Введение к работе
Актуальность тема. Проблема тепло- и массообмена в системе вода - воздух, являющаяся частью глобальной задачи взаимодействия мэкду атмосферой 'и океаном, приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами 8Нтропог9ішого воздействия на окружэщую сроду,, ' с необходимостью построения теории погодно-климагических тгрогнозон.
Сушаствонша влияние на радиационный обмен атмосферы и океана, на химический состав и оптические характеристики атмосферы оказывает морские аэрозоли.
Экспериментально установлено, что соотношения концент
раций химических элементов в морских аэрозолях значительно
отличаются от соотношений тох же элементов в морской воде.
Согласно принятым представлениям аэрозоль образуется из
тонкого поверхностного .микрослоя (ПМС) морской воды и
измененный химический состав аэрозоля определяется
селективным обогащением ионами этого слоя. Поэтому большой
научный и практический интерес представляет исследование
распределения ионов в тонком поверхностном слоо океана и
выяснение механизмов, приводящих к фракционированию ионов.в
этом слое. '
В научной литературе Сало рассмотрено несколько моделей . равновесного разделения ионов на границе раздела вода -воздух: Гиббсовская адсорбция, адсорбция на поверхностно-активных веществах ( ПАВ ), электростатическое отталкивание ионов от границы раздела сред с различными диэлектрическими проницеемостями и другие. Однако все равновесные модели приводят к результатам, не соответствующим наблюдаемому разделению компонентов морской воды на границе раздела океана и атмосферы.
Теоретически линейная термодинамика предсказывает неравновесное разделение ионов вблизи границы раздела вода -воздух, но расчетная величина этого разделения оказыазтся малой . Однако в реальных условиях вблизи неравновесной границы океан - атмосфера, которая характеризуется значительными потоками тепла и массы, обусловливающими большие градиента температуры и концентрации компонентов, а
- A -
также возникновение пространственно-временных диссипативных структур в пограничных слоях воды и воздуха, может происходить фракционирование ионов, значительно превышающее предсказанное линейной термодинамикой.
Необходимость "поиска системи в океане, в которой происходат неравновесное разделение ионов (обогащение К* и Саг+ относительно Na* и Mgf* по сравнению с морской водой) продиктована также нерешенной проблемой оиофизшш, так как наиболее развитая из гипотез о происхождении жизни на Земле
- гипотеза Опарина-Холдепна - оставляет открытым фундамен
тальный вопрос: где и каким образом в древнем океане могла
возникнуть первичная клетка - пространственно обособленная
структура с асимметричным распределением ионов К", На*,Са**,
Mg2* между клеткой и морской водой.
В.А-Твердасловны и Г.Г.Хунджуа (МГУ) была предложена гипотеза, согласно которой одним из возможных путей возникновения предшественников .живых клеток могло стать спонтанное замыкание липидаых пузырьков-везикул в "первичном органическом бульоне", каковым являлся древний океан, в у ода образования аэрозолей, включавших морскую воду тонкой поверхностной пленки.
Целью работы явилось проведение систематического исследования перераспределения компонентов основного солевого состава ( К , На , Са , Kg ) в тонком поверхностном слое морской вода и экспериментальное подтверждение неравновесной природа явления фракционирования ионов в этом слое.
При этом решались сл»дуацие задачи:
прямое экспериментальное определение in situ соотношений концентраций этих ионов в ПМС морской воды различной толщина;
выявление связи фракционирования ионов в ШС морской вода с необратимыми процессами тепломассообмена на границе океана и атмосферы;
измерение электрического потенциала в поверхностном слое электролита относительно объемной фазы в зависимости от градиента температуры в холодной пленке раствора;
- анализ существующих теоретических моделей разделения
компонентов раствора вблизи границы раздела фаз раствор -
воздух на основе полученных экспериментальных данных.
Научная новизна. Предложен новий метод исследования тонкого (до 5 мкм) слоя морской воды, основанный на сборе пленочных капель, образующихся при разрыве на поверхности роди купола воздушного пузыря большого диаметра при искусственном барботата поверхности моря. Созданы лабораторная установка и установка для работы In situ.
В результате одновременного применения при суточных наблюдениях в экспедициях трех способов отбора проб поверхностней вода впервые получены данные по суточному изменению фракционирования ионов К", Саг<, Mg2* относительно їїа* в слоях различной толщины: 300, 100 и 5 мкм.
Обнаружена корреляция мекду коэффициентом фракционирования ионов в Ш; моря и їштенсивностью процясса испарения воды с поверхности.
Разработана микроэлектродная методика измерения электрического потенциала в тонком поверхностном слое раствора относительно объемной фазы и создан лабораторный комплекс для синхронного и непрорывного зондирование поверхностного слоя вода микроэлектродом и термопарой, что позволило зарегистрировать градиент электрического потенциала и холодной шшпке электролига в лабораторных условиях и показать зависимость величины изменения потенциала в поверхностном слое от градиента температури в холодной пленке раствора.
Научно-практическая ценность- Результата проведенных исследований показали, что при формировании ионного состава тонкого поверхностного слон океана и морских аэрозолей,, определяющую роль играют неравновесные процессы тепломассообмена на границе раздела океана и атмосферы. Полученные при непосродстЕенных измерениях in situ данные по обогащению ПМС океана ионами К* и Са2* относительно Na+ и Mg2* показали неравновесную природу этого' явления и подтвердили правомерность гипотезы о возможном .возникновении ионной асимметрии первичной клетки относительно окружающей среды при . образовании этой клетки из материала тонкой поверхностной пленки океана, имеющей инвертированный относительно морской воды ионный состав.
Anpotfamm работы. Основные материалы . диссертации докладывались на: III съезде совєтсісих океанологов (Ленин-
град, 1987 ), IV Международном Фрумкинском симпозиуме "Биоэлектрохимия мембран" (. Суздаль, 1983 ), IX Международной Конференции по проблемам зарождения жизни (Прага, 1989), IX Международном Семинаре им. А.Н.Пушхова "Фундаментальные проблемы морских электро-магнитвдх исследований" ( Москва, 1992 ), на Ломоносовских чтениях МГУ (Москва , 1987, 1988 ), а также на научных семинарах кафедры физики атмосферы и математической геофизики и кафедры биофизики МГУ.
Публикации. Основные результаты работы изложены в семи публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и ооъем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав , заключения и списка литературы.
Обший объем диссертации страниц, в том числе
рисунков и таблиц. Список литературы содержит наименования .