Аэрозоли и их влияние на климат
Страница 2
|
S
N |
1.3*1011
1.4*1012 |
6.8*1010
1.8*1010 |
Актуальність проблеми можливого впливу аерозолей на клімат визвала великий інтерес до цієї проблеми і породила цілу серію досліджень, присвячених приблизним оцінкам впливу аерозолей. Однак, відсутність адекватних даних про планетарний аерозоль та ного характеристики ( концентрація, мікроструктура, форма часток, хімічний состав, оптичні параметри) роблять поки що нездійсненними спроби достатньо надійного опису і прогнозу впливу аерозоля на клімат. Існуючі результати дозволяють, однак, дивитись на окремі аспекти цієї проблеми як, наприклад, на вплив аерозолей на перенос випромінювання [ 3 ].
Важливе вивчення аерозолей:
1) як фактора забрудненості атмосфери;
2) як фактора, що впливає на радіаційні та енергетичні процеси в атмосфері;
3) вплив аерозоля на електричні властивості атмосфери[3].
2 ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРНОГО АЕРОЗОЛЯ
2.1 Форма та розміри аерозолей
Розміри аерозольних часток в більшості випадків визначається через розмір радіусу або діаметра сферичних часток, що мають площу перетину, яка дорівнює площі перетину реальних аерозольних часток. Це виправдовується тим, що більшість аерозольних часток в атмосфері мають форму, яка не дуже відрізняється від сферичної і завислі в повітрі, не будучи зорієнтованими електромагнітним або гравітаційним полями. Діапазон розмірів аерозольних часток дуже широкий: від часток з декількох молекул, радіуса приблизно 10-7 , до розмірів в декілька мікрон. Верхній кордон розмірів аерозольних часток визначається можливістю тривалого існування цих часток в атмосфері, тобто в першу чергу швидкість осідання. Існують різноманітні класифікації атмосферних аерозольних часток по розміру [3].
Фракцію часток с радіусом £ 0.1 мкм прийнято називати дрібнодісперсною або високодісперсною. Ця фракція відіграє важливу роль в електричних атмосферних явищах, а також у фотохімічних процесах, що відбуваються в атмосфері, наприклад, у слої озону.
Середньодісперсна фракція атмосферних аерозолей, або великі чистки, включає частки в діапазоні розмірів 0.1 мкм £ r < 1 мкм. Ця фракція визначається оптичними властивостями атмосферного аерозоля у видимій та близькій інфрачервоній області спектру, а саме обумовлює як розсіяння, так і поглинання сонячної радіації атмосферою.
Грубодісперсною фракцією атмосферних аерозолей, або гігантськими частками, називаються частки із r ³ 1 мкм. Вони відіграють важливу роль в процесах хмаротворення, а також істотно впливають на оптичні властивості атмосферних аерозолей в інфрачервоній області спектру. Вони є головною компонентою, яку виміряють при вивченні атмосферної аерозольної забрудненності.
Фазовий стан аерозольних часток обумовлений механізмом їх утворення і багато в чому визначають форму часток. Рідкі частки мають сферичну форму, тоді коли терді - в загальному випадку - неправильну форму [ 3 ].
2.2 Хімічний склад та основні джерела аерозольних часток
Хімічний склад аерозольних часток визначається природою та потужністю різних джерел цих часток, а також механізмом виведення часток різного походження із атмосфери [3].
Основні джерела аерозольних часток: грунт являє собою найбільш потужне джерело аерозольних часток. В прикордонному шарі атмосфери, далеко від моря і промислових районів, вони майже повністю визначають хімічний склад аерозольних часток. Непрямі оцінки дозволяють припустити, що по масі грунт дає 50 - 80 % усiх аерозольних часток. Однак хімічний склад цих часток не ідентичен хімічному складу грунтів, так як не всі мінерали та інші грунтові продукти однаково диспергуються . В основному це кварц, інші сполуки Sі, глиноземи, карбонати і кальцити, окісли заліза. Кількість органічних сполук в аерозолях ґрунтового походження порівняно невелике, десь біля 10%. Значна кількість аерозоля в атмосфері пов'язано з пиловими бурями.
