Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор и сопоставление различных методов исследований минеральных аэрозолей 13
1.1 Минеральные аэрозоли в окружающей среде 13
1.2 Крупномасштабный перенос частиц азиатской пыли 14
1.3 Значимость процесса фонового переноса частиц 15
1.4 Химические преобразования пылевых частиц, происходящие в результате лабораторных экспериментов и в полевых условиях 16
1.5 Необходимость изучения тропосферных аэрозолей 17
1.6 Методы исследования тропосферных аэрозолей 18
Глава 2 Техника эксперимента 23
2.1 Техника сбора образцов 23
2.2 Техника анализа образцов 27
2.3 Обработка результатов анализа 32
2.4 Месторасположение и условия сбора образцов 33
Глава 3 Определение концентраций и потоков аэрозоля в тропосфере над Японией на основе анализа образцов 36
3.1 Процедура вычисления концентрации частиц 36
3.2 Распределение количества и объема частиц по размеру во время сбора образцов 37
3.3 Типы частиц, зарегистрированные в результате экспериментов в свободной тропосфере над Японией 43
3.4 Вычисленные концентрации зарегистрированных типов частиц 50
3.5 Вычисленные фоновые потоки аэрозоля 53
Глава 4 Натурные частицы минеральной пыли в Тунфане (Китай) 58
Глава 5 Химически преобразованные частицы минеральной пыли над Японией 65
5.1 Морфологические характеристики минеральных частиц над Японией. 65
5.2 Сравнение химического состава частиц над Японией и в Тунфане ... 70
5.2.1 Схожие частицы 73
5.2.2 Значительно преобразованные частицы 74
5.2.3 Незначительно преобразованные частицы и суммарная доля преобразованных частиц 78
5.3 Сравнение с данными химического анализа и инфракрасной (FTIR) спектроскопии 81
5.4 Механизмы формирования для внутренне-смешанных частиц 82
Заключение 84
Библиография 87
- Значимость процесса фонового переноса частиц
- Обработка результатов анализа
- Типы частиц, зарегистрированные в результате экспериментов в свободной тропосфере над Японией
- Сравнение химического состава частиц над Японией и в Тунфане
Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы
С древних времен до наших дней пустыни всего мира поставляют большое количество частиц минеральной пыли в атмосферу. Воздушные течения могут переносить эти частицы на тысячи километров от их источника. Минеральные частицы считаются важной составляющей атмосферы из-за их роли в глобальном биогеохимическом цикле и из-за их прямого и косвенного влияния на климат Земли.
Однако, до сих пор влияние минеральных аэрозолей на климат не изучено полностью. Более того, до сих пор не ясно, в целом положительный или отрицательный вклад в радиационный баланс вносят минеральные аэрозоли. Этот вклад, а также влияние частиц на биогеохимический цикл сильно зависят от множества связанных и несвязанных между собой параметров, таких как взаиморасположение пылевых слоев и облаков во время крупномасштабного переноса, состав и концентрация сопутствующих газов и аэрозолей других типов, и так далее. Отмечено, что минеральные частицы могут претерпевать изменения за время переноса, причем влияние минеральных частиц на радиационный процесс и биогеохимический цикл находятся в зависимости от этих изменений.
За время изучения минеральных аэрозолей, в особенности в последние годы, характеризующиеся бурным развитием вычислительной техники, было построено множество региональных и глобальных моделей их поведения, однако ни одна из них не способна дать полностью корректное описание из-за ограниченности данных, использующихся для построения модели. В основном имеющиеся в настоящее время данные получены в результате наземных измерений и дистанционного зондирования, причем данные, как правило, описывают аэрозоль в целом, обходя вниманием состояние отдельных частиц, ввиду существенной сложности их анализа. Однако во многих целях совершенно необходимо привлекать информацию об индивидуальных частицах в связи с тем, что многие эффекты, связанные с минеральным аэрозолем, могут быть корректно описаны только с использованием этой информации.
