|
ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ ПЕТРЯНОВ — видный советский ученый, фнзико-химик, академик АН СССР с 1966 г. И. В. Петря-нов родился в 1907 г., окончил Московский университет в 1931 г. Почти 45 лет работает в Физико-химическом институте им. Л. Я. Карпова, профессор Московского химико-технологического института им. Д. И. Менделеева. Один из немногих исследователей, развивающих новую, очень важную область науки — учение об аэрозолях. И. В. Петрянов — Герой Социалистического Труда, награжден тремя орденами Ленина, лауреат Ленинской и Государственной премий СССР. Лауреат премии ЮНЕСКО — Калинга за популяризацию научных знаний. Председатель ВОК.
И. В. Петрянов — активный общественный деятель.
АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ СУТУГИН (1940—1988) — доктор химических наук, профессор. После окончания Московского химико-технологического института им. Д. И. Менделеева с 1962 г. работал в НИФХИ им. Л. Я. Карпова. Вся его научная деятельность была посвящена исследованию аэрозолей. В 1974 г. он организовал лабораторию динамики аэроколлоидов. Основные работы А. Г. Сутугина посвящены исследованию кинетики образования высокодисперсных аэрозолей. Они хорошо известны исследователям всего мира. За прикладные работы в области образования аэрозолей в 1982 г.
Содержание
Введение 3
Аэрозоли в природе 5
Аэрозоли на службе человека 28
Аэрозоли-враги 42
Аэрозоли-убийцы 56
Арсенал защитных средств 63
Как исследуют аэрозоли 81
Отбор и фильтры 92
Астрозоли — среда обитания небесных тел 95
Введение
Все мы знаем, что самое нужное для человека — воздух, что воздух — это смесь азота и кислорода с примесями водяного пара, диоксида углерода и инертных газов. Специалисты по физике атмосферы считают воздух аэрозолем, поскольку кроме смеси газов он всегда содержит частицы твердых и жидких веществ в количестве от миллиона до миллиарда на 1 м3. Хотя по массе содержание этих частиц невелико: оно измеряется микрограммами на 1 м5 и находится на уровне содержания таких редких газов, как ксенон и криптон. Очень многие свойства воздуха, в частности его пригодность для дыхания, прозрачность, способность участвовать в образовании облаков и атмосферных осадков, зависят именно от присутствия этих частиц.
Итак, мы живем на дне аэрозольного океана. Что же такое аэрозоли? Аэрозоли — это один из видов дисперсных систем. Дисперсными системами называются неоднородные смеси веществ, в которых можно выделить, по крайней мере, две разные фазы. Например, многие сплавы металлов (поскольку они представляют собой смеси кристалликов разного строения и состава), гидрозоли (т. е. жидкости, в которых взвешены твердые или жидкие частицы). Гидрозолями являются морская и речная вода, молоко, да и вообще все жидкости, из которых с помощью специальных приемов не удалены частицы пыли.
В аэрозолях выделяют дисперсионную среду (т. е. сплошную фазу, в которой взвешены частицы), роль которой обычно играет воздух, но это может быть и любой другой газ.
Воздух — это разбавленный аэрозоль. Нас окружает множество привычных объектов, содержащих гораздо большее количество дисперсной фазы: облака и туманы, дым из труб, пыль над дорогой и цветочная пыльца над цветущим полем, дымы костров и пожаров. Без одних видов аэрозолей человечество не может существовать, другие причиняют неудобства, ущерб здоровью и природе. С глубокой древности люди используют аэрозоли для своих нужд — дымы сигнальных костров, дымы для копчения мяса и рыбы, распыленное топливо в топках котельных и в цилиндрах двигателей, камерах сгорания. Аэрозоли защищают урожай от вредителей и животных, от болезней, наносят на поверхности защитные покрытия, служат для получения новых материалов с необычными свойствами. Человек использует специально полученные аэрозоли для разрушения других, вредных аэрозолей.
Аэрозоли могут обернуться кошмаром человечества, если империалистам удастся развязать новую войну. Ведь самые варварские виды оружия — химическое и биологическое — используются именно в виде аэрозолей. В радиоактивную пустыню могут превратить планету радиоактивные1 частицы, образующиеся при ядерных взрывах и разрушении атомных электростанций. А густой дым пожаров ядерной войны может ввергнуть планету в новый ледниковый период.
Знания о свойствах и поведении аэрозолей полезны каждому человеку и в повседневной жизни.
Аэрозоли в природе
Зори, радуги и глории. Леонардо да Винчи первым понял, что удивительные краски рассветных и закатных зорь объясняются присутствием в атмосфере мельчайших пылинок. В то время еще не существовало ни представлений о волновой природе света, ни тем более о связи между интенсивностью рассеяния света и длиной волны излучения. Но уже было известно, что белый солнечный луч может быть разложен на цветные составляющие, и Леонардо да Винчи догадался, что различные составляющие солнечного света могут по-разному ослабляться взвешенной в атмосфере пылью.
На большую высоту в атмосфере поднимаются лишь достаточно малые частицы, размер которых сравним с длиной волны видимого света. Рассеяние света на таких частицах отличается интереснейшими особенностями. Электрическое поле световой волны возбуждает колебания в частице, и она начинает переизлу-чать энергию этих колебаний подобно антенне. При этом энергия излучается во всех направлениях. В результате энергия излучения, распространяющаяся в исходном направлении, уменьшается, происходит рассеяние света. Кроме того, часть энергии излучения может поглощаться в частице, расходоваться на ее нагревание. Энергия нагрева передается молекулам воздуха, поглощение тоже ведет к потерям энергии излучения. Как установил английский ученый Дж. У. Рэлей, количество рассеянной частицей энергии обратно пропорционально четвертой степени длины волны излучения. Это значит, что наиболее коротковолновая часть солнечного спектра — синяя — рассеивается значительно лучше красной, длинноволновой. Поэтому небо и кажется синим. Когда же Солнце стоит низко, его лучи должны проходить через сильно запыленный приземный слой. Красные лучи рассеиваются меньше, поэтому Солнце и кажется красным. Чем выше поднимается в атмосфере мелкая пыль, тем большую часть неба охватывает заря. Наиболее красочные зори наблюдаются после вулканических извержений, забрасывающих пыль в стратосферу. Из-за неоднородностей распределения пыли краски зари рисуют в небе причудливые картины.
