2014-01-31
779
Четвертый критерий удовлетворяется, если площадь поверхности частицы превосходит ее объем по крайней мере в 10 раз.
ВРЕМЯ ЖИЗНИ (УСТОЙЧИВОСТЬ) АЭРОЗОЛЯ
Чрезвычайно важной характеристикой является время жизни частиц в атмосфере. Время жизни частиц связано с устойчивостью аэрозоля. Аэрозоль является устойчивым, если:
– скорость седиментации частиц мала;
– силами инерции при перемещении частиц можно пренебречь;
– броуновское движение частиц весьма эффективно;
– система характеризуется высокой удельной поверхностью.
Время жизни частицы в атмосфере определяется скоростью ее седиментации под действием силы тяжести. Если размеры частицы больше чем величина свободного пробега молекулы, то скорость седиментации описывается уравнением Стокса:
Wg = dч 2ρчg/(18),
где dч и ρч – диаметр и плотность частицы;
g – ускорение свободного падения;
μ – динамическая вязкость газа (для воздуха при 298К μ = 1,81 · 10-5 Па · с).
В атмосфере Wg зависит от высоты над уровнем моря. Кроме того, восходящие потоки еще более затрудняют интерпретацию понятия «скорость седиментации». Все же в качестве верхнего предела можно принять значение W g = 0,1 м/с (первый критерий устойчивости).
|
|
|
Второй критерий устойчивости формулируется как
Wdч ρв/μ = Re <0,02,
где W – скорость движения частицы, обусловленного внешним воздействием;
ρв – плотность воздуха;
Re – критерий Рейнольдса.
Таким образом, в устойчивых аэрозольных системах при нормальных атмосферных условиях скорость движения частицы диаметром 1 мкм не может превысить 30см/с, а частицы диаметром 10 мкм – 3 см/с. Если внешнее воздействие обусловлено силой тяжести. То второй критерий эквивалентен первому.
Броуновское движение аэрозольных частиц является следствием их случайных соударений с молекулами газов, составляющих атмосферу. Скорость броуновского движения увеличивается с уменьшением размера частиц и обычно принимается во внимание, если диаметр частицы меньше 1 мкм (третий критерий устойчивости).
Перечисленные критерии позволяют установить верхний предел размеров аэрозольных частиц. Что касается нижнего предела, то в его оценке обычно исходят из следующих посылок. Система рассматривается как аэрозольная, если размер частиц больше, чем размер молекул газовой фазы, в которой частицы распределены. В то же время масса частиц много больше массы молекул газа. Исходя из среднего размера молекул основных компонентов атмосферы можно принять значение 1 нм в качестве нижнего предела.
В конечном счете единственным стоком аэрозолей из атмосферы оказывается осаждение на подстилающую поверхность. Однако принадлежащие к разным модам частицы осаждаются по существенно разным механизмам и с разными скоростями.
|
|
|
Прежде всего выделяют осаждение сухое и влажное (с осадками в виде дождя, тумана и пр.). В случае относительно крупных частиц (диаметром более 1 мкм) основными способами удаления из атмосферы оказываются гравитационное осаждение и подоблачное вымывание, включающее инерционный захват частиц каплями дождя или снежинками. По мере уменьшения размеров частиц вклад того и другого механизма в формирование нисходящего потока аэрозолей снижается и становится минимальным для частиц с размерами 0,1 – 1,0 мкм. Однако при дальнейшем уменьшении размеров эффективность сухого осаждения и вымывания снова возрастает. Это объясняется тем, что в случае нуклеационного аэрозоля основными параметрами, определяющими скорость их выведения, являются их большая подвижность (вследствие эффективного броуновского движения) и высокая концентрация (в см-3). Изменение концентрации во времени для них описывается уравнением:
– dN/dτ = 4πDdчN2,
где N – частичная концентрация аэрозоля, см-3;
τ – время;
D–коэффициентдиффузиичастиц. Последний определяется как
D = kT(1 + 2AL/dч)/3πμdч, (77)
где k – постоянная Больцмана;
A – коэффициент Стокса;
L – средняя длина свободного пробега молекул газа.
Коэффициент Стокса описывается уравнением:
А = 1,257 + 0,4 exp(-0,55dч/L)
Из уравнений (76) и (77) получаем:
– dN/dτ = 4kT(1 + 2AL/dч)N2/(3μ). (78)
Из уравнения (78) следует, что скорость выведения частиц нуклеационной моды из атмосферы пропорциональна квадрату их концентрации и обратно пропорциональна их диаметру. При средней длине свободного пробега 6,5 · 10-8 м, среднем диаметре частиц 0,6 · 10-8 м и их концентрации 103 см-3, время полувыведения τ1/2 = 1/(4πDdчN2) = 1 сут. Таким образом, одним из основных каналов стока частиц нуклеационной моды является их слипание при соударениях (коагуляция), приводящее к образованию аэрозолей с более крупными частицами.
