солнечной радиации, достигающий земной поверхности, туманов и атмосферных осадков. Тем самым частицы аэрозоля способны существенно влиять на климат планеты.

2. В стратосфере,мезосфере и ионосфере, где водяного пара гораздо меньше, взвешенные частицы водяных оболочек, как правило, лишены и представляют собой пылевые частицы, которые влияют на их прозрачность, температурный режим, распределение некоторых парниковых газов, образование и разрушение озона. Тем самым они  оказывают существенное влияние на радиационный режим планеты. Повышение их содержания в воздухе влечет за собой увеличение альбедо атмосферы, коэффициента поглощения в ней солнечной радиации и уменьшение ее потока, поступающего в биосферу. Последнее вызывает похолодание на земной поверхности, тем более сильное, чем больше накапливается в атмосфере пыли. Так, в 1963 году, выброс пыли в атмосферу, сопровождавший извержение вулкана Агунг (о. Бали, Индонезия), вызвал похолодание в умеренных широтах северного полушария на 0.6^оС.

3. Аэрозоли загрязняют содержащимися в них веществами атмосферные осадки. При этом загрязняются почвы и водоемы. Многие вещества, содержащиеся в аэрозолях, токсичны.

4. В аэрозолях, в результате происходящих в них фотостимулированных и темновых химических реакций, образуются многие из подобных загрязняющих веществ, а прочие непосредственно поступают в них с подстилающей поверхности.

5. Присутствие в воздухе частиц аэрозолей влияет на здоровье человека. Эти частицы вызывают раздражение дыхательных путей и легких. Среди них также присутствуют болезнетворные микроорганизмы и растворимые в воде токсичные соединения, способные проникать из альвеол легких в кровь и через нее воздействовать на органы.

6. Поскольку при диспергировании твердых и жидких веществ суммарная площадь поверхности, на которой протекают химические реакции с газами существенно возрастает, возрастает и скорость этих реакций. Вследствие этого пожаро и взрывоопасность любых веществ в форме аэрозоля возрастает. Присутствуют среди них и вещества, активно потребляющие кислород и потому способствующие тушению пожаров. Вследствие указанного свойства, в двигателях внутреннего сгорания топливо в камеры сгорания поступает в форме аэрозолей.

7. Благодаря многим аэрозолям существуют запахи. Поэтому некоторые из них используют в качестве дезодорантов, духов, пудры. Другие применяют в медицине как лекарства (ингаляция). Третьи используются животными в качества маркеров своей территории, поиска партнеров и добычи.

8. Благодаря аэрозолям существуют многие оптические явления в атмосфере (сумерки, гало, венцы, радуга и др.)

Содержание в воздухе частиц аэрозоля в последние десятилетия неуклонно возрастает, что делает проблему защиты атмосферы от загрязнения ими весьма актуальной.

Содержание в атмосфере некоторых видов взвешенных частиц нормируется. Сведения о максимальноразовых и среднесуточных значениях их ПДК представлены в таблице 1.

Таблица 1. Максимальноразовые (м.р.) и среднесуточные (с.с.) ПДК для нормируемых в свободной атмосфере взвешенных частиц

Наиболее опасными являются частицы аэрозоля, в составе которых присутствуют радионуклиды. Именно такие частицы выбрасываются в атмосферу при ядерных испытаниях, а также образовались в результате аварии на ЧАЭС (26 апреля 1986 г.). Поскольку среди радионуклидов, которые могут присутствовать в таких частицах, могут быть относительно долгоживущие Cs-134, Sr-90 и др., они способны оставаться опасными десятилетиями и столетиями, находя все новых жертв. Данные частицы столь опасны, что ПДК для них не установлено. Одной частицы на кубические километры воздуха достаточно для того, чтобы убить не только человека но доже слона.

Классификации аэрозолей

Поскольку свойства аэрозолей весьма разнообразны, различны и принципы, положенные в основу существующих их классификаций.

Наиболее распространенными являются классификации  аэрозолей по их происхождению и степени дисперсности.

По происхождению встречающиеся в атмосфере аэрозоли относят к следующим типам:

-космические (не сгоревшие в атмосфере остатки метеоритного вещества);

-терригенные (поднятые ветром частицы почвы и выветрившихся горных пород);

-вулканические (вулканическая пыль);

-океанические ( частицы, образовавшиеся на поверхности Мирового океана и состоящие в основном из NaCl);

-техногенные (всевозможные частицы техногенного происхождения – пыли, сажа, капли,и др.);

-пожарные (частицы сажи и дыма, возникающего при пожарах);

-биологические (микроорганизмы, споры наземных водорослей и грибов, пыльца растений, органические и неорганические вещества, возникающие в процессе жизнедеятельности различных живых существ-растений и животных).

 Особенности техногенных и пожарных аэрозолей будут рассмотрены в дисциплине «Техно и урбоэкология». В данном курсе речь пойдет лишь об аэрозолях природного происхождения (космических, терригенных, вулканических, океанических и биологических).  