Интересный вид имеет угловая зависимость интенсивности рассеянного частицей монохроматического излучения, так называемая индикатриса рассеяния. Она имеет вид замкнутой кривой с «лепестками», т. е. в некоторых направлениях свет рассеивается во много раз лучше, чем в других. Положения «лепестков» индикатрисы зависят от длины волны. Поэтому, если осветить частицы одинакового размера белым светом, при наблюдении с одних направлений они будут казаться красными, а с других — зелеными. Это явление можно использовать для определения размера частиц, но только если они одинаковые, монодисперс-ные. То же явление объясняет красочность оперения колибри — перья этих тропических птичек содержат только черный краситель, но из-за соизмеримости диаметра мельчайших элементов перьев с длиной волны света они кажутся разноцветными.
Способность частиц рассеивать свет характеризуют удельным сечением светорассеяния, т. е. отношением площади сечения частицы к ее массе. Поскольку площадь сечения пропорциональна квадрату размера, а масса — кубу, получается, что удельное сечение растет линейно с уменьшением размера частиц. Поэтому любое вещество, будучи раздробленным на частицы размером порядка длины волны, обладает очень большой способностью рассеивать свет. И хотя вертикальный столб атмосферы содержит 1025 газовых молекул и только 1010 аэрозольных частиц, прозрачность атмосферы определяется именно присутствием в атмосфере аэрозолей.
Вследствие особенностей рассеяния электромагнитной волны на частицах, имеющих сравнимый с длиной волны размер, сечение рассеяния может оказать-ся даже в несколько раз больше геометрического. Для частиц же, меньших длины волны, сечение света много меньше геометрического и быстро убывает с уменьшением размера частиц — обратно пропорционально шестой степени размера. Поэтому самые мелкие частицы — мельче 10 “7 м — оптически неактивны в атмосфере.
Присутствие крупных частиц в атмосфере является причиной многих оптических явлений, прежде всего всем известных радуг. Механизм их появления может быть объяснен на основе законов геометрической оптики, поскольку при рассеянии света на частицах, много больших длины волны, можно забыть о волновой природе света (см. рис. на с. 8). Угол, под которым преломленные солнечные лучи выходят из взвешенной в
воздухе водяной капельки, составляет около 138° к плоскости падения солнечных лучей. Коэффициент преломления зависит от длины волны, поэтому дважды преломленные лучи, имеющие различную длину, т. е. различный цвет, выходят из капельки под несколько различными углами и рассеянный свет виден в виде радужной полосы. Радуги можно видеть по обе стороны от пути солнечного луча. Но и под радугой, видимой по одну сторону от направления солнечного луча, иногда можно видеть еще одну-две-три дополнительные дуги. Их появление все же связано с волновой природой света с интерференцией преломленных лучей (см. рис. на с. 10). Однако дополнительные дуги видны относительно редко. Ширина дуги зависит от размера капелек. Если капельки достаточно малы, основная и дополнительная радуги отделены друг от друга большими угловыми промежутками. Крупные капельки дают узкие дуги, расположенные близко друг от друга. Практически же в воздухе чаще всего присутствуют капельки различных размеров. Из-за этого происходит наложение радуг друг на друга, радуги становятся белесыми или исчезают вовсе.
Расстояние между основной и дополнительными дугами можно использовать для определения размера капелек, но следует помнить, что на положение радуг влияет еще и форма капелек. При падении капелька сплющивается, приобретает форму эллипсоида. Например, капелька диаметром 1 мм деформируется настолько, что преломленные лучи выходят из нее под углом 149°, а не 138°.
Дифракцией света на мелких капельках объясняются глории, или венцы, — радужные кольца, видимые иногда вокруг Солнца или Луны под углом 26° к направлению на светящийся объект. Специфичны явления, обусловленные рассеянием света на мелких ледяных кристаллах. Это рассеяние сильно зависит от направления наблюдения. Если в атмосфере происходят процессы перемешивания воздуха, то кристаллики ориентируются хаотично. Рассеяние света в этом случае приводит к появлению гало (ложных) солнц и лун, имеющих вид ярких белых пятен или колец. В спокойной морозной атмосфере ледяные кристаллы медленно оседают, ориентируясь одинаково, так, чтобы скорость падения была наименьшей. При такой ориентации наибольшее рассеяние света происходит в вертикальных направлениях и гало имеет вид светящегося столба над источником света.
Способность аэрозольных частиц сильно рассеивать свет играет большую роль в природе, кроме того, она применяется для определения концентрации и размера частиц. В фотоэлектрических аэрозольных счетчиках тонкая струйка аэрозоля пересекает в темной камере луч света. Сбоку или под углом к лучу располагается фотоумножитель — устройство, способное регистрировать кванты света. Пока воздух в камере чист, свет практически не рассеивается и фотоумножитель не дает регистрируемого тока. Стоит аэрозольной частице пересечь луч, и она становится видимой как вспышка света, порция которого попадает на фотоумножитель и рождает электрический импульс, величина которого зависит от размера частицы. Импульсы сосчитывают, ранжируют по размеру и получают сведения о распределении частиц по размерам.
Если бы в атмосфере не было пылинок. Человек живет плодами земли. А земля родит, только если дожди приносят влагу. Дождь идет из облака, а облако — это водяной аэрозоль. Облако образуется при конденсации паров воды, испарившейся из океанов, морей, озер. Температура атмосферы падает с высотой. Поэтому пар воды, поднимаясь, становится пересыщенным и должен конденсироваться. Но зарождение центров конденсации в чистом паре возможно, только если переохлаждение достаточно велико, чтобы создалось критическое пересыщение пара (отношение давления пара к давлению насыщенного пара при данной температуре). Для паров воды эта величина составляет 4—5, а это значит, что пар, насыщенный при 20°С, должен охладиться до —30° С для того, чтобы началась конденсация. Такая низкая температура в летнее время достигается только на высоте нескольких километров — в верхней тропосфере. Однако мы знаем, что облака образуются и существуют на меньших высотах, иногда всего несколько сотен метров. Даже у самой поверхности земли летними вечерами стелются туманы. Конденсация пара в нижних слоях атмосферы возможна благодаря присутствию в воздухе мельчайших частиц, которые могут служить ядрами конденсации. Размером они 10 8—10_7 м, а их количество в сельской местности, вдали от городских источников загрязнения воздуха, составляет порядка несколько миллиардов на 1 м3, и даже над Антарктидой, где воздух считается наиболее чистым, их не меньше сотни миллионов на 1 м3.
