Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ результатов исследований естественных и искусственных льдообразующих ядер 11
1.1. Краткие сведения о происхождении, источниках, размере и льдообразующей активности естественных льдообразующих ядер 11
1.2. Идентификация, источники, суточные, сезонные и географическое распределения естественных льдообразующих ядер 14
1.3. Приборы и методика исследования льдообразующих ядер 23
1.4. Роль льдообразующих ядер в образовании ледяной фазы в облаках 27
1.5. Органические льдообразующие вещества 30
1.6. Клатраты в качестве кристаллизующих реагентов 37
2. Аппаратура и методика исследования льдообразующей активности естественного и искусственного аэрозолей 39
2.1. Общий принцип работы термодиффузионных камер. Конструкция термоэлектрической диффузионной камеры «Град 3» 39
2.2. Методика исследования конденсационных и льдообразующих свойств естественного аэрозоля 43
2.3. Методика изучения льдообразующей активности искусственных льдообразующих аэрозолей 50
2.4. Метод и программа регистрации ледяных кристаллов.. 57
2.5. Устройство для распыления жидкости в атмосферу 60
2.6. Устройство для распыления жидкости под давлением. 65
3. Результаты исследований естественных и искусственных льдообразующих ядер 70
3.1. Льдообразугощая активность естественного аэрозоля в зависимости от температуры и пересыщении, механизмы нуклеации 70
3.2. Зависимость льдообразующих свойств естественных аэрозолей от размеров 83
3.3. Льдообразующие свойства аэрозольных частиц осадков градин 91
3.4. Концентрация атмосферных льдообразующих ядер в облаках и их окрестностях 101
3.5. Исследование спектра размеров частиц солей тетрабутиламмония 114
3.6. Исследование льдообразующих свойств тетрабутиламмония бромида и иодида в экологически чистом фреоне 119
3.7. Результаты исследования конденсационных свойств солей тетрабутиламмония 126
3.8. Эффективность растворов солей тетрабутиламмония бромида с учетом скорости проявления 128
Заключение 132
- Идентификация, источники, суточные, сезонные и географическое распределения естественных льдообразующих ядер
- Методика исследования конденсационных и льдообразующих свойств естественного аэрозоля
- Устройство для распыления жидкости в атмосферу
- Концентрация атмосферных льдообразующих ядер в облаках и их окрестностях
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы развивается исследование
ї естественных и искусственных аэрозолей, что обусловлено рядом важных
научных и прикладных задач.
Эти работы проводятся в нескольких направлениях:
L Изучение влияния естественных и искусственных аэрозолей на
облако- и осадкообразование. 2. Изыскание возможностей использования различных естественных и искусственных аэрозолей для регулирования выпадения осадков, а также воздействия на грозо-градовые процессы. Все эти исследования тесно связаны с проблемой управления атмосферными процессами и имеют важное значение для народного хозяйства страны.
Известно, что первоначальными элементами в образовании и
развитии облаков и осадков являются различные аэрозоли,
подразделяющиеся на облачные ядра конденсации и льдообразующие
ядра. По терминологии, принятой в физике облаков, под
льдообразующими ядрами подразумеваются аэрозольные частицы, способные к образованию ледяных кристаллов в естественных облаках, т.е. в условиях незначительного пересыщения.
К исследованию естественных льдообразующих ядер (ЛОЯ) в последние время проявляется значительный интерес. Льдообразующие ядра- это особый вид аэрозольных частиц, имеющих определенные химические, кристаллографические, размерные, электрические и другие свойства, позволяющие инициировать образование льда на своей поверхности. Льдообразующее ядро должно обладать всей совокупностью перечисленных выше свойств. Именно поэтому такие частицы очень редки в атмосфере, их концентрация чрезвычайно мала и изменчива.
Льдообразующие свойства ледяных ядер находятся в сильной зависимости от термодинамических условий окружающей среды и характера изменений этих условий.
Интерес к исследованию естественных льдообразующих ядер обусловлен тем, что до конца не изучена их роль в образовании ледяной фазы в облаках, в частности в образовании зародышей градин. Практически не изучены закономерности пространственного распределения льдообразующих ядер в атмосфере и их содержания в облаках.
Искусственные льдообразующие реагенты в настоящее время являются наиболее эффективным средством для искусственного воздействия на градообразования. Значение их особенно возросло с развитием методов оперативного воздействия, основанных на использовании автономных генераторов аэрозоля, транспортируемых непосредственно в зону воздействия [34]. С их помощью при сравнительно незначительных расходах реагента в конвективных облаках можно создать необходимое количество искусственных льдообразующих зародышей градин.
Йодистое серебро до сих пор остается самым эффективным льдообразующим реагентом. Измеренный максимальный выход активных частиц на единицу веса Agl существенно превосходит соответствующие выходы для всех других реагентов этого типа при всех температурах активации.
Поиск новых льдообразующих реагентов с еще более высокой активностью, для которых было бы возможно получать достаточно простыми способами высокодисперсные аэрозоли с сохранением активности исходного вещества, значительно удешевило бы стоимость опытных и производственных работ по искусственному воздействию и создало условия для дальнейшего развития. В связи с этим понятен
интерес к исследованиям новых льдообразующих реагентов- заменителям йодистого серебра.
