CC BY
1Обобщенная модель процесса влажностного роста аэрозоля береговых зон. Методика определения типа берегового аэрозоля_
Национальная академия авиации, г.Баку, Азербайджанская Республика e-mail: [email protected]
Аннотация. Рассмотрена возможность моделирования процесса геометрического роста размеров берегового аэрозоля в результате увлажнения. На базе известной модели увлажнения берегового аэрозоля разработана общая модель аналогичного назначения. Уточнены взаимосвязи между вспомогательными переменными, используемыми в известной модели. Работоспособность предложенной методики по определению типа берегового аэрозоля подтверждена результатами проведенных модельных исследований. с использованием измерения размера аэрозольной частицы при заданной величине RH.
Ключевые слова: береговой аэрозоль, увлажнение, гигроскопический рост, оптическая толщина, моделирование.
Введение
Хорошо известно, что береговые зоны представляют собой особый интерес с географической, геополитической и военной точек зрения. Часто береговые зоны являются пограничными и охраняемыми зонами и защита этих зон от разведовательных средств противника является особо актуальной задачей. В этом смысле использование природных или искусственных оптических экранов является одним вариантом решения задачи зашиты от разведовательных оптоэлектронных средств противника. В качестве непрозрачных оптических экранов могут быть использованы аэрозоли различного происхождения. Ценность аэрозоля в указанном назначении заключается в его свойстве увлажнения, сопровождающегося увеличением геометрических размеров. Очевидно, что увеличение размеров аэрозольных частиц, в свою очередь, приводит к увеличению оптической толщины аэрозольного экрана, что содействует увеличению степени защищенной обьектов специальных береговых зон от оптоэлектронных средств разведки . Увлажнение аэрозоля происходит из-за воздействия влаги, содержащейся в воздухе. Физическому описанию указанного процесса посвящено большое количество работ (см. например [1-6]). Целью настоящей статьи является исследование возможности оптимизации увлажнения аэрозоля береговой зоны в результате воздействия такого физического фактора как водяные пары, содержащихся в воздухе береговых зон.
УДК 551.510.42 Р. О. г. Гусейнова, Б. М. Азизов, Х. С. Халилова
Особенности аэрозоля береговой зоны. Модель зависимости от относительной влажности воздуха
Как отмечается в работе [7], аэрозоль типа морского спрея (SSA) играет важную роль в процессе конденсации концентрационных ядерный точек облаков. Химический состав SSA включает такие ионы как Na+, Mg+, Ca, K+ а в результате взаимодействия с атмосферой SSA также включает себя азотистую, серную и др. кислоты. Имея размеры в сухом состоянии в пределах 0,8^8,0 мкм после увлажнения аэрозольные частицы увеличивают размер на 100% и более. Согласно [8], концентрация берегового аэрозоля сильно зависит от направления ветра: при направлении ветра от моря к берегу концентрация в три раза выше, чем при ветре от берега к морю. Состав аэрозоля в приводном слое морской атмосферы подвержен влиянию водо-воздушного газового обмена, а также морского спрея и других привнесенных аэрозольных составляющих [9]. Как отмечается в [10], роль аэрозоля в климатических изменениях все еще остается неопределенной, хотя их влияние на приходящую и уходящую радиацию вполне ясно. Вместе с тем, пространственная и временная изменчивость аэрозоля существенно осложняет процесс оценки их влияние. Одним из механизмов такой изменчивости аэрозоля является их гигроскопический рост в размерах из-за увлажнения под воздействием относительной влажности воздуха. Модельное исследование эффекта гигроскопического роста было проведено, в частности, в работах [11,12]. Вкратце изложим основные положения этой модели. Согласно указанной модели радиус аэрозольной частицы г и относительная влажность RH, далее обозначаемая как s связаны следующим выражением
г = То • /(s) (1)
где: г0-радиус аэрозольной частицы при RH = 80%; /-коэффициент влажностного роста, определяемый как
ю = ш1/3 <2>
Значения Е и F для разных типов берегового аэрозоля, характеризующихся специфической величиной г0 приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения Е и F для разных типов берегового аэрозоля__
Тип аэрозоля г0 (мкм) Е F пределы
1 нерастворимый тип аэрозоля 0,03 - - -
2 растворимый тип (сельский) аэрозоля 0,24 1,17 1,87 s < 0,99
3 растворимый тип (городской) аэрозоля 0,24 1,28 2,41 s < 0,99
4 соль+вода 2 1,83 5,13 s < 0,9999
5 соль+вода 10 1,97 5,83 s < 0,999
Составлено авторами
Дальнейше развитие модели гигроскопического роста берегового
аэрозоля
Рассмотрим возможность дальнейшего развития вышеприведенной модели (1) и (2) гигроскопического роста берегового аэрозоля. Из выражения (1) получим
Из (3) напишем
С учетом (2) и (4) получим
Г°3=7Й? (4)
3 г3Р(1-5) , .
г°3 = -Ц-Т (5)
Из выражения (5) находим
Е • г03 — б • г03 = г3Е — Г3БЕ (6)
Из (6) окончательно получим:
5 = У3Р-ЕГ03 (7)
г3Р-г03 4 '
Как было отмечено выше, согласно известной модели гигроскопического роста берегового аэрозоля, при 5 = 0,8 имеем
г = Го (8)
Следовательно, из (7) и (8) получим
0,8 = Щ^Щ (9)
г3Р-г03 4 7
Упростив выражение (9) запишем
Р—Р
0,8 = ^ (10)
Полученное выражение (10) позволяет определить связь между коэффициентами Е и F. Из (10) получим
0,8 Е — 0,8 = Е — Е (11)
Из (11) окончательно находим
0,2Е = Е — 0,8
или
F = 5£ - 4 (12)
Таким образом, выясняется, что коэффициенты Е и F будучи зависимыми от г0, т.е. различными для различных типов берегового аэрозоля, в то же время жестко связаны уравнением (12).
Значимость полученного выражения (12) заключается в следующем:
1) Для любого неизвестного типа берегового аэрозоля задав ЙЯ = 5 = я0, где ^ 0,8, а также измерив радиус частиц г0изм можно определить F или Е изпользуя (12), на базе выражения (7).
2) Определив Е и F используя данные, приведенные в табл. 1 можно определить тип берегового аэрозоля.
Изложим математически вышеприведенный пункт 1. Допустим, что в результате проведенного экспериментального исследования, при ЙЯ = я0; ^ 0,8; измеренная величина радиуса аэрозоля составила г0изм.
В соответствии с выражением (7) напишем
_ ?0изм3Р-£У /114
50 = гз р_г 3 (13)
гизм^ г0
С учетом (12) и (13) напишем
_ ?0изм3(5£-4)-5У (ЛА\
50 = Ги3зм(5£_4)_Го3 (14)
Из(14) получим
^0 • г0изм3(5£ - 4) - 70^0 = Г0изм3(5Я - 4) - Ят^3 (15)
Из (15) находим
ЯТо3 + 5Я(50 • Г0изм3 - г0изм3) = 450г0изм3 + Лэ^О - 4г0изм3 (16)
Из (16) получим
• Лэизм ^Ъизм 3)] = 45оГо изм ' + 50 - 4г0изм (17)
Из (17) окончательно получаем
_ 450г0изм3 +г03^0-4г0изм3 _ ^03^0+4(^0^0изм3 _^0изм3) (18)
Таким образом, предлагаемая методика определения типа берегового аэрозоля заключается в следующем:
1. Проводятся экспериментальные исследования роста радиуса аэрозольной частицы при ЙЯ = я0. Результат обозначим как г0изм.
2. Используя выражение (18) вычисляется зависимость Е от г0, т.е. функция
Е = ф(го)
3. Используя систему уравнений
Р = 5Е -4 Е = Ф(го)
(19)
(20)
а также данные, приведенные в табл. 1. определяется тип берегового аэрозоля, для которого система уравнений (20) выполняется наиболее точно.
Модельные исследования
Модельные исследования проводятся в двух этапах:
Этап 1. Проверка достоверности полученного выражения (12). В таблице 2 приведены значения Е и Р показанные в таблице 1, а также вычисленные по выражению (12) значения Р, обозначенные как Рь.
Таблица 2
Сравнение известных и вычисленных значений Р
Тип аэрозоля Е Рь
1 - -
2 1,17 1,87 1,85
3 1,28 2,41 2,4
4 1,83 5,13 5,15
5 1,97 5,83 5,85
Составлено авторами
Как видно из данных, приведенных в таблице 2 известные и вычисленные значения Р совпадают с высокой точностью (±0,5%).
Этап 2. Проверка достеверности предлагаемой методики определения типа берегового аэрозоля. Допустим, что в результате экспериментальных исследований при И Н = 50 = 0,4 получено значение г0изм = 0,12.