Данные о среднегодовых количествах частиц некоторых типов аэрозолей в земной атмосфере приведены в таблице 1.

Таблица 1. Суммарная масса частиц аэрозоля ряда типов в  атмосфере.

В зависимости от степени дисперсности (среднего диаметра частиц) аэрозоли делят на три фракции: нуклеарную, конденсационную и гравитационную.

Нуклеарную фракцию, (называемую также ядрами Айткена) образуют самые мелкие частицы с диаметрами от 0.001 до 0.05мкм. Их называют также наноаэрозолями. Их частицы столь малы, что вокруг них не могут возникать водяные оболочки. В тоже время таких частиц много и они имеют очень большую суммарную площадь поверхности, на которой происходят химические реакции с газами. Поэтому данные частицы наиболее химически активны.

Конденсационную фракцию слагают частицы диаметрами от 0.05 до 1 мкм (называемую аэрозолями Ми), вокруг которых в условиях атмосферы возможно образование водяных оболочек. Именно они служат ядрами конденсации водяного пара и его кристаллизации и обуславливают возникновение в атмосфере облаков, туманов и атмосферных осадков.

В гравитационную фракцию входят самые крупные частицы с диаметрами более  1мкм, способные осаждаться в атмосфере под действием силы тяжести. Скорость их падения в атмосфере приблизительно пропорциональна квадрату их радиуса. В виде таких частиц выпадает дождь снег, пыль. 

Особенности космических аэрозолей

Источниками частиц этих аэрозолей являются космическая пыль и метеориты, входящие в земную атмосферу. Космическая пыль формирует пылевые слои в верхних слоях атмосферы, но при входе в плотные ее слои в основном сгорает. Достигающие приземного слоя атмосферы частицы космических аэрозолей образуются в мезосфере, при разрушении в ней метеоритов. При трении о воздух такие частицы раскаляются и оплавляются. Поэтому они имеют форму  сфер диаметром 1- 1.5 мкм. Поскольку рассматриваемые частицы входят в земную атмосферу сверху, а все прочие – снизу, то их вклад в явления, вызванные пылью и аэрозолями в атмосфере, увеличивается по мере роста высоты над земной поверхностью.

Больше всего взвешенных частиц космического происхождения появляется в атмосфере при прохождении нашей планетой через тот или иной метеорный поток- образующийся при разрушении какой то древней кометы. Поскольку расположение этих потоков, а также орбиты Земли в космическом пространстве не изменяются, замутнение атмосферы взвешенными частицами космического происхождения происходит ежегодно в одно и тоже время. Так, в конце августа, подобное явление происходит в результате пересечения нашей планетой метеорного потока Персеид (наблюдаемого как бы выходящим из созведия Персея).

Существенное замутнение термосферы и мезосферы космической пылью происходит также при пересечении нашей планетой траектории крупной кометы. Именно так происходит при пересечении траектории кометы Галлея. Размеры пылинок, образующих головы и хвосты комет – доли мкм. Поэтому они тропосферы практически не достигают, сгорая в мезосфере, но на высотах около 200 км они способны задерживаться на длительное время.

Проникновение в атмосферу частиц космических аэрозолей  вызывает в ее верхних слоях такие оптические явления, как «белые» ночи. Гораздо реже они вызывают возникновение «кровавых зорь» и перламутровых облаков.

В отличие от белых ночей, возникающих ежегодно летом в Санкт Петербурге и других расположенных с ним на одной параллели регионах мира, «белые» ночи, возникающие при прохождении нашей планеты через хвост кометы, интенсивнее и наблюдаются гораздо южнее. Они обусловлены рассеянием света на пылевых частицах субмикронных размеров, задерживающихся на высотах более 200 км.

Не сгоревшие при входе в плотных слои атмосферы обломки мереоритов загрязняют стратосферу, вызывая в ней такие явления как «кровавые» зори и перламутровые облака. Кровавые зори обусловлены рассеянием света на пылевых частицах, проникших в стратосферу – на высоты 30-50 км. Здесь же иногда наблюдаются и перламутровые облака.

Загрязнение пылью мезосферы и стратосферы вызывает усиленное поглощение в них солнечной радиации и  уменьшение притока солнечной энергии, проникающей в нижние слои атмосферы и к земной поверхности. При поглощении солнечной радиации пылевыми частицами окружающий их воздух  стратосферы и мезосферы разогревается. В результате этого в запыленных сегментах усиливается термическая конвекция, сообщающая пылинкам импульс, направленный от земной поверхности вверх. Восходящие потоки воздуха, вызванные присутствием взвешенных частиц в стратосфере, увлекают за собой озон и другие вещества, модулируя  тем самым  их пространственные распределения, а ОСО в запыленных  областях стратосферы  возрастает.