Методы измерения содержания аэрозолей в атмосфере

ВВЕДЕНИЕ

Институт физики атмосферы образован в 1956 году при реорганизации бывшего Геофизического института АН СССР с целью изучения основных процессов в атмосфере, опираясь при решении конкретных задач на достижения физики, механики и прикладной математики.

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН - один из ведущих научных центров в мире в области науки об атмосфере. Задачей Института является изучение свойств атмосферы современными теоретическими и экспериментальными методами, а также разработка рекомендаций по использованию полученных фундаментальных результатов для решения конкретных научных и прикладных задач.

В Институте ведутся серьезные исследования по изучению фундаментальных проблем наук об атмосфере и, прежде всего, по теории климата и его изменений, геофизической гидродинамике, проблеме загрязнения атмосферы и изменению ее состава, распространения электромагнитных и акустических волн.

В числе основных направлений исследований: диагностика и моделирование климата, параметризация климатообразующих процессов, исследование взаимодействия облачности, аэрозоля и радиации, взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, изучение региональных проявлений глобальных изменений климата. А также исследование и мониторинг газового состава атмосферы и атмосферных примесей, их долговременных изменений и возможных последствий для окружающей среды и климата Земли. И мониторинг и прогноз временных и пространственных изменений характеристик верхней атмосферы

Звенигородская научная станция (ЗНС) является основной экспериментальной станцией Института. На ЗНС проводятся экспериментальные исследования оптических характеристик аэрозоля, систематические измерения содержания малых, в том числе, климатически- активных газовых компонент атмосферы, а также аэрозольных составляющих. Исследования вариаций содержания газовых примесей на ЗНС проводятся начиная с 1970 г. и являются самыми продолжительными в мире.

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН тесно сотрудничает с МГУ им. М.В. Ломоносова, МФТИ, МИФИ и РХТУ им. Менделеева. [1]

Аэрозоли. Источники и классификация

Аэрозоли - дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой - мельчайшие частицы твердого или жидкого вещества.

В метеорологии под аэрозолем понимают твердые и жидкие частицы, плавающие в атмосфере и выпадающие на Землю. Аэрозоли попадают в атмосферу от многих источников. По происхождению они подразделяется на аэрозоли естественного и антропогенного происхождения.

Источниками естественных аэрозолей являются океаны, космическая пыль, частицы почвы и горных пород, поднимаемых в воздух при ветровой эрозии, органические вещества - пыльца растений, споры, бактерии и др., Частицы дыма, возникающие при лесных и торфяных пожарах, продукты вулканических извержений)

Атмосферные аэрозоли над океаном образуются в результате разбрызгивания капель морской воды и их последующего испарения. Взвешенные в воздухе солевые частицы в прибрежных районах наносят значительный ущерб сельскохозяйственным культурам и вызывают коррозию материалов.

Важным источником аэрозолей являются вулканы. Но их влияние сильно варьируется во времени, т.к. во время извержения вулкан способен выбросить в сотни раз больше аэрозолей, чем в период «спячки». Яркий тому пример извержение в 2010 году исландского вулкана Эйяфьятлайокудль. Тогда облако вулканического пепла парализовало авиасообщения по всей Европе. К тому же движение этого облака было очень трудно спрогнозировать.

Также крупным источником аэрозолей могут стать степные и лесные и торфяные пожары. Зола, выбрасываемая при пожарах состоит из частиц углерода, несгоревших смолистых веществ, минералов, присутствовавших в тканях растений на момент сгорания. За примерами далеко ходить не надо: лето 2010 года ознаменовалось жарой и торфяными и лесными пожарами более чем в 17 регионах России. По данным МЧС РФ, в России было зафиксировано 843 очага пожаров, в том числе 47 торфяных.

Значительная часть аэрозолей поступает в атмосферу с поверхности почвы и скальных пород.

По размеру частиц аэрозоли можно разделить на 3 группы (r - радиус частицы): неустойчивые, гигантские частицы (r > 10 мкм), относительно устойчивые, большие частицы (r от 1 до 10 мкм) и устойчивые, подчиняющиеся законам броунова движения (r < 1 мкм), так называемые ядра Айткена. Атмосферный аэрозоль подразделяют также на тропосферный (до высоты приблизительно 10 км) и стратосферный (от 10 км приблизительно до 50 км).

Аэрозоль техногенного происхождения представляет собой твердые, иногда обводненные микрочастицы разного химического состава, выброшенные в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива, а также в виде продуктов ряда промышленных производств.

