Дисперсные системы, состоящие из твердых или жидких частиц, распределенных в газовой фазе, называют аэрозолями.
Для существования устойчивого аэрозоля необходимо выполнение следующих условий:
скорость седиментации частиц мала;
силами инерции при перемещении частиц можно пренебречь (отношение сил инерции к силам вязкости мало);
броуновское движение частиц весьма эффективно;
система характеризуется высокой удельной поверхностью.
Физический смысл этих условий сводится к следующему. Обычно внешней силой, воздействующей на эрозольную частицу, является гравитация. Это означает, что время жизни частицы в атмосфере определяется скоростью ее седиментации. Если радиус частицы больше, чем величина среднего свободного пробега молекулы, то скорость седиментации Wg описывается уравнением Стокса:
Wg = 2r2чq/(9), (130)
где r и ч– радиус и плотность частицы (в сферическом приближении);
q – ускорение свободного падения;
– динамическая вязкость газа (для воздуха при 298 К = 1,81 . 10–4 Па . с).
В атмосфере Wgзависит от высоты над уровнем моря. Более того, в тропосфере восходящие потоки еще больше затрудняют интерпретацию понятияWg. Все же в слое воздуха можно в качестве верхнего пределаWg принять значение 0,1 м . с–1 при ч = 1 г . см–3 (первый критерий устойчивости). Данное значение Wg определяет скорость падения частицы радиуса 30 мкм. Однако в атмосфере встречаются и большие по размеру частицы, которые благодаря восходящим атмосферным потокам могут быть обнаружены на значительных расстояниях от источника выброса.
Второй критерий устойчивости формулируется как
Wr/ = Re < 1, (131)
где – плотность воздуха;
W – скорость движения частицы, обусловленного внешним воздействием;
Rе – число Рейнольдса.
Таким образом, в устойчивых аэрозольных системах при нормальных атмосферных условиях скорость движения частицы радиуса 10 мкм не может превысить 30 см . с–1, а если радиус равен 30 мкм, то критическая скорость равна 10 см . с–1. Если внешнее воздействие обусловлено силой гравитации, то второй критерий эквивалентен первому.
Броуновское движение аэрозольных частиц является следствием их случайных соударений с молекулами газов, составляющих атмосферу. Скорость броуновского движения увеличивается с уменьшением размера частиц и обычно принимается во внимание, если r < 0,5 мкм (третий критерий устойчивости).
Четвертый критерий удовлетворяется, если площадь поверхности частицы превосходит ее объем по крайней мере в 10 раз. Именно поэтому поверхностные явления играют значительную роль в физико-химических превращениях аэрозолей.
Перечисленные критерии позволяют установить верхний предел размеров аэрозольных частиц. Что же касается нижнего предела, то в его оценке обычно исходят из следующих посылок. Система рассматривается как аэрозольная, если размер частиц больше, чем размер молекул газовой фазы, в которой частицы распределены. В то же время mч » тr, где mч и mг — массы аэрозольной частицы и молекулы газа соответственно. Исходя из среднего размера молекул основных компонентов атмосферы, можно принять значение 1 нм в качестве нижнего предела.
Важным следствием броуновского движения является столкновение частиц и их последующая коагуляция. Скорость коагуляции описывается уравнением:
 (132)
где N – число частиц в единице объема;
t – время;
D – коэффициент диффузии частиц;
D = kT(1+AL/t)6r) (133)
где k – константа Больцмана;
Т – абсолютная температура;
А – поправочный коэффициент Стокса – Кунихема;
L – средняя длина свободного пробега молекул газа (L = 65,3 нм при нормальных условиях).
Коэффициент А описывается уравнением:
A = 1,257 + 0,400exp(–1,10r/L) (134)
Из уравнений (132) и (133) получаем:
 (135)
Из уравнения (135) следует, что скорость выведения частиц из атмосферы в результате их коагуляции пропорциональна квадрату концентрации и обратно пропорциональна радиусу частиц. Таким образом, выведение малых по размеру, но присутствующих в высоких концентрациях аэрозольных частиц – высокоэффективный процесс.
Аэрозоли обычно подразделяют на две большие группы по происхождению и по размерам частиц – микро- и макрочастицы. Микрочастицы (радиус меньше 0,5-1,0 мкм) образуются в процессах коагуляции и конденсации, тогда как макрочастицы (радиус > 1,0 мкм) возникают в основном при дезинтеграции поверхности Земли.
