Аэрозоли в атмосфере и их источники

Одним из важнейших источников аэрозолей также являются вулканы, но так как они действуют редко и периодично, сложно назвать некое среднее количество выброшенных частиц. Оно напрямую зависит от мощности извержения. Всего одно мощное извержение способно в несколько раз превысить выброс частиц, происходящий в "спокойный" период. Вулканический аэрозоль – это мелкодисперсная лава или капли смеси серной кислоты, галогенидов, сульфатов и соединений никеля и хрома, частицы почвы и горных пород. Вулканические аэрозоли способны оказывать огромное влияние на деятельность людей. К примеру, извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль (на юге Исландии) в 2010 году на несколько месяцев сделало невозможными авиаперелёты над Скандинавией.

Источниками атмосферных аэрозолей также могут быть различные пожары. Выбрасываемая во время пожара зола содержит как неорганические вещества и минералы, содержавшиеся в растении, но и не полностью сгоревшие смолистые вещества, частицы углерода.

Искусственные аэрозоли образуются в результате деятельности человека. Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха.

Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия — расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана (смога).

Содержание во всей атмосфере аэрозолей естественного происхождения больше, чем техногенных (приблизительно 80 – 20%). Но в отдельных промышленных районах и на окружающей их территории техногенные (антропогенные) аэрозоли могут превышать содержание природных. Они образуются в основном при сжигании твердого и жидкого топлива. Кроме того, ряд производств, например, цементные заводы, выбрасывают в атмосферу большое количество пыли. Естественно, что пространственное распределение антропогенных аэрозолей неравномерно.

В районах максимальных выбросов техногенных примесей образуются смоги. Смоги бывают двух типов – дымные и фотохимические. В обоих случаях в атмосфере понижается видимость, у людей появляются неприятные ощущения вследствие попадания в органы дыхания газов, жидких и твердых аэрозолей.

Дымные смоги образуются в результате смешения аэрозольных частиц, продуцируемых при сжигании топлива в промышленных зонах, с продуктами конденсации водяного пара. Особенно это характерно при высоких уровнях относительной влажности. Сернистые соединения, содержащиеся в значительных концентрациях в дымах промышленных предприятий, использующих уголь, в реакциях с атмосферной влагой образуют жидкие аэрозоли в виде серной и сернистой кислот и их производных.

Фотохимический смог или туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ.

Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником, так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем

 

Таблица 1. Промышленные источники пыли

Производственный процесс	Выброс пыли, млн.т/год
Сжигание каменного угля	93,600
Выплавка чугуна	20,210
Выплавка меди (без очистки)	6,230
Выплавка цинка	0,180
Выплавка олова (без очистки)	0,004
Выплавка свинца	0,130
Производство цемента	53,370

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Образование аэрозолей

 

Физический механизм образования почвенно-эрозионного аэрозоля

Как было сказано ранее, почвенный аэрозоль попадает в атмосферу в результате процесса ветровой эрозии. На крупинки, выступающие над самым верхним слоем почвы, действует турбулизованный поток воздуха, так что каждая крупинка испытывает три типа давления. Первое, положительное, действует на поверхность частицы, обращенную к ветру, и называется ветровым давлением. Оно инициирует перемещение почвенной частицы и имеет квадратическую зависимость от скорости ветра. Второе, отрицательное, действующее с подветренной стороны, называется вязкостным давлением. Его значение определяется коэффициентом вязкости воздуха, его плотностью и скоростью перемещения. Наконец, третье, так называемое статистическое, отрицательное, обязано эффекту Бернулли, в соответствии с которым при увеличении скорости движения среды, обтекающей предмет сверху, давление в вертикальном направлении понижается. Таким образом, это давление создает аэродинамический эффект и обусловливает возможность поднятия крупинки вверх. Если суммарное действие первых двух сил обозначить через , а результирующую силу тяжести и статического давления через и учесть, что обычно то можно получить следующую формулу:

 

D, — Диаметр и плотность частицы, — ускорение свободного падения, Ф — угол между нормалью и линией "центр тяжести – точка касания", — турбулизованность ветра.

Данным уравнением описывается подъём частицы и её движение в воздухе.

Аэрозоли почвенного происхождения в больших количествах образуются на сухих, гладких (или пересеченных, но состоящих из легко эродирующих элементов) площадей, лишенных растительности, расположенных по направлению преобладающих ветров. Разумеется, эти условия должны наблюдаться и при некоторых метеорологических факторах: больших скоростях ветра, значительных вертикальных потоках, относительно высоких температурах и продолжительных засушливых периодах. Следует также отметить, что процесс эрозии почвы может усиливаться в значительной мере также и антропогенными факторами: уменьшением или уничтожением растительного покрова, вспашкой почвы, чрезмерным ее осушением и др.

