ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2010, том 46, № 3, с. 368-375
УДК 551.510.42
УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИЕ АЭРОЗОЛИ В ЭМИССИЯХ АВИАЦИИ
И МОРСКОГО ТРАНСПОРТА
© 2010 г. О. Б. Поповичева*, Е. Д. Киреева*, М. А. Тимофеев*, Н. К. Шония**,
В. П. Могильников***
*Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 119991 Москва, Воробьевы горы, д. 1, стр. 2 E-mail: polga@mics.msu.su **Химический факультет МГУ 119991 Москва, Воробьевы горы, д. 1, стр. 3 ***ФГУПЛетно-исследовательский институт им. М.М. Громова 140180 г. Жуковский, Московская область Поступила в редакцию 18.02.2009 г., после доработки 19.06.2009 г.
Проведены исследования физико-химических свойств углеродосодержащих аэрозолей, эмитируемых транспортными системами в атмосферу, а именно, реактивным двигателем самолета и судовым дизельным двигателем морского корабля. Сравнительный анализ морфологии, размера, элементного состава и химии поверхности частиц авиационной и дизельной саж показывает общие и характерные особенности эмиссии каждого источника. Высокая степень загрязнения частиц дизельной сажи, значительная доля металлических примесей и наличие обугленных капель несгоревшего топлива указывают на специфичные особенности процессов формирования частиц данного типа. Получены основные характеристики, определяющие взаимодействие аэрозолей эмиссии авиации и морского транспорта во влажной атмосфере: состав органической и водорастворимой фракций на поверхности. Высокая гигроскопичность микрочастиц может определять их способность формировать облачные ядра конденсации, инициировать конденсационные следы и дополнительную облачность тропосферы.
ВВЕДЕНИЕ
Углеродосодержащие аэрозоли являются продуктом неполного сгорания углеводородных топ-лив, эмитируемых в атмосферу двигателями наземного, воздушного и морского транспорта. В настоящее время антропогенные аэрозоли значительно увеличивают глобальный бюджет аэрозолей в атмосфере по сравнению с доиндустриаль-ным периодом [1]. Глобальные оценки эмиссии углеродсодержащих субмикронных аэрозолей достигают 12—17 Тг/год. Увеличение концентрации аэрозольных продуктов горения является в настоящее время одним из существенных факторов антропогенного воздействия на климат. Аэрозоли горения могут изменять радиационные свойства атмосферы из-за значительной поглощающей способности, а также влиять на радиационные свойства облаков, изменяя микрофизические и оптические свойства природных перистых облаков [2]. Частицы сажи, эмитированные в атмосферу транспортными системами, могут служить эффективными облачными ядрами конденсации (ОЯК) и ядрами нуклеации льда (ЯНЛ) при формировании облаков и туманов [3, 4]. Поэтому в настоящее время одним из самых неопределенных вопросов остается вопрос о влиянии на климат эмиссии авиации и судовых двигателей морских кораблей.
Наиболее значительное воздействие на область верхней тропосферы (ВТ) предполагается от эмиссии углеродосодержащих аэрозолей реактивными двигателями самолетов [5, 6]. Основной источник неопределенности в их воздействии — это их роль в формировании конденсационных следов самолетов (КСС) и перистых облаков ВТ Анализ процессов формирования КСС и регистрация в струе самолета частиц микронного размера, эффективного для образования ОЯК, указывают на возможно значимую роль авиационных сажевых аэрозолей в формировании КСС [7]. Многочисленные исследования состава льдообразующих аэрозолей в струе самолета и в КСС показали, что они состоят в основном из углерода [8, 9]. Однако недостаток данных о физико-химических свойствах авиационных аэрозолей оставляет вопрос о механизме их взаимодействия с парами воды неопределенным.
Ежегодный рост частоты появления перистых облаков в коридорах полетов авиации указывает на то, что эмитированные аэрозоли являются эффективными ядрами нуклеации для образования облачности в ВТ [10]. Сажевые аэрозоли могут стимулировать гетерогенную нуклеацию льда при значительно более низких пересыщениях паров воды, чем это требуется для гомогенного замерзания природных аэрозолей, что, в свою очередь, может привести к увеличению облачного покрытия [11, 12].
Однако из-за недостатка знаний о гигроскопичности авиационной сажи в климатических моделях [1, 12] для описания взаимодействий аэрозолей/облаков/климата используется эмпирическая параметризация, которая не отражает физико-химические процессы формировании ядер нуклеации на частицах сажи. Предполагается, что первоначально эмитируемые частицы сажи гидрофобны и могут образовывать ОЯК только после смешения с атмосферными сульфатами. При этом вклад природных свойств эмитируемых продуктов горения остается неоцененным.
