ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2010, том 46, № 3, с. 321-331
УДК 551.594: 551.510: 551.574.1
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ АЭРОЗОЛЯ, ОБВОДНЯЮЩЕГОСЯ В БИПОЛЯРНО ИОНИЗИРОВАННОМ ВОЗДУХЕ
© 2010 г.
В. В. Смирнов
Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: smirnov@typhoon.obninsk.ru Поступила в редакцию 28.04.2009 г.
Изучено влияние характеристик ионизации атмосферы и физико-химического состояния ядер конденсации на электрическое состояние конвективных ячеек. По результатам экспериментов в адиабатической камере объемом 3200 м3 выяснено, что при повышениях относительной влажности воздуха Н от 40 до 95% с эквивалентной скоростью подъема 100—400 см/с на ядрах могут накапливаться избыточные заряды порядка и более 103 элементарных зарядов в см3. Знак заряда зависит от химического состава гигроскопических ядер. Так, для сред с нерастворимыми ядрами (пористые кремнеземы и др.) характерны преимущественные отрицательные заряды, с растворимыми ядрами (поваренная соль и др.) — положительные. При Н = 60—90% электризацию растворимых ядер можно интерпретировать в рамках диффузионно-кинетических моделей ионной зарядки аэрозолей. Значительные отрицательные объемные заряды, появляющиеся на нерастворимых гигроскопических ядрах при росте влажности с 40 до 70%, объясняются структурированием поверхностных пленок воды, которые проявляют сродство к отрицательным легким ионам. При высоких значениях Н > 90% необходимо учитывать сродство обводняющихся поверхностей к положительным легким ионам. Впервые показано, что при интенсивностях ионообразования 3 и 1010 пар ионов/(см3 с) различия в величинах объемного заряда и скоростях обводнения ядер конденсации оказались незначительными. Делается вывод, что во многих метеорологических ситуациях первым этапом электризации облачных сред конвективного происхождения является ионная зарядка ядер конденсации.
1. ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени уже сложилось общее мнение относительно основного механизма электризации атмосферных аэрозолей и их составной части — облачных ядер конденсации. Это ионная зарядка аэрозолей [1—5]. Изначально в результате действия различного рода природных источников ионизирующей радиации в воздухе непрерывно формируются положительные и отрицательные молекулярные ионы. Спустя доли секунды после акта ионизации молекулярный ион преобразуется в легкий ион, представляющий центральный ион, окруженный 1—5 молекулами воды [5, 6]. Центральный ион представляет ионизированную молекулу вещества, имеющего относительно более высокое сродство либо к электрону (молекулы кислорода, окислов азота, серы и других реактивных газов, ряда основных кислот), либо к протону (молекулы воды, аммиака и др.). Диаметр легких ионов находится в пределах 0.7—1 нм в зависимости от вещества центрального иона и термодинамических условий воздушной массы. Более детальные сведения по структуре и физике превращений легких ионов можно почерпнуть из [5—12].
Столкновения легких ионов с аэрозольными частицами заканчиваются передачей зарядов и образованием тяжелых ионов и заряженных гидроме-
теоров. Тяжелые ионы размером менее 0.5 мкм являются преимущественно однозарядными. Доля заряженных ядер быстро падает с уменьшением размера ядра. Так, доля ядер диаметром 5—10 нм, несущих заряды, составляет всего лишь 2—4% от концентрации таких же, но нейтральных частиц.
Имеющиеся экспериментальные данные о кинетике электризации обводняющихся ядер конденсации фрагментарны и зачастую противоречивы. Так, пока не выявлены закономерности ионной зарядки обводняющихся ядер и до конца неясно, как сказывается электрическое состояние аэрозольных частиц на конденсационном процессе. Обычно предполагается, что способность аэрозольных частиц, несущих электрические заряды, или тяжелых ионов адсорбировать молекулы водяного пара остаются практически такими же, как у ядер конденсации до столкновения. Но в последние годы опубликованы многочисленные суждения о заметном влиянии электрических зарядов на конденсационную активность ядер конденсации и гидрометеоров (см., например, обзоры в [8—13]). Отметим также, что теоретические модели ионной зарядки [14—18] адекватно описывают эксперимент лишь в отсутствие фазовых переходов и при наложении ограничения на концентрацию п± разнополярных легких ионов условием п± > N где N — концентрация аэро-
зольных частиц. В обычных условиях нижней атмосферы оба ограничения не выполняются [5, 17].
Данная работа ставит целью изучить особенности электризации ядер конденсации определенного физико-химического состава в слабо- и сильно ионизированных воздушных средах при изменении относительной влажности от 40 до 95%. Метод изучения — моделирование электрических и конденсационных процессов при адиабатическом расширении воздуха в большой облачной камере. Основной изучаемый электрический параметр — спектральная плотность объемного электрического заряда воздуха в интервале подвижностей носителей зарядов от 3—5 до 10-4 см2/(В с), что соответствует эффективным размерам носителей от 1 до 200 нм по диаметру.
2. МЕТОДИКИ И ПРИБОРЫ
1.1. Методика опытов. Опыты проводились в облачной камере объемом 3200 м3, подробнее описанной в [19]. При контролируемых начальных условиях по относительной влажности, температуре, интенсивности ионообразования, составу и концентрации ядер конденсации, а также по эквивалентной скорости подъема воздушной массы, производилось адиабатическое расширение воздуха, предварительно сжатого до 1.3—1.4 атм. В процессе охлаждения воздуха и увеличения относительной влажности контролировались дисперсность ядер (размерами от 5 нм до 10 мкм по диаметру), светорассеивающие характеристики аэрозоля, полярные электропроводности воздуха и распределение плотности объемного заряда частиц по подвижностям от 10-4 до 5 см2/(В с).
Начальная влажность устанавливалась в пределах Н = 30—70% осушкой воздуха в колонках с сили-кагелем, а в пределах Н = 70—98% — увлажнением объема и стенок камеры. Начальная скорость подъема воздушной массы ^ могла изменяться в пределах ^ = 10—500 см/с путем выпуска воздуха через калиброванные отверстия. Текущее значение ^ оценивалось по скорости изменений давления и/или температуры.
Интенсивность ионообразующих процессов оценивалась по измерениям полярных электропро-водностей С± в камере, очищенной от ядер. Идею опыта поясним, рассматривая классическое уравнение баланса легких ионов:
dn±/dt = B — an+n- — Р+№п+, (1)
где В — искомая интенсивность ионообразования в камере, Р± = 2яkTDе—1u± ~ 2 х 10-6 см3 с-1 — коэффициент присоединения легких ионов к аэрозольным частицам средним диаметром D = 10-5 см, u±—средние подвижности легких ионов u+ = 1.35 см2/(В с), u_ = 1.72 см2/(В с) [5, 6], е — элементарный заряд,
^~ 0.025 эВ — энергетическая температура, а = = 1.6 х 10—6 см3 с-1 — коэффициент рекомбинации легких ионов с концентрацией п±. По методикам [20—22] производилась электрическая фильтрация воздуха, контролировались электропроводности воздуха С± и концентрация аэрозольных частиц N диаметром выше 5 нм. Удалось понизить концентрацию частиц с N = 104 до 102 см—3. Электропроводности повысились до С± = 30 ± 2 фСм/м, что соответствует концентрациям легких ионов п± = С±/(е u±) ~ ~ 1200 ± 70 см—3. Сопоставляя вклады второго и третьего членов в (1), нетрудно видеть, что теперь преобладающий вклад в убыль ионов вносит механизм их рекомбинации. Соответственно оценка параметра an+n— есть экспериментальная оценка интенсивности ионообразования в камере объемом 3200 м3: B = 2.3 ± 0.2 см—3 с—1. По сравнению с природными условиями, в камере интенсивность ионообразую-щих процессов в 2—4 раза более низкая.
1.2. Источник искусственной ионизации. Источник повышенной биполярной ионизации, подробнее описанный в [5, 20], представлял собой поточный радиоизотопный ионизатор с общим током выноса до I = 10 мкА. По длине ионизатора длиной 40 см и сечением 8 х 8 см2 смонтированы плоские источники альфа-излучения (плутоний-239). В объеме ионизатора V = 2500 см3 действующая интенсивность ионообразования достигала В = e) = 2 х х 1010 см3 с1.
Обводняющиеся ядра пропускались через ионизатор в спектрометр объемного заряда. Время пребывания пробы воздуха в ионизаторе, или время ионизации, составляло тион = 0.25 с, что на несколько порядков больше, чем характерное время установления электрического равновесия в ионизаторе травн = (В а)1/2 = 10—2 с. Эти оценки означают, что обводняющиеся ядра конденсации на выходе ионизатора получают равновесный электрический заряд. Важно также заметить, что известный эффект формирования так называемых радиолитических аэрозолей в данном ионизаторе проявлялся лишь при временах экспозиции более 2—3 с [5].
Учет влияния снижающихся давления Р и температуры Т при сбросе на подвижность легких ионов u± выполнялся с помощью формулы [6]: u±/u0 = = P0T/PT0, где щ, P0 = 1 атм и ^ = 293 К — значения до накачки, а u±, P = 1.4 атм, T = 297 К — после накачки. Вариации подвижностей не превышали 10%.
1.3. Измерительные приборы. Полярные электропроводности воздуха С± измерялись с помощью сдвоенных аспирационных цилиндрических конденсаторов типа Гердиена [23]. Диаметр и длина потенциального электрода конденсаторов составляли 2 см и 80 см соответственно. Именно небольшие скорость (~0.8 м/с) и число Рейнольдса воздушного потока в конденсаторах, а также низкий отклоняю-
щий потенциал (±50 В) определили уникальность прибора в смысле возможности измерения низких электропроводностей С± = 0.3—0.5 фСм/м в средах с обводняющимися ядрами и даже каплями. Пороговое значение подвижности легких ионов составляло
и* = 1 см2/(В с). В рабочем диапазоне С± = 0.3— 600 фСм/м основная относительная погрешность не выходила из интервала 10—25%. Инерционность прибора при работе на предельной чувствительности (входное сопротивление 500 ГОм) достигала 100 с в условиях повышенной ионизации — не более 10—20 с.
Спектральная плотность объемного заряда ядер конденсации и капель тумана контролировалась в интервале значений Я = 10-18—10-14 Кл/см3 спектрометром объемного заряда РОЗА [22, 23]. Он предст
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.