ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 2, с. 221-233
УДК 551.510.42
СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА САЖЕВОГО АЭРОЗОЛЯ
ВО ВЛАЖНОЙ АТМОСФЕРЕ. ЧАСТЬ 2. ВЛИЯНИЕ ГИДРОФИЛЬНОСТИ ЧАСТИЦ НА КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭКСТИНКЦИИ, РАССЕЯНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ
© 2007 г. Е. Ф. Михайлов, С. С. Власенко
Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного
университета
198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: Eugene.Mihailov@paloma.spbu.ru E-mail: Sergey. Vlasenko@paloma.spbu.ru Поступила в редакцию 22.07.2005 г., после доработки 26.06.2006 г.
В проточной оптической кювете на длине волны 635 нм измерены оптические коэффициенты частиц сажи в сухой и насыщенной водяным паром атмосфере. Выполнено сравнительное исследование двух типов систем, моделирующих атмосферный сажевый аэрозоль и отличающихся степенью гигроскопичности частиц. Одна система содержала гидрофобную ацетиленовую сажу, другая - гидрофильную сажу, полученную путем модифицирования исходной сажи парами глутаровой кислоты. Результаты показывают, что оптические характеристики гидрофобной сажи слабо зависят от условий увлажнения, а оптические характеристики гидрофильной сажи резко изменяются с увлажнением вследствие образования гидратной оболочки. В атмосфере, насыщенной водяным паром, мономолекулярный слой гидрофильного органического вещества приводит к обводнению частиц и резкому, более чем в 2 раза, увеличению сечения рассеяния света. Дальнейший рост гидрофильной составляющей сажевых частиц инициирует образование на них микронных капель, что приводит не только к естественному эффекту усиления рассеивания света, но также - к заметному росту поглощения света. В частности, для частиц обогащенной гидрофильной сажи характерно усиление поглощения света в 3.5 раза.
ВВЕДЕНИЕ
Результаты натурных измерений, полученные в течение последних 20 лет, и результаты численного моделирования убедительно доказывают, что сажевый аэрозоль является одним из важнейших клима-тообразующих компонентов в составе атмосферного аэрозоля [1-10]. Установлено, что, подобно неорганическим солевым частицам (сульфатам, хлоридам, нитратам), сажа влияет на энергетический баланс атмосферы как за счет непосредственного рассеяния и поглощения атмосферной радиации, так и косвенным образом, воздействуя на микроструктуру облаков.
Эффекты прямого и косвенного возмущения радиационного баланса аэрозолем (аэрозольный форсинг) зависят, с одной стороны, от химического состава и дисперсных характеристик аэрозолей, а с другой стороны - от относительной влажности, контролирующей гигроскопический рост частиц. В отличие от солевых частиц, для которых уже развиты надежные термодинамические модели конденсационного укрупнения [11, 12], описание гигроскопического роста сажесодержа-щих частиц все еще остается нерешенной проблемой. Связано это прежде всего с тем, что такие
частицы, помимо поглощающего углерода, содержат широкий спектр органических и неорганических веществ, которые определяют эффективность обводнения частиц в поле переменной влажности. Более подробно проблемы, возникающие при моделировании оптических свойств столь сложной ге-терофазной системы, как сажесодержащий аэрозоль, рассмотрены во введении к статье [13].
Чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе изменения оптических свойств сажевых частиц во влажной атмосфере, мы провели лабораторные измерения на модельных объектах известного химического состава, отличающихся степенью гидрофильности. Исходные гидрофобные частицы сажи (ИБ8) были получены путем неполного сжигания ацетилена в ламинарно-диф-фузионном пламени горелки. Гидрофилизацию частиц проводили путем смешивания исходного аэрозоля с водорастворимой глутаровой (пропан-1,3-дикарбоновой) кислотой (ОА). Глутаровая кислота почти не поглощает свет в видимой области спектра, ее комплексный показатель преломления составляет 1.431 + 0.006/ [14]. В результате гидрофилизации были получены две разновидности гидрофильных частиц: поверхностно модифи-
цированная гидрофильная сажа (ИЬ8) и сажа с высоким содержанием гидрофильного компонента (ИИЬ8). Частицы ИЬ8 имели постоянное отношение массы кислоты к массе сажи, равное 0.02, а для частиц ИИЬ8 это отношение варьировали в диапазоне от 0.02 до 1.
В первой части работы [13] была описана аппаратура, методика структурного анализа частиц и подходы, использованные при измерении оптических коэффициентов сажевых частиц в среде насыщенного водяного пара и в гетерофазной системе сажа-капли. В той же работе представлены результаты электронномикроскопического анализа структуры частиц, основанные на фрактальном подходе. Эти данные показали, что во влажной атмосфере гидрофильные и гидрофобные сажевые частицы эволюционируют по-разному. В частности, было установлено, что на гидрофильных частицах в условиях повышенной влажности протекают конденсационные процессы, приводящие к обводнению частиц, а при взаимодействии с каплями воды гидрофильные частицы образуют необратимую внутренне-смешанную систему.