Морська поверхня дає по масі 10 - 20% часток. Хімічний склад цих часток відповідає приблизному хімічному складу сухого остатка морської води: KaCl - 78%, МgСl2 - 11%, CaSO4, Na2SO4, K2SO4 -11%. Концентрація соляних часток над океаном може досягати 100 см-3, але в середньому 1см-3. По розмірам максимум в розподілі приходиться на частки з діаметром біля 0.3 мкм.
Вулкани викидають в атмосферу до 75 млн.м3 диму, вулканічного попелу та більш дрібних часток. Вони можуть підійматися в стратосферу на висоту більше 20км. Найбільш дрібні оберігаються в стратосфері впродовж декількох років. Середньорічна потужність вивержень (1 - 5)*108 тон. 60 - 80% кремнію, 30 - 10% сульфатів, 3 - 10% кальцитів, 0 - 20%) сполук алюмінію, заліза - 1 - 10%.
Неземного походження.Кожний рік на Землю потрапляє 1 - 5*106 тон космічної речовини. Вміст елементів по масі приблизно такий: О - 33%, Fe - 29%), Si - 17%, Mg - 14%, S - 2,1%о, Ni - 1,7%, Са - 1,4%о, Аl - 1%, Nа - 0,7%, а також Cr,Мn,K,Р,Ті,Со.
Біосфера щорічно виділяє в атмосферу 108 тон терпеноподібного або слабо окисленого вуглеводня.
Фотохімічні та хімічні реакції можуть бути відповідальні за виникнення дрібнодісперсної фракції.
Дуже істотним джерелом аерозолей є продукти лісових пожеж: сажа. попіл, можуть поглинати помітну долю потрапляючої на Землю радіації.
У випадку промислових аерозолей найбільша доля часток прихопиться на продукти спалювання: сажа - 48 - 27%, смола - біля 1%, зола - 51-62%.
У вихлопних газах автомобілей сконцентрована велика кількість різних часток діаметром 0.02 - 0.06 мкм і невелика кількість великих часток. Як джерело аерозолів в стратосфері і верхніх шарах тропосфери можна вважати продукти сгорання авіаційного палива, приблизно (1 - 5)*106 тон/рік. Таким чином загальна кількість аерозольної матерії, що виділяється в земну атмосферу, складає приблизно 109 - 1010 тон/рік.
Виведення аерозолів із атмосфери сдійснюється, в основному, за рахунок вимивання хмарами [3].
Очищення повітря опадами є одним з головних процесів виведення газових, рідких та твердих забруднювачив з атмосфери у грунт. Цей процес має 3 головних аспекта :
1) переміщення домішок до місця очищення;
2) внутріхмарне очищення елементами хмари;
3) підхмарне очищення опадами, яке зазвичай називають вимиванням.
Вимивання у хмарі та вимивання у підхмарному шарі визначаються головним чином такими 5 параметрами, як :
1) розміром та концентрацією часток в атмосфері;
2) розмірами та концентрацією хмарних та дощових крапель, діючих як коллектори;
3) запасом рідкої води у хмарі при безперервній конденсації;
4) значенням рН та хімічним складом хмарної та дощової води;
5) ступінню можливості газів та часток розчинятися у водяних краплях [4 ].
2.3 Оптичні параметри аерозолей
Аналіз даних по хімічному складу атмосферних аерозолів показує, що неможливо запропонувати універсальну модель комплексого показника заломлення аерозолей. Можливі, однак, наближення. Один 5 варіантів моделі можна отримати в припущенні ідеальної механічної перемішуваності всих хімічних сполук в кожній аерозольній частці, якщо відомі показники заломлення всих складових частки. Така модель, основана на використанні метода Крамера - Кронига, була розрахована для моделі хімічного складу аерозолей приземного шару [3]
Якщо вважати вірним припущення про ідеальну перемішуваність для води, то можна розрахувати показники заломлення моделі аерозоля при різному вмісті в аерозолі води і, отже, при різній вологості.
Основні риси моделі комплексного показника заломлення:
1) Для "сухого" аерозоля реальна частина показника заломлення в видимій області спектру дорівнює 1,65±0,02, а уявна- біля 0.005±0,003.
2) Існують потужні полоси поглинення аерозольною речовиною поблизу хвиль 3,6,7,9,2 і 11,5мкм.
3) При збільшенні вологості повітряного середовища величини реальної частини показника заломлення аерозоля зменшується, наближаючись до значення реальної частини показника для води [ 3 ].