CC BY
90
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ________________________________________2007, том 50, №5_____________________________________
ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ
УДК 551.576, 551.521.3
Б.И.Назаров, С.Ф.Абдуллаев, В.А.Маслов ИЗМЕНЕНИЕ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЯ В ПЕРИОД ПЫЛЬНЫХ БУРЬ
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Х. Х. Муминовым 11.05.2007 г.)
Для исследования динамики дисперсного состава пылевого аэрозоля аридной зоны можно использовать наблюдения за минеральным составом пыли [1]. В качестве индикатора дисперсного состава мы изучали пропускание в ИК области спектра образцов пылевого аэрозоля, собранного у поверхности земли. Образцы получены с помощью многокаскадного им-пактора, позволяющего разделить фракции аэрозоля по размерам. Сбор проб проводился в летне-осенний период, когда частота пылевых бурь достигает максимального уровня и каждый раз продолжался в течение восьми часов. Для измерения использовались стандартные подложки, на которые собирались частицы в импакторе.
На рис.1. приведены типичные спектры пропускания частиц субмикронной фракции (кривая 1, ё<1 мкм) и крупнодисперсной фракции (кривая 2, ё>1мкм), собранных в приземном слое атмосферы в г. Душанбе. В дальней ИК области спектра ярко выражены полосы поглощения в интервале 1000-1100 см-1, 1400-1500 см-1, 1580-1680 см-1 и полосы в области 2800-3000 см-1 и 3400 см-1. Полоса поглощения около 1000-1100 см-1 указывает на большое количество силикатов и наличие определенного количества (КН4)2 Б04 в аэрозольных пробах. Полоса в интервале 1400-1500 см-1 указывает на присутствие нитратов и неорганических карбонатов. Полосу 1580-1680 см-1 даёт гидроксильная группа. Небольшая полоса поглощения в диапазоне 2800-3000 см-1 связана с гидрокарбонатами, полоса вблизи 3400 см-1 относится к группам аммония и гидроксила. В целом ИК спектры поглощения аэрозолей являются результатом наложения колебаний групп Б04, КН4, N03, 8і04.
Рис. 1. Инфракрасный спектр пропускания аэрозоля летне-осеннего сезона для субмикронной (1) и грубодисперсной (2) фракции.
40 -20 -
__I__I__I__I__I__I__I_I__I__I__I___I_I__I_I__I__ц_1
4000 3000 2000 1000 У,см'
В период развития и прохождения пыльной бури процессы теплообмена и динамика микрофизических процессов в атмосфере резко изменяются. Возникновение пыльной бури связано с сильными ветрами и вторжением холодного фронта, что приводит к переносу большого количества пыли. Поэтому количество пылевой фракции аэрозоля ё>2 мкм резко возрастает (см. кривую 1 на рис. 2), а содержание субмикронной фракции в пробах резко уменьшается. Это уменьшение вклада субмикронной фракции может быть определяться несколькими причинами.
І_і_____і___і____і___і___і___і____і___і___і____і___і___і___і___і____і____і____і____і___і
4000 3000 2000 1000 V >см'
Во-первых, вторжение воздушных масс с большим содержанием пыли может привести к механическому вытеснению субмикронной фракции в более высокие слои воздуха.
Во-вторых, может произойти механическое слипание частиц субмикронной фракции аэрозоля с частицами крупнодисперсной пылевой фракции. Судя по спектрограмме (рис.2), содержание веществ, из которых состоит грубодисперсная фракция аэрозоля, увеличивается и резко растет поглощение в коротковолновой части ИК-спектра, начиная с области 1800 см-1.
В-третьих, возможно выталкивание мелкодисперсных отрицательно заряженных частиц пыли отрицательным электростатическим полем земной поверхности. Известно, что более мелкие частицы приобретают при столкновениях отрицательный заряд. Судя по сообщениям в литературе [2], электростатическое взаимодействие заряженных частиц аэрозоля с электрическими полями, достигающими в период пылевых бурь 200 кВ/м, может заметно облегчить генерацию пылевого аэрозоля.
Исчезновение субмикронной фракции в приземных пробах аэрозоля может происходить по следующему механизму. Частицы фоновой субмикронной фракции, сталкиваясь с более крупными частицами пылевой бури, отнимают у них электроны. Через какое-то время в облаке частиц происходит разделение по зарядам: субмикронные частицы оказываются заряженными отрицательно, а крупнодисперсные частицы - положительно. На следующем этапе субмикронные частицы поднимаются выше за счет влияния электростатического поля,
создавая отрицательно заряженную область над положительно заряженной поверхностью Земли. В результате между этими двумя противоположно заряженными областями возникает электрическое поле значительной напряжённости.
Такая гипотеза исчезновения мелкодисперсной фракции аэрозоля в период пылевых бурь согласуется с моделью, связывающей развитие пылевой бури с такими электрическими явлениями. Согласно механизму, предложенному в [2], происходит нарастающий процесс, который включает приобретение за счет столкновений мелкими частицами отрицательного заряда, а крупными - положительного, расслоение пылевого облака по заряду, возрастание за счет этого разности потенциалов между крупными взвешенными частицами почвой. Вследствие этого происходит усиление выброса частиц почвы электростатическими силами. Измерения концентрации ионов на уровне 500 и 6000 м при чистой и запыленной атмосфере [3], указывающие на повышение концентрации отрицательно заряженных ионов и одновременно уменьшение количества положительно заряженных ионов в период пылевой бури (табл.1), также подтверждают эту гипотезу.
Таблица 1
Содержание ионов в чистой и запыленной атмосфере.
Ион Содержание ионов на высоте 500м (в %) Содержание ионов на высоте 6000м (в %)
Чистая атмосфера Пылевая буря Чистая атмосфера Пылевая буря
^-3 18 68 39 64
Br- 34 14 10 13
SO2-4 1 5 5 5
Ш+ 19 5 11 3
Г 13 2 5 2
ж+ 9 5 32 13
Обычно после сильных пылевых бурь происходят продолжительные ливневые дожди. При этом наиболее устойчивой от вымывания компонентой атмосферного аэрозоля является субмикронная фракция с диаметром частиц d<1 мкм. На рис. 3 приведена спектрограмма пропускания атмосферного аэрозоля после интенсивных непрерывных дождей продолжительностью несколько дней. Субмикронная фракция (кривая 2) после интенсивных дождей сохраняется в атмосфере, а крупнодисперсная фракция с диаметром частиц d>1 мкм (кривая 1) уменьшается до такого значения, что в спектре почти не проявляются характерные полосы поглощения, отмеченные при анализе аэрозольных проб.
После дождя необходимо несколько дней, чтобы крупнодисперсная фракция аэрозоля полностью восстановилась в атмосфере. Сопоставление со спектрограммами пропускания, приведенных на рис.1 и 2 , выявляет следующее. В спектре (рис. 3) появляется дополнительная полоса в области 1300 см-1, связанная с увеличением содержания нитратов в аэрозоле.
Уменьшение полосы в области 1400 см-1 по сравнению с областью 1300 см-1 связано с уменьшением неорганических карбонатов. Уменьшилось содержание силикатов в субмик-ронной фракции аэрозоля. Крупнодисперсная пылевая фракция, как видно на рис. 3, практически полностью смывается дождем, что проявляется в исчезновении этой фракции на выходе импактора и в резком уменьшении соответствующего этой фракции поглощения в ИК-спектре аэрозольных проб [1].
Рис. 3. Спектр пропускания аэрозоля после интенсивных дождей.
4020____I__I__I__I_I__I__I__I__I__I__I__I_I__I__I__I__I___I
4000 3000 2000 1000 V,cm 1
Постоянное присутствие мелкодисперсных пылевых частиц в атмосфере аридной зоны даже после продолжительных дождей и при отсутствии пылеобразующих явлений может быть связано с электростатическим отталкиванием между отрицательно заряженными частицами субмикронной фракции и отрицательно заряженной поверхностью земли. Процессы циркуляции атмосферы постепенно приводят к обычному соотношению присутствия субмикронной и крупнодисперсной фракции в атмосфере (рис.1).
Ввиду важности влияния данных процессов на физику запыленной атмосферы, на климат и на экологию в дальнейшем необходимо детальнее изучать роль различных факторов в динамике дисперсного состава пылевого аэрозоля.
Физико-технический институт им. С.У. Умарова Поступило 11.05.2007 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдуллаев С.Ф. Экспериментальное исследование оптических и микрофизических характеристик пылевого аэрозоля в условиях аридной зоны Таджикистана.- Дисс. канд.ф.-м.н., М, 1994, 183 с.
2. Kok J.F. and Renno N.O. - J. Geophys. Res. Lett., 2006, v. 33, p.10-14.
3. Белан Б.Д., Кабанов Д.М., Панченко М.В. и др. - Советско-американский эксперимент по изучению аэрозоля. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992, с.6-20.
Б.И.Назаров, С.Ф.Абдуллаев, В.А.Маслов ТАЪГИРЁБИИ ТАРКИБИ ДИСПЕРСИИ АЭРОЗОЛ ДАР МАВРИДИ ЧАНГУ FYBOP
Спектри фурубарии андозах,ои гуногуни аэрозоли чангй дар шароитх,ои гуногуни метеорологй чамъшуда, омухта шудааст. Механизми имконпазири таъгирёбии таркиби аэрозол омухта шудааст.
B.I.Nazarov, S.F.Abdullaev, V.A.Maslov VARATION OF DISPERSE STRUCTURE OF THE AEROSOL DURING DUSTY STORMS
The result of absorption spectra various fractions of dust aerosol, collected in various meteorological conditions are discreaped. Possible mechanisms of change of disperse structure of aerosol are analysed.
