CC BY
157
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2007, том 50, №8
ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ
УДК 551.5764: 551.521.3
Б.И.Назаров, [А.Х.Шукуров, Н.А.Абдурасулова, В.А.Маслов, Х.Насруллоев,
С.Ф.Абдуллаев
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В СИЛЬНО ЗАПЫЛЕННОМ ВОЗДУХЕ
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Х. Х. Муминовым 25.01.2008 г.)
В аридной зоне Таджикистана часто наблюдаются пылевые частицы, образующиеся в результате пылевых бурь (пылевой мглы). Для исследования закономерности распределения аэрозольных частиц в сильно запыленном воздухе с помощью фотоэлектрического аэрозольного счетчика с 15-канальным анализатором определялись функция распределения частиц по размеру и концентрация аэрозольных частиц в воздухе. Анализируемый спектр размеров частиц лежит в переделах 0.6-3.6 мкм.
На рис.1. представлены результаты исследований функции распределения частиц по размерам вида 1§К для различных погодных условий:
1 - чистая атмосфера, соответствующая состоянию воздуха после продолжительных дождей, 2 - туман, 3 - дождь, 4 - обычная атмосфера, характерная для г. Душанбе в осенне-летний период при фоновой запыленности, 5 - распределение частиц, соответствующее мощной пылевой буре.
Для исследования оптических и микрофизических характеристик пылевого аэрозоля была создана аэрозольная камера, в которой генерировалась пыль, собранная с поверхности подложки по пути распространения пылевых бурь. Тем самым в данной камере создавалась и исследовалась экспериментальная модель пылевой бури. Измерения проводились в одинаковых условиях. Представленная на рис.2 серия измерений относится к смеси из пыли типа а
Рис. 1. Функция распределения частиц по размерам при различных погодных условиях аридной зоны.
и б, описанной в работе (смесь трех образцов пыли, собранных в окрестности Шаартуза, Ка-бадиана (розовая пыль) и г. Душанбе) [1].
Для других типов аэрозоля, распыленного в аэрозольной камере, функции распределения частиц по размерам приведены в работе [2]. Графики на рис.1 можно рассматривать как модель плавного изменения погодных условий - от чистой атмосферы до состояния сильной пылевой бури. Можно определить границы различных погодных условий и поведение функции распределения частиц по размерам в анализируемом диапазоне.
Из полученных результатов следует, что концентрация исследуемого аэрозоля в диапазоне 0.6-3.6 мкм не превышает 280 частиц в 1 см . Эти данные являются усредненными за де-
Рис. 2. Функция распределения частиц по размерам в аэрозольной камере при генерации пыли (1 - через 10 мин, 2 - 20 мин, 3 - 30 мин, 4 - 40 мин, 5 - 50 мин).
сять серий измерений, время измерений - 2 мин, продолжительность измерения в каждой серии с завершения перемешивания пыли и до полного просветления в камере, когда концентрация пыли соответствует чистой атмосфере, составляло 1 ч.
Результаты измерения показывают, что концентрация анализируемых частиц указан-
3 „
ного диапазона изменяется от 8...10 см- - для относительно чистой атмосферы, до
280 см- - во время мощной пылевой бури.
Поведение функции распределения частиц по размерам показывает, что исследуемый аэрозоль имеет бимодальное распределение. Частиц с ё<1мкм содержится около 90% от общего количества частиц, вторая мода имеет максимум в области частиц вблизи ё~3 мкм.
Определим приведенную концентрацию частиц как отношение числовой концентрации для каждого размера частиц к соответствующим значениям концентрации в некоторой стандартной среде. На рис. 3 изображены приведенные концентрации частиц при различных погодных условиях (туман, дождь, обычная атмосфера Душанбе, пылевая мгла и пылевая буря) относительно чистой атмосферы г.Душанбе
Как видно на рис.3, количество частиц увеличивается в области 2-2.5 и 3.6 мкм. Если это отношение для тумана и обычной атмосферы равно четырем, то для пылевой мглы и пылевой бури это отношение увеличивается до 10.16. В диапазоне размеров частиц меньше
Рис. 3. Соотношение концентрации аэрозольных частиц в различных погодных условиях к чистой атмосфере.