Для образования и роста жидких капелек в чистом паре необходимо большое пересыщение. Если же в паре присутствуют «готовые» частицы размером 10 _7 м, то для конденсации на них достаточно пересыщения всего 1,03—1,05, а такое пересыщение достигается при переохлаждении пара всего на несколько градусов. Еще больше облегчается конденсация пара, если аэрозольные частицы состоят из растворимых солей. Над растворами давление насыщенного пара ниже, чем над чистыми жидкостями. Для конденсации на растворимых частицах достаточно пересыщения, меньшего 1,01.
Если бы в атмосфере не было ядер конденсации, образование облаков и туманов в нижних слоях атмосферы было бы невозможно. Атмосферные осадки происходили бы в виде инея или росы, и только часть пара успевала бы подняться в верхние слои атмосферы, где возникали бы перистые или слоистые облака.
Дожди идут из кучевых облаков в нижних слоях тропосферы. А почему из облака вдруг начинает идти дождь? Механизм образования дождя различен в зависимости от того, температура облака выше или ниже нуля. В умеренных широтах даже летом осадки образуются в облаках, плывущих в небе выше нулевой изотермы, где t0. Хотя температура облака ниже нуля, оно состоит из капелек воды, а не частиц льда. Как для конденсации пара необходимо пересыщение, так и для замерзания воды нужно сильное переохлаждение. Это только в сосудах вода замерзает при нуле, потому что там есть стенки и не нужно затрат работы на создание поверхности. Капля же чистой воды замерзнет только при —40° С. Среди аэрозольных частиц, присутствующих в атмосфере и играющих роль ядер конденсации, изредка встречаются ядра замерзания. Их много меньше, чем ядер конденсации, — всего тысячи на 1 м3. Наиболее активны частицы веществ, кристаллическая структура которых близка к структуре льда. Если такая частица столкнется с переохлажденной капелькой воды, произойдет замерзание. А над поверхностью льда давление насыщенного пара ниже, чем над жидкой водой. Поскольку давление водяного пара в облаке равно насыщенному по отношению к жидким капелькам, оно является пересыщенным по отношению к льдинке, и замерзшая капелька будет расти, масса ее увеличится, она начнет падать. Аэрозольные частицы могут витать в облаке, пока размер их относительно мал, не более нескольких микрометров. Падающая частица в процессе роста растает и упадет на землю дождевой каплей.
Ледяные частицы в облаках образуются и иным путем. Замерзание капелек может происходить при столкновении с заряженными частицами. Крупные частицы минеральной пыли могут вызывать замерзание капелек, даже если их кристаллическая структура иная, чем у льда. Но в этом случае активность частиц как ядер замерзания меньше — замерзание может произойти при более низкой температуре. На частицах некоторых веществ ледяные кристаллы могут формироваться путем конденсации пара.
Если бы ледяных ядер в атмосфере не было, картина выпадения осадков в умеренных широтах была бы смесь водяных капель и кристаллов льда).
Дожди были бы более редкими, но сильными. Большую роль играли бы осадки в виде изморози и инея. В результате изменился бы облик умеренного пояса. Условия для земледелия тоже были бы хуже, поскольку увеличилась бы нерегулярность осадков.
В тропиках дождь идет обычно из облаков, расположенных ниже нулевой изотермы. Капли вырастают до крупных размеров путем коагуляции, т. е. последовательных столкновений и слияний. Но коагуляция протекает достаточно быстро только в плотных облаках, да и то при наличии сильной турбулентности и электризации капелек. Электростатическое притяжение между капельками во много раз увеличивает вероятность их столкновения.
С электризацией облачных капелек связано общеизвестное, но все же таинственное и грозное явление — молния. Хотя электрическую природу молнии американский ученый Б. Франклин понял более двухсот лет назад, детальный механизм ее возникновения остается неясным до сих пор. Есть несколько механизмов зарядки аэрозольных частиц. Например, заряженные частицы могут образоваться конденсацией пара на газовых
ионах. При этом на отрицательных ионах пар конденсируется легче, а в облаках происходит накопление как раз отрицательного заряда. Но в облаках не должно достигаться пересыщение, достаточное для конденсации на ионах, — оно составляет около двух. При дроблении растворов электролитов происходит разделение заряда, поскольку у поверхности обычно концентрируются ионы какого-либо одного сорта. А облачные капельки — это тоже растворы электролитов. Баллоэлектрический эффект (зарядка при дроблении жидкостей) происходит и в облаках. Но почему же накапливаются именно отрицательные заряды?
При грозовых разрядах происходит образование окислов азота, которые с дождевой водой поступают в почву и способствуют сохранению ее плодородия. Однако грозы — серьезная помеха для безопасности полетов самолетов. Поэтому изучение механизма грозовых разрядов весьма актуально.
Предположительно, аэрозоли играют роль и в возникновении шаровых молний — феномена еще более загадочного, чем обычные, линейные разряды. Более понятен механизм другого электрического атмосферного явления — огней святого Эльма, которые возникают в насыщенной электричеством грозовой атмосфере вблизи острых оконечностей предметов, например у концов мачт парусных кораблей. Причиной свечения в этом случае является коронный разряд с поверхности заряженных капелек. А капельки образуются при электростатическом распылении воды, смачивающей поверхности. Напряженность электрического поля достигает наибольших значений там, где выше кривизна поверхности. При напряженности в десятки киловольт на 1 см электрическое поле способно распылять жидкости. Это явление используют при окраске поверхностей — на форсунку, через которую распыляется краска, подают высокое напряжение, в результате распыл становится более тонким, а окраска — более равномерной.
