№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 541.127
ВЛИЯНИЕ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ НА КОНДЕНСАЦИЮ ВОДЯНЫХ ПАРОВ В ЗАГРЯЗНЕННОЙ АТМОСФЕРЕ
© 2014 г. М. С. ДРОЗДОВ, А. П. ПЕРМИНОВ, С. И. СВЕТЛИЧНЫЙ
Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе (Филиал), г. Черноголовка
Е-mail: drozdov@binep.ac.ru
Эффективными центрами конденсации водяных паров являются ионы. Это явление нашло применение в камерах Вильсона. Но ранее не стоял вопрос о подобной роли таких реакционно-способных частиц, как свободные радикалы и атомы. В земной атмосфере имеется достаточное количество различных поллютантов, способных диссоциировать под действием УФ крыла солнечного излучения. С помощью камеры Вильсона продемонстрировано существенное каталитическое (ускоряющее) действие продуктов фотодиссоциации атмосферных примесей на конденсацию перенасыщенных водяных паров. Исследованы следующие вещества: CF2Cl2, CCl4, H2S, NH3, CT3I, C3F7I. Облучение производилось эксимерным ArF-лазером (193 нм). При облучении этих примесей конденсация водяных паров наступает при гораздо меньших степенях перенасыщения, чем в отсутствие облучения. Таким образом, явно имеет место эффект сильного влияния свободных радикалов и атомов на конденсацию водяных паров. Дана трактовка наблюдаемых результатов при наличии и отсутствии облучения. Экспериментально показано и объяснено также влияние начального давления водяных паров на процесс конденсации.
Ключевые слова: газо-паровые системы, конденсация водяных паров, кластеры воды, атмосферные примеси, фреоны, фотодиссоциация, камера Вильсона, ArF-лазер, радикал-индуцированная нуклеация, самоочищение атмосферы.
THE INFLUENCE OF UV RADIATION ON THE CONDENSATION OF WATER VAPOUR IN THE POLLUTED ATMOSPHERE
M. S. Drozdov, A. P. Perminov, S. I. Svetlichnyi
Talrose Institute for Energy Problems of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences,
Chernogolovka, Moscow Region E-mail: drozdov@binep.ac.ru
Ions are known to be effective centers of condensation of water vapor. This phenomenon found application in Wilson's cameras. But previously there was no question of a similar role of such reactive particles as free radicals and atoms. In the Earth's atmosphere there is enough of various pollyutants, which molecules have rather small energy of dissociation. By means of Wilson's camera essential catalytic (accelerating) influence of products of photodissociation of atmospheric impurity on the oversaturated water vapor's condensation is shown. The following substances are investigated: CF2Cl2, CCl4, H2S, NH3, СF3I, C3F7I. Irradiation was made by the excimer ArF-laser (193 nm). At irradiation the condensation of water vapor occurs at much lower extents of supersaturation than in the absence of radia-
tion. Thus, the influence of free radicals and atoms on condensation of water vapor obviously takes place. The treatment of observed results at existence and lack of irradiation is given, influence of initial pressure of water vapor on condensation process is experimentally shown and explained also.
Key words: gas-steam systems, condensation of water vapors, water clusters, atmospheric impurity, freons, photodissociation, Wilson's camera, the ArF-laser, the radical induced nucleation, atmosphere self-cleaning.
С целью изучения влияния УФ-излучения на процессы конденсации паров воды в загрязненной атмосфере использованы камера Вильсона и эксимерный ArF-лазер. Установлено, что продукты фотодиссоциации таких атмосферных примесей, как CF2Cl2, CCl4, H2S, NH3 CF3I, C3F7I, оказывают существенное каталитическое (ускоряющее) действие на конденсацию перенасыщенных водяных паров. Конденсация наступает при значительно меньших степенях перенасыщения, чем в отсутствие облучения. Кроме того, обнаружено сильное влияние начального давления водяных паров на процесс конденсации. Дана трактовка наблюдаемых эффектов.
Актуальной проблемой энергоэкологии (физики атмосферы) является исследование образования дождевых туч и туманов в атмосфере Земли. Дожди, первая стадия зарождения которых — конденсация паров воды в атмосфере, приносят на землю как необходимую влагу, так и нередко вредные ("кислотные") осадки. Но в любом случае они очищают атмосферу от антропогенных и прочих загрязнений, поэтому изучение стадии их зарождения является важной научной задачей. Механизму конденсации водяных паров уделяется все большее и большее внимание в физике аэрозолей, физике и химии атмосферы и в других смежных науках [1—4]. Образование и рост капель, туманы, в частности, так называемые "цветные" туманы, представляют собой проблему и при зондировании атмосферы для определения содержания в ней вредных или даже боевых отравляющих веществ [5]. Выяснение деталей процесса нуклеации в парогазовых системах — важное направление для современной науки и техники, особенно — энергетики, о чем, в частности, говорит обнаружение в последние годы детонационных волн конденсации [6]. Что касается реальной, загрязненной атмосферы, то важно отметить практически полное забвение возможной роли при конденсации воды присутствующих в воздухе примесей типа фреонов и т.п.