Вычислим величину Е по формуле (18). Имеем
Е =
г030,4+4(0,40,0017-0,0017) г030,4+4(-0,60,0017) го3-0,4-0,00408
го3+5(0,4-0,0017-0,0017)
Из (21) имеем:
го3+5(-0,6Ю,0017)
го3-0,0051
Е • г03 — Е • 0,0051 = г03 • 0,4 — 0,00408
(21)
(22)
Из (22) находим
г03(Е — 0,4) = Е • 0,0051 — 0,00408 „ Е • 0,0051 — 0,00408
0
Е — 0,4
3 Е^0,0051-0,00408
Е-0,4
(23)
В таблице 3 приведены значения г0 вычисленные для значений Е = 1; 1,5; 2; а также значения F вычисленные по выражению (12), а также значения г03.
Таблице 3
Вычисленные значения г03, обозначенные как г0Ь3 при разных значениях Е и F
£ F r0b3 r03 при разных значениях E и F
1 1 0,0017 0,0137; £=1,17; F =1,87
1,5 3,5 0,00324 8 при £=1,83; £=5,13
2 6 0,00383 1000 при £=1,97; £=5,83
Составлено авторами
Как видно из данных приведенных на таблице 3 наиболее правдоподобный результат представлен на первой строке, где г0Ь3 и г03 наиболее близки, где значения Е и F в таблице 3 наиболе близки к аналогичным данным, показанным во второй строке таблицы 1. Так как г0изм = 0,12 при s = 0,4, что также соответствует данным во второй строке табл. 1, результат модельного исследования на этапе 2 можно считать положительным.
Выводы
На основе известней модели гигроскопического роста берегового аэрозоля создана общая модель аналогичного назначения. Уточнены межсвязи между вспомогательными переменными, используемыми в известной модели. Проведенные модельные исследования подтвердили работоспособность предложенной методики определения типа берегового аэрозоля с использованием результатов измерения размера аэрозольной частицы при заданной величине ЙЯ.
Литература
1. Jin X., Wang Y., Li Z., Zhang F., Xu W., Sun Y., Fan X., Chen G., Wu H., Ren J., Wang Q. Significant contribution of organics to aerosol liquid water content in winter in Beijing, China// Atmos. Chem. Phys. 20 (2). 901-914. 2020
2. Kuang Y., Zhao C. S., Tao J. C., Bian Y. X., Ma N. E. Impact of aerosol hygroscopic growth on the direct aerosol radiative effect in summer on North China plain// Atmos. Environ. 147. 224-233. 2016
3. Zieger P., Vaisanen O., Corbin J. C., Partridge D. G., Bastelberger S., Mousavi-Fard M., Rosati B., Gysel M., Krieger U. K., Leck C., Nenes A., Riipinen I., Virtanen A., Salter M. E. Revising the hygroscopicity of inorganic sea salt particles// Nat. Commun. 8. 15883. 2017. https://doi.org/10.1038/ncomms15883
4. Zhang Y., Du W., Wang Y., Wang Q., Wang H., Zheng H., Zhang F., Shi H., Bian Y., Han Y., Fu P., Canonaco F., Prevor A. S. H., Zhu T., Wang P., Li Z., Sun Y. Aerosol chemistry and particle growth events at an urban downwind site in the North China Plain// Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2018. https://doi.org/10.5194/acp-2017-889
5. Fan J., Rosenfeld D., Zhang Y., Giangrande S. E., Li Z. Substantial convection and precipitation enhancements by ultrafine aerosol particles// Science 359. 411-418. 2018. https://doi.org/10.1126/science.aan8461
6. Wang Q., Sun Y. Characterization of aerosol hygroscopicity mixing state and CCN activity at a suburban site in the central North China plain// Atmos. Chem. Phys. 18. 11739-11752. 2018. https://doi.org/10/5194/acp-18-11739-2018
7. Gantt B., Kelly J. T., Bash J. O. Updating sea spray aerosol emissions in the community multiscale air quality (CMAQ) model version 5.0.2// Geosci. Model Dev. 8. 3733-3746. 2015. www.geosci-model-dev.net/8/3733/2015/doi :10.5194/gmd-8-3733-2015
8. Zielinski T. Studies of aerosol physical properties in coastal areas// Aerosol Science and Technology. 38:513-524. 2004. doi:10.1080/02786820490466738
9. Zielinski T., Ponczkowska A. Preliminary studies of aerosol composition in coastal areas// Full Length Research Paper. Vol. 2 (7). Pp. 259-262. July 2007
10. Harilal B. M., Sangekar N., Lotliker A., Moorthy K. K., Vethamony P. Aerosol optical thickness and spatial variability along coastal and off shore waters of the eastern Arabian Sea// Journal of Marine Science. 2011. 68(4). 745-750. doi:10.1093/icesjms/fsq 191
11. Fitzgerald J. W. Approximation formulas for the equilibrium size of an aerosol particle as a function of its dry size and composition and ambient relative humidity// Journal of Applied Meteorology. 14(6). 1044-1049. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1975)014<1044:afftes>2.0.co;2
12. Goroch A. K., Fairall C. W., Davidsom K. L. Modeling wind speed dependence of marine aerosol distribution by a gamma function// Journal of Applied Meteorology. 21. 666-671. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1982)0212.0.C0;2
Generalized model of the process of humidity growth of aerosol of coastal zones. Methodology for determining the type of coastal aerosol_
National Academy of Aviation, Baku, Republic of Azerbaijan e-mail: [email protected]
Abstract. The possibility of modeling the process of geometric growth of the size of the coastal aerosol as a result of humidification is considered. Based on the well-known model of coastal aerosol humidification, a general model of a similar purpose has been developed. The relationships between auxiliary variables used in the known model are clarified. The efficiency of the proposed method for determining the type of coastal aerosol is confirmed by the results of the conducted model studies. using the measurement of the size of an aerosol particle at a given RH value.