Состояние и краткая история вопроса
Уже длительное время крупномасштабный перенос пылевых частиц обсуждается многими исследователями. Значительная часть земной поверхности может быть отнесена к аридному типу. Широкий спектр исследований, связанных с аэрозолями, проводился для среднеазиатских пустынь советскими и российскими учеными, для Сахары — советскими, американскими и европейскими научными группами. В последние десятилетия сильное внимание специалистов привлекает трансконтинентальный перенос азиатской пыли. Исследователи из разных стран изучают различные аспекты этой проблемы, в частности, отмечают значительное количество азиатских пылевых частиц в различных частях Северо-Тихоокеанского региона: на Японских островах, прибрежных областях Китайского моря, в Корее, в северных тропических областях Тихого океана, в Желтом и Китайском морях и даже на Западном побережье Северной Америки. Наиболее активный перенос осуществляется с конца зимы по начало лета. Большинство исследований переноса частиц азиатской пыли сконцентрированы на изучении сильных пылевых бурь, ввиду большого количества материи, поднимаемой в атмосферу во время этих событий, но некоторые авторы на основании результатов систематических лидарных наблюдений констатируют также значительность фонового переноса минеральных частиц. Однако данных дистанционного зондирования недостаточно для понимания процессов, происходящих во время фонового переноса. Данные же прямых измерений пылевых частиц после крупномасштабного переноса практически полностью относятся к наземным условиям, что обусловлено высокой стоимостью и техническими трудностями тропосферных экспериментов. Лабораторные эксперименты и компьютерные вычисления показывают возможность преобразования минеральных частиц за время переноса в тропосфере, а наземные измерения подтверждают эти прогнозы. Однако информация о состоянии индивидуальных пылевых частиц в тропосфере после переноса практически отсутствует, несмотря на ее актуальность.
Цель работы
Целью данной работы является разработка метода анализа минеральных частиц, позволяющего повысить чувствительность при измерении их концентраций в тропосфере и изучении преобразований этих частиц за время их крупномасштабного переноса.
Задачами данной работы являются:
Разработка эффективного по сравнению с существующими метода исследований индивидуальных минеральных частиц на основе совокупного использования различных физических приборов, пригодного в равной мере для наземных, самолетных и аэростатных измерений.
Определение концентраций аэрозолей различного типа в тропосфере в результате прямых измерений на основе разработанного метода для расширения информации о фоновых условиях свободной тропосферы над Японией.
Проведение ряда экспериментов для получения отсутствующих в настоящее время данных о состоянии минеральных частиц в свободной тропосфере над Японией и их преобразованиях за время крупномасштабного переноса.
Достоверность
Достоверность полученных результатов обеспечивается: -применением современной высокоточной исследовательской техники, ее тщательной калибровкой; -использованием современных теорий и физических представлений о переносе и преобразовании аэрозолей; -сравнением результатов экспериментов с независимыми данными других исследователей: результаты, полученные в ходе самолетных измерений, находятся в хорошем согласии практически со всеми результатами дистанционного зондирования и измерений, проведенных другими методами.
Личный вклад автора
Автор лично разработал комплексный метод анализа минеральных частиц и принял активное участие в проведении самолетных, аэростатных, лидарных и наземных измерений. Автор принял непосредственное участие в получении основных материалов по аэрозольным пробам. Автором выполнен анализ этих проб на электронном микроскопе, данные анализа обработаны по разработанному диссертантом методу. Для получения окончательных результатов исследования были привлечены и сопутствующие методики, такие как измерения распределений аэрозоля по размерам при помощи оптических счетчиков частиц.
Научная новизна работы
Разработан метод, позволяющий на основе прямых измерений определять фоновые концентрации аэрозолей различного вида в тропосфере и исследовать их состояние. Получены ранее отсутствовавшие данные прямых измерений микрофизических и микрохимических параметров фоновых аэрозолей в свободной тропосфере над Японией и впервые прямыми измерениями подтверждена значительность фонового переноса минеральных частиц, предположенная из лидарных измерений.
С помощью разработанного метода впервые проведено комплексное сравнение состояния минеральных частиц вблизи их источника в Китае и в итоге крупномасштабного переноса в свободной тропосфере над Японией, впервые количественно оценены преобразования минеральных частиц за время их переноса в тропосфере.