Известно, что центрами конденсации обычно являются пылинки в воздухе, частицы аэрозолей и ионы [7]. Но до последнего времени не возникало вопроса о возможной роли в процессе конденсации таких реакционно-способных частиц как свободные радикалы и атомы. Это тем более странно, что еще в классическом труде X. Грина и В. Лейна [8] указывалась возможность конденсации на обычных, но полярных, обладающих значительным дипольным моментом, молекулах. "Пар может конденсироваться на стенках сосуда, на частицах пыли или атмосферных ядрах конденсации, на ионах, содержащихся в паре или нейтральном газе, на полярных молекулах, например, серной кислоты, а при очень большом пересыщении — на молекулах или молекулярных агрегатах самого пара. Для конденсации на каждом типе этих ядер требуется различная степень пересыщения".
Источником образования в атмосфере атомов и радикалов, обладающих высокой реакционной способностью, могут быть атмосферные примеси — поллютанты, способные диссоциировать под действием УФ крыла солнечного излучения, особенно в условиях обедненности озонового слоя [9, 10]. И если ионов относительно много только в ионосфере, то в тропосфере имеется всегда достаточное количество различных поллютантов с достаточно небольшими энергиями диссоциации (открытым, конечно, остается вопрос об их полосах поглощения). В связи с влиянием светового облучения на конденсацию необходимо вспомнить и известное с 1975 г. явление фотоконденсации паров йода [11].
Рис. 1. Схема эксперимента с камерой Вильсона: 1 — прозрачная верхняя крышка камеры; 2 — окна для лазерных лучей; 3 — линза; 4 — цилиндр; 5 — поршень; 6 — нижняя крышка камеры
Для изучения влияния фотодиссоциации некоторых атмосферных примесей на конденсацию водяных паров в [12] применена традиционная камера Вильсона. Облучение производилось эксимерным АгБ-лазером (длина волны излучения 193 нм). Результаты этого "пробного" исследования указывают на существенное влияние продуктов фотораспада соединений типа фреонов на процесс нуклеации. При наличии этих примесей и их фотодиссоциации конденсация водяных паров наступает при таких условиях, когда спонтанная конденсация (без облучения) не имеет место, т.е. при гораздо меньших степенях перенасыщения. В реальной атмосфере, конечно, не реализуются такие степени перенасыщения, как в камере Вильсона, но в данном случае вопрос принципиальный: могут ли атомы и радикалы способствовать образованию капель воды, как это делают заряженные частицы — ионы?
Проведенные эксперименты свидетельствуют одновременно о пригодности предложенной методики для подобных исследований. Вместе с тем в этих опытах выявились те особенности, которые необходимо учесть для успешного специализированного применения камеры Вильсона.
В настоящей работе с помощью модифицированной установки авторы подтверждают катализирующее действие фотооблучения для других атмосферных примесей, сообщают о влиянии на процесс конденсации такого фактора как начальное давление водяных паров, дают трактовку экспериментальных результатов и приводят некоторые соображения о возможном механизме наблюдаемой "фотоконденсации".
Экспериментальная установка
Камера Вильсона собственного изготовления представляет собой цилиндр диаметром 80 мм с поршнем (рис. 1). Пространство над поршнем заполняется воздухом или азотом с известным содержанием влаги и малыми добавками (0,1—0,01%) СБ2С12, СС14, И2Б, КИ3, СБ31, С3Р71 при общем давлении смеси вблизи 1 атм. В некоторый момент времени поршень резко опускается. Газ над поршнем расширяется и охлаждается. Так достигаются условия существования перенасыщенного водяного пара в воздухе.
Про устройство камеры Вильсона следует отметить, что в нашем конкретном случае время движения поршня было ~50 мс при перемещении ~2 см, это соответствовало скорости 40 см/с и числу Рейнольдса Яе ~ 1600, что меньше критического. Таким образом, течение газа за поршнем, скорее всего, не должно сильно отличаться от ламинарного.
Максимальный коэффициент расширения К = У1/У0 = 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 нижнего положения газовая смесь облучалась импульсом (т « 20 нс) эксимерного АгБ-лазера, длина волны которого X = 193 нм лежит в полосах поглощения веществ, используемых в качестве добавок.
В работе применялся широкий, несфокусированный лазерный луч с низкой плотностью энергии и мощности, поэтому результат действия лазерного излучения — фотодиссоциация примесей. Для образования ионов в процессах многоквантовой фотоионизации требуются более высокие плотности мощности и более низкие давления [13]. Конденсация водяного пара регистрировалась по интенсивности рассеянного под углом 90° света зондирующего луча, пересекающего луч эксимерного лазера под углом 45° в центре камеры. Верхняя кр
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.