Откуда берутся аэрозольные частицы в атмосфере? Источники поступления аэрозольных частиц в атмосферу делят на естественные и антропогенные, т. е. связанные с деятельностью человека. Аэрозоль, содержащийся в атмосфере вдали от мощных источников, как естественных (извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары), так и антропогенных (в результате человеческой деятельности), называется фоновым. Именно этот аэрозоль ответствен за оптические явления в атмосфере, за образование облаков и осадков. Главных источников фонового аэрозоля три.
Первый называют континентальным: частицы горных пород, почвы, мельчайшие песчинки, сдуваемые ветром. Частицы эти имеют размер от нескольких до сотен мкм. Они всегда содержат кремний и алюминий (основные элементы земной коры), и по их присутствию всегда можно сделать вывод о происхождении частиц. Именно среди континентального аэрозоля попадаются частицы, способные служить ядрами замерзания для облачных капель.
Второй важнейший компонент фонового аэрозоля — морской, частицы морской соли, которые играют роль ядер конденсации. На них образуются облачные капельки. При волнении поверхность моря покрывается пузырьками пены, которые через некоторое время лопаются. При разрушении оболочки пузырька диаметром 2 мм образуется около 2000 капелек диаметром несколько больше мкм. При их высыхании образуются частицы морской соли диаметром около 0,1 мкм — это и есть ядра конденсации. При разрушении пузырька возникает кольцевая волна, направленная к его центру, рождающая струйку воды, направленную вверх. Разрушаясь, эта струйка дает несколько капель диаметром около десятка мкм. При высыхании этих капелек образуются более крупные солевые частицы, называемые гигантскими ядрами конденсации. Для морских аэрозолей характерно присутствие элементов, составляющих морскую соль, — натрия, магния, хлора, брома — в определенных отношениях.
Третий компонент фонового аэрозоля образуется в результате химических и фотохимических реакций между веществами, выделяемыми растениями, и некоторыми компонентами атмосферного воздуха, в первую очередь окислами азота, образующимися при грозовых разрядах. Каждый, кому приходилось видеть леса в тихую солнечную погоду с самолета или с горы, помнит голубую дымку над вершинами деревьев. Это естественный фотохимический смог — аэрозоль, образующийся при конденсации продуктов химических реакций между такими выделяемыми растениями веществами, как скипидар, и окислами азота. Запах озона в сосновом лесу после грозы образуется в качестве побочного продукта при взаимодействии скипидара с двуокисью азота.
Частицы естественных смогов (размером до 0,1 мкм) определяют прозрачность атмосферы в наиболее чистых регионах планеты. Более крупные частицы образуются при горении древесины. Леса умеренной зоны обязательно начинают гореть, если 30—40 дней держится сухая погода. В результате один и тот же участок леса выгорает раз в 100 —150 лет, и ученые-лесоведы считают это даже полезным для лесов, в которых не ведется культурное лесное хозяйство. Лесные пожары, а также преднамеренное выжигание тропических лесов при подсечно-огневой системе земледелия, которая до сих пор практикуется в некоторых развивающихся странах, дают ежегодно несколько десятков Мт аэрозолей. Таким путем в атмосферу поступает до 200 Мт аэрозолей. Для сравнения скажем, что морской соли в атмосферу поступает примерно столько же.
Мощным источником аэрозоля может стать извержение вулкана. В этот момент в атмосферу выбрасывается 1000 Мт аэрозоля — больше, чем все естественные источники за целый год. Но такие большие извержения случаются раз в несколько столетий. Поэтому содержание вулканических аэрозолей в атмосфере колеблется в широких пределах. Извержения выносят в атмосферу первичный аэрозоль — продукты конденсации испаренных горных пород, пыль, образующуюся при взрывном разрушении вулкана,— и вторичный, образующийся в результате фотохимических реакций газообразных продуктов извержения, в первую очередь диоксида серы, превращающегося в серную кислоту или сульфат аммония. Особенностью вулканических аэрозолей является то, что они поступают не в приземный слой, а в верхнюю тропосферу и даже стратосферу.
Аэрозоли попадают в атмосферу не только снизу, но и сверху. Мельчайшие частицы образуются при сгорании и испарении метеоритов, их размер менее 0,1 мкм. Некоторые специалисты считают, что количество метеорной пыли, поступающей в атмосферу, достигает 100 Мт в год. Существует мнение, что метеорная пыль может выполнять роль ядер конденсации.
А что же представляют собой антропогенные аэрозоли? Они разнообразны, поэтому будем говорить лишь о тех, которые, поступая в атмосферу, оказывают наибольшее воздействие на ее свойства.
Главный источник антропогенных аэрозолей — процесс горения. Горение — основа энергетики, поскольку большая часть электроэнергии производится тепловыми электростанциями; основа транспорта, поскольку источником энергии для транспортных средств является сжигание топлива в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, в камерах сгорания реактивных двигателей. И даже транспорт на электрической тяге зависит от сжигания топлива, поскольку электроэнергию производят тепловые электростанции.
Аэрозоли, образующиеся в результате сжигания топлива, можно разделить на первичные и вторичные. Первичные образуются непосредственно в процессе горения: сажа и смолистые вещества, а также частицы летучей золы, т. е. негорючих минеральных примесей к топливу. В золе содержатся почти все элементы периодической таблицы. Вторичные аэрозоли образуются в результате конденсации продуктов химических реакций в атмосфере с участием не полностью сгоревшего топлива, окислов серы и азота.
Автомобильный транспорт генерирует аэрозоль двуокиси свинца, который образуется при сгорании этилированного бензина. Выход этого аэрозоля не велик по массе, но его частицы оказывают очень вредное действие на человеческий организм. В крупных городах количество свинцового аэрозоля, поступающего с выхлопными газами в атмосферу, может достигать сотен тонн ежесуточно.
Энергетика и транспорт дают 2/з общего количества антропогенных аэрозолей. Среди прочих источников аэрозолей — металлургические предприятия, где аэрозоли образуются при обжиге руд, плавке металлов и состоят из окислов металлов, в том числе тяжелых, наиболее вредных для человека. Производство строительных материалов, в первую очередь цемента, сопровождается уносом мелких частиц минеральных веществ. Разнообразные аэрозоли могут образовываться в химических производствах. Вторичные аэрозоли получают в результате химических реакций газообразных углеводов, поступающих в атмосферу, на объектах добычи, транспортировки, переработки нефти и газа. Основную массу антропогенных аэрозолей составляет сульфат аммония с примесью 10—30% сажи.