Все эти исследования тесно связаны с проблемой управления атмосферными процессами и имеют актуальное значение для народного хозяйства страны и являются предметом исследования в данной работе.
Цель работы Целью работы является исследование влияния пересыщения и температуры окружающей среды на концентрацию естественных льдообразующих ядер, изучение льдообразующих свойств аэрозольных осадков, содержащихся в градинах. Исследование концентрации атмосферных льдообразующих ядер в облаках и их окрестностях. Исследование конденсационных и льдообразующих свойств растворов солей тетрабутиламмония бромида и иодида в зависимости от их концентрации. Разработка и внедрение новых устройств для распыления жидкости в атмосферу, которые позволяют вводить микродозы аэрозоля реагента при проведении лабораторных исследований. Для достижения этой цели были сформулированы и решены следующие задачи:
анализ и обобщение данных о концентрации льдообразующих ядер в облаках и атмосфере по результатам самолетных исследований;
исследование влияния пересыщения и температуры на льдообразующие свойства аэрозолей различных размеров и концентраций, исследование льдообразующих свойств аэрозольных частиц, содержащихся в градинах;
экспериментальное исследование конденсационных
свойства растворов солей тетрабутиламмония бромида и иодида;
исследование льдообразующих свойств солей тетрабутиламмония бромида и иодида, растворенных во фреоне 134 а;
разработка и использование в лабораторных условиях генераторов атмосферных аэрозолей. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: впервые определены оптимальные пороговые уровни концентрации солей тетрабутиламмония бромида и иодида, растворенных во фреоне, позволяющие получить максимальный выход ледяных кристаллов;
впервые разработаны и внедрены устройства для введения жидкого аэрозоля в облачную камеру, позволяющие моделировать процесс воздействия льдообразующих частиц на облачную среду. Разработанные устройства отличаются от известных, простотой конструкции и возможностями, обеспечивающими внесение микродоз жидкого реагента в камеру исследования облачных процессов. Эти устройства защищены патентами РФ. Практическая ценность представленной работы состоит в том, что:
полученные результаты по исследованию естественных льдообразующих ядер позволяют определить их влияние на облакообразование и интенсивность их образования;
результаты, полученные по исследованию растворов солей тетрабутиламмония бромида и иодида показали, что растворы этих солей имеют высокий выход кристаллов порядка 1011 г"1, высокую скорость проявления ледяных кристаллов 10-15 с и высокую пороговую температуру - -1,5 С, что позволяет рекомендовать их использование для активных воздействия на туманы и облака;
- разработанные устройства для распыления растворов реагентов под
давлением обеспечивали условие внесения в камеру микродоз
жидкого реагента для исследования облачных процессов.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
результаты исследования естественных льдообразующих ядер, находящихся в облаке и околооблачном пространстве;
результаты исследования льдообразующих и конденсационных свойств солей тетрабутиламмония бромида и иодида, растворенных во фреоне 134а;
устройства для внесения жидкого реагента, позволяющие контролировать количество внесенного реагента в облачную камеру.
Личный вклад автора
Автором работы при научном руководстве руководителя были получены следующие результаты:
Систематизированы и обобщены материалы по исследованию концентрации естественных льдообразующих ядер в зависимости от температуры, пересыщения и размера.
Исследованы льдообразующие и конденсационные свойства растворов солей тетрабутиламмония во фреоне 134а.
Разработаны устройства для распыления жидких реагентов в атмосферу, которые защищены патентами РФ.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы докладывались на;
Межрегиональной конференции молодых ученых «Перспектива». Нальчик, 2002;
Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям гидрометеорологические процессы. Нальчик, 2001;
Конференция молодых ученых КБНЦ РАН, Нальчик 2002;
Региональной конференции «Теоретические и прикладные проблемы современной физики ». Ставрополь, 2002;
Конференции молодых ученых Высокогорного геофизического института, посвященной 90-летию Г.К. Сулаквелидзе. Нальчик, 2003.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 145 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков, 17 таблиц. 'Список литературы содержит 107 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы, приводится научная и практическая значимость, новизна полученных результатов, а также апробация работы.
В первой главе дается анализ основных работ о происхождении, источниках, размере, географическом распределении, температурном пороге образования кристаллов и других свойствах естественных льдообразующих ядер. Анализируется аппаратура и методика измерения концентрации естественных льдообразующих ядер. А также приводится анализ основных работ по исследованию органических льдообразующих веществ и веществ, имеющих клатратную структуру.
Во второй главе описывается комплекс аппаратуры для исследования естественных и искусственных льдообразующих ядер. Приводится методика исследования льдообразующих свойств естественных и искусственных льдообразующих ядер. Рассматриваются конструкции устройств для распыления жидкости под давлением и для распыления жидкости в атмосферу.
В третьей главе рассматриваются результаты, полученные в ходе экспериментов: распределение льдообразующих ядер по размерам и зависимость их активности от температуры и пересыщения относительно
льда. Исследование роли льдообразующих 'ядер в зарождении градин в облаках. Приведены результаты экспериментов по исследованию льдообразующей эффективности тетрабутилламония бромида и иодида, а также исследованы их конденсационные свойства. В заключении даны основные выводы к работе.
