© Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, 2008 1 ЛЕКЦИЯ 1 Введение в физику атмосферных аэрозолей Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной. - презентация

1 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 1 Введение в физику атмосферных аэрозолей Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

2 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Предмет и основные задачи курса Этапы развития науки об аэрозолях Аэрозольные частицы в атмосфере Обзор рекомендуемой литературы по курсу Содержание

3 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Аэрозолем называется дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой или жидкой дисперсной фазы; иначе говоря, это взвесь твердых или жидких частиц в газах. Предмет и основные задачи курса

4 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, )Повсеместная распространенность аэрозолей. 2)Значимость для здравоохранения и промышленной гигиены. 3)Роль аэрозолей в атмосферных процессах. Важность изучения свойств аэрозолей

5 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, )Глобальные климатические изменения. 5)Многочисленные приложения и проявления аэрозолей в технологических процессах. 6)Значимость для сельского хозяйства. Важность изучения свойств аэрозолей

6 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара Условия образования и распространенность аэрозолей

7 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, этап От начала формирования научных представлений до первой мировой войны (Плиний, I век н.э.; Агрикола, 14 век н.э., Рамаззини, 1700; Тиндаль, Листер, Максвелл, Айткен, Эйнштейн, Смолуховский, Вильсон, Срезневский и многие другие, первая промышленная революция, 19 век – начало 20 века). Этапы развития науки об аэрозолях

8 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, этап Первая мировая война (Доннан (Англия) и Шмаусс (Германия) независимо предложили термин аэрозоли). Этапы развития науки об аэрозолях

9 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, этап Промежуток между первой и второй мировой войнами (первые классические монографии по свойствам аэрозолей: Гиббс (1926), Уайтлоу-Грей и Паттерсон (1933), Винкель и Яндер (1934)). В СССР опубликованы первые работы Фукса и Петрянова-Соколова по электрическим зарядам аэрозолей. Этапы развития науки об аэрозолях

10 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, этап Окончание второй мировой войны – начало 60-х годов 20 века (вторая промышленная революция). Появление классических монографий Фукса (1955), Грина и Лейна (1957), Ави (1956); формирование современного ядра науки об аэрозолях; международное научное сотрудничество. Этапы развития науки об аэрозолях

11 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, этап 60-е годы 20 века – по настоящее время. Новые научные направления (физика атмосферных аэрозолей, революционные изменения в методах экспериментальных исследований; современная приборная база; наночастицы и нанотехнологии). Этапы развития науки об аэрозолях

12 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Схематическое изображение физических и химических процессов, происходящих со стратосферным и мезосферным аэрозолем (Turco et al., 1982)

13 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Основные источники стратосферного аэрозоля: 1. Прямые вулканические выбросы 2. Конвективный подъем частиц 3. Метеорное вещество 4. Антропогенные источники Аэрозольные частицы в атмосфере

14 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классификация глобального стратосферного аэрозоля (Gerding et al, 2003): 1) фоновый стратосферный аэрозоль; 2) вулканический аэрозоль; 3) дымовые частицы от пожаров; 4) полярные стратосферные облака. Аэрозольные частицы в атмосфере

15 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Что является объектом исследования в физике атмосферных аэрозолей? Почему данный раздел физики аэрозолей можно выделить в самостоятельное научное направление? 2. Какие прикладные задачи и когда инициировали возникновение физики аэрозолей как самостоятельной науки? 3. Как следует понимать комментарий Петрянова- Соколова и Сутугина (1989) о физике аэрозолей как «нелюбимой падчерице физики или, может быть, физической химии»? В какой период времени и почему возникла подобная ситуация? Вопросы по лекции

16 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какие оборонные приложения и направления может иметь прикладная физика аэрозолей? 5. По какой причине земная атмосфера не может рассматриваться как чисто газовая система? Насколько принципиальным является вопрос о включении в ее состав атмосферных аэрозолей? 6. По какой причине облачные частицы (капли воды и ледяные кристаллы) и частицы различных типов атмосферного аэрозоля трактуются в физике аэрозолей как различные физические подсистемы? Существует ли принципиальное физико-химическое различие между ними? Вопросы по лекции

17 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Физика аэрозолей является междисциплинарной наукой. Какие основные блоки и из каких наук она включает в свой состав? 8. Какую важнейшую роль атмосферные ядра конденсации и кристаллизации играют в протекании атмосферных процессов? 9. Каково, на ваш взгляд, соотношение между массой газовых компонент и массой аэрозолей в земной атмосфере? 10. Почему на сегодняшний день так мало универсальных учебников по физике аэрозолей в целом и физике атмосферных аэрозолей в частности? Вопросы по лекции

18 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Райст П. Аэрозоли: введение в теорию. М.: Мир, Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. М. Металлургия, Швыдкий В.С., Ладыгичев М.Г., Швыдкий Д.В. Теоретические основы очистки газов. М.: Машиностроение-1, Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. Л.: Изд-во ЛГУ, Основная литература по курсу

19 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, Грин Х., Лейн В. Аэрозоли – дымы, пыли и туманы. Л.: Химия, Петрянов-Соколов И.В., Сутугин А.Г. Аэрозоли. М.: Наука, Основная литература по курсу

20 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 2 Определения и классификации аэродисперсных систем Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

21 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Определения и классификации аэродисперсных систем Традиционные феноменологические определения аэродисперсных систем. Место аэрозолей среди дисперсных систем с точки зрения коллоидной химии и статистической механики. Классифицирующие признаки для аэродисперсных систем. Незамкнутость системы классифицирующих признаков. Содержание

22 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Прежде чем начинать подробно и детально изучать свойства и закономерности физических процессов в аэрозолях, поучительно и полезно разобраться с определениями аэродисперсных систем (или аэрозолей), даваемыми различными авторами, и с проблемами, которые закономерно при этом возникают. Полвека назад в своей известной монографии Н.А.Фукс констатировал, что «…до настоящего времени не существует единой общепринятой классификации аэрозолей и единой системы обозначений различных типов аэрозолей; в этом отношении в литературе наблюдается полный произвол». Определения и классификации аэродисперсных систем

23 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Несомненно, что к настоящему времени ситуация изменилась к лучшему, однако как в научной, так и в учебной литературе зачастую встречаются либо не полные, либо не достаточно однозначные определения аэродисперсных систем.. Чаще всего авторы ограничиваются лаконичной констатацией того, что «…аэрозолем называется дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой или жидкой дисперсной фазы, иначе говоря, это взвесь твердых или жидких частичек в газах» (Петрянов-Соколов и Сутугин, 1989). Определения и классификации аэродисперсных систем

24 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Подобные (или очень схожие) краткие определения можно встретить у большей части авторов. Понимая ограниченность и неполноту подобных кратких дефиниций, Фукс (1955), Грин и Лейн (1972), Коузов (1987), Белоусов (1988), Рудяк (1995) пытаются расширить круг классифицирующих признаков, учитывая и другие, важные для различных типов аэрозолей свойства. Определения и классификации аэродисперсных систем

25 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы, 1989 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз Дисперсионна я среда Дисперсная фаза Условное обозначени е системы Название системы и примеры Твердая Жидкая Газообразная