Флуктуации концентрации и потоки аэрозоля в конвективных условиях Шукуров, Карим Абдухакимович

Введение к работе

Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что

ынос аэрозоля с подстилающей поверхности непосредственно связан с

роцессом опустынивания нашей планеты, который является одним из важнейших

(акторов глобального изменения окружающей среды. Выносимый с

одстилающей поверхности минеральный аэрозоль влияет на радиационный

эжим атмосферы, процессы облакообразования и климат. Особую роль играет

^бмикронная фракция аэрозоля, поскольку она имеет большое время жизни в

юпосфере и переносится на большие расстояния. Тема диссертационной

їботьі актуальна и для атмосферной экологии. Процесс выноса аридного

фозоля с подстилающей поверхности аналогичен реэмисии в атмосферу

ідионуклидов и других опасных примесей с загрязненных территорий.

азвиваемое в диссертации направление исследований представляет

іределенньїй интерес и для физики планетных атмосфер, в первую очередь, для

юблемы пыльных бурь на Марсе [1]. Использование методики прямых

імерений вертикальных турбулентных потоков аэрозоля создает предпосылку

(вышения точности определения интенсивности выноса минерального аэрозоля

атмосферу на региональном и континентальном масштабах. Тема

іссертационной работы имеет отношение к исследованию распространения

имесей в конвективных условиях, в том числе, с участием вихрей и вихревых

руктур.

Состояние вопроса. Вынос аэрозоля в атмосферу на опустыненных рриториях при средней скорости ветра больше 4 м/с происходит благодаря здействию на подстилающую поверхность ветропесчаного потока [2]. В осматриваемых условиях процесс выноса аэрозоля можно рассматривать как з генерацию подстилающей поверхностью поскольку выносимые в атмосферу стицы не находятся на поверхности почвы в свободном состоянии [3]. мерения в ветровых тоннелях, дно которых было покрыто смесью нерального аэрозоля и песка, показали, что горизонтальный поток массы эозоля пропорционален твердому расходу (проинтегрированному по высоте гоку массы) песчаной фракции [2]. В свою очередь, твердый расход для :чаной фракции в натурных условиях можно оценить по известному тирическому соотношению [4], если известна средняя скорость ветра. Принято ітать [5], что вертикальный поток массы аэрозоля пропорционален изонтальному потоку массы аэрозоля. При этом необходимо учитывать ^ралогический и гранулометрический состав эродирующей почвы и ее

влажность. Слабо изучена микроструктура выносимого с подстилающей поверхности аэрозоля. Как правило, не ставится вопрос о различии наблюдаемой в приземном слое микроструктуры аэрозоля и микроструктуры генерируемой подстилающей поверхностью компоненты аэрозоля. Слабо изучен вихревой вынос аэрозоля. Некоторые оценки скорости выноса аэрозоля вихрями малого диаметра (пылевыми смерчами) получены П.Синклером [6].

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование флуктуации концентрации и вертикальных потоков аэрозоля, главным образом, в связи с процессом выноса аридного аэрозоля с подстилающей поверхности на опустыненнои территории в конвективных условиях.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1. Создать автоматизированные информационно-измерительные комплексы для измерения флуктуации счетных концентраций частиц аэрозоля, хранения и первичной обработки информации.

2. Разработать программно-алгоритмический комплекс для статистического анализа данных измерений счетных концентраций аэрозоля и турбулентных пульсаций метеоэлементов.

3. Выполнить измерения флуктуации дифференциальных концентрации аэрозоля, в различных физико-географических условиях, в том числе на опустыненнои территории.

4. Выполнить статистический анализ флуктуации дифференциальных счетных концентрации частиц аэрозоля.

5._ Изучить взаимосвязи вариаций дифференциальных счетных концентраций частиц аэрозоля и турбулентных пульсаций метеоэлементов.

6. Измерить вертикальные турбулентные потоки аридного аэрозоля на опустыненнои территории в конвективных условиях.

7. Оценить вертикальные потоки аэрозоля с подстилающей поверхности при вихревом выносе.