Идентификация, источники, суточные, сезонные и географическое распределения естественных льдообразующих ядер
Идентификация, источники, суточные, сезонные и географические распределения естественных льдообразующих ядер. Для выяснения природы естественных льдообразующих ядер необходимо знать их структуру и химический состав. С этой целью разными исследователями производилась идентификация льдообразующих ядер с помощью электронного микроскопа, электронной дифракции и специальными химическими тестами. Рядом исследователей [72, 82, 86, 93] применялся электронный микроскоп для изучения твердых частиц, обнаруженных в центре естественных снежинок и ледяных кристаллов, взятых из перистых облаков. Идентификация проводилась на основании сходства внешнего вида ядра с частицами известной структуры. В исследованиях было обнаружено, что центральные ядра снежинок и ледяных кристаллов содержат частицы почвы (в основном глины), гироскопические частицы (хлористый натрий), продукты горения и микроорганизмы, т.е. вещества земного и океанического происхождения. Было также замечено, что среди обычных минералов частицы глины являются наиболее эффективными льдообразующими ядрами.
При этом частицы глины наиболее активны из всех исследованных минералов. Однако, есть определенные причины сомневаться, всегда ли «центральные частицы» являются активными льдообразующими ядрами. Эти причины основаны на следующем: 1. Исследование звездчатых и шестигранных пластинок снега показало, что их центральная часть имеет диаметр 20-30 мкм и содержит как крупные, так и большое количество мелких частиц диаметром от ,005 до 0,3 мкм. При этом предполагалось, что центральные крупные частицы являются активными льдообразующими ядрами, а мелкие- ядрами конденсации. 2. Замечено, что большинство центральных ядер представляют собой агрегированные частицы. Из них максимальная по размеру частица, состав которой определяется электронной дифракцией, является неактивной частицей, к которой прикрепляется истинное ледяное ядро. 3. При изучении колончатых и игольчатых снежинок обнаружено, что в них отсутствует «центральная часть», и поэтому образование твердой фазы в этих случаях еще не получило своего объяснения. 4. Большой процент «центральных ядер» составляют гигроскопические ядра и ядра продуктов, у которых слабо проявляются льдообразующие свойства. Многочисленные эксперименты по определению природы центральных ядер снежинок и ледяных кристаллов показали, что они имеют самое различное происхождение (земное, океаническое, антропогенное). Для получения данных о льдообразующей активности различных веществ изучались их пороговые температуры. Суладжем и другими исследователями [98] в холодной камере определялась льдообразующая активность таких веществ как песок, глины, силикаты, различные золы, окислы, всевозможные смолы и метеоритная пыль. Было замечено, что порог кристаллизации исследуемых веществ лежит в интервале температур от -3 до -25 С.
При этом морской песок, пыль с мостовых, различного рода глины, а также некоторые виды спор имеют наиболее высокий порог кристаллизации (-3- -5 С) и, по-видимому, играют определенную роль в образовании облаков и осадков. Косвенным доказательством того, что почва является основным источником льдообразующих ядер являются результаты работ [83, 84, 103]. В них показано, что существует четкая связь между годовым выпадением осадков и вулканической деятельностью. В тоже время на Гавайях и в других частях света [65] не было обнаружено связи между извержением вулканов и увеличением концентрации льдообразующих ядер, т.е. некоторые вулканы могут являться местными источниками льдообразующих ядер, тогда как вулканическая деятельность в целом не оказывает существенного влияния на годовой баланс этих ядер. Имеется обширный материал об индустриальных [62, 89, 95] и транспортных [78, 79] источниках льдообразующих ядер. При этом замечено, что частицы, образованные от этих источников, делятся на две группы: органические и минеральные. К первой группе относится сажа, различные смолы, выхлопные газы, которые не обладают льдообразующей активностью. Вторая группа- шлаки, поставляющие ядра, подобные земным, но они выделяют их с большими концентрациями неактивных частиц первой группы, или же попадают в очень загрязненный воздух и теряют свою льдообразующую активность. Однако, было сделано предположение что по крайней мере часть этих ядер не теряет своей активности, когда они выходят из очень загрязненного воздуха, в котором образовались. В настоящее время доказано, что электрические сталелитейные заводы [77, 89] производят огромное количество активных льдообразующих ядер, концентрация которых варьируется в этих районах от 10 і до 10 і частиц на литр. Размеры этих ядер очень малы (от 0,01 до 0,1 мкм) и они способны переноситься на большие расстояния.