Таким образом, из вышесказанного следует, что, во-первых, в соответствии с основными механизмами почвенной эрозии, в атмосферу должны инжектироваться частицы довольно широкого диапазона эффективных диаметров. Во-вторых, скорость инжекции почвенного аэрозоля должна обнаруживать временные изменения, обусловленные природой метеорологических вариаций. И в-третьих, химический состав и концентрация частиц почвенного аэрозоля в нижней тропосфере должны быть подвержены существенным пространственным вариациям в силу особенностей географического распределения эродирующих участков земной поверхности, химического состава образующих их пород, а также закономерностей мелко- и крупномасштабных атмосферных циркуляций.

 

Образование морского аэрозоля

Частицы морского аэрозоля начинают свое существование в земной атмосфере в виде капель морской воды. Одним из механизмов образования этих капель следует считать сдувание брызг с гребней разбивающихся волн. Другой механизм представляет собой образование капель при лопанье большого числа пузырьков воздуха, по мере того как они достигают поверхности моря. Наконец, капли могут также образовываться и многими другими путями, например, при выпадении дождя или снега на поверхность воды.

Основным механизмом поступления в атмосферу морского аэрозоля, можно считать механизм лопающихся пузырьков. По существующим оценкам, по крайней мере, 0,3 % поверхности Мирового океана покрыта воздушными пузырьками, полагают, что при этом ежесекундно лопается не менее пузырьков, оказывающихся ответственными за инжекцию в земную атмосферу в общей сложности 109 т/год органических и неорганических веществ.

Этот процесс протекает в два этапа. На первой стадии пузырек, достигший водной поверхности или образовавшийся на ней, характеризуется некоторой поверхностью (рис. 1), так называемой верхушкой пузырька, являющейся частью общей границы раздела океан—атмосфера. С момента образования пузырька его верхушка начинает быстро уменьшаться благодаря гравитационному осушению в областях отрицательной кривизны у границ пленки. Наступающая затем деструкция пузырька сопровождается резким сокращением пленки лопнувшей верхушки. Жидкость сокращающейся пленки лопнувшей верхушки пузырька под действием сил поверхностного натяжения со скоростью порядка десятков метров в секунду стремительно направляется к горловине еще сохраняющейся подводной части пузырька и собирается в тороидальное кольцо (торос). Благодаря образующимся градиентам поверхностного натяжения, градиентам толщины и микротурбулентности происходит частичная дезинтеграция этого тороса, сопровождающаяся образованием капелек, движущихся почти параллельно поверхности воды.

 

Рис 1. Образование морского аэрозоля по пузырьковому механизму.

 

Самые тяжелые капли не в состоянии находиться во взвешенном состоянии в приповерхностном слое воздуха. Часть этих тяжелых капель может падать внутрь образовавшейся полости лопнувшего пузырька и участвовать во второй стадии рассматриваемого процесса. Часть более мелких капелек увлекается вверх потоком воздуха, вырвавшимся из лопнувшего пузырька, образует грибовидное облачко над полостью пузырька и способна существовать во взвешенном состоянии непосредственно над поверхностью воды.

Во второй стадии торос со стремительным ускорением перемещается ко дну пузырька под действием давления, обусловленного кривизной поверхности пузырька. При достижении торосом дна пузырька дальнейшее развитие процесса идет по пути формирования симметричных выбросов вверх и вниз — "фонтанчиков", В формировании выброса вверх принимают участие слои жидкости, составляющие стенки пузырька. Таким образом, две стадии пузырькового механизма инжектирования в приводный слой атмосферы капель морской воды обусловливают формирование там аэрозольных частиц, характеризующихся довольно широким спектром эффективных размеров.

 

Образование аэрозолей из газовой фазы

В реальных условиях, кроме морского или почвенно-эрозионного аэрозоля, атмосфера содержит значительное число мелких, субмикронных частиц. Наиболее тонкодисперсная фракция аэрозолей в атмосфере генерируется процессами газохимических реакций с образованием кластеров. В реальной атмосфере наиболее широко распространенным компонентом этого типа аэрозолей являются соединения серы, благодаря чему он получил название сульфатного. В стратосфере сульфатный аэрозоль продуцируется процессами фотохимических реакций с образованием частиц растворов серной кислоты. Среди других компонентов к этому типу источника аэрозолей принадлежат частицы воды или водных растворов, генерируемые в процессе ионной гидратации, В промышленных районах в результате ионных реакций образуются частицы сажи. Причем сам процесс полимеризации частиц сажи может происходить как путем образования кластеров, так и каталитически на поверхности уже существующих частиц субмикронной фракции. Далее обратимся к анализу процессов генерации сульфатного аэрозоля, имея в виду его широкую распространенность.

Анализ возможных источников соединений серы и их баланса в тропосфере достаточно сложен и до настоящего времени этот вопрос в значительной мере остается открытым.

 

 

 

 

4. Процессы, протекающие с участием атмосферных аэрозолей