1 - туман, 2 - дождь, 3 - обычная атмосфера г. Душанбе, 4 - пыльная мгла, 5 - пыльная буря,
6,7 - модель пылевой бури в аэрозольной камере.
2 мкм и в области 2.8...3.6 мкм это отношение составляет 2.4. Таким образом, в период пы-вой мглы и пылевых бурь вклад частиц размером в области 2-2.8 мкм и более 3.6 мкм существенно возрастает. Это говорит о том, что механизмы образования частиц в вышеуказанных областях размеров частиц отличаются друг от друга.
Можно рассматривать концентрацию частиц при пылевой мгле (пылевой бури), приведенную относительно обычной атмосферы, характерной для г. Душанбе. Начиная с области размеров частиц более 2 мкм, это отношение становится существенным (2.2.5 раза), тогда как при размерах частиц меньше
2 мкм это увеличение составляет 1.4.. .1.6 раза. Отсюда следует вывод, что при пылевой мгле (пылевых бурях) вклад частиц размером больше 2 мкм становится существенным. Резкое отличие этого отношения говорит о разном механизме образования частиц размером больше 2 мкм и меньше 2 мкм.
Распределение по размерам частиц почвенного аэрозоля во время пыльной бури 16 сентября 1989 г. показано на рис.5 функцией dN/dlg(D), распределение по размерам частиц в пробах, отобранных системой фильтров на двух высотах - 1.51 (нижний уровень) и 5.84 м (верхний уровень). Высокую счетную концентрацию на верхнем уровне можно объяснить тем, что пыль осаждалась на поверхности земли. Имеется в виду пыль, образовавшаяся на
Рис. 4. Соотношение концентрации частиц в аэрозольной камере к обычной атмосфере (6 - 10 мин, 5 - 20 мин, 4 - 30 мин, 3 - 40 мин, 2 - 50 мин,
1 - 60 мин).
Рис. 5. Распределения счетной (К) и массовой (М) концентрации частиц по размерам для проб, отобранных на двух уровнях во время пыльной бури 16 и 20 сентября 1989 г. в
Шаартузе.
1 - счетная концентрация, Н=5.8 м, 16 сентября; 2 - счетная концентрация Н=1.5 м, 16 сентября; 3 - массовая кон-центрацентрация, Н=5.8 м, 16 сентября; 4 - массовая концентрация, Н=1.51 м, 16 сентября; 5 - счетная концентрация, Н=1.51 м, 20 сентября. Время отбора проб - 16 сентября - 30 мин, 20 сентября - 15 мин. Для сбора частиц использовались мембранные фильтры.
некотором расстоянии от места отбора проб, перенесенная хом к месту отбора проб и объединенная в результате осаждения на поверхность. Горизонтальная видимость в период отбора проб оценивалась в 1.5 км при югозападном направлении переноса пыли [3].
Значения функции
ёК/ё^Б) в период пылевой бури 20 сентября представлены для двух высот отбора проб - 1.51 и 5.84 м. Во время максимального развития бури происходила ветровая эрозия, и окрестности артуза стали относительно ным источником пыли. После эрозии наблюдалось увеличение концентрации пыли с высотой, что характерно для стадии осаждения пыли.
На рис.6. представлен также график соответствующей функции ёММ§(Б) [3]. Как и распределения для пыльной бури 16 сентября 1989 г., данное
пределение является логнормальным. Однако массовые концентрации во время второй бури были примерно в три раза больше. Горизонтальная видимость в период отбора проб валась в 0.5 км, что составляет 1/3 видимости, оцененной для проб на рис.6.
Автором [4] проведено измерение спектра размеров и объемов атмосферных аэрозолей. Если иметь в виду, что плотность вещества аэрозолей по данным многочисленных изме-
*-» 3
рений в среднем близка 2.5 г/см , то массовая концентрация фракции частиц 0.01-0.2 мкм для
*-» 3
фоновых районов находится преимущественно на среднем уровне 2±1 мкг/м . Счетная концентрация этих частиц близка к (5±2)х10- .