Предполагается, что эти частицы сдерживают или обретают активность только при определенной влажности или загрязненности воздуха. Несмотря на то, что исследованию льдообразующих ядер морского происхождения посвящено много работ, до настоящего времени многие вопросы остаются до конца не решенными. Авторы ряда работ [62, 87, 103], проводя лабораторные и натурные эксперименты, пришли к выводу, что и океаны могут быть источником льдообразующих ядер. Другие исследователи [73, 83, 92] пришли к совершенно противоположному выводу, и поэтому результаты, приведенные в работах [61, 84], должны иметь только местное значение и требует дальнейшего более убедительного объяснения. Возможно, что молнии, способствуют появлению некоторого количества льдообразующих ядер в тех же самых облаках, в которых они зарождаются. Молнии могут быть частично ответственны за резкое изменение льдообразующей активности, наблюдающейся во время штормов. Объяснение такому явлению, по видимому, следующее: температура накала молнии достаточно высокая, и пыль, которая там находится, сгорает. При этом происходит окисление частиц, льдообразующая активность которых достаточно высока. Существует предположение, что кроме земных источников льдообразующих ядер имеются еще и космические [68, 75, 96]. В частности, Бовен [68] установил связь между метеоритными ливнями и осадками максимальной интенсивности. При этом выпадение осадков наблюдалось через 30 дней после прохождения метеоритного ливня. 30-ти дневное запоздание объясняется временем, необходимым для переноса частиц из стратосферы до уровня возникновения облаков, где они могут стимулировать дождь, действуя как льдо образующие ядра. При удалении от своего источника льдообразующие ядра могут сменить свою первоначальную активность под действием различных внешних факторов.
В связи с этим, весьма важным является вопрос о временном (суточном и сезонном) и глобальном распределении концентрации льдообразующих ядер. Этому вопросу посвящено ряд работ [12, 64]. При изменении концентрации льдообразующих ядер оказалось, что ее величина может в течении длительного времени изменяться незначительно (не более чем в 2 раза). Затем через какой-то промежуток времени происходило значительное увеличение концентрации льдообразующих ядер (иногда более, чем на три порядка). В ряде случаев, такое увеличение не сопровождалось изменением метеорологических параметров атмосферы. Приток воздушных масс, прохождение холодных или теплых фронтов не обуславливаются наличием местных или промышленных источников аэрозолей. Такие изменения наблюдались на отдельных островах, на вершинах гор, на различных высотах и являются характерными для любых частей земного шара. Общая закономерность изменения концентрации льдообразующих ядер со временем показана на рис. 1.1. Более поздние измерения [26], проведенные в различных физико-географических районах, таких больших значений концентрации (25-30 л4) льдообразующих ядер не показали даже в наиболее загрязненных промышленных районах. Вирт [12] в течение шести месяцев проводил эксперименты по определению сезонного изменения концентрации льдообразующих ядер с помощью модифицированной камеры смешения. Измерения проводились в широком диапазоне температур, от -20С до -30С. Результаты по определению концентрации льдообразующих ядер, полученные за шесть месяцев, с марта по август, для температуры -20С приводятся в таблице 1.2.
Методика исследования конденсационных и льдообразующих свойств естественного аэрозоля
По литературным данным [73, 99], активации аэрозольных проб в термодиффузионной камере осуществляется следующим образом. Образец с пробой устанавливается на нагретый столик, чтобы над пробой было недосыщение относительно льда. Затем поверхность льда (источник водяного пара) охлаждается до температуры ниже намеченной для проявления. После устанавливается нужная температура столика (образца), а температура льда повышается, вследствие чего влажность над аэрозольной пробой увеличивается. В этих условиях происходит нуклеация льда на аэрозольных частицах. Полученные кристаллы до 40 мин. вырастают до видимых размеров и легко могут быть сосчитаны в микроскоп или невооруженным глазом через окно в крышке камеры. Эта методика привлекает своей простотой и высокой точностью статирования температур и пересыщений. При заданной температуре образца можно исследовать льдообразующую активность аэрозоля в зависимости от влажности (пересыщения). Но при этом изменение температуры поверхности льда должно осуществляться медленно, чтобы из-за ограниченной скорости диффузии над образцом успевало устанавливаться давление водяного пара, соответствующее температуре льда. Сток водяного пара, обусловленный процессами конденсации и роста кристаллов, может происходить быстрее, тем самым нарушая расчетный режим работы камеры. Г. Лангер, используя процессы, происходящие в термодиффузионных камерах, сделал заключение, что при низких температурах, когда мало насыщение давления пара, это явление может быть особенно заметным [90]. По его мнению, при температуре -20С над аэрозольной пробой трудно получить пересыщение относительно воды из-за стоков водяного пара.
Одним из недостатков методики осаждения аэрозольной пробы на подложки с последующим проявлением их в термодиффузионных камерах является то, что концентрация аэрозольных частиц на подложке значительно выше, чем в атмосфере. Причем, в природных условиях аэрозоль, поднимаясь вверх, охлаждается, и влажность воздуха повышается во всем объеме, давая «пищу» для возникновения и роста водяных капель и кристаллов. В термодиффузионной камере источник водяного пара находится на большом расстоянии от аэрозольной пробы, В виду малой скорости диффузионных процессов и большой скорости конденсационного поглощения возникает дефицит водяного пара, и между ядрами конденсации и льдообразующими ядрами происходит острая борьба за него. В этой конкуренции чаще всего побеждают ядра конденсации, т.к.: 1)конденсационные процессы на гигроскопических частицах начинаются при влажности 70%; 2) они имеют более высокую конденсационную активность; 3) их количество значительно больше - на одно льдообразующее ядро приходится 10 ядер конденсации. Поэтому нуклиация ледяных кристаллов в термодиффузионных камерах происходит с затруднением, а на слабо активных ядрах кристаллы могут вообще не возникнуть. Это явление получило название «объемный эффект», т.к. оно резче проявляется с ростом объема забранной пробы из-за увеличения общего количества ядер конденсации. Для предотвращения ранней конденсации водяного пара до достижения насыщения закрыли его доступ к пробе во время охлаждения столика.