Возможно также классифицировать частицы в зависимости только от размера. Напомним, что размер средней по величине молекулы или атома составляет 0,1 нм. На сегодняшний день не существует точного определения того, насколько большим должен быть молекулярный кластер, чтобы превратиться в частицу, но частицы радиуса порядка 1 нм = 10–7см (концентрация таких частиц обычно измеряется при помощи расширительных камер, первая конструкция которых была предложена Айткеном, поэтому частицы называются ядрами, или частицами, Айткена) были измерены экспериментально и, по мнению ряда авторов, представляют собой наименьшие по размеру частицы, которые могут быть обнаружены с помощью расширительных камер. Частицы таких размеров в значительной степени подвержены броуновскому движению, что позволяет им достичь стенок любой камеры разумных размеров в течение нескольких секунд или, в крайнем случае, минут. Поэтому для них трудно отобрать представительную пробу, при консервации проб наблюдаются значительные потери. Частицы малых размеров очень быстро коагулируют с частицами больших размеров. При рассмотрении судьбы частиц следует иметь в виду, что частицы, достигшие стенок камеры, остаются на них вследствие действия сил адгезии. Это отличает поведение частиц от поведения молекул, однако классификация на такой основе не получила развития из-за малой изученности природы адгезионных взаимодействий.
Размер порядка 10–6 см характеризует частицы более стабильные, для них коагуляция при атмосферных условиях протекает достаточно медленно, поэтому консервация проб возможна. Из экспериментальных методов для прямых наблюдений за такими частицами обычно используют электронную микроскопию.
Частицы размером 10–5см называют «большими» (в контексте атмосферных аэрозолей). На такие аэрозоли одинаково слабое воздействие оказывают как броуновское движение, так и гравитационное осаждение. Частицы таких размеров, по-видимому, характеризуются наибольшим временем жизни. Интересно отметить, что «большие» частицы трудно получить непосредственно как при измельчении твердого тела (обычно размеры частиц при самом тонком помоле больше), так и при конденсации из газовой фазы (за исключением случая наиболее летучих соединений, размер образующихся частиц меньше).
Размер 10–4см (1 мкм) – это, на жаргоне специалистов по атмосферным аэрозолям, «хвост» фракции «гигантских» частиц в атмосфере. Скорость падения под действием силы тяжести частиц размером 1 мкм приблизительно равна 2 . 10–2 см . с–1, но даже такое медленное осаждение за 1 сутки составляет уже 20 м. Скорость оседания возрастает пропорционально квадрату радиуса частицы для частиц таких размеров. Такие частицы легко наблюдать на поверхности при небольшом увеличении, но точно измерить их трудно.
Размер 10–3см (10 мкм) – это приблизительный размер ядер облака, которые представляют собой очень важную специальную подгруппу атмосферных аэрозолей. Скорость падения такой частицы плотностью 2 г/см3 при нормальных условиях составляет 2см . с–1, поэтому в течение нескольких минут в стандартной комнате большинство таких частиц осело бы на пол. Частицы таких размеров можно увидеть невооруженным глазом на контрастной поверхности, а их размеры могут быть определены с помощью обычного оптического микроскопа.
Размер 10–2см (100 мкм) – это размер капель измороси (скорость оседания = 100 см . с–1). Повседневный опыт показывает, что в хорошую погоду частицы таких размеров в атмосфере отсутствуют или очень редки, за исключением пыльных бурь и других подобных явлений, антропогенных или природных. Частицы таких размеров характерны для морских аэрозолей, но быстро оседают и практически не наблюдаются далеко от источника образования.
Размер 10–1см (1мм) – типичный размер дождевых капель. В атмосфере в год образуется приблизительно 4 . 1022 дождевых капель, что составляет 10 капель на 1 см2 поверхности Земли.
В среднем дожде, однако, их объемная концентрация невелика – 10–5см–3 (или 10 капель на 1 м3 воздуха). В нижних слоях атмосферы средняя концентрация меньше на два порядка.
Размер 1 см: падающие капли дождя из-за гидродинамических эффектов разбиваются до диаметра 0,5 см, поэтому жидких аэрозолей размером 1 см не наблюдается, однако град и снежинки (твердые гидрометеориты) могут достичь таких размеров.
Размер 10 см: имеются сообщения о граде такого размера, легко оценить масштабы наносимого им вреда.
Размер > 10 см: можно сказать, что 10 см — верхний предел размеров атмосферных частиц; конечно, метеориты и частицы пепла при извержении вулканов могут достигать и больших размеров.
Итак, даже самая краткая классификация по размерам занимает область от 10–8см до 10 см. Если исключить экстремальные случаи, то останется область в шесть порядков – от 10–7см до нескольких миллиметров. Если перейти к массовым или объемным характеристикам, то получится разброс в 20 порядков, а для такой характеристики, как концентрация, ситуация еще более впечатляющая.
Важно представлять себе, что область от 1 мкм до размера молекулы так же велика, как от 1 мкм до градины больших размеров. Поэтому такие макрохарактеристики, как «концентрация частиц аэрозоля» или «средний размер частиц аэрозоля», должны оцениваться очень осторожно.
|
Скачать 1.58 Mb.