ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 2, с. 175-184
УДК 551.509:313:551.510.42
ОБРАЗОВАНИЕ НАНОАЭРОЗОЛЕЙ В ТРОПОСФЕРЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2014 г. A. A. Лушников* **, В. А. Загайнов**, Ю. С. Любовцева*, А. Д. Гвишиани*
*Геофизтеский центр РАН, Москва **Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова 105064 Москва, ул. Воронцово поле, 10 E-mail: vzagaynov@yandex.ru Поступила в редакцию 13.11.2012 г., после доработки 11.03.2013 г.
Показано, что уровень космической радиации влияет на скорость образования наночастиц из газовых выбросов естественного и антропогенного происхождения. Главной причиной ускорения процессов образования частиц служит увеличение концентрации атмосферных ионов, которые служат ядрами конденсации и поэтому сильно изменяют скорость процессов зарядки аэрозолей. В этой статье мы даем краткое обозрение основных процессов, ведущих к образованию наночастиц в атмосфере. Это нуклеация, конденсационный рост, рост заряженных частиц, зарядка аэрозольных частиц и рекомбинация. Особо подчеркивается роль размеров частиц в процессах зарядки. Мы также обсуждаем роль стоков аэрозолей на скорость их образования.
Ключевые слова: атмосферные аэрозоли, ядра конденсации, ионы, космическое излучение, химические реакции, фотохимические реакции.
Б01: 10.7868/80002351514020072
1. ВВЕДЕНИЕ
Хотя термин "аэрозоль" хорошо известен каждому, мало кто подозревает что большинство аэрозольных частиц просто невидимы глазом, а существующие приборы не могут быть использованы, так как частицы атмосферных аэрозолей состоят из сравнительно летучих соединений, которые испаряются при вакуумировании или воздействии световыми и электронными пучками. Кроме того, мельчайшие аэрозольные частицы совсем непросто отобрать и поместить в регистрирующую часть прибора. В результате наши познания об аэрозольных частицах еще более скудные, чем о субатомных частицах и кварках. И все же частицы с размерами, не превышающими долей микрона (речь идет о диапазоне размеров 10-7—10-4 см (для сравнения размеры атома порядка 10-8 см) играют огромную роль не только в формировании нынешнего химического состава атмосферы Земли, но и в формировании жизни на Земле [1, 2]. Без аэрозолей жизнь в нынешнем ее виде не могла бы существовать. Дело в том, что в условиях земной атмосферы невозможно образование облаков без центров конденсации. Давление водяных паров в средней и верхней тропосфере соответствует пересыщениям порядка 1.01, в то время как критическое пересыщение (когда возможно образование частиц за счет спонтанной нуклеации) поряд-
ка четырех [3]. Центрами конденсации служат аэрозольные частицы. Без облаков невозможен круговорот воды в природе, а следовательно, невозможна и жизнь. Далее, облака влияют на климат и погоду, а значит, и на условия существования человеческих сообществ и здоровье отдельных людей. Нужно упомянуть и прямое воздействие нано-аэрозольных частиц на человека и биологические объекты [4]. Хотя при вдыхании наноаэрозолей в человеческий организм попадает очень маленькое количество посторонних веществ, аэрозольные наночастицы сами способны проникать в кровь и таким образом эффективно воздействовать на организм. Именно на этом принципе основано действие нанолекарств, которые позволяют избегать завышенных доз не всегда полезных лечащих агентов.
Учитывая все вышесказанное, становится понятным, что исследование аэрозольных процессов в атмосфере представляет собой исключительно важную задачу. Ниже мы коснемся только одного аспекта физики атмосферных аэрозолей. Мы покажем, что изменения электрического состояния атмосферы вследствие воздействия космического излучения во время солнечных вспышек [5—7] серьезно сказываются на атмосферных аэрозольных процессах.
Рис. 1. Конверсия газ-частица.
Огромное количество литературы посвящено атмосферным наноаэрозолям [8, 9]. Цель настоящего краткого обозрения — обратить внимание специалистов — медиков и экологов на роль атмосферных наноаэрозолей в формировании климатических и погодных условий, а также дать представление о том, что из себя представляют столь ничтожно малые объекты, как наноаэрозоли.
2. АТМОСФЕРНЫЕ АЭРОЗОЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Несмотря на то, что очень мало известно о составе наноаэрозольных частиц и их свойствах, построение моделей аэрозольных процессов все же возможно ценой введения ряда допущений относительно структуры самих частиц и свойств составляющих их субстанций [2, 9, 10—12]. Например, предполагается, что частицы имеют сферическую форму, а их плотность равна 2 г/см3, или что распределение частиц по размерам подчиняется логнормальному закону [2]. Более или менее достоверно измеряется счетная концентрация на-ноаэрозольных частиц, которая меняется в интервале 10—104 см-3 и ее зависимость от времени [8-12].