Устройство, обеспечивающее работоспособность этой методики, представляет собой небольшое добавление к обычной термодиффузионной камере «Град-3» [1, 7, 10]. На предметный столик установлен металлический зеркальный диск с аэрозольной пробой, закрываемый сверху тонким гидрофобным экраном. Определим, за какое время влажность в камере над аэрозольной пробой повысится до расчетной после установления температуры увлажнения. Оно будет равно времени выравнивания концентрации водяного пара над увлажнителем пробы. Если An - среднее отклонение концентрации молекул водяного пара от равновесной в объеме камеры F, то VAn- недостаток молекул в объеме по сравнению с равновесным их числом. Поток молекул водяного пара J„ поступает в объем камеры через площадь поверхности увлажнения S в течении некоторого времени /. Поэтому изменение числа частиц внутри объема в течении dt равно Vd(An) = J„Sdt (2.2) Используя уравнение Фика J = -D— (2.3) dx а также тот факт, что концентрация молекул водяного пара п в объеме камеры мала по равнению с концентрацией молекул воздуха (можно dn Д», принять, что — — ), получим dx 1н = - Д (2.4) dt ия Здесь Л-коэффициент диффузии, а /„-расстояние от увлажнения до пробы. Разделив переменные и проинтегрировав, получим - - VI - Ап = (Дп)0е У1п (2.5) Таким образом, изменение концентрации водяного пара в камере со DS временем определяется выражением (2.4). Оно зависит от величины , постоянной для данной камеры, обратная ей т = -, (2.6) DS имеет размерность времени и называется временем релаксации для концентрации водяного пара. Подставив t = т в (2.5), найдем, что разность концентрации водяного пара Дя между насыщающей и действительно существующей в камере становится равной Ди//, т.е. уменьшается в / раз по сравнению с начальной. Подставив в последнее выражение параметры камеры _ю=0,221смг/с; 5=150 см2; /я=2см; V=330 см3, получим т = ж20с (2.7) Таким образом, разности концентрации Дл молекул водяного пара над пробой и увлажнителем камеры происходит по экспоненциальному закону с постоянным временем » 20с, т.е., через 20 секунд начальная разность конденсации уменьшается в 2,7 раза, через 40 секунд- в 7,4 раз, через бОсек.- в 20 раз.
Следовательно, удерживая камеру в установленном режиме в течении 5-10 минут, мы можем с уверенностью полагать, что над пробой установилось необходимое давление водяного пара, т.к. стенки, металлические поверхности камеры и проба закрыты поролоном, приостанавливающим истощение пара. Установив рабочую температуру поверхности льда, закрываем доступ водяного пара к аэрозольной пробе тонкой гидрофобной крышкой, а затем снижаем ее температуру до рабочей. Так как проба закрыта и в камере никаких других стоков пара нет, то во всем объеме камеры устанавливается расчетное давление пара, соответствующее насыщению надо льдом при температуре источника пара. После достижения стационарности парового поля аэрозольную пробу открывают и она оказывается в атмосфере расчетного давления водяного пара; происходит «паровой удар», т.е. быстрое внезапное увлажнение пробы. Водяного пара достаточно для активизации, как ядер конденсации, так и для менее активных в конденсационном отношении льдообразующих ядер. Поэтому на ядрах конденсации возникают зародыши водных капель, а на льдообразующих ядрах зародыши ледяных кристаллов. Дальнейший рост возникших зародышей зависит от их фазового состояния, и он регулируется разностью насыщающих давлений водяного пара надо льдом и водой. Надо льдом давление ниже, чем над водой, поэтому термодинамический рост ледяных кристаллов более выгоден. Кристаллы быстрее поглощают пар из объема камеры. Происходит также диффузионная перегонка водяного пара с капель. При этом кристаллы расширяются, а водяные капли вокруг них испаряются, образуя дворики-чистое пространство на сплошном фоне мелких капелек. При таком способе активации проба сразу попадает в расчетные условия температуры и влажности. Поэтому активизируются все льдообразующие ядра, способные образовать ледяные кристаллы при данной температуре и пересыщении, и в конкуренции за пар выживают все ледяные кристаллы, давая верные сведения о льдообразующей активности исследуемых аэрозолей. Через 10-15 минут после открытия крышки их вполне можно сосчитать в длиннофокусный микроскоп. Забор проб осуществлялся трехкаскадным импактором [2, 9]. Импактор позволяет повысить точность определения льдообразующей эффективности аэрозолей. Это достигается тем, что отбор аэрозоля осуществляют на локальный участок неподвижной подложки , а затем -на всю поверхность при ее вращении. Для этого подложка выполнена в виде диска, на нем установлен плунжер, снабженный сеткой.