Количество антропогенных аэрозолей во много раз меньше естественных. Но выделяются они вблизи человеческих жилищ, поэтому оказывают влияние на условия жизни людей.
Холодает или теплеет на нашей планете? Климат нашей планеты определяется соотношением (радиационным балансом) между потоком энергии, приносимым излучением Солнца, и потоком, уходящим от планеты в мировое пространство. Излучение Солнца имеет широкий диапазон длин волн — от рентгеновского до радио-волнового. Но для климата важно видимое и инфракрасное излучение. Максимум энергии в солнечном спектре приходится на видимую область, на зеленую часть спектра. Часть падающего на Землю потока лучистой энергии рассеивается в верхних слоях атмосферы и не доходит до земной поверхности. Часть отражается облаками, часть — поверхностью суши и океана. Кроме того, нагретая поверхность Земли испускает инфракрасное излучение с максимумом энергии в области длин волн 10 мкм. Атмосфера и облачность задерживают часть этого излучения, но большая часть, составляющая около '/? потока солнечной энергии, уходит обратно в космос.
Атмосферные аэрозоли играли важную роль в радиационном балансе планеты, но все зависит от природы аэрозоля и от того, на какой высоте он находится.
Чистая атмосфера прозрачна в видимой области, но в инфракрасной части спектра есть и полосы поглощения, и окна прозрачности, через которые может уходить в космос излучение земной поверхности. Аэрозоли же хорошо рассеивают видимое и ближнее инфракрасное излучение, но их частицы слишком малы, чтобы рассеивать излучение земной поверхности. Однако аэрозольные частицы могут поглощать солнечное излучение и отдавать поглощенную энергию воздуху.
Рассеивающие аэрозоли в верхних слоях атмосферы увеличат альбедо планеты (отражательную способность) и будут усиливать охлаждение поверхности планеты. Поглощающие аэрозоли в стратосфере и в верхней тропосфере должны уменьшить альбедо, но захваченная ими энергия расходуется на нагрев этих слоев атмосферы и в конечном итоге переизлучается в космос. Поэтому их роль сводится к уменьшению потока тепла к поверхности. Поглощающие аэрозоли в нижней тропосфере способствуют разогреву приземного слоя воздуха. Но из нижней тропосферы аэрозольные частицы довольно быстро вымываются дождевыми каплями, поэтому накопления аэрозолей в нижней атмосфере не происходит. В верхней тропосфере и стратосфере срок пребывания аэрозольных частиц составляет не менее года. Это может привести к скапливанию аэрозолей и их влиянию на климат в направлении снижения температуры. Правда, по-видимому, снижения среднегодовой температуры не происходит, потому что влияние аэрозолей компенсируется накоплением в атмосфере двуокиси углерода, основного продукта сжигания топлива, хорошо поглощающего инфра красное излучение Земли.
Наиболее убедительным свидетельством влияния аэрозолей на климат являются большие извержения вулканов. В 539 г. в Индонезии произошло извержение вулкана Рабаул. Мощность извержения можно оценить по количеству пыли, содержащейся в слоях льда ледников Гренландии или Антарктиды, образовавшихся в период, когда произошло извержение. Византийские хроники рассказывают, что после извержения в течение двух лет Солнце исчезало на высоте 36° над горизонтом. Мгла окутала Землю. В течение двух лет овощи не вызревали даже в Месопотамии. Судя по содержанию пыли в кернах гренландского льда, извержение вулкана Тамбора в той же Индонезии в 1814 г. было раза в два-два с половиной слабее извержения Рабаула. Но и этого было достаточно, чтобы 1815 год вошел в историю как «год без лета» или «тысяча восемьсот морозный». Южная граница снегопадов в том году доходила до 50° с. ш. В Европе погибло от четверти до трети урожаев зерновых и наступил великий голод. Относительно небольшие понижения температуры на срок несколько месяцев отмечались после извержения Кракатау в 1883 г., Катмая на Аляске в 1912 г., Эль Чичона в Мексике в 1981 г. Последнее извержение дало возможность детально изучить механизм воздействия вулканических аэрозолей на радиационный баланс планеты. Оказалось, что основное действие оказывает не первичный эруптивный (взрывной) аэрозоль, количество которого в стратосфере достигало несколько десятков Мт, а вторичный аэрозоль серной кислоты, образующийся в стратосфере через несколько недель в результате фотохимического превращения двуокиси серы в серную кислоту. Количество этого аэрозоля достигло 180 Мт и привело к снижению средней температуры в Северном полушарии на 0,8°.
С влиянием аэрозолей на климат планеты связаны две гипотезы. Одна касается прошлого — гибели динозавров, а другая — возможности выживания человечества после ядерной войны.
Загадка гибели динозавров волнует людей давно. Почему погибли эти могучие животные, почему остановилось развитие зародышей в уже отложенных яйцах динозавров? Большинство ученых сходятся на том, что причиной этого было внезапное сильное похолодание.
По мнению американских ученых — отца и сына Альваресов, разгадка скрыта не только в геологических слоях, хранящих кости динозавров, но и в космосе. Астрономы, наблюдавшие за движением последней известной планеты Солнечной системы — Плутона,— отметили возмущения орбиты, которые могут быть объяснены присутствием за орбитой Плутона невидимого в телескопы массивного черного тела. Предполагается, что это небольшая потухшая звезда, которую заочно окрестили Немезидой в честь древнегреческой богини возмездия. Звезда эта должна обращаться по эллиптической орбите, апогелий которой удален от Солнца на 2 световых года, а перигелий лежит всего в половине светового года от Солнца, т. е. в густой части кометного облака Оорта, окружающего Солнечную систему. Раз в 28 млн. лет Немезида проходит через перигелий, вызывая возмущение орбит некоторых комет, которые устремляются к Солнцу. Некоторые из них могут столкнуться и действительно сталкиваются с внутренними планетами. Безатмосферные небесные тела — Луна, Меркурий, спутники Юпитера — несут многочисленные кратеры — следы ударов астероидов и кометных ядер. На Земле геологические процессы и воздействие атмосферы сглаживают такие следы, но со спутников «шрамы» от ударов видны и на Земле. Некоторые ученые считают следами столкновения с кометами Гудзонов и Мексиканский заливы, Берингово море.