В данной части работы исследовано влияние эффектов обводнения частиц и их коагуляции с каплями на коэффициенты экстинкции, рассеяния и поглощения, характеризующие дисперсную систему. Эти варианты взаимодействия сажевых частиц с атмосферной влагой представляют собой попытку экспериментального моделирования эффектов, вызывающих прямое и косвенное возмущение радиационного баланса.
1. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА САЖЕВЫХ
ЧАСТИЦ: ВЛИЯНИЕ ГИДРОФИЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ
Оптические параметры сажи измеряли для двух
состояний аэрозоля, максимально различающихся по относительной влажности, поддерживаемой в кювете: 10 и 100% [13]. Для рассмотренных выше типов сажи и режимов увлажнения измерительной кюветы измеряли объемные коэффициенты экстинкции, рассеяния и поглощения. Известно, что значения объемных коэффициентов зависят не только от оптических параметров дисперсных ча-
стиц, но и от концентрации аэрозоля в системе. Поэтому для сравнения оптических свойств различных типов сажи при разных давлениях водяного пара необходимо нормировать объемные оптические коэффициенты на концентрацию (массовую или
счетную) сажевого аэрозоля. В первом случае в результате нормировки получаются удельные коэффициенты экстинкции, рассеяния и поглощения сажевого аэрозоля, во втором - соответствующие средние оптические сечения сажевых частиц. Поскольку система генерации сажевого аэрозоля обеспечивает стабильное распределение агрегатов по размерам, счетная и массовая концентра-
ции частиц пропорциональны друг другу и зависимости оптических свойств аэрозоля от этих параметров идентичны. Это обстоятельство было подтверждено экспериментальными измерениями, результаты которых показаны на рис. 1. Определение счетной концентрации проводили в режиме in situ. Благодаря высокой оперативности и чувствительности измерительной аппаратуры, мы смогли получить существенно большее количество экспериментального материала и в более широком диапазоне концентраций, чем при использовании весовой методики. Экспериментальные точки, показанные на рисунке, соответствуют измерениям именно счетной концентрации частиц, а масштаб по оси массовой концентрации мы рассчитывали на основании относительно небольшого количества весовых измерений (9-10 точек для каждой зависимости). На всех рисунках, где представлены экспериментальные данные, для каждого измерения показана величина погрешности по обеим осям (в случае, если величина погрешности в масштабе рисунка превосходит размер символа).
1.1. Удельные коэффициенты экстинкции,
рассеяния и поглощения для гидрофильной и гидрофобной сажи
Представленные данные демонстрируют линейную зависимость объемных коэффициентов экстинкции, рассеяния и поглощения сажевых частиц от концентрации аэрозоля и подтверждают применимость приближения однократного рассеяния и соответственно закона Бугера для условий описываемого эксперимента. Наблюдаемое отклонение от линейности для объемных коэффициентов рассеяния и экстинкции гидрофильной сажи в области пониженной концентрации частиц обусловлено тем, что с уменьшением концентрации модифицированной сажи изменяется ее химический состав. Этот эффект связан с конструкционными особенностями системы модификации и будет более подробно проанализировано ниже.
В целом оптические свойства гидрофобной сажи практически не зависят от влажности в кювете, а оптические свойства гидрофильной сажи в сухих и во влажных условиях существенно различаются. Это различие проявляется в том, что объемные коэффициенты рассеяния и экстинкции аэрозоля в условиях стопроцентной относительной влажности значительно выше, чем в "сухих" условиях, когда влажность в кювете составляет лишь 10%. Очевидно, что данный эффект коррелирует с описанным в [13] различием структуры гидрофильных сажевых агрегатов, находящихся во влажных и "сухих" условиях. Структурные изменения обусловлены обводнением гидрофильных частиц во влажной атмосфере. Естественно предположить, что и резкое усиление рассеивания света гидрофильным сажевым аэрозолем при повышенной
Массовая концентрация сажи, мг/м3 0 5 10 15 20 25 30 35
т н е
и ц
и
и
Ф
о
о
к
э5
н м е
ю О
0.40 0.30 0.20 0.10
*1
.а 2
а 4
(а)
Ж
л
1.0
_I_I_I_I_
2.0 3.0 4.0 5.0
т н 0.30
е
и ц 0.25
и- 0.20
о и
о к н е 0.15
3 3 в
н о ч г 0.10
м о
е ^ с 0.05
ю
о
Счетная концентрация, 106 см 3
Массовая концентрация сажи, мг/м3 0 5 10 15 20 25 30 35
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Счетная концентрация, 106 см-3
Массовая концентрация сажи, мг/м3 0 5 10 15 20 25 30 35
т н е и 0.18
ц
и ^ 0.14
о
о к и н 0.10
« е
н с с а 0.06
м р
е
ю 0.02
О
1 2
3
4
(б)
.г
л»
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Счетная концентрация, 106
см
Массовая концентрация сажи, мг/м3 0 5 10 15 20 25 30 35
о г о н т
а р
к о н и о
о
и е
ю л
ч <
0.6
0.5
и н
е
8 0.4
а р
0.3
0.2
Щ
4
1 2
3
4
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Счетная концентрация, 106 см-3
Рис. 1. Объемные коэффициенты экстинкции (а), рассеяния (б), поглощения (в) и альбедо однократного рассеяния (г) частиц
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.