Устройство для распыления жидкости в атмосферу
Известны различные конструкции устройств для распыления жидкости, находящейся под давлением, в атмосферу. Они содержат распылитель для создания мелко диспергированной жидкостной струи, подключенный к источнику жидкости и к источнику сжатого воздуха [28,29]. Известные устройства конструктивно сложны и предназначены, в основном, для распыления в атмосферную среду таких жидкостей как вода и водные суспензии. Наиболее близким по технической сущности к устройству для распыления жидкости в атмосферу является устройство для распыления в атмосферу точно отмеренных порций жидкости, содержащее источник жидкости, сопло для его распыления, трубу, связывающую источник с соплом, а также дозирующий поршневой насос, создающий давление в трубопроводе, с системой автоматического управления расходом жидкости [28, 29]. В этом устройстве производительность насоса определяется частотой перемещения поршня.
Для измерения данной частоты вал насоса снабжен специальным датчиком, который позволяет измерять частоту перемещения приводного вала, а, следовательно, и частоту перемещения поршня. Электрический сигнал, поступающий с датчика, сравнивается с задающим сигналом, и в результате получается разностный сигнал, который характеризует производительность насоса. Известное устройство имеет чрезвычайно сложную конструкцию и ограниченные возможности, поскольку может быть использовано для непрерывного распыления в атмосферу значительных объемов жидкостей, причем жидкостей, давление паров которых не превышает атмосферное. Для внесения же микродоз жидкого реагента в камеру на уровне объемов 10" - 10" мм устройство непригодно, что сдерживает выполнение многих перспективных работ по исследованию процесса эволюции переохлажденного тумана при воздействии на него хладореагентами. Техническим результатом [4] от использования устройства для распыления жидкости в атмосферу является упрощение его конструкции и расширение функциональных его возможностей, при которых обеспечивались бы условия внесения в камеру исследования облачных процессов микродоз жидкого реагента на уровне объемов I0 2- 10 1 мм3. Этот результат достигается, во- первых, тем, что в известном устройстве для распыления жидкости в атмосферу, содержащем баллон с жидкостью, находящийся под давлением, выпускной патрубок с запорным органом и распылитель, между выпускным патрубком и распылителем размещен мерный капилляр с калиброванным отверстием и шкалой деления, при этом устройство содержит второй запорный орган, при мыкающий к выходному отверстию распылителя, и связанный с ним привод. Во- вторых, тем, что второй запорный орган выполнен в виде трубчатого кронштейна, и содержит на одном конце шток с упругим наконечником, подпружиненный к выходному отверстию распылителя, при этом трубчатый кронштейн прикреплен другим свободным концом к корпусу баллона и охватывает мерный капилляр снаружи.
В третьих, тем, что мерный капилляр выполнен из стекла с отверстием канала, составляющим преимущественно 0,1-0,5 мм.( Сущность устройства поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства для распыления жидкости в атмосферу. Устройство содержит баллон 1 с жидким реагентом 2, в качестве которого может быть .использован, например, фреон 134а с солями тетрабутиламмония. Устройство содержит также патрубок 3, к выпускному отверстию 4 которого примыкает запорное устройство 5, выполненное в виде игольчатого вентиля. В верхней части баллона 1 размещена заглушка 6, по оси которой установлен заправочный узел 7 с обратным клапаном (клапан на рисунке не показан). К выпускному патрубку 3 с помощью резьбового соединения 8 прикреплен трубчатый кронштейн 9 с симметрично расположенными по бокам смотровыми окнами 10. По оси трубчатого кронштейна размещен мерный капилляр 11 со шкалой 12 и калиброванным отверстием, 13, имеющим диметр 0,1-0,5 мм. Конец мерного капилляра 11 выполнен суженым и представляет собой по существу распылитель 14. Размещенный в патрубке 3 конец мерного капилляра 11 содержит жестко прикрепленный к нему фланец 15. Между корпусом баллона 1 и фланцем 15 размещен упругий уплотнитель 16 с центральным отверстием 17, совмещенным с выпускным отверстием патрубка 4. Трубчатый кронштейн 9 содержит на конце запорный орган в виде штока 18 с упругим наконечником 19, прижатым к концу распылителя 14 с помощью пружины 20. Шток 18 размещен по оси фиксирующей головки 21, снабженной смотровыми окнами 22. Фиксирующая головка 21 прикреплена к концу трубчатого кронштейна 9 с помощью резьбового соединения 23. Шток 18 на выходе содержит стопорную гайку 24, с которой связан привод, выполненный в данном случае в виде рычажной вилки 25, примыкающий к гайке 24 снизу. Свободный конец рычажной вилки 25 связан посредством тяги 26 со спусковым крючком 27, шарнирно прикрепленным к стопорному кольцу 28. Стопорное кольцо 28 размещено между трубчатым кронштейном 9 и патрубком 3. Устройство для распыления жидкости в атмосферу [4] работает следующим образом. Перед применением устройства, в баллон 1 через заправочный узел 7 вводят жидкий реагент, в качестве которого может быть применен, например фреон 134а,. у которого давление насыщенных паров при комнатной температуре составляет 7 атмосфер. После заправки устройство устанавливают распылителем 14 вниз и, нажимая на спусковой крючок 27, открывают выпускной канал распылителя 14. При этом жидкий реагент 2 под давлением насыщенных паров поступает в канал мерного капилляра 11, вытесняя при этом через распылитель 14 наружу газовый состав, находящийся в его полости. Все это контролируется визуально через смотровое окно 10 кронштейна 9. После заполнения канала 13 жидкостью 2, устройство устанавливают таким образом, чтобы распылитель 14 был выше уровня жидкости в баллоне 1.