Основные защищаемые положения

1. В конвективных условиях на опустыненной территории в зависимости от скорости ветра реализуются всплесковый или квазинепрерывный режимы генерации субмикронного и грубодисперсного аэрозоля, для которых существенно различаются статистические характеристики флуктуации счетных концентраций. В случае квазинепрерывной генерации эмпирические функции распределения для счетных концентраций удовлетворительно аппроксимируются гауссовыми распределениями, а в случае всплесковой генерации - суммой двух логнормальных распределений. Выявлено заметное различие спектров флуктуации концентрации частиц: показатель степени аппроксимирующих спектров (для диапазона частот от 0.01 до 0.1 Гц) в случае квазинепрерывной генерации находится в пределах от 0.8 до 1.2, а в случае всплесковой генерации - от 1.28 до 1.67. Общим свойством режимов всплесковой и квазинепрерывной генерации аэрозоля является синхронность генерации частиц различных размеров.

2. Турбулентность обеспечивает вынос в атмосферу аэрозоля, генерируемого в конвективных условиях подстилающей поверхностью на опустыненной территории, со скоростью около 7 см/с в случае квазинепрерывного режима генерации и 4 см/с в случае всплескового режима генерации. Поток частиц субмикронного аэрозоля варьирует в пределах (3.5-30) см~²с~¹ при всплесковом режиме и равен примерно 50 см~²с~¹ при квазинепрерывной генерации. Поток массы изменяется в пределах (2-13)х10~² мкг м~²с~¹ (70-470 г км~²час'¹) при всплесковой и (20-28)х10~² мкг м"²с"¹ (700-1000 г км^-2час~¹) при квазинепрерывной генерации аэрозоля.

3. При средней скорости ветра от 4 до 10 м/с концентрация аэрозоля, выносимого с подстилающей поверхности на опустыненной территории связана соотношением линейной регрессии со скоростью ветра.

4. Скорость выноса аэрозоля с подстилающей поверхности вихрями и вихревыми структурами может в 10-30 раз превышать скорость турбулентного выноса аэрозоля. Поток массы субмикронного аэрозоля, выносимого вихрями в Приаралье, может достигать 3-4 мкг м"²с"¹ (-10 кгкм~²час~¹).

Предметом защиты являются также следующие результаты диссертационной работы:

5. Наземные и самолетный информационно-измерительные комплексы для измерения флуктуации счетных концентраций аэрозоля.

6. Программно-алгоритмический комплекс для обработки данных измерений и анализа флуктуации счетных концентраций частиц аэрозоля и турбулентных пульсаций компонент скорости ветра и температуры воздуха.

7. Результаты измерений флуктуации дифференциальных счетных концентрации частиц аэрозоля в различных физико-географических условиях, включая измерения в Приаралье, Восточной Калмыкии, Каспийском море, Подмосковье, г.Москве и др. регионах.

Научная новизна работы

8. Созданы согласованные между собой информационно-измерительные и программно-алгоритмический комплексы, позволяющие оперативно регистрировать и анализировать с помощью персонального компьютера большие массивы данных синхронных измерений флуктуации дифференциальных счетных концентраций частиц аэрозоля и турбулентных пульсаций компонент скорости ветра и температуры воздуха.

9. Выполнены систематические измерения флуктуации дифференциальных счетных концентраций аэрозоля в диапазоне размеров частиц от 0.4 до 1.6 мкм, а также концентрации частиц с размерами больше 1.6 мкм, в различных физико-географических регионах, в том числе в конвективных

„ условиях на опустыненных территориях Приаралья.

3. Впервые установлены статистические закономерности флуктуации счетных концентраций для режимов всплесковой и квазинепрерывной генерации аэрозоля подстилающей поверхностью на опустыненной территории в конвективных условиях.