Морской транспорт является высококонцентрированным источником загрязнения в морских районах и прибрежных зонах. Его вклад в глобальный бюджет углеродосодержащих аэрозолей может достигать 1.4% [3]. В настоящее время эмиссия судовых двигателей кораблей привлекает особое внимание в связи с необходимостью оценки ее климатических последствий по сравнению с эмиссией наземного транспорта и авиации [13]. Глобальное моделирование показывает, что аэрозоли, эмитированные судовыми двигателями кораблей, могут существенно увеличивать концентрацию облачных капель от 5 до 30% в зависимости от типа двигателя, вида топлива и географической области [3]. Такое увеличение может привести к уменьшению эффективного радиуса облачных капель и в итоге — к возрастанию оптической толщины облаков. Наблюдения показывают, что суда, использующие тяжелое топливо, вносят существенный вклад в образование ОЯК, определяя время жизни и радиационные свойства морских слоистых облаков, и производят следы, регистрируемые по измененному коэффициенту отражения [14]. Однако природа эмитируемых частиц, их состав и степень гигроскопичности остаются в значительной степени неопределенными.
Углеродосодержащие аэрозоли обладают широким диапазоном разнообразных физико-химических свойств в зависимости от источника эмиссии и процессов взаимодействия в атмосфере [15]. Наиболее изученными в настоящее время являются физико-химические характеристики дизельной сажи, получаемой горением дизельного топлива в автомобильных двигателях [16]. Степень активности частиц сажи как ОЯК зависит от их гигроскопичности, которая определяется химией поверхности, составом органической и неорганической фракций и долей водорастворимого вещества на поверхности [17, 18]. Водорастворимая фракция является параметром теории Келера, определяющим критическое пересыщение, необходимое для активации аэрозоля с растворимым покрытием как ОЯК [17]. Для описания степени гигроскопичности аэрозолей и ее взаимосвязи со способностью образовывать ОЯК был предложен параметр гигроскопичности к [19].
Льдообразование на частицах горения является наименее понятым в настоящее время процессом [4]. Для его описания в лабораторных исследовани-
ях использовались многочисленные модельные сажи [5]. Предполагается, что существует взаимосвязь между химией поверхности, гидрофильно-стью и эффективностью образования ЯНЛ [17, 20, 21]. Поэтому для научного понимания основных механизмов взаимодействий в системе аэрозоли/облака/климат необходимо знание их физико-химических свойств, природы и количества водорастворимых и гидрофильных компонентов, образующихся на поверхности частиц в процессе их формирования и эмиссии в атмосферу.
В данной работе представлены результаты исследований физико-химических свойств углеродо-содержащих аэрозолей, эмитируемых транспортными системами в атмосферу, а именно, авиационной сажи, производимой реактивным двигателем самолета, и продуктов горения, эмитируемых судовым двигателем морского корабля. Изучены основные характеристики, определяющие их поведение во влажной атмосфере. Проводится сравнительный анализ морфологии частиц, размера, элементного состава, состава органической/неорганической и водорастворимой фракций. Значительная доля водорастворимого вещества на поверхности определяет механизм взаимодействия с парами воды и гигроскопичность авиационной и дизельной сажи в атмосфере.
СБОР И АНАЛИЗ ЧАСТИЦ САЖИ
Сбор частиц авиационной сажи, образующихся при горении авиационного керосина, проводился на выходе из камеры сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) Д30-КУ, устанавливаемого на российских самолетах типа ТУ-134 [5, 22]. Моделировались условия горения на крейсерском режиме. Образцы сажи ГТД собирались на медном зонде, охлаждаемом водой, на расстоянии 12 см от выхода из камеры сгорания. Использовался авиационный керосин марки ТС1, содержащий 0.11% серы и 10-4% железа.
Частицы, производимые судовым дизельным двигателем (СДД), собирались на транспортном корабле в порту Одесса. Сборник в виде металлической сетки, позволяющей улавливать большие объемы твердотельных частиц, эмитируемых во время морских круизов корабля по Черному морю, устанавливался на внешнем конце выхлопной трубы судового дизельного двигателя. Образец частиц СДД был получен с корабля, использующего моторное топливо средней вязкости марки Ш0-180 и 320. Такое топливо изготовляется из остаточных и средне-дистиллятных продуктов переработки нефти и является аналогом судовых топлив, выпускаемых по международному стандарту КО-8217. Для топлив этого вида типично содержание 2—3.5% серы, 0.02% ванадия, 0.08% алюминия и кремния, 0.03% кальция, 0.0015% цинка и фосфора. Одной из отличительных особенностей судового топлива Ш0-180 по сравнению с дизельным топливом и авиационным керосином является высокое содержание золы, по-
рядка 0.1%. В состав золы могут входить соли и оксиды: ванадия, никеля, натрия и других тяжелых металлов.
Морфология и размер микрочастиц были исследованы методом сканирующей электронной микроскопии ^ЭМ) на микроскопе LEO 1430-vp (Karl Zeiss). Анализ химического состава кластеров частиц размером 100 x 100 мкм был проведен с помощью рентгеновского энергодисперсионного анализатора INCA Energy (Oxford Instruments). ^став определялся по характеристическому рентгеновскому спектру, возбуждаемому электронным пучком. Разрешение составляло 133 эВ на полуширине при энергии 5.9 кэВ. Рентгеновский флуоресц
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.