Keywords: coastal aerosol, humidification, hygroscopic growth, optical thickness, modeling.
References
1. Jin X., Wang Y., Li Z., Zhang F., Xu W., Sun Y., Fan X., Chen G., Wu H., Ren J., Wang Q. Significant contribution of organics to aerosol liquid water content in winter in Beijing, China// Atmos. Chem. Phys. 20 (2). 901-914. 2020. (in English)
R. O. G.
Huseynova, B. M. Azizov, H. S. Khalilova
2. Kuang Y., Zhao C. S., Tao J. C., Bian Y. X., Ma N. E. Impact of aerosol hygroscopic growth on the direct aerosol radiative effect in summer on North China plain// Atmos. Environ. 147. 224-233. 2016. (in English)
3. Zieger P., Vaisanen O., Corbin J. C., Partridge D. G., Bastelberger S., Mousavi-Fard M., Rosati B., Gysel M., Krieger U. K., Leck C., Nenes A., Riipinen I., Virtanen A., Salter M. E. Revising the hygroscopicity of inorganic sea salt particles// Nat. Commun. 8. 15883. 2017. https://doi.org/10.1038/ncomms15883. (in English)
4. Zhang Y., Du W., Wang Y., Wang Q., Wang H., Zheng H., Zhang F., Shi H., Bian Y., Han Y., Fu P., Canonaco F., Prevor A. S. H., Zhu T., Wang P., Li Z., Sun Y. Aerosol chemistry and particle growth events at an urban downwind site in the North China Plain// Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2018. https://doi.org/10.5194/acp-2017-889. (in English)
5. Fan J., Rosenfeld D., Zhang Y., Giangrande S. E., Li Z. Substantial convection and precipitation enhancements by ultrafine aerosol particles// Science 359. 411-418. 2018. https://doi.org/10.1126/science.aan8461. (in English)
6. Wang Q., Sun Y. Characterization of aerosol hygroscopicity mixing state and CCN activity at a suburban site in the central North China plain// Atmos. Chem. Phys. 18. 11739-11752. 2018. https://doi.org/10/5194/acp-18-11739-2018. (in English)
7. Gantt B., Kelly J. T., Bash J. O. Updating sea spray aerosol emissions in the community multiscale air quality (CMAQ) model version 5.0.2// Geosci. Model Dev. 8. 3733-3746. 2015. www.geosci-model-dev.net/8/3733/2015/doi:10.5194/gmd-8-3733-2015. (in English)
8. Zielinski T. Studies of aerosol physical properties in coastal areas// Aerosol Science and Technology. 38:513-524. 2004. doi:10.1080/02786820490466738. (in English)
9. Zielinski T., Ponczkowska A. Preliminary studies of aerosol composition in coastal areas// Full Length Research Paper. Vol. 2 (7). Pp. 259-262. July 2007. (in English)
10. Harilal B. M., Sangekar N., Lotliker A., Moorthy K. K., Vethamony P. Aerosol optical thickness and spatial variability along coastal and off shore waters of the eastern Arabian Sea// Journal of Marine Science. 2011. 68(4). 745-750. doi:10.1093/icesjms/fsq191. (in English)
11. Fitzgerald J. W. Approximation formulas for the equilibrium size of an aerosol particle as a function of its dry size and composition and ambient relative humidity// Journal of Applied Meteorology. 14(6). 1044-1049. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1975)014<1044:afftes>2.0.co;2. (in English)
12. Goroch A. K., Fairall C. W., Davidsom K. L. Modeling wind speed dependence of marine aerosol distribution by a gamma function// Journal of Applied Meteorology. 21. 666-671. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1982)0212.0.C0;2. (in English)
Поступила в редакцию 20.10.2022 г.