Таблица №1. Среднегодовое поступление в атмосферу аэрозолей из различных источников

Источник или вид аэрозоля	Кол-во выбросов, млн. т		Антропогенные
Сжигание угля		36
Сельскохозяйствен. деятельность		10
Черная металлургия		9
Сжигание древесины и отходов древообр. предприятий		8
Производство цемента		7
Сжигание мусора		4
Сжигание нефтепродуктов		2
Морская соль	1000
Почвенная пыль	200 -500
Вулканические частицы
Торфяные, лесные и степные пожары	3 (до 150)

Воздействие аэрозолей на климат

Действие аэрозолей, вызывающее метеорологические и климатические эффекты, имеет двоякое направление: воздействие на процессы облако- и осадкообразования путем изменения микроструктуры облачных частиц; воздействие на процессы переноса солнечной и тепловой радиации в атмосфере и тем самым на температурный режим климатической системы Земли. Различают прямое и косвенное воздействие аэрозолей. Прямое воздействие заключается в том, что аэрозоли рассеивают и поглощают солнечное и тепловое излучения и тем самым изменяют радиационный баланс атмосферы и подстилающей поверхности. Существенное прямое воздействие на потоки солнечного и теплового излучения оказывают аэрозоли, содержащие сульфаты, органический углерод и сажу от сжигания топлива и биомассы, а также пыль, попадающие в атмосферу и на поверхность Земли в результате хозяйственной деятельности.

Косвенное климатическое воздействие аэрозолей проявляется преимущественно в изменении под их влиянием радиационных свойств (поглощения и отражения) облаков, а также времени их жизни в атмосфере.

Рис. 1. Схематическое представление механизмов влияния на облака аэрозолей и радиационного воздействия

Маленькие черные точки - аэрозольные частицы, большие открытые белые кружки - облачные капли; прямые линии - падающее и отраженное солнечное излучение, волнистые линии - тепловое излучение; вертикальным пунктиром изображены осадки

Воздействие аэрозолей на облако- и осадкообразование

Впервые возможность аэрозольного воздействия на облака с образованием осадков была указана Бернардом Воннегутом. Он обнаружил, что микроскопические кристаллы иодида серебра могут служить ядрами конденсации водяного пара и способствовать образованию ледяных кристаллов [4]. Иодид серебра до сих пор наиболее широко используется для так называемого засева облаков, хотя теперь это уже далеко не единственный препарат, вызывающий искусственное образование осадков. Для генерации ледяных частиц при температурах ниже - 40°С могут быть использованы также сухой лед и жидкая углекислота, жидкий азот, жидкий пропан. Они распыляются с самолетов в верхней части облачности.

В ряде метеорологических процессов часто возникают неустойчивые критические состояния, чувствительные к внешним вмешательствам. Получив относительно небольшое внешнее воздействие искусственного характера естественный процесс может развиваться в желательном направлении. Для осуществления таких воздействий нужны технологии рассеивания туманов на аэродромах и технологии вызывания осадков из градооопасных облаков.

В первом случае технологическим оборудованием являются баллоны со сжатым воздухом и компрессоры, в странах с теплым климатом - генераторы гигроскопических веществ. При адиабатическом расширении газа образуются зоны с пониженной температурой, где выпадает искусственный дождь. Воздействие наградоопасные облака осуществляется с помощью ракет, снаряженных иодидом серебра и гигроскопическими веществами, а также минеральными аэрозольными частицами, в частности, цемента. Существует практика рассеяния холодных туманов путем распыления жидкого азота.

Влияние аэрозолей на формирование климата

В глобальном масштабе аэрозоли являются главным, после облаков (которые являются тоже аэрозольными образованиями), регулятором потоков солнечной радиации в земной атмосфере. Аэрозольные слои поглощают также тепловое (собственное) излучение атмосферы и подстилающей земной поверхности, оказывая дополнительное влияние на энергетический баланс климатической системы Земли.

Атмосферный аэрозоль определяет оптические характеристики атмосферы в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового (10-380 нм) до инфракрасного излучения (0,7 -2000 мкм)

С точки зрения антропогенного воздействия ни климатические процессы, например на замедление и даже компенсацию глобального потепления, особо стоит обратить внимание на химию сульфатных аэрозолей. Сульфатный аэрозоль состоит из частиц серной кислоты, отчасти нейтрализованной аммиаком в жидкой и частично кристаллической фазах. Исследования последних лет показывают, что глобальное потепление климата, обусловленное ростом содержания углекислого газа в атмосфере, частично компенсируется рассеянием и отражением в космос солнечной радиации сульфатным аэрозолем, высокодисперсная фракция которого служит также ядрами конденсации при образовании дополнительного числа мелких облачных частиц.

аэрозоль облако атмосфера климат

Методы измерения содержания аэрозоля

Методов измерения содержания аэрозоля существует довольно много.