После этого, нажимая на спусковой крючок 25, устанавливают жидкость 2 в мерном капилляре на уровне меток шкалы измерения 12. После завершения указанных операций устройство готово к применению. При применении устройства, предварительно по шкале 12 через смотровое окно 10 фиксируется положение уровня жидкости в мерном капилляре 11. Затем конец распылителя 14 вводится через специальный проем в камере для исследования облачных процессов (камера и проем на рисунке не показаны) и, нажимая спусковой крючок 27, осуществляют впрыскивание жидкости 2 в камеру. Объем введенной в камеру жидкости определяется по показаниям шкалы 12. Например, если уровень жидкости переместился по шкале на 5 мм, то согласно расчетам объем введенной жидкости в камеру, при диаметре отверстия капилляра 1,1 мм, составит 0,04 мм3. Таким образом, предложенное техническое решение выгодно отличается от известных простотой конструкции и возможностями, обеспечивающими внесение микродоз жидкого реагента в камеру исследования облачных процессов. 2.6 Устройство для распыления жидкости под давлением Известны различные конструкции устройств для распыления жидкости под давлением в атмосферу, содержащие распылитель для создания мелко диспергированной жидкостной струи, подключенный к источнику жидкости и к источнику воздуха [30,31]. Известные устройства конструктивно сложны и предназначены в основном для распыления в атмосферную среду таких жидкостей как вода и водные суспензии. Наиболее близким по технической сущности к устройству для распыления жидкости под давлением является устройство для распыления жидкости, содержащие баллон с жидкостью, находящийся под давлением, и размещенный в горловине выпускной патрубок с запорным устройством и распылителем [31]. Известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку в нем расход жидкости в процессе распыления остается постоянным и не контролируется. Кроме того , расход жидкости остается достаточно большим, что исключает его применение в исследовательской практике, где объемы распыляемой жидкости должны быть ничтожно малыми и составлять порядка 10" -10 мм , а сам процесс должен быть управляемым.
Концентрация атмосферных льдообразующих ядер в облаках и их окрестностях
Измерение концентрации льдообразующих ядер в свободной атмосфере всегда старались связать с кристаллизацией облака в районе измерения. Интерес к измерению непосредственно повысился в связи с открытием значительного превышения концентрации ледяных кристаллов над концентрацией льдообразующих ядер в окрестности облака. Для объяснения этого факта были предложены различные механизмы размножения льда в облаке. Известны случаи обычного соответствия концентрации кристаллов и льдообразующих ядер. Кристаллы образуются на ядрах кристаллизации или контактных ядрах и их концентрация зависит от температуры вершины облака. С другой стороны, были отмечены повышенные концентрации льдообразующих ядер в нисходящем потоке, а затем и в восходящем. В ВГИ были проведены эксперименты по измерению концентрации льдообразующих ядер в облаках и их окрестностях [47, 52]. На рис. 3.10 приведены осредненные вертикальные профили относительного изменения концентрации аэрозольных частиц и льдообразующих ядер в различных диапазонах размеров. Кривые 1, 2, 3 - аэрозольные частицы, осажденные на первом, втором и третьем каскадах импактора; 4, 5, 6 - ледяные ядра соответственно в тех же диапазонах размеров. Кривая 7 — ядра Айткена, измеренные с помощью счетчика Шольца. В каждом опыте определялся среднеквадратичный диаметр частиц для каждого каскада.
Усредненный по всем измерениям среднеквадратичный диаметр cfe составлял для первого каскада 10мкм, для второго -2мкм и для третьего -0,2 мкм. Для наглядности концентрации отражены в относительных единицах N/No, где N -концентрация аэрозольных частиц на высоте Н, a No, -концентрация этих частиц у поверхности земли. Для построения кривых использовалось около тридцати зондировочных полетов на Северном Кавказе. Как видно на рис.3.10, скорость уменьшения концентрации аэрозольных частиц с высотой зависит от их размеров. Максимальное убы-вание наблюдается для ядер Айткена, с увеличением размеров наклон кривых увеличивается, достигая максимума для частиц с d2=10 мкм и 2 мкм. Приведенные осредненные вертикальные профили концентрации естественного аэрозоля различных размеров удовлетворительно описываются формулами (3.15) и (3.16), выведенными из уравнения переноса ядер для стационарного состояния атмосферы и отсутствия горизонтальных градиентов концентрации и вертикальной составляющей скорости ветра [60]: NZ=N0— ГДЄС= 6УО аЛГ0, І 2 меняется от 0,6 до 2 [40], к, сс - коэффициенты турбулентной диффузии и коагуляции; и- скорость осаждения частиц Nz=N0e" (3.16) Эти формулы удовлетворительно описывают убывание ядер Айткена и гиганских ядер. Из рис. 3.10 видно, что уменьшение с высотой концентрации ЛОЯ во всех диапазонах размеров происходит медленнее, чем ядер Айткена, крупных и гигантских ядер..
