Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1. Методы описания процессов переноса в аэродисперсных системах в поле
направленного электромагнитного излучения 7
Общие формулировки задач о движении и теплообмене аэрозольных частиц в поле излучения 7
Методы описания взаимодействия электромагнитного излучения с аэрозольной частицей 12
Классическая теория Ми о рассеянии и поглощении электромагнитного излучения сферической частицей 12
Другие подходы и методы решения проблемы взаимодействия ЭМИ
с аэрозольными частицами 15
Микрофизические оптические характеристики, ответственные за поглощение излучения и динамику аэрозольных частиц 19
Существующие классификации глобальных типов атмосферного аэрозоля 25
1.5. Атмосферные проявления фотофоретического движения частиц 33
Глава 2. Расчет и анализ микрофизических оптических характеристик, связанных с
поглощением излучения и динамикой аэрозольных частиц 37
Алгоритмы расчетов микрофизических оптических характеристик 37
Функция источников B(r) и интенсивность внутреннего поля Iavg (г) 40
Фактор эффективности поглощения излучения Qabs 54
Фактор светового давления Qpr 63
Фактор асимметрии поглощения излучения J, 68
Микрофизические оптические характеристики модельных частиц и общие закономерности в их поведении 73
Глава 3. Фотофоретическое движение атмосферных аэрозолей 77
Методология оценок фотофоретического переноса частиц в атмосфере 77
Постановка задачи о фотофорезе атмосферных аэрозолей 82
Метод решения и определяемые величины 91
Фотофорез аэрозолей в поле коротковолнового солнечного излучения 99
Фотофорез аэрозолей в поле уходящего теплового излучения Земли 107
Сопоставление эффективности радиометрического фотофореза с другими механизмами вертикального переноса аэрозолей в средней атмосфере 113
Заключение 120
Список цитируемой литературы 122
Введение к работе
Взаимодействие электромагнитного излучения с аэрозольными частицами и его разнообразные следствия являются предметом исследования многочисленных и взаимосвязанных разделов оптики и механики аэродисперсных сред. Как вполне сложившиеся направления можно рассматривать такие дисциплины как теория поглощения и рассеяния излучения малыми частицами (например, [1-2]) и оптика атмосферного аэрозоля (например, [3-5]). Первое направление, беря начало с классических работ Тиндаля, Рэлея, Лоренца, Ми и Дебая привело, в конечном счете, к созданию многочисленных прецизионных лабораторных методик, базирующихся на свойствах упругого и неупругого рассеяния излучения на индивидуальных частицах [6]. Разнообразнейшие применения в физике, химии, биологии, медицине и материаловедении находят методики оптического пленения и манипуляций с частицами посредством сил светового давления при использовании лазерного излучения [7].
Естественным и очевидным объектом исследований в рассматриваемых областях является атмосферный аэрозоль, взаимодействие которого с прямым и рассеянным солнечным излучением является не только традиционной, но и плодотворно развивающейся задачей оптики и физики атмосферы [4-5].
Традиционно и обоснованно считается, что основными измеряемыми и информативными характеристиками взаимодействия излучения с частицами (как с индивидуальными, так и с аэрозольными образованиями) являются характеристики светорассеяния. Между тем, принципиально важными и в ряде случаев определяющими являются и характеристики поглощенного излучения. Так, уже традиционными являются исследования оптических и тепловых полей внутри частиц [8], которые необходимы при изучении проблем нагрева, испарения и разрушения как воднокапельного, так и твердого аэрозоля под воздействием мощного излучения. Неоднородное по объему поглощение излучения частицами приводит к их фотофоретическому движению [9], которое, как будет показано ниже, является значимым механизмом переноса атмосферных аэрозолей в полях относительно малоинтенсивных коротковолнового солнечного и длинноволнового уходящего излучения Земли на больших высотах.
Одним из разделов современной атмосферной оптики является нелинейная оптика атмосферного аэрозоля, возникновение которой было мотивировано практическими возможностями воздействия мощного излучения на атмосферный аэрозоль и лазерным мониторингом атмосферы [10-11]. Актуальными задачами данного направления является выяснение закономерностей распространения интенсивных пучков излучения в
аэродисперсных средах для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, а также радиационного просветления облаков и туманов, обусловленного нагревом и испарением воднокапельного аэрозоля. Проведенные исследования позволили достаточно глубоко понять различия (и разделить характерные силовые механизмы действия на частицы) в процессах взаимодействия интенсивного лазерного и слабоинтенсивного солнечного излучения с атмосферным аэрозолем.
Несомненно, что взаимодействие солнечного излучения с частицами аэрозоля оказывает заметное влияние на радиационный режим в атмосфере [12-13]. Он, в свою очередь, влияет на формирование регионального и глобального климата и его быстро протекающие изменения. Не удивительно, что вопросы поглощения излучения атмосферными частицами оказываются как прямо, так и опосредованно связанными с влиянием аэрозоля на климат, выражающемся в попытках корректных оценок радиационного возмущающего воздействия от атмосферного аэрозоля [14-16].