В России для контроля концентрации аэрозолей применяли технические средства, работа которых основана на различных методах: гравиметрическом, фотометрическом и нефелометрическом. Гравиметрический метод заключается в выделении частиц из пылегазового потока с последующим осаждением их на аналитическом фильтре и осушением. По величине привеса на фильтре с учетом объема пробы определяется массовая концентрация аэрозоля, которая рассчитывается по формуле

 

где m - масса пыли на фильтре, мг; QB- объемный расход воздуха, м3/ч; t - время отбора пробы, ч.

Преимущество гравиметрического метода заключается в том, что есть возможность прямого определения массовой концентрации аэрозоля и отсутствие влияния его физико-химических свойств на результат измерения. Но этот метод довольно трудоемкий.

Сейчас используется гравиметрический метод пьезобалансового взвешивания осажденной пробы на анализаторе респираторных аэрозолей для контроля малых (0,01 - 10 мг/м3) концентраций (рис.№2).

Принцип работы прибора заключается в периодическом отборе пробы аэрозольных частиц через импактор, который из общей массы частиц отделяет респираторные (до 10 мкм) фракции. Эти фракции осаждаются на электроде, в качестве которого используется пьезоэлемент (кварц). При осаждении частиц аэрозоля изменяется вес пьезоэлемента, из-за чего изменяется частота его колебания (линейная зависимость).

Рис.№2 Схема работы прибора

Фотометрический метод основан на ослаблении интенсивности светового потока, вызванной его поглощением аэрозольными компонентами. При относительно небольшой погрешности метода, главным его недостатком является низкая чувствительность при измерении малых концентраций аэрозольных частиц (менее 30 мг/м3), а также невозможность контроля высоких концентраций (более 10-12 г/м3) из-за почти полного поглощения светового излучения.

В случае измерения малых концентраций аэрозольных частиц более эффективен нефелометрический метод, основанный на регистрации прямого, бокового и обратного рассеянного светового излучения.

Недостатком метода - влияние изменения физико-химических свойств аэрозолей. Это требует настройки прибора (Рис.№3) на конкретный тип аэрозоля или введения поправок при расчетах. Это делает метод менее удобным и увеличивает погрешность.

Также к недостаткам метода можно причислить потерю чувствительности при изменении концентраций частиц диаметром более 8-10 мкм. Поэтому метод в основном применяется при измерении концентрации мелкодисперсных аэрозолей.

Рис.№3 ИКВЧ-c

Также возможно использование лидарных методов, в которых измеряется сигнал обратного рассеяния с различных расстояний, который затем обрабатывается относительно оптических характеристик, входящих в лидарное уравнение, описывающее этот сигнал.

Принцип действия лидара основан на измерении интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния.

Рассеяние света в атмосфере происходит как молекулами воздуха, так и частицами аэрозоля. Таким образом, наличие аэрозоля в атмосфере увеличивает сигнал обратного рассеяния по сравнению с чистой атмосферой и концентрация аэрозоля может быть определена как функция расстояния и интенсивности сигнала на фоне чистой атмосферы.

Рис. 4

Лазерная головка генерирует короткие импульсы излучения на длинах волн 1064, 532 и 355 нм, которые коллимируются и узким лучом направляются в атмосферу. Блоки питания и контроля обеспечивают накачку активного элемента лазера и управляют лазером. Двухконтурный автономный блок охлаждения необходим для охлаждения активного элемента лазера. Излучение лазера, рассеянное аэрозолем атмосферы в обратном направлении, попадает на приемную аппаратуру телескопа и фокусируется на входном окне четырехканального анализатора (фотоприемного блока). Основными элементами анализатора являются 4 фотоумножителя (ФЭУ), служащие детекторами излучения. Сигналы с выхода ФЭУ поступают в двухканальные аналого-цифровые преобразователи АЦП, установленные в слот компьютера. Оцифрованные с помощью АЦП выходные аналоговые сигналы ФЭУ направляются в память РС для сохранения и дальнейшей первичной и вторичной (тематической) обработки. Для решения каждой конкретной атмосферной задачи используется конкретная схема лидара. Однако во всех случаях в лидаре непременно присутствуют три основных блока: лазерный источник излучения с передающей антенной; приемная антенна с фотодетектором; регистратор лидарных сигналов.

Заключение

С ростом антропогенного воздействия на атмосферу наиболее важным становится усовершенствование систем изменения и контроля ПДК аэрозолей в атмосфере, и как следствие контроля изменений климата. Институт физики атмосферы является одним из ведущих научных центров в мире в области изучения климата и факторов, влияющих на него; изменения состава атмосферы.

 

1. Атмосфера. Справочное издание под ред. Седунова, Гидрометеоиздат, 1998 г.

. Бержерон Т. В сб.: Физика образования облаков. М.: Издатинлит, 1951

. Протасов В.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России»,1999 г.