Более медленное убывание концентрации льдообразующих ядер по сравнению с концентрацией всех аэрозольных частиц в тех же диапазонах размеров наблюдается и для других районов. На рис. 3.11 приведены осредненные вертикальные профили относительной льдообразующей активности ANJM/ANA4 ДЛЯ Крыма, Черноморского побережья Кавказа, степных и предгорных районов Кавказа, где ANJM -концентрация ЛЯ в данном диапазоне размеров (на соответствующем каскаде импактора), ДКдч -концентрация всех частиц в этом интервале. Как видно из рисунка, относительная концентрация ЛЯ для всех районов и для всех размеров увеличивается с высотой. Более медленное убывание с высотой концентрации ЛЯ по сравнению с концентрацией всех АЧ соответствующих размеров, т.е. повышение относительной льдообразующей активности, можно объяснить следующими факторами; 1. В нижней тропосфере, на высотах 500-2500м над уровнем моря, постоянно возникают слои инверсий, изотермии, здесь же расположены основания облаков различных форм, накапливающих аэрозольные частицы, а повышение концентрации влечет за собой повышенную коагуляцию. Под влиянием постоянно образующейся и рассеивающейся облачности происходит изменение концентрации и спектра размеров частиц. В результате оседания отдельных частей облака и облачных слоев капли испаряются, оставляя накопленные ими примеси в виде укрупненных частиц. Наклон кривых распределения по размерам уменьшается, а иногда даже образуется второй максимум в области крупных и гигантских частиц [45]. В результате увеличения средних размеров частиц в исследуемых интервалах (по каскадам) льдообразующая активность их увеличивается [44]. К тому же, под влиянием облачности меняется не только микроструктура, но и физико-химические свойства аэрозоля, в результате чего также могут усилиться его льдообразующие свойства.. Изменение микроструктуры аэрозоля в результате взаимодействия с облаками рассматривалось также в работе [24]. 2. Из-за малых концентраций льдообразующих ядер уменьшение их количества за счет коагуляции друг с другом пренебрежимо мало. В то же время концентрация других аэрозольных частиц всех размеров, как отмечалось выше, убывает быстро за счет коагуляции и седиментации. Одиночные акты коагуляции ЛЯ с другими АЧ не изменяют их активности или повышают ее, тогда как для уменьшения активности ЛЯ должны накопить значительный процент растворимого компонента [8, 39] , что может произойти в результате многократной коагуляции с ядрами конденсации или при коагуляции с гигантской растворимой частицей; и то и другое маловероятно. - 3. Известно, что большое содержание в частицах растворимого компонента при образовании капли препятствует льдообразованию [36, 38] . Однако, из атмосферы прежде всего происходит удаление растворимых и смешанных ядер, имеющих значительную растворимую составляющую, т.е. частиц, имеющих минимальные льдообразующие свойства. 4. Возможно, в атмосфере в результате фотохимических и других реакций возникают ядра кристаллизации или имеющиеся частицы приоб ретают льдообразующие свойства. . В табл.3.8 приведены результаты наших измерений льдообразующих ядер в облаках и их окрестностях.
Результаты так сильно различаются, что их трудно систематизировать. Здесь имеются случаи как повышения концентрации под облаком, так и ее снижения. Это же относится к внутри облачному объему и над его вершиной. Тот факт, что концентрация аэрозоля в большинстве случаев максимальна под облаком и минимальна над ним, а концентрация льдообразующих ядер имеет приблизительно одинаковые значения, говорит о наличии еще не понятого механизма повышения активности аэрозоля в облаке. Из литературных источников известны случаи регистрации высокой льдообразующей активности частиц из аэрозольных осадков градин [106], крупы [50], капель дождя [106], облачных капель [78], в нисходящих потоках облака [78]. В одних случаях это связывают с коагуляцией нерастворимых частиц с высокодисперсными ядрами конденсации, содержащимися в элементах облаков и осадков, в других -наоборот - с их сбрасыванием, думается, что процесс изменения активности ядер тесно связан с переводом гидрофобных и гидрофильных частиц в смешанные, содержащие на своей поверхности как конденсационно, так и льдообразующе активные центры. Первые из них накапливают влагу на поверхности частиц, а вторые трансформируют ее в лед. Когда растворимые высокодисперсные частицы полностью покрывают поверхность частицы - коллектора, то она теряет свои льдообразующие свойства. В случае полного сбрасывания этих частиц теряется гидрофильная компонента - частица с трудом адсорбирует Таблица 3.8 Концентрация льдообразующих ядер в окрестностях облаков. Н - нижняя, В - верхняя границы облака.