Мельчайшие аэрозольные частицы появляются в результате действия ряда специфических механизмов. Частицы возникают в результате спонтанной нуклеации некоторых низколетучих соединений, которые, в свою очередь, образуются из органических газов, выделяемых растительностью или газообразных продуктов человеческой деятельности. В результате цепочки химических и фотохимических превращений этих газов возникают низколетучие органические продукты, которые ответственны как за зарождение частиц, так и за их рост. Механизм возникновения облачно-активных частиц проиллюстрирован на рис. 1.
Зародыши аэрозольных частиц возникают в результате нуклеации низколетучих паров органических соединений, получающихся в результате цепи химических и фотохимических превращений выбросов в атмосферу малых органических составляющих, либо растительным покровом Земли, либо являющихся продуктами антропогенного происхождения. В результате нуклеации образуются зародыши, способные к дальнейшему росту за счет конденсации низколетучих малых газовых примесей и паров воды. Этот процесс может сопровождаться химическими реакциями на поверхности частицы, которые также могут давать конденсирующиеся соединения. Далее вступает в игру коагуляция, т.е. столкновения частиц с последующим их слиянием. Именно так образуются аэрозольные дымки в малозагрязненных регионах земного шара [8-13].
Жизнь наноаэрозоля начинается еще задолго до появления различимых частиц. Первая стадия включает химические и фотохимические реакции летучих малых газовых примесей и их превращение в низколетучие соединения. Эти примеси осаждаются на зародышах сернокислого аммония, образующихся в результате спонтанной нук-леации газофазных примесей серной кислоты и аммиака, всегда присутствующих в атмосфере. Низколетучая органика служит материалом для укрупнения этих зародышей (конденсационный рост частиц). Частицы, таким образом, дорастают до детектируемого размера (3 нм) и продолжают расти за счет конденсации низколетучих органических паров, дорастая в конечном итоге до размеров 0.1 мкм, когда эти частицы становятся активными участниками облакообразующих процессов.
Моря и океаны также являются источниками мельчайших аэрозольных частиц [2, 10]. Есть два главных механизма образования морских аэрозо-
лей: 1) ветровое разбрызгивание гребешков волн и 2) выделение диметилсульфида планктоном. В первом случае мельчайшие солевые частицы образуются в результате высыхания брызг. Во втором — за счет химической и фотохимической конверсии диметилсульфида сначала в серную кислоту и затем в сульфат аммония. Это основные частицы, которые поставляет мировой океан в атмосферу. Солевые частицы также подвергаются трансформации за счет образования водяной пленки на их поверхности и всевозможных реакций с участием малых органических примесей.
Космическое излучение на всех этапах влияет на скорость процессов в цепочке химических и фотохимических аэрозолеобразующих реакций. Это связано с ионизацией воздуха в нижней тропосфере [14]. Образующиеся ионы электризуют частицы. И сами ионы, и заряженные частицы активно взаимодействуют с нейтральными малыми газовыми примесями в атмосфере. Например, конденсация полярных молекул идет значительно быстрее на заряженных частицах, чем на нейтральных [15, 16].
До сих пор остаются не выясненными ни сами цепочки физико-химических процессов, завершающихся образованием аэрозолей, ни константы скоростей соответствующих реакций, хотя исследования этих процессов продолжаются уже несколько десятилетий. Очень популярной была гипотеза о роли молекул серной кислоты, которые образуют гидратный кластер, служащий ядром роста частицы за счет присоединения нелетучей органики. Недавние эксперименты в ЦЕРНе [17] показали, что такой механизм не может дать объяснения наблюдаемым скоростям образования атмосферных наноаэрозолей. На самом деле конденсирующаяся серная кислота реагирует с аммиаком и образует частицу, состоящую из сульфата аммония. Важной чертой этого процесса является стабилизация зародыша молекулами аммиака, так как время жизни непрореагировавшей молекулы серной кислоты на поверхности зародыша ничтожно, и она испаряется, если только не будет нейтрализована молекулой аммиака.
Таким образом, зародыш растет, присоединяя сразу две молекулы, что тормозит процесс заро-дышеобразования. Дополнительная ионизация пучком частиц, имитирующим воздействие космических лучей на атмосферу, увеличивает скорость нуклеации в несколько раз (рис. 2). Именно космические лучи продуцируют ионы, которые также могут быть вовлечены в аэрозолеобразую-щие атмосферные циклы в нижней тропосфере. Космическое излучение производит 10—30 пар ионов в кубическом сантиметре за секунду [9, 10]. Космический источник ионов в нижней тропосфере поддерживает счетную концентрацию ионов на
J
6
5
4
3
2
1
0 1 2 3 4 5
с
Рис. 2. Зависимость скорости нуклеации от концентрации отрицательных ионов [17]. Верхняя (1) и нижняя (2) кривые соответствует концентрациям [H2SO4] =
= 4.5 х 10-8 см-3 и [Н^04] = 1.5 х 10-8 см-3 соответственно. Скорость нуклеации J приведена в единицах см-3 с-1, а концентрация С — в см-3 х 1000. Отчетливо видно влияние электрического состояния атмосферы на скорость нуклеации частиц.
уровне 103 ионных пар в кубическом са
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.