научная статья по теме КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТОВ ФОТОДИССОЦИАЦИИ НЕКОТОРЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА КОНДЕНСАЦИЮ ВОДЯНЫХ ПАРОВ Химия

Текст научной статьи на тему «КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТОВ ФОТОДИССОЦИАЦИИ НЕКОТОРЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА КОНДЕНСАЦИЮ ВОДЯНЫХ ПАРОВ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 5, с. 104-108

^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ^^^^^^^^^^^^

АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 541.127

КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТОВ ФОТОДИССОЦИАЦИИ НЕКОТОРЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА КОНДЕНСАЦИЮ ВОДЯНЫХ ПАРОВ © 2014 г. А. П. Перминов*, М. С. Дроздов, С. И. Светличный

Институт энергетических проблем химической физики Российской академии наук им. В.Л. Тальрозе, Москва

*Е-таП: perminov@binep.ac.ru Поступила в редакцию 19.04.2013

Продемонстрировано существенное влияние продуктов фотодиссоциации добавок в воду атмосферных примесей: СБ2С12, СС14, Н2$ и МЫ3, на конденсацию перенасыщенных паров воды. Эксперименты проводились в камере Вильсона, облучение проводилось эксимерным ЛгБ-лазером (к = 193 нм). Дана трактовка наблюдаемых результатов при наличии и отсутствии фотодиссоциации. Экспериментально показано и объяснено также влияние на процесс конденсации начального давления паров воды в камере.

Ключевые слова: конденсация паров воды, атмосферные примеси, камера Вильсона, фотодиссоциация.

Б01: 10.7868/80207401X14050112

Выяснение механизма конденсации водяных паров, образования дождевых туч и туманов, а шире — нуклеации в парогазовых системах является актуальной проблемой для современной техники, глобальной безопасности и экологии. Дожди — самый эффективный, если не единственный, способ очищения атмосферы от антропогенных и прочих загрязнений. Поэтому так важно изучать первичную стадию их зарождения — конденсацию водяных паров, чему в последнее время уделяется все большее и большее внимание в физике аэрозолей, физике и химии атмосферы и в других смежных науках [1—4].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Первый этап экспериментов, в которых было продемонстрировано влияние продуктов фотодиссоциации фреонов на конденсацию паров воды, описан в [5]. Условия существования перенасыщенного водяного пара в воздухе создавались при помощи камеры Вильсона, представляющей собой цилиндр диаметром 80 мм с поршнем. Пространство над поршнем заполнялось воздухом или азотом с известным содержанием влаги и малыми добавками (0.1-0.01%) СБ2С12, СС14, Н28 или МН3 при общем давлении смеси около 1 атм. В некоторый момент времени поршень резко (примерно за 50 мс) опускается. Газ над поршнем расширяется и охлаждается. Максимальный ко-

эффициент расширения К = ¥1/¥0 = 2.0. При увеличении объема в два раза температура воздуха падает на 70°С — от комнатной (+20°С) до -50°С. Если достигнутая температура ниже точки росы, водяной пар находится в перенасыщенном состоянии. В момент достижения поршнем своего нижнего положения газовая смесь облучалась импульсом (т ~ 20 нс) эксимерного ЛгБ-лазера, длина волны которого X = 193 нм лежит вблизи максимумов полос поглощения веществ, используемых в качестве добавок.

В работе использовался несфокусированный лазерный луч с низкой плотностью энергии и мощности, поэтому основной результат действия лазерного излучения — фотодиссоциация примесей. Для образования ионов в процессах многоквантовой фотоионизации требуются более высокие плотности мощности и более низкие давления [6]. Конденсация водяного пара регистрировалась по интенсивности рассеянного под углом 90° света зондирующего луча, пересекающего луч экси-мерного лазера под углом 45° в центре камеры. Верхняя крышка цилиндра была изготовлена из стеклянной пластины, что позволяло визуально наблюдать конденсацию и снимать процесс при необходимости на видеоаппаратуру.

В качестве источников света для зондирования применялись различные лазеры с длинами волн излучения от 600 до 400 нм, но большая часть измерений была выполнена с использованием зеле-

ного лазера (А, = 530 нм, мощность — 200 мВт). Диафрагмы, установленные на входных окнах, ограничивают луч эксимерного лазера размерами 14 х 7 мм2, диаметр луча подсветки — 2 мм. Оптическая часть канала регистрации рассеянного света состоит из линзы, выполняющей одновременно роль окна камеры, диафрагмы, расположенной в месте изображения линзой области пересечения луча АгБ-лазера и зондирующего луча, и набора светофильтров, установленных перед фотоумножителем. Одновременно с регистрацией рассеянного под углом 90° света по изменению интенсивности проходящего света лазера подсветки регистрировалось полное рассеяние света.

Разброс энергии лазерного импульса у эксимерного АгБ-лазера значителен (до 50%), поэтому была установлена система контроля, позволяющая измерять энергию каждого импульса. Система калибровалась по калориметрическому измерителю излучения ИМО-2.