Что же должно произойти при столкновении кометы с поверхностью Земли? Конечно, будут землетрясения чудовищной силы, гигантские приливные волны. Но не это оказывается самым страшным для жизни на Земле — при столкновении в атмосферу будет выброшено огромное количество пыли, начнутся пожары лесов, извержения вулканов. Атмосфера станет непрозрачной для солнечного света, и наступит долгая зима. Эта гипотеза подтверждается нахождением сажи в соответствующих геологических слоях. Кроме того, вместе с сажей почему-то обнаружено повышенное содержание иридия,— может быть, ядро кометы или астероид содержали этот благородный металл.
Для резкого замутнения атмосферы аэрозолями, сопровождающегося понижением температуры у поверхности Земли на 5—10°, советский ученый М. И. Будыко предложил название «аэрозольная климатическая катастрофа». Предполагается, что такие катастрофы не раз могли происходить за минувшие геологические эпохи, что аэрозольной климатической катастрофе обязана своим началом эпоха великого оледенения.
Не исключено, что глобальную климатическую катастрофу могут вызвать и сами люди. Ядерная война привела бы не только к гибели сотен миллионов людей при ядерных взрывах и пожарах, к заражению огромных пространств радиоактивными продуктами, но и к уменьшению прозрачности атмосферы. Города, в которых сосредоточено огромное количество горючих материалов, неизбежно превратятся в гигантские костры. При пожаре одного города может образоваться до 200 кг дымовых частиц на жителя. Общее количество дыма, которое поступит в атмосферу в случае массовых пожаров ядерной войны, подсчитать трудно, поскольку выход дыма при горении может колебаться в широких пределах. Одновременно же поступление в атмосферу более 300 Мт дыма вызовет длительное снижение температуры в глобальном масштабе. В отдельных районах Северного полушария температура упадет на 50°. Напомним, что разница среднегодовой температуры между Москвой и Северным, полюсом составляет около 20°. Изменится весь характер глобальной циркуляции атмосферы, изменят свои направления океанские течения. Поэтому даже после удаления аэрозолей из атмосферы, на что потребуется около двух лет, прежний климат не восстановится. Если же количество дыма составит 50—300 Мт, то понижение температуры охватит не весь земной шар и последствия его будут обратимыми, но размер их будет зависеть от оптических характеристик дыма, от начальной высоты подъема дыма над районами пожаров. Роль начальной высоты подъема очень велика — ведь из нижней тропосферы аэрозольные частицы «вымываются» в течение месяца, из верхней тропосферы удаление частиц протекает значительно медленнее и может стать очень медленным, если аэрозоль будет обладать поглощающими свойствами. Тогда произойдет разогрев верхней тропосферы и прекратится обмен воздухом с нижней тропосферой. Очень медленно удаляются частицы из стратосферы, куда они могут быть занесены огненными смерчами.
Резкое понижение температуры в результате массовых пожаров ядерной войны получило название «ядер-ная зима». Над районами пожаров дым будет настолько густым, что наступит полная темнота — «ядерная ночь». Похожее явление наблюдалось в сентябре 1938 г. в Ямало-Ненецком национальном округе в полосе шириной 250 и длиной до 600 км. Мгла спустилась на землю утром и продолжалась несколько часов, было значительно темнее, чем ночью. Причиной внезапного затемнения явилась огромная туча дыма, образовавшаяся при пожаре лесов на Северном Урале. После ядерной войны ночь может оказаться настолько темной и долгой, что прекратится фотосинтез, погибнут растения, а следовательно, и вся жизнь на Земле.
Как мы видели, оптика атмосферы определяется в основном присутствием в воздухе аэрозольных частиц. Значение ее для человека не ограничивается гипотетическими аэрозольными катастрофами и даже возможным похолоданием из-за загрязнения атмосферы. Прозрачность атмосферы сильно влияет на работу транспорта, особенно воздушного. Она определяет возможности сп. 1 пиковых наблюдений, астрономических исследований, работу лазерных систем связи. Поэтому большое значение в наше время приобрела разработка методов прогноза «оптической погоды» — состояния прозрачности атмосферы, определяемого переносом чистых и загрязненных воздушных масс, изменениями влажности, ведущим к конденсации паров воды на атмосферных ядрах с образованием дымки. Вблизи городов прозрачность атмосферы может резко уменьшаться из-за образования фотохимического смога.
Безумие пахаря и гроздья гнева. Значительная часть посевов зерновых культур в умеренных поясах нашей планеты расположена в так называемых зонах рискованного земледелия. В этих районах количества осадков, составляющих среднюю многолетнюю норму выпадения, достаточно, чтобы обеспечить получение урожая, особенно если принимать меры по сохранению влаги в почве. Но случаются засушливые годы, когда осадков выпадает вдвое-втрое меньше. Иногда засухи повторяются три-четыре года подряд. В такие годы поверхностный слой распаханного поля пересыхает на глубину десятков сантиметров, становится рассыпчатым, пылит. Даже небольшой ветер подхватывает частицы почвы, несет их облаком пылевого аэрозоля.
В зонах рискованного земледелия, особенно на больших равнинах, нельзя при вспашке переворачивать пласт земли, нельзя проводить плугами борозды вдоль направления преобладающих ветров, нельзя сеять из года в год на одном месте зерновые культуры — это все способствует эрозии почвы, возникновению пыльных бурь. С этим явлением пришлось столкнуться и отечественным агрономам. После освоения в середине 50-х гг. целинных земель на просторах Казахстана огромные пространства из года в год засеивались пшеницей, причем использовались приемы вспашки, принятые в европейской части страны, где осадков больше, а поля чередуются с лесами. Это привело к эрозии почвы, пыльным бурям. Только после этого были выработаны новые средства вспашки и культивации земли, созданы новые машины для безотвальной вспашки. Ветровая эрозия была остановлена.
Пыльные бури возникают не только вследствии неправильной обработки земли. Они случаются над пустынями (в том числе на Марсе, где замутнение атмосферы пылью вызывает резкое снижение температуры поверхности), но могут быть порождены и неумелым вмешательством человека в существующие природные системы.