Рис. 6. Распределения счетной (К) и массовой (М) концентрации частиц по размерам для проб, отобранных на двух уровнях во время пыльной бури 20 сентября 1989 г. в Шаартузе.
1 - счетная концентрация, Н=5.84 м; 2 - счетная концентрация, Н=1.5 м; 3 - массовая концентрацентрация, Н=5.84 м; 4 - массовая концентрация, Н=1.51 м. Время отбора проб - 2 ч 30 мин.
На рис.7 [5] лены измерения функции пределения частиц аридного аэрозоля, полученные ФЭС «Коусо-218» и ФЭС «Дельта» для не слишком крупных частиц (Б<4 мкм). Для более крупных частиц показания в тракт прибора ФЭС «Яоусо-218» очень быстро падают, что, по-видимому, объясняется погрешностями забора исследуемых частиц в тракт прибора при скорости ветра несколько метров в секунду. Таким образом, для аридного аэрозоля фракции с Б<2 мкм и Б>2 мкм имеют, видимо, различный механизм образования.
Измерение параметров микроструктуры осуществля-
лось 12-канальным фотоэлектрическим счетчиком (модернизированный вариант АЗ-5) в диапазоне радиусов г =0.2...5 мкм [6]. Характерной чертой всех зарегистрированных в этом эксперименте спектров аэрозоля является наличие ярко выраженной среднедисперсной фракции частиц, которая, в отличие от других мест наблюдений, явно заметна не только в функции распределения объемов (рис. 8 а, Бт~ 3 мкм), но и в функции распределения частиц по размерам (рис. 8 б, Бщ ~ 2 мкм). Для сравнения на рис. 8 а приведены типичные спектры, регистрируемые в Западной Сибири. Видно, что в исследуемом районе относительный вклад мелких частиц (Б<1 мкм) существенно ниже, чем в иных географических зонах, удаленных от источников пылевого аэрозоля, а более 90% объемного (массового) содержания составляют частицы с Б>1 мкм. Во время пыльных бурь концентрация частиц в приземном слое атмосферы возрастает более чем на порядок, но в диапазоне 0=0.4.. .10 мкм функция распределения частиц по размерам сохраняет удивительную стабильность (кривые 1, 2 на рис.8 а). Аналогичные результаты получены в районе г.Душанбе и во время предварительного эксперимента в 1988 г.
В относительно «чистых» ях с ростом высоты вклад крупных частиц в формирование спектра размеров снижается (кривые 2, 3 на рис.8 а). Более наглядно это иллюстрирует рис.9 [6], на котором приведены вертикальные профили приведенной концентрации частиц заданного диапазона размеров N1 относительно концентрации частиц из диапазона Б=0.4.0.5 мкм. Как видно на рис. 9, в «чистой» атмосфере относительное содержание частиц с Б>0.7 мкм (кривые 1 и 2) с высотой монотонно убывает. Во время пыльной бури, благодаря интенсивному турбулентному перемешиванию, в диапазоне исследуемых высот это отношение для частиц с Б=0.6.4 мкм практически не изменяется (кривые 3,4,5) и только начиная с Б>4 мкм (крестики) проявляется тенденция убывания содержания частиц с высотой.
В летне-осенний период года в атмосфере содержится значительное количество частиц среднедисперсной фракции, близкой по своему микроструктур-ному и химическому составу к почвенной пыли. Эпизодическое повторение мощных пылевых выносов с последующим осаждением и оседанием пыли на подстилающую поверхность постоянно восполняет запасы пылевого аэрозоля, даже в районах, удаленных от непосредственного источника.
В дальнейшем обогащенная пылевыми частицами поверхность в «чистых» условиях начинает играть самостоятельную роль в формировании аэрозольного состава приземного воздуха, являясь источником поступления
Рис. 7. Функция распределения по размерам частиц аридного аэрозоля в пос.Шаартуз,1989 г.
1 - 11сентября («Дельта», «Дельта3»); 2 - 20 сентября («Дельта»); 3 - 21 сентября («Дельта»); 4 -21 сентября («Яоусо-218»); 5 - распределение Юнге; 6 - логнормальное распределение.
Рис.8. Функция распределения аэрозольных частиц по объему (а) и по размерам (б).
1 - Душанбе, «пыль», Н=500 м; 2 - Душанбе, «чистая» атмосфера; 3 - Душанбе, «чистая» атмосфера, Н=4000 м; 4 - Западная Сибирь, Н=500 м.
Рис. 9. Вертикальные профили отношения концентрации частиц различных поддиапазонов размеров к концентрации частиц с Б=0.4...0.5 мкм.
1,2 - «чистая» атмосфера; 3,4,5 - пыльная буря; 1,2 - Б>0.7 мкм; 3 - Б=0.7...0.8 мкм; 4 - Б=1...1.5 мкм; 5 - Б=2...4 мкм; 6 - Б=4...7 мкм.
частиц среднедисперсной фракции. личество частиц, находящихся в ном слое атмосферы, и их вертикальная стратификация в этом случае определяются хорошо известными процессами выноса и гравитационного оседания. Именно поэтому при обычных метеорологических условиях только вблизи подстилающей поверхности наблюдаются распределения частиц по размерам, идентичные микроструктуре «пылевых выносов», а с высотой убывает их общая концентрация и относительное содержание крупных частиц. Во время пылевых эпизодов,
когда мощные атмосферные процессы в районах непосредственного источника пыли поднимают в воздух большие массы почвенного аэрозоля, в слое перемешивания до высот Н ~3 км наблюдается практически постоянная по высоте общая концентрация частиц (на порядок и более превосходящая эту величину для нормальных атмосферных условий), а тенденция к уменьшению относительного содержания крупных частиц проявляется только начиная с Б>4 мкм.
Физико-технический институт им. С.У.Умарова Поступило 25.11.2007 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдуллаев С.Ф. - Дисс. к.ф.-м.н., М., 1994, 183 с.
2. Назаров Б.И., Абдуллаев С.Ф. и др. - Отчет о НИР № Гос.рег.01.83.0135895, Душанбе, 1990.
3. Жиллет Д.А., Нагомото К. - Советско-Американский эксперимент по изучению аридного аэрозо-
ля. Под. ред. Голицына Г.С. СПб.: ПО “Тайфун”, 1992, с.130-140.
4. Смирнов В.В. - Там же, с. 140-143.
5. Коломиец С.М. - Там же, с.188-192.
6. Белан Б.Д., Кабанов Д.М., Панченко М.В. и др. - Там же, с. 26-28.
Б.И.Назаров, [Д.Х.Шукуров! , Н.А.Абдурасулова, В.А.Маслов, Х.Насруллоев,
С.Ф.Абдуллаев
ТАДКИЦОТИ ЦОНУНИЯТ^ОИ ТАЦСИМШАВИИ ЗАРРА^ОИ АЭРОЗОЛ ДАР СЕЛИ ЧАНГИИ ^АВО
Барои омузиши конунияти таксимоти заррахои аэрозолй дар мухити гуногун-таркиб функцияи таксимоти заррахо ва концентрасияи заррахои аэрозол дар хаво аз хисобкунаки фотоэлектрикии аэрозолй, ки дорои 15-канали муоина мебошад, истифода шудааст.
B.I.Nazarov, A.Kh.ShukuroV, N.A.Abdurasulova, V.A.Maslov, Kh.Nasrulloev, S.F.Abdullaev RESEARCH OF LAW OF DISTRIBUTION OF AEROSOL PARTICLES IN STRONGLY DUSTY AIR
For research of law of distribution of aerosol particles in strong non-uniform aerosol streams function of distribution of particles on the size and concentration of aerosol particles in air were defined on the photo-electric aerosol counter with the 15-channel analyzer.