ИССЛЕДОВАНИЕ "СПОНТАННОЙ" КОНДЕНСАЦИИ

Обратимся сначала к экспериментальным результатам по конденсации водяных паров в воздухе в отсутствие добавок и без лазерного, соответственно, на них воздействия. Процессы конденсации воды в камере Вильсона обычно описываются с помощью "капельной модели" [7]. В рамках этой модели есть только один параметр — степень перенасыщения е = Рг/Рх, которая определяет возможность спонтанной конденсации. Здесь Рг — реальное давление водяных паров близ поверхности капельки радиуса г, Рх — давление насыщенного пара при данной температуре. Чтобы капелька не испарялась, перенасыщение должно достичь определенной величины, причем тем большей, чем меньше размер капли. Для образования капельки радиусом 10 А, согласно [7], необходима степень пересыщения е = 3, а для капельки радиусом 4 А — е = 16.

Во всех прежних конструкциях камер Вильсона внутри камеры устанавливался какой-нибудь элемент, содержащий воду (мокрая ткань или желатин), который обеспечивал давление водяного пара, на момент расширения равное давлению насыщенного пара при комнатной температуре. Но мы изначально от установки в камере каких-либо водосодержащих элементов отказались из-за опасений, что такие элементы могут быть источниками неконтролируемых примесей. После откачки камеры до давления 10-2 Торр в нее напускалась заранее приготовленная смесь газов, содержащая известное количество воды.

В экспериментах мы могли независимо изменять как начальную концентрацию молекул воды, так и степень перенасыщения, и сразу же

столкнулись со следующим фактом: степень перенасыщения, необходимая для спонтанной конденсации воды, очень сильно зависела от начальной концентрации молекул воды. Так, при температуре 20°С и давлении паров воды, равном давлению насыщенного пара, т.е. 17.5 Торр, для конденсации достаточна степень перенасыщения е = 8.0, но при снижении парциального давления воды до 5 Торр, требуется степень переохлаждения, равная уже около 100.

Объяснить наблюдаемую картину можно только одним способом. При снижении исходной концентрации молекул воды уменьшаются предельные размеры центров конденсации. По "капельной модели" при е = 100 критический радиус капли равен 2.4 • 10-8 см. "Капля" такого радиуса содержит всего две молекулы воды, а молекулярное образование, содержащее две молекулы воды, — это димер. Конечно, димер нельзя рассматривать как каплю воды, и из таких рассуждений нельзя делать вывод, что в данном случае центрами конденсации являются именно димеры. Однако ясно, что в наших условиях центрами конденсации являются малые кластеры воды.

До момента расширения существует некое распределение кластеров по размерам, которое зависит от температуры и концентрации паров воды, причем зависимость от концентрации очень сильная. Концентрации димеров и, например, октамеров пропорциональны соответственно квадрату и восьмой степени концентрации паров воды. Поэтому изменения концентрации молекул воды всего в два—три раза приводят к кардинальным изменениям распределения кластеров по размерам на момент начала расширения в камере Вильсона.

В процессе расширения температура падает, кластеры начинают расти, но до своего стационарного распределения они не успевают вырасти, ибо в противном случае распределение кластеров по размерам и, соответственно, возможность спонтанной конденсации определялись бы только конечным состоянием — температурой после расширения и концентрацией водяных паров, а в итоге — степенью перенасыщения после расширения. Возможность конденсации должна была определяться только конечным состоянием и не должна была зависеть от начального состояния. Но в эксперименте спонтанная конденсация зависит и от начальной концентрации, и от начальной температуры, что говорит о нестационарном характере процесса.

Типичная осциллограмма поглощения и рассеяния света образующимся туманом при спонтанной конденсации водяного пара в чистом воздухе, без лазерного излучения, представлена на рис. 1. Здесь верхний луч — интенсивность проходящего, нижний — рассеянного света. Парциальное давление паров воды до момента расши-

106

ПЕРМИНОВ и др.

Рис. 1. Осциллограмма регистрации процесса "спонтанной" конденсации. Нижний луч — интенсивность проходящего света, верхний луч — интенсивность рассеянного света. Парциальное давление паров воды до момента расширения — 15 Торр. Добавка отсутствует. Степень перенасыщения — около 100. Развертка — 100 мс на деление.

рения — 15 Торр, что близко к давлению насыщенного пара (17.5 Торр при 20°С), и степень перенасыщения после расширения большая — около 100. В таких условиях происходит быстрая и практически полная конденсация воды.

Измерения, в которых в качестве подсветки использовались различные лазеры (от красного до фиолетового), показали, что коэффициент рассеяния не зависит от длины волны. Это означает, что размеры частичек тумана больше длины волны, и в этом случае, используя модель сферических частиц, можно оценить их число по полному коэффициенту рассеяния [8], который измеряется по ослаблению проходящего света лазера подсветки. В условиях эксперимента, соответствующего рис. 1, в предположении полной конденсации воды плотность частиц получается равной 3 • 104 см—3, а радиус частиц — 6 мкм.

Передний фронт сигнала на рис. 1 — около 20 мс. По классической теории конденсационного роста сферической капли (решение диффузионного уравнения при условии, что скорость конденсации равна числу столкновений молекул воды с поверхностью капли) [9] время роста последней до радиуса в 6 мкм будет равно 60 мс, т.е. в 3 раза больше экспериментально наблюдаемого.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком