научная статья по теме СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ПО ДАННЫМ ЛЕТНЕЙ И ЗИМНЕЙ ЭКСПЕДИЦИЙ 2011 ГОДА НА СИБИРСКОЙ ФОНОВОЙ СТАНЦИИ ZOTTO Геофизика

Текст научной статьи на тему «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ПО ДАННЫМ ЛЕТНЕЙ И ЗИМНЕЙ ЭКСПЕДИЦИЙ 2011 ГОДА НА СИБИРСКОЙ ФОНОВОЙ СТАНЦИИ ZOTTO»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 5, с. 578-586

УДК 551.510.42

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ПО ДАННЫМ ЛЕТНЕЙ И ЗИМНЕЙ ЭКСПЕДИЦИЙ 2011 ГОДА НА СИБИРСКОЙ ФОНОВОЙ СТАНЦИИ ZOTTO

© 2015 г. Т. И. Рышкевич*, Г. Н. Миронов*, С. Ю. Миронова*, С. С. Власенко*, Х. Чи**, М. О. Андреае**, Е. Ф. Михайлов*

*Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: eugene.mikhailov@spbu.ru ** Отдел биогеохимии, Институт химии общества Макса Планка D-55020, Майнц, Германия Поступила в редакцию 24.07.2014 г., после доработки 29.01.2015 г.

Представлены результаты измерения гигроскопических свойств и химического анализа атмосферных аэрозольных проб, отобранных с 10 по 20 июня и с 15 по 25 декабря 2011 г. на фоновой станции ZOTTO (60.8° N, 89.35° E) Центральной Сибири. Исследование сорбционных свойств аэрозолей выполнено с помощью дифференциального анализатора массы поглощенной воды в диапазоне относительной влажности 5—99%. Обнаружено, что фактор гигроскопического роста аэрозоля, отобранного во время зимней экспедиции, в среднем на 45% больше, чем аэрозоля, отобранного в летний период, что приводит к 40% понижению критического порога пересыщения облачной активации частиц. Анализ и параметризация данных измерений выполнены на основе нового подхода, учитывающего концентрационные эффекты в системе частица—водяной пар при низких влажностях. По данным химического анализа содержание водорастворимых веществ в зимнем образце в 2.5 раза выше, чем в летнем. При этом количество сульфатов увеличено в 20, а нитратов в 88 раз. Траекторный анализ движения воздушных масс показал, что для зимнего периода отбора проб высокое содержание неорганических ионов в аэрозолях вызвано дальним переносом загрязнений из индустриальных районов Сибири. Указанное различие в химическом составе является основной причиной наблюдаемого различия гигроскопических и конденсационных свойств частиц.

Ключевые слова: гигроскопические свойства, облачные ядра конденсации, состав атмосферного аэрозоля, бореальные леса.

Б01: 10.7868/80002351515050119

1. ВВЕДЕНИЕ

Атмосферные аэрозоли Сибири являются одним из важнейших факторов, контролирующих климат Евразии [1, 2]. Природные пожары и биогенные процессы являются мощными источниками поступления аэрозолей в атмосферу и играют ключевую роль в радиационном балансе системы Земля—атмосфера [3, 4]. Важным свойством, обуславливающим высокую оптическую активность аэрозолей в атмосфере, является их способность к гигроскопическому росту [5, 6]. Многолетние исследования (начиная с 1998 г.) трансформации оптических свойств аэрозолей при изменении влаго-содержания в воздухе проводятся на Аэрозольной станции института Оптики атмосферы РАН, рас-

положенной на расстоянии 6 км от Томска. Результаты измерений позволили получить сведения о сезонной изменчивости гигроскопических свойств частиц, характерных для фоновых условий урбанизированных территорий [7, 8].

С точки зрения аэрозольной климатологи особый интерес представляют данные по гигроскопическим свойствам и конденсационной активности частиц естественного происхождения [9, 10]. Уникальными возможностями для изучения фонового состава атмосферы обладает научная станция ZOTTO (Zotino Tall Tower Observatory), расположенная в центральной Сибири (60.8° N, 89.35° E). Ближайший к станции крупный населенный центр находится на расстоянии 600 км (г. Красноярск, 0.95 млн чел.), а ближайший населенный

пункт расположен на расстоянии 25 км (пос. Зо-тино, 500 чел.). На станции установлена мачта высотой 300 м, что позволяет исследовать относительно однородную часть атмосферы с большой площадью охвата (~106 км2) [11]. Данные ранних исследований показывают, что аэрозольная фракция в зоне станции в основном формируется за счет обменных процессов атмосферы с лесной экосистемой Сибири, лесных пожаров и дальнего переноса эмиссий от крупных городов [12—14]. Инфраструктура станции использована нами для отбора атмосферных аэрозолей на фильтры и последующего изучения их гигроскопических свойств и химического состава. Результаты, полученные в ходе исследований, представлены в настоящей работе.

2. МЕТОДИКА ОТБОРА И АНАЛИЗА АЭРОЗОЛЬНЫХ ПРОБ

Отбор аэрозольных проб осуществлялся с высоты 302 метра [15]. Пробы отбирались одновременно на три вида фильтров: кварцевые волоконные (Tis-suquartz™ 2500 QAT), нуклеопорные (PALL,Teflon, 1 цш) и боросиликатные волоконные с тефлоно-вым покрытием (PALL, T60A20). Размер всех фильтров 47 мм. Первые два вида фильтров использовались для анализа химического состава частиц, последний фильтр — для изучения гигроскопических свойств аэрозолей. Периоды отбора проб с 10 по 20 июня и с 15 по 25 декабря 2011 г. Объем прокаченного воздуха через фильтры определялся с помощью диафрагменного счетчика MG1.6. Расход воздуха контролировался с помощью электронных расходомеров (TSI, модель 4140) и поддерживался на уровне 5 л/мин для нуклео-порных фильтров и 20 л/мин для волоконных фильтров. Масса осажденного аэрозоля определялась на весах Mettler Toledo XP6 (чувствительность 0.6 мкг). Взвешивание каждого фильтра проводилось 3—5 раз с интервалом в 24 часа при относительной влажности 35 ± 5%. Статистический разброс определения массы аэрозолей составил 0.04 мг для кварцевых фильтров и 0.01 мг для фильтров, содержащих фторопласт (тефлон). Концентрация органического углерода (ОС), элементарного углерода (EC) и общего углерода (TC = OC + EC) в пробах определялась с помощью термооптического анализатора Sunset Laboratory Base Dual-Optics (TO-DO) OCEC Instrument. Водорастворимая часть органического углерода (WSOC) измерялась с помощью анализатора углерода Shimadzu 5000. Жидкостной хроматограф Dionex ICS-1100 был использован для определения содержания ионов. Методика изучения химического состава аэрозолей с помощью перечисленной аппаратуры описана в работах [16, 17].

Гигроскопический рост частиц исследовался с помощью дифференциального анализатора гиг-

роскопических свойств фильтровых аэрозольных проб [18, 19]. Для исследований использовались кружки диаметром 12.7 мм, вырезанные из экспонированных фильтров Т60А20. Методика эксперимента заключается в измерении массы поглощенного или выделившегося водяного пара при ступенчатом изменении влажности газового потока. Измерения гигроскопических свойств аэрозолей осуществлялись в диапазоне относительной влажности 0—99%. Благодаря прецизионному измерению температуры высокоточными (±0.01°С) платиновыми датчиками Burster 42095-Pt 100 погрешность определения относительной влажности (RH) на верхней границе интервала не превышала 0.06%. Исследования гигроскопических свойств аэрозолей проводились при температуре 22.6°С. По данным измерений массы поглощенной воды (mw) и сухой массы осажденных на фильтре частиц (md) рассчитывался фактор гигроскопического роста частиц (Gm):

G = mw + mä

^m •

(1)

Погрешность определения фактора роста зависит от точности взвешивания массы осажденных частиц и точности измерения массы поглощенной воды. С увеличением относительной влажности в диапазоне 5—99% результирующая погрешность монотонно возрастает с 2% до 10%, что связано с накапливающейся погрешностью измерения количества сорбированной воды [18].

3. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЭРОЗОЛЕЙ

Гигроскопические свойства аэрозольных частиц характеризуют их способность поглощать водяной пар из атмосферного воздуха. Количество поглощенной воды зависит от концентрации (давления) водяного пара в воздухе и от химического состава аэрозольной частицы. Для водорастворимых аэрозолей это количество может быть рассчитано из условия термодинамического равновесия капель раствора с водяным паром, которое описывается с помощью уравнения Кёлера [19]

RH

(4оК

а ехп ) (2)

100% " \RTDV где RH — относительная влажность воздуха, а — поверхностное натяжение раствора, — молярный объем воды в растворе, Я — универсальная газовая постоянная, Т — температура, Б — равновесный диаметр капли раствора, амг — активность воды в растворе. Для химически однородных частиц известного состава использование уравнения (2) не представляет принципиальных затруднений, но для атмосферных аэрозолей, химический

состав которых может быть сложен и не всегда точно известен, расчет поглощенной частицами воды представляет собой существенную проблему.

В последние годы для описания гигроскопических свойств частиц активно используется модель Пэтерса и Крейденвайс [20], в которой термодинамические характеристики влажного роста частиц описываются с помощью параметра гигроскопичности kv . Недостаток модели — принцип аддитивности объемов, исключающий возможность учета концентрационных эффектов при низких влажно-стях. Как результат, к^-модель корректно описывает гигроскопические свойства лишь для разбавленного раствора капель, т.е. в области, близкой к насыщенному водяному пару.

В данной работе для параметризации гигроскопических свойств частиц использована ее модифицированная версия — кт-модель (KIM, к-mass Interaction Model) [19]. В этой модели, благодаря замене объемных характеристик на массовые и учету межчастичных взаимодействий, удается описать все этапы влажного роста частиц, включая прямые и обратные фазовые переходы. Детальное описание KIM и случаи ее применения подробно описаны в работе [19]. Ниже приведем основные соотношения, которые были использованы для обработки и параметризации экспериментальных данных.

Массовый параметр гигроскопичности кт определяется как масштабный параметр, связывающий активность воды в капле aw с массой сухой частицы md и массой поглощенной воды mw:

- = 1 + К . (3)

aw mw

Комбинируя уравнения (1) и (3), получим:

с \-1

aw = 7^ +1 . (4)

\Gm 1

С учетом соотношения (4) уравнение Келера (2) можно представить в виде [19]:

RH

100%

к „

\-1

G- - 1

■+ 1

exp

4a WMW

RT p WD

_P dGm _

1/3 Л

(5)

где Мк, ак и рк — молекулярная масса, коэффициент поверхностного натяжения и плотность воды соответственно, и р^ — диаметр и плотность сухой частицы. Уравнение (5) является

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