По целому ряду причин наиболее интересными представляются процессы поглощения излучения и последующего теплообмена и движения частиц в средней атмосфере (стратосфере, стратопаузе и мезосфере). Средняя атмосфера представляет собой сложную динамическую многопараметрическую систему с большим числом прямых и обратных связей. Она является проводником солнечно-земных связей между верхней и нижней атмосферами [17]. Циркуляция воздушных масс в средней атмосфере существенно отличается от циркуляции в гораздо более плотной тропосфере, а известное возрастание температуры в стратосфере за счет поглощения излучения озоновым слоем делает ее термически и механически устойчивой. В таких условиях следует ожидать гораздо более выраженного проявления индивидуальных транспортных свойств частиц по сравнению с тропосферой, где такие движения полностью подавляются разномасштабными конвективными процессами переноса.
Не удивительно, что стратосферный и мезосферный аэрозоль, как правило, стратифицирован: в этих областях наблюдается большое количество как относительно устойчивых, так и спорадических аэрозольных слоев и облаков различного химического и дисперсного состава. Их образование вызвано различными процессами метеорологического и техногенного характера, однако устойчивость и времена существования таких аэрозольных образований могут в значительной степени определяться специфическими силами, действующими на индивидуальные частицы. Изучение динамических характеристик стратосферного аэрозоля актуально по целому ряду причин; среди них следует выделить процессы разрушения озона в результате гетерогенных фотохимических реакций на
поверхности частиц полярных стратосферных облаков и быстрое накопление частиц сажевого аэрозоля, проникающих из тропосферы и с поверхности Земли.
Процессы взаимодействия излучения с аэродисперсными частицами отнюдь не ограничиваются условиями земной атмосферы. Например, для астрофизики со времен Кеплера традиционной является задача о корректном рассмотрении действия сил светового давления (и сопряженных эффектов) на частицы в газопылевых облаках вблизи звезд и в хвостах комет (например, [18]). В последнее десятилетие бурное развитие получило комплексное моделирование (как теоретическое, так и экспериментальное) процессов формирования протопланетных облаков и планет солнечной системы (характерные примеры - работы [19-20]).
Целями работы являются расчет и анализ микрофизических оптических характеристик, ответственных за поглощающие свойства и последующую динамику частиц атмосферного аэрозоля; расчет и анализ характеристик фотофоретического движения аэрозольных частиц в поле солнечного и теплового излучения в атмосфере Земли.
Основными задачами работы являются:
Анализ комплекса микрофизических оптических характеристик (МОХ) основных типов атмосферного аэрозоля и модельных (по комплексному показателю преломления) частиц в рамках теории Ми;
Постановка задач о фотофорезе атмосферных аэрозолей в поле коротковолнового солнечного и длинноволнового уходящего излучения Земли; расчет сил, скоростей и других характеристик фотофоретического движения частиц сажи;
Оценка характеристик оседания частиц с заданных высот и их подъема до определенных высот под действием фотофоретических сил;
Исследование эффективности действия сил радиометрического фотофореза в вертикальном переносе аэрозолей в земной стратосфере.
Основное содержание диссертационной работы:
Во введении обсуждается актуальность темы, современное состояние вопроса, сформулированы цель и задачи работы, представлено основное содержание диссертационной работы.
В первой главе рассмотрены методы описания процессов переноса в аэродисперсных системах в поле направленного электромагнитного излучения. Представлены формулировки задач о движении и теплообмене аэрозольных частиц в поле излучения. Показаны методы описания взаимодействия электромагнитного излучения с аэрозольной частицей (классическая теория Ми о рассеянии и поглощении электромагнитного излучения сферической частицей, а также другие методы и подходы проблемы взаимодействия
электромагнитного излучения с аэрозольными частицами). Рассматривается комплекс микрофизических оптических характеристик, ответственных за поглощение излучения и динамику аэрозольных частиц. Дано описание существующих классификаций глобальных типов атмосферного аэрозоля. Приведены известные литературные данные о проявлениях радиометрического фотофореза в вертикальном переносе аэрозолей.
Во второй главе рассмотрены существующие алгоритмы расчетов микрофизических оптических характеристик. Представлены расчет и анализ микрофизических оптических характеристик, связанных с поглощением излучения и динамикой аэрозольных частиц: функция источников В(г) и интенсивность внутреннего поля Iavg(r), фактор
эффективности поглощения излучения Qabs, фактор светового давления Qpr, фактор
асимметрии поглощения излучения Jj для модели однородной сферической частицы. Дан обзор поведения указанных характеристик для частиц более сложной структуры и геометрии. Также приведены расчеты комплекса микрофизических оптических характеристик для выбранных модельных частиц.
Третья глава содержит описание теории фотофоретического движения атмосферных аэрозолей и основные результаты. Рассмотрена методология оценок фотофоретического переноса частиц в атмосфере. Далее проводится постановка задачи о фотофорезе атмосферных аэрозолей, приведены основные уравнения, обсуждаются метод решения и определяемые величины. Представлены результаты расчетов определяющих характеристик фотофореза аэрозольных частиц в поле коротковолнового солнечного излучения и в поле уходящего теплового излучения Земли. Проведено сопоставление эффективности радиометрического фотофореза с другими механизмами вертикального переноса аэрозолей в средней атмосфере.
В заключении представлены основные выводы диссертационной работы; приведен список цитируемой литературы.