3. Впервые отмечены существенные различия между состоянием минеральных частиц в тропосфере и вблизи земной поверхности в Японии, что делает неправомерным прямое использование информации наземных измерений о состоянии частиц для описания процессов их переноса.
Научная и практическая ценность работы
Разработанный комплексный метод анализа индивидуальных частиц может быть широко использован в анализе образцов, собранных в результате самолетных, аэростатных и наземных измерений.
Результаты, полученные в данной работе в итоге прямых измерений, позволяют подтвердить важность процесса фонового переноса минеральной пыли в весенней свободной тропосфере над Японией, обнаруженную ранее в результате лидарных экспериментов.
Результаты настоящей работы указывают на необходимость исследования трансформаций минеральных частиц за время их крупномасштабного переноса из-за различного влияния преобразованных и непреобразованных частиц на радиационные процессы.
Полученные результаты могут быть использованы при построении моделей переноса минеральных частиц в Азиатско-Тихоокеанском регионе, а также при учете влияния минеральных аэрозолей на климат и биогеохимический цикл.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Разработанный метод, заключающийся в интегрировании информации о распределении аэрозоля по размерам и результатов физико- химического анализа индивидуальных частиц, дает возможность приближенного определения концентраций аэрозолей различного вида в тропосфере.
Прямые измерения подтверждают предположенный на основе дистанционного зондирования факт, что фоновый перенос минеральной пыли в свободной тропосфере над Японией не может быть пренебрежимо малым.
Разработанный метод исследования индивидуальных минеральных частиц в наземных экспериментах и свободной тропосфере, основанный на комплексном использовании данных электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии и химического анализа одновременно собранных частиц и последующей систематизации результатов, позволяет выявлять преобразования, происходящие за время крупномасштабного переноса минеральных частиц.
Часть минеральных частиц в свободной тропосфере над Японией являются физически и химически преобразованными. Доля преобразованных частиц существенно ниже, чем при наземных измерениях в Японии.
Публикации
По результатам работы опубликовано 20 работ, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах.
Апробация результатов
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и совещаниях: вторая Азиатская аэрозольная конференция (2nd Asian Aerosol Conference), г. Пусан (Ю. Корея), 2001 г., осенняя Японская метеорологическая конференция, г. Гифу (Япония), 2001 г., восьмой Азиатский симпозиум по технологиям окружающей среды (ASET), г. Тояма (Япония), 2001 г., первое международное совещание по пылевым бурям и сопутствующим выпадениям пыли (First International Workshop on Sandstorms And Associated Dustfall (SAAD)), г. Сеул (Ю. Корея), 2002 г., шестая международная аэрозольная конференция (6th International Aerosol Conference), г. Тайпей (Тайвань), 2002 г., девятый азиатский симпозиум по технологиям окружающей среды (ASET), г. Тояма (Япония), 2002 г., второе совещание по совместному Японо-Китайскому проекту «Эксперименты с переносимой ветром пылью и ее влияние на климат» (The Second ADEC Workshop), г. Циан (Китай), 2003 г.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 120 наименований.
После Введения следует глава 1, посвященная методам исследования минеральных аэрозолей. В главе 2 описывается техника сбора и анализа образцов. Глава 3 посвящена вычислению концентраций и потоков частиц минеральной пыли в фоновых условиях, также в ней дискутируется значимость фонового переноса минеральных частиц. В главе 4 описываются особенности частиц минеральной пыли, собранных вблизи их источника (в г. Тунфан, Китай), как характеристики не модифицированных минеральных частиц. Особенности частиц, собранных в тропосфере над Японией, и их сравнение с частицами, собранными в Тунфане, приведены в главе 5. Там также обсуждаются преобразования минеральных частиц за время их крупномасштабного переноса, их (частиц) фоновое состояние и отличия от минеральных частиц в приземном слое атмосферы в Японии.