Пыльные бури не всегда наносят вред земледелию. Иногда ветры приносят с собой аэрозоль, частицы которого, осаждаясь на грунт, улучшают плодородие полей. В Китае, Аргентине, советской Средней Азии есть мощные, достигающие иногда толщины сотен метров отложения лёсса или желтозема. Лёсс — это пыль, образующаяся при выветривании горных пород, при ветровом уносе мельчайший частиц грунта пустынь. Эта пыль содержит не только минеральные, но и органические вещества. Там, где оседает эта пыль, образуются слои плодородной почвы. Некоторые почвоведы считают, что черноземы Украины, юга России и Сибири образовались при смешении осадков лёсса с перегноем. Ветер выдувает лессовый аэрозоль из мест его отложения, переносит в земледельческие районы. Именно осадкам этих частиц обязаны своим плодородием поля Узбекистана, северо-западного Китая.
Аэрозоли на службе человека
Спрей — жидкая пыль. Значительная часть твердого топлива и подавляющее большинство жидкого сжигаются в виде аэрозолей. Появляется возможность использовать в распыленном виде такие виды топлива, которые иначе просто не горят, — угольную пыль, торфяную крошку. Горению слоя пылевидного топлива препятствует образование слоя золы на поверхности, а также низкая теплопроводность пыли, затрудняющая прогрев нижних слоев до температуры воспламенения.
Распыление пылевидного топлива не представляет серьезной технической проблемы — ведь при этом не нужно затрачивать работу на разрушение твердого тела, а только на разрыв адгезионных сил (сил меж-молекулярного притяжения) между пылинками. Достаточно сыпать пыль из трясущегося бункера или подавать шнеком (винтовым конвейером) в сильную струю воздуха — и пыль перейдет в аэрозольное состояние. Иное дело жидкости. Раздробление жидкости на капельки для создания поверхности — дело нелегкое. Если мы прикладываем механическое усилие к жидкости, мы не только распыляем ее, но и заставляем двигаться как целое. Причем чем меньше капелька, тем меньше она будет подвержена разрушению. Поэтому приложение механической энергии к жидкости после определенного предела перестает давать результаты, и чисто механическими средствами получить капельки размером менее 5 мкм не удается.
Что дает тонкий распыл жидкостей? При сжигании топлива распыление позволяет увеличить поверхность горения, скорость испарения капель и перевести горение в паровую фазу. Это увеличивает энерговыделение в объеме, температуру горения, степень сгорания топлива. Таким образом, уменьшается размер топок в котельных, увеличивается мощность тепловых двигателей при сохранении постоянного размера цилиндров и камер сгорания. Поэтому наибольшее внимание совершенствованию методов распыла уделялось при развитии энергетики и транспорта.
В бензиновых двигателях внутреннего сгорания распыление происходит в карбюраторе с целью создания паровоздушной смеси, сгорающей в цилиндре. В дизеле топливо впрыскивается в виде жидкой струйки непосредственно в цилиндр в конце цикла сжатия. Топливо должно сгореть за доли миллисекунды, поэтому его дробят на мельчайшие капельки и подают под очень высоким давлением — до 20 МПа («2Х 104 атм).
Жидкую пыль, получаемую в результате распыления, называют «спрей». Особенность спреев — полидисперсность, т. е. присутствие в них капелек различных параметров. Для получения тонкого распыла применяют форсунки различной конструкции. В одних струя! или пленка жидкости засасывается разрежением, создаваемым высокоскоростным потоком воздуха, и этим же потоком дробится на капельки. Такой способ распыла называется пневматическим, им распыляется бензин в карбюраторе. В механических форсунках тонкая струйка жидкости выбрасывается под большим давлением, и за счет трения жидкости о воздух создается неустойчивость струи, распад ее на капли. Иногда струю жидкости закручивают с помощью центробежных форсунок, они используются, например, в камерах сгорания реактивных двигателей. В струйных мельницах тонкий спрей получается при ударе струйки под высоким давлением о твердую поверхность или о встречную струйку.
Распыление жидкостей, суспензий, эмульсий широко используется в народном хозяйстве, например при получении сухого молока, порошкообразных красителей, некоторых видов удобрений и многих других продуктов. Распыленной водой тушат нефтяные пожары. В виде спрея удобно подводить смазку к режущему инструменту при обработке металлов.
Около 20% мирового урожая зерновых культур уничтожают вредители. Для борьбы с ними используют аэрозоли, получаемые распылением ядовитых веществ — инсектицидов (растворенных в воде или в испаряющихся нефтепродуктах). При высыхании капелек спрея образуются частицы инсектицида. Раньше ядохимикатами покрывали всю поверхность листьев растения. Но при таком способе очень велик расход инсектицида. Он накапливался в почве, усваивался растениями и в конечном итоге попадал в организм человека. Бесконтрольное, необдуманное применение такого инсектицида, как ДДТ, привело к тому, что в почвах и океанской воде накопилась довольно высокая его концентрация. ДДТ скапливается в жировых тканях животных и оказывает вредное влияние на обмен веществ. Даже в тканях антарктических пингвинов был обнаружен ДДТ. Впоследствии ученые синтезировали новые инсектофунгисициды, они быстро разрушаются и не накапливаются в почве. Для уменьшения вредного воздействия инсектицидов на человека ученые придумали эффективный способ распыления аэрозолей. Оказалось, что насекомое можно убить прямым осаждением капельки ядовитого тумана на его тело. При аэродинамическом обтекании аэрозольные частицы под действием сил инерции отклоняются от линий тока и задевают тело вредителя. Продувкой насекомых в аэродинамических трубах установили, при каком размере частиц спрея обеспечивается и достаточно высокая эффективность осаждения частиц на насекомых, и поражение вредителя одной каплей. На этом принципе основано ультрамалообъемное опрыскивание растений, позволившее снизить расход ядохимикатов в десятки и сотни раз, повысить равномерность обработки поля. Для равномерного опрыскивания очень важно знать законы распространения аэрозолей в турбулентной атмосфере.