4. По данным синхронных измерений флуктуации счетных концентраций субмикронного и грубодисперсного аэрозоля и пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра при контролируемом режиме турбулентности впервые определены экспериментально вертикальные турбулентные потоки счетной и массовой концентрации аридного аэрозоля, генерируемого подстилающей поверхностью на опустыненной

территории в конвективных условиях. Впервые получены оценки скорости турбулентного выноса в атмосферу с подстилающей поверхности аэрозоля на опустыненной территории.

5. Предложена степенная аппроксимация функции распределения частиц по размерам для компоненты аэрозоля, генерируемого подстилающей поверхностью.

6. Установлена статистическая связь между концентрацией аэрозоля, генерируемого подстилающей поверхностью на опустыненной территории, со скоростью ветра.

7. Оценены параметры вихревых структур, наблюдавшихся в конвективных условиях на опустыненной территории.

8. Получены оценки вихревых потоков субмикронного и грубодисперсного аэрозоля.

Научная ценность результатов диссертационной работы определяется тем, -ITO вертикальные потоки аридного аэрозоля, в том числе субмикронного, на эпустыненной территории измерены непосредственно без использования каких-пибо гипотез. Полученные результаты позволяют более надежно оценивать эадиационные и климатические эффекты субмикронного минерального аэрозоля. Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что использование прямого метода измерения скорости выноса аэрозоля с подстилающей поверхности позволяет получить более надежные оценки темпа опустынивания территорий в зависимости от метеорологических условий. Указанный метод может быть использован для определения скорости реэмисии опасных примесей с загрязненных территорий.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается большим объемом наблюдательных данных, согласием полученных результатов с результатами других авторов, многоплановой статистической обработкой результатов измерений и применением современных методов анализа временных рядов. Существенно, что ряд важнейших результатов работы не зависит от размерных концентраций частиц.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в решении всех научных и технических задач, связанных с диссертационной работой.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Конференции "Аэрозоли Сибири" (Томск, 1997, 1998 гг.), Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 1998

г.), Международном Симпозиуме "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 1998 г.), Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва, 1999 г.), Международной аэрозольной конференции памяти А.Г.Сутугина (Москва, 2000 г.). Конференции "Физические проблемы экологии (физическая экология)" (Москва, 1999 г.), X Международном Симпозиуме по дистанционному акустическому зондированию ISARS (Окленд, Новая Зеландия, 2000 г.), XIII Совещании Рабочей Группы проекта ARM (Брумфилд, США, 2003 г.) и на семинарах Отдела исследования состава атмосферы ИФА РАН.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований, содержит 127 страниц машинописного текста, 28 таблиц и 85 рисунков.

Похожие диссертации на Флуктуации концентрации и потоки аэрозоля в конвективных условиях

Исследование эффективности генераторов искусственных льдообразующих аэрозолей в натурных условияхБаззаев Таймураз Владимирович

Флуктации концентрации и потоки аэрозоля в конвективных условиях Шукуров Карим Абдухакимович

Взаимодействие мощного лазерного излучения с тугоплавким аэрозолем в условиях вакуума с учетом переконденсацииЛямкина, Галина Владимировна

Экспериментальные исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с твердым аэрозолем в условиях вакуумаАндрухова Татьяна Витальевна

Факторы индивидуального риска развития висцеропатий при воздействии промышленных пылевых аэрозолей в условиях современного производстваПесков Сергей Александрович

Гигиеническая характеристика питьевой воды и биологических аэрозолей в условиях животноводческих ферм ТатарстанаМатвеева, Софья Гавриловна

Взаимодействие лазерного излучения с тугоплавким аэрозолем в условиях вакуума с учетом переконденсацииЛямкина, Галина Владимировна

Филаментация фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере в условиях когерентного рассеяния в водном аэрозолеСилаева Елена Петровна

Улучшение условий труда в рабочей зоне выбивных решеток путем снижения вибрации, шума и концентрации пылевого аэрозоляМозговой Андрей Владимирович

Спектры краевой фотолюминисценции эпитаксиальных слоев GaSa, InGaAsP в условиях флуктуаций легирования и составаКарачевцева, Мария Виссарионовна