Значимость процесса фонового переноса частиц
Большинство исследований переноса частиц азиатской пыли сконцентрированы на изучении сильных пылевых бурь, ввиду большого количества материи, поднимаемой в атмосферу во время этих событий. Но некоторые авторы отмечают также значительность фонового переноса минеральных частиц [59, 91,92, 103, 71]. Превалирующий западный ветер весной в тропосфере над Японией переносит аэрозольные частицы с континента; слои «КОСА-частиц» часто регистрируются лидарными измерениями [59, 66, 92], даже в периоды, когда прохождение пылевых бурь не отмечается метеорологическими обсерваториями в Японии и Китае. Кроме того, крупномасштабный перенос минеральных частиц имеет место не только весной, но и в другие сезоны [66, 92]. Результаты самолетных измерений показывают наличие фоновых аэрозольных частиц минеральной пыли, морской соли и сульфатов [74, 103], в большинстве случаев на высоте 3-5 км. Это хорошо согласуется с результатами лидарных измерений. Iwasaka и др. [59] на основе лидарных измерений приблизительно рассчитали концентрации «КОСА-частиц» во время слабых «КОСА-событий» и высказали предположение, что количество пыли, переносимой вне пылевых бурь, не может быть пренебрежимо малым ввиду большого временного масштаба по сравнению с относительно коротким временем для каждой пылевой бури. Но дистанционное зондирование не может обеспечить детальную информацию о частицах пыли, вследствие чего возникает необходимость сравнения данных, полученных в результате дистанционного зондирования, с данными прямых измерений. За время переноса некоторые частицы претерпевают химические изменения. Гетерогенное окисление газообразных материалов, таких как SOx и NOy имеет место на поверхности частиц минеральной пыли, как было подтверждено полевыми измерениями [81, 112, 119, 68] и компьютерными расчетами [41].
Также минеральные частицы могут коагулировать с некоторыми другими типами аэрозолей. Mori и др. [73] лабораторными экспериментами подтвердили возможность химического преобразования кальцита (СаСОз) в пылевых частицах в коктаит ((NH4)2Ca(S04)2 Н2О) и гипс (СаБОд 2Н20) после коагуляции пылевых частиц с частицами сульфата аммония. Wurzler и др. [108] отмечали важность преобразования минеральных частиц во время процессов, происходящих в облаках. В атмосфере пылевые частицы могут изменять свой внутренний состав, смешиваясь с морской солью [77, 44], сульфатами [32, 108], и антропогенными загрязнениями [90, 79] посредством процессов коагуляции с соответствующими типами аэрозолей. Эти химические преобразования носят принципиальный характер, если рассматривать их с точки зрения изменения радиационных свойств и возможностей частиц выступать в качестве ядер конденсации, из-за изменений размеров, формы и поверхностных свойств частиц [69,41, 89, 98]. Измерения тропосферных аэрозолей имеют первостепенную важность, поскольку они играют заметную роль в радиационных процессах и биогеохимическом цикле. Многие научные группы изучают аэрозольные частицы вблизи земной поверхности, поскольку технически это значительно более просто, и стоимость каждого измерения относительно низка в сравнении с измерениями аэрозолей в свободной тропосфере. В настоящее время результаты исследования индивидуальных частиц до и после переноса касаются в основном наземных измерений [80, 83, 44, 119]. Эти результаты используются для выводов о преобразовании частиц за время переноса, но в действительности речь идет о комбинации преобразования за время переноса и преобразования во время осаждения. евозможно четко разделить оба процесса только на основе результатов измерений вблизи земной поверхности.
Но это необходимо выполнить, поскольку состав частиц вблизи поверхности земли отличается от состава частиц в тропосфере, где имеет место перенос. До сих пор поведение частиц Азиатской пыли в свободной тропосфере над Азиатско-Тихоокеанским регионом в ясных погодных условиях подробно не исследовано, несмотря на то, что потенциальный эффект этих частиц обсуждается уже длительное время. Следовательно, необходимо использовать комбинированные результаты различных типов экспериментов, проводимых в различных местах, для более полного понимания феномена переноса частиц минеральной пыли.
Обработка результатов анализа
Было обнаружено, что исследуемые частицы преимущественно состоят из следующих элементов (помимо легких): Na, Mg, Al, Si, S, CI, K, Ca, Ті и Fe [103]. Однако другие элементы, такие как Р, V, Сг, Mn, Zn, Rh, Pt, Hg и др. также были обнаружены в некоторых случаях. Как один из результатов, была вычислена частота детектирования (обнаружения) основных элементов (см. выше). Для анализа отношений между различными элементами в индивидуальной частице были использованы треугольные диаграммы баланса. С целью классификации минеральных частиц по типам, они были разделены в соответствии с их рентгеновским спектром по группам при использовании следующих критериев. Во-первых, для каждой частицы был определен элемент, имеющий наибольший относительный вес (весовое отношение), и частицы были разделены на группы, называемые "X"-rich частицы, где X - название элемента. Далее, внутри каждой группы для каждой частицы элементы были рассортированы по убыванию их весового отношения и отобрано минимальное количество элементов, суммарное весовое отношение Р(Х) которых превышает 65% (P(Xi)+P(X2)+...+P(XN) 0.65), где Р(Х) - отношение предложенное Okada и Kai [83]: Р(Х) = X / (Na+Mg+Al+Si+S+Cl+K+Ca+Ti+Mn+Fe) (2.3) Используя 65% пороговую величину, частицы были разделены на подгруппы, и для каждой подгруппы были вычислены средние весовые отношения элементов и соответствующие стандартные отклонения. Кроме того, данные с оптических счетчиков частиц (ОРС - Optical Particle Counter, англ.) были использованы для построения распределений количества и объема частиц в зависимости от их размера [103]. Результаты химического анализа образцов и инфракрасной (FTIR) спектроскопии были использованы для лучшего понимания природы частиц и вывода корректных заключений. Обратно-направленный анализ траекторий воздушных масс был применен для определения источников частиц, собранных во время самолетных измерений. Аэрозольные частицы были собраны в Тунфане (4009 N; 944ГЕ), Китай, в 2001 и 2002 годах и в свободной тропосфере над Японией (рис. 10). В Тунфане месторасположением сбора образцов были территория Метеорологического бюро г. Тунфан (17 Авг. 2001; 29 Апр. 2002) и пустынная территория вблизи пещер «Могао», приблизительно в 30 километрах от Тунфана (18 Авг. 2001; 18 Окт. 2001; 13 Янв. 2002). 17 и 18
Августа, а также 18 октября 2001г. образцы были собраны в условиях ясной погоды, 13 января 2002г. - в условиях дымки, 29 апреля - в условиях сильной пылевой бури. Время сбора образцов составляло 5 минут для ясной погоды, 3 минуты для условий дымки и 30 секунд в условиях пылевой бури. Над Японией все образцы собирались в условиях ясной погоды, когда метеорологическими обсерваториями не было отмечено пылевых бурь. Сведения о высотах, на которых были собраны образцы, представлены в таблице 1. Для вычисления концентраций аэрозолей образцы были разделены на 4 группы, соответствующие интервалам высот 2-3 км, 3-4 км, 4-5 км и 5-6 км. Аналитическая процедура для вычисления массовой концентрации минеральных частиц, частиц сульфатов, морской соли, и других типов аэрозолей (определение типов частиц дано ниже, в главе 3.3) основана на интеграции распределения аэрозолей по размерам и информации о химическом составе индивидуальных частиц соответствующего размера. Распределение частиц по размерам должно быть представлено в виде функции dn(r), где г — радиус частицы, dn — количество частиц с размером в диапазоне (г, r+dr). Эта функция выводится из данных, обеспечиваемых оптическими счетчиками частиц (Sigmatec TD-200 и Rion КС-18) на борту самолета во время экспериментов. Используя приближение о сферической форме частиц, можно вычислить распределение объема частиц по размерам dV(r), где dV - объем частиц с размерами в диапазоне (г, r+dr):
Информация о химическом составе индивидуальных частиц получается из результатов анализа образцов на электронном микроскопе, оборудованном энергетическим дисперсионным спектрометром. Кроме того, изучение частиц на электронном микроскопе также дает информацию о размерах, форме и морфологии частиц. Эта информация позволяет
Типы частиц, зарегистрированные в результате экспериментов в свободной тропосфере над Японией
Среди тонкодисперсных частиц во всех образцах доминировали частицы, имеющие в своем спектре только пик серы S (помимо фоновых пиков). Вероятнее всего это частицы сульфата аммония, поскольку присутствие сульфата аммония, как одной из доминирующих фракций тонкодисперсных аэрозолей, распознанное на основе данных химического анализа, было описано многими группами исследователей [16, 64, 74]. В диапазоне размеров 1-10 мкм было обнаружено несколько различных типов аэрозольных частиц в количествах, достаточно больших, чтобы ими нельзя было пренебречь. Для них были вычислены концентрации и потоки. Типы частиц определялись следующим образом. В настоящей работе минеральными частицами считаются такие, которые в основном состоят из элементов, как Si, Al, Са, Fe, Ті, К [45, 47]. Пример спектра таких частиц показан на рисунках 13, 14. Особенности минеральных частиц, собранных в тропосфере над Японией, описаны в главе 5. За частицы морской соли принимаются аэрозоли, имеющие ярко выраженные пики Na и О, а также дополнительные пики Mg, S, К и Са (рис. 15). Некоторые частицы, собранные в тропосфере над Японией имели только пики Na и О. Они могли быть как частицами морской соли, так и частицами природной каменной соли (галита), присутствующими среди аэрозолей континентального происхождения. Природа этих частиц спорна, но их количество не велико, что позволило пренебречь ими при обсуждении результатов измерений. Частицы, характеризуемые присутствием только пика серы S (помимо фоновых пиков), были классифицированы как частицы сульфата. В данных экспериментах невозможно дать какие-либо определенные заключения о присутствии элементов, имеющих в периодической системе порядковые номера меньше Na. Поэтому вышеуказанные частицы могут быть как капельками серной кислоты, так и частицами гидросульфата или сульфата аммония. Однако морфология большинства из этих частиц не была схожа с таковой для серной кислоты (капельки серной кислоты обычно имеют хорошо выраженную структуру сосуществования центрального пятна и окружающих сателлитов [38, 94]).
Несколько частиц такого вида было обнаружено в тонкодисперсной фракции. Гидросульфат аммония, в свою очередь, является лишь промежуточным продуктом. Соответственно, данные частицы были определены в основном как частицы сульфата аммония. Частицы, характеризуемые только пиком свинца, были определены как Pb-частицы (рис. 17). В EDX-анализе эмиссионные уровни Маі для РЬ и К«і для S весьма близки, и может возникнуть некоторая неопределенность в вопросе о разделении этих элементов. Однако, присутствие РЬ и его весовое отношение определялось по уровням эмиссии Pb Lai и Pb Lpi, а не по уровню Pb Maj. После этого относительные интенсивности пиков РЬ М«ь Pb Lai и Pb Lpi сравнивались с эталонными величинами, а также изучалась форма пика Pb Mai. Это позволило сделать заключение, что спектры такого рода частиц содержали только пики РЬ и, возможно, пики некоторых элементов легче натрия. Основным источником Pb-частиц в атмосфере являются устройства для сжигания угля, плавильные печи, сжигатели мусора и цементная промышленность [79]. Частицы, характеризуемые интенсивным пиком Zn, а также добавочными пиками О и/или S были определены как Zn, СІ, S-частицы. Все они также могут быть названы Zn-rich частицами, так как имеют высокое весовое отношение цинка (во всех случаях более 60%). Также как и в случае с РЬ, эмиссионные уровни Lai для Zn и К„і для Na весьма близки, и может возникнуть некоторая неопределенность в вопросе присутствия этих элементов. Аналогично описанной процедуре для РЬ, использовалась информация о пиках Zn Kai, Zn Крі и форме пика Zn Lai, что позволяло различить присутствие Zn и Na. Хлориды и сульфиды цинка в атмосфере в основном являются продуктами сжигания мусора [106]. Относительные пропорции, вычисленные для каждого из вышеуказанных аэрозолей на различных высотах в атмосфере в грубодисперсной фракции (1-10 мкм), показаны на рис. 19.
Сравнение химического состава частиц над Японией и в Тунфане
Детальное изучение показало, что практически все значительные типы частиц, обнаруженные в Тунфане, были также найдены и в свободной тропосфере над Японией (таблица 6). При этом они имели схожие средние весовые отношения основных элементов с похожими стандартными отклонениями [104]. Тот факт, что состав индивидуальных частиц был схож для свободной тропосферы над Японией и для приземных слоев атмосферы в Китае (данная, работа, [83]) может дополнительно подтвердить континентальное происхождение собранных частиц, предположенное на основе обратно-направленного анализа траекторий воздушных масс. Однако эти схожие частицы представляют заметно меньшую долю в общем числе минеральных частиц, собранных в тропосфере над Японией (приблизительно 70% для Японии в сравнении с 90% для Китая). Общая доля частиц, собранных в Тунфане, не равна 100% потому, что некоторые типы частиц, обнаруженные в Тунфане, не были обнаружены над Японией. Однако эти типы частиц присутствовали, как правило, только в каком-то одном из образцов, собранных в Тунфане, причем в небольших количествах. Такие частицы могли быть не обнаружены над Японией просто по причине недостаточно большого количества частиц, собираемых во время самолетных измерений, обусловленной техническими трудностями [103, 104]. В то же время разница между весами схожих типов частиц (90% и 70%, соответственно) в основном может быть отнесена к присутствию дополнительных типов минеральных частиц, смешанных с сульфатом и/или морской солью. Типы минеральных частиц, значительно преобразованных в результате смешивания с сульфатом, показаны в таблице 7. Величина, обозначенная «Всего, %» показывает относительное число частиц соответствующего типа среди всех минеральных аэрозолей, собранных над Японией. В данной работе «значительно преобразованными» называются частицы, в которых вклад примесей достаточно велик для того, чтобы изменить тип частицы из таблицы 6. Обычно они также характеризовались различимой смешанной структурой (рис. 27, 28). Необходимо отметить, что значительно преобразованными были не только минеральные частицы, смешанные с сульфатом, но также и частицы, смешанные с морской солью (метод, предложенный [77] использовался для идентификации). Пример электронной фотографии минеральной частицы внутренне смешанной с морской солью, показан на рис. 32. Однако, количество такого рода частиц было незначительным (в целом порядка 3%).
Сравнение этих результатов с результатами, полученными во время измерений в приземном слое атмосферы в Японии [80, 81, 44], позволяет сделать следующее предположение. Внутреннее смешивание минеральных частиц с морской солью в основном происходит в нижних слоях атмосферы и/или в облачных процессах, поскольку величины, полученные из наземных измерений, значительно превышают величину, полученную в данной работе. Доля преобразованных частиц может превышать 20%, поскольку их большое количество характеризовалось низким весовым отношением серы (рис.31), которое не изменяет тип частицы в таблице 6. С целью определения полной доли преобразованных частиц были сопоставлены доли частиц, содержащих Са и S, а также весовые отношения S/Ca [104]. Mori и др. [73] посредством лабораторного моделирования подтвердили возможность преобразования кальцита (СаСОз) в минеральных частицах в коктаит ((NH CatSO НЬО), как промежуточный продукт, и гипс (CaSC 4 2Н20) как результирующий продукт реакции, возникающей в результате коагуляции минеральной пыли с частицами сульфата аммония. В настоящей работе было обнаружено, что только 20% из минеральных частиц, содержащих Са, также содержат и S, в то время как над Японией эта величина достигает 56%. Это различие может быть объяснено коагуляцией пылевых частиц с серными частицами, а также окислением газообразного SO2 на поверхности минеральных частиц.
Ввиду большого числа зарегистрированных в данной работе частиц, содержавших и S, и Са, химическая реакция преобразования кальцита в гипс весьма значима. Доля минеральных частиц, содержащих S, в тропосфере над Японией составляла 55%, в то время как в Тунфане эта величина равнялась лишь 8.6% (рис. 32). При этом доля частиц, содержавших S, но не содержавших Са равнялась 28.3% для тропосферы над Японией и только 2.4% для Тунфана (рис. 33). Следовательно, для большого числа минеральных частиц в тропосфере над Японией присутствие серы не может быть объяснено присутствием гипса в их составе [104]. Только 16%