В животноводстве аэрозоли помогают и лечить животных, и предупреждать распространение болезней, причем введение лекарственных препаратов в легкие в виде аэрозолей позволяет проводить массовую обработку животных. Чтобы аэрозольная частица попала на слизистую оболочку бронхов животного, она не должна превышать 2 мкм. Получают такой тонкий аэрозоль с помощью ультразвука. Осаждаются мелкие частицы в легких в основном за счет диффузии или броуновского движения.
В медицине спреи используются как средство дезинфекции. Лечебным действием обладают не только искусственные аэрозоли, получаемые распылением жидкостей, но и некоторые естественные. Так, больным бронхиальной астмой очень полезно пребывание в пещерах. Считается, что благотворное воздействие пещерной атмосферы обусловлено спелеоаэрозолем — частицами раствора извести и солей, которые образуются при разбрызгивании капель, падающих со сводов пещер и с известковых «сосулек» — сталактитов.
Широкое применение и в народном хозяйстве, и в быту получили аэрозольные баллончики. С их помощью распыляют краски, смазки, инсектициды, различную парфюмерную продукцию. Аэрозольный баллончик — портативный малогабаритный генератор спрея (см. рис. на с. 33). Он представляет собой тонкостенный металлический цилиндр с сифонной трубкой, на конце которой находится клапан, а за ним — распылительная форсунка. Баллончик заливается жидкостью не полностью, над ней остается пространство, заполняемое распыляющим газом — пропеллентом. При открытии клапана сжатый газ выдавливает и распыляет жидкость. Газ-пропеллент должен растворяться в жидкости — тогда газовыделение при сбросе давления способствует более тонкому распылу жидкости; этому же способствует и вскипание жидкости при выбросе в атмосферу с более низким давлением.
В качестве пропеллентов чаще всего используют хладагенты — фреоны, по химической природе представляющие собой фторхлоруглероды. Они химически
Схема аэрозольного баллона:
1 — подлежащий распылению химикат в смеси с пропеллентом,
2 — насыщенные пары пропеллента,
3 — корпус,
4 — сифонная трубка,
5 — чашечка клапана,
6 — распыляющая головка.
инертны, нетоксичны, сжижаются под небольшим давлением, растворяются во многих органических жидкостях. Способность сжижаться или растворяться в основной жидкости обеспечивает постоянство давления пропеллента при опорожнении баллончика.
Химическая инертность фреонов, в обычных условиях обеспечивающая отсутствие токсического и коррозийного действия, могла обернуться большой бедой для человечества. Дело в том, что в тропосфере фреоны разрушаются очень медленно — примерно наполовину за месяц. За такой период они успевают проникнуть из тропосферы в стратосферу и под действием ультрафиолетового излучения вступают в фотохимические реакции, ведущие к образованию радикалов, катализирующих разрушение озона. На земном шаре ежегодно из аэрозольных баллончиков выбрасывается порядка 10 ООО т фреонов, что ведет к постепенному уменьшению мощности озонного слоя в стратосфере. А это означает возрастание уровня ультрафиолетовой радиации у поверхности. Радиация влечет за собой возрастание уровня заболевания раком кожи, снижение урожайности сельскохозяйственных культур и др.
Ученые вовремя распознали опасность. Они нашли типы фреонов, не дающие при фотохимических реакциях катализаторов разрушения озона.
Химическая инертность фреонов все же недостаточна при распылении водных растворов и суспензий. В контакте с водой фреоны медленно вступают с ней в реакцию, давая высокотоксичную фтористоводородную кислоту. Поэтому для распыления водосодержащих продуктов используют пропан, углекислый газ, азот. Но при этом спрей получается грубодисперсным (состоящим из крупных капель).
Ультрадисперсные системы — технология будущего. Что же такое аэрозоль? Это такие частицы, которые могут переноситься с воздухом на большие расстояния, оставаться во взвешенном состоянии длительное время. В турбулентном воздухе, например при бурях и ураганах, могут находиться в аэрозольном состоянии частицы размером сотни микрон. При умеренном ветре в приземном слое на расстояние более километра переносятся частицы мельче 20—30 мкм. В закрытом помещении через несколько часов осядут на пол пылинки крупнее 5 мкм. Аэрозольные частицы небольших размеров следует отличать от газовых и паровых молекул. Тем более что в парах и газах могут находиться не только одиночные молекулы, но и ассоциаты из двух, трех и более молекул. Молекулярные агрегаты, в которых молекулы удерживаются вместе силами межмо-лекулярного притяжения, называются кластерами. Можно ли считать взвешенный в воздухе кластер из десяти молекул аэрозольной частицей? Установившейся терминологии применительно к этому случаю нет. От газовых молекул аэрозольные частицы отличаются характером их взаимодействия с поверхностью. Газовые молекулы отскакивают от стенок, аэрозольные частицы всегда прилипают и удерживаются молекулярными силами. Молекулярный кластер в зависимости от своей природы может и отскочить от стенки, и прилипнуть, и разрушиться, прилипающий кластер неотличим от аэрозольных частиц. Другой признак аэрозольных частиц — их термодинамическая стабильность. Они испаряются только при повышении температуры, понижении давления паров. Кластеры же могут быть стабильны, как, например, кластеры молекул металлов или углерода при обычных температурах. Но в недосыщенных парах возникают на ничтожные доли секунды и снова распадаются кластеры, которые стабильными никак не назовешь и не причислишь к аэрозольным частицам. Конечно, термодинамическая стабильность — понятие относительное. Она зависит от внешних условий. Кроме того, аэрозольные частицы всегда термодинамически нестабильны в отношении коагуляции (объединение при столкновениях), поскольку она уменьшает удельную поверхность частиц и поверхностную энергию системы. Но неиспаряемость частиц при постоянных условиях и обязательное прилипание к стенкам при столкновениях можно принять в качестве нижней границы размеров аэрозольных частиц. Этому условию отвечает при обычной температуре размер кластеров металлов, их окислов, солей из нескольких молекул или десятка молекул.
Как же получить столь малые частицы? Ведь даже специальные методы распыления не дают частиц размером менее десятых долей мкм. Получить мельчайшие кластеры можно конденсацией пара. Для образования конденсационных аэрозолей в чистом паре необходимо пересыщение больше критического. Чем больше пересыщение, тем больше рождается кластеров. А это значит, что масса пара будет поделена между большим количеством частиц, а сами частицы окажутся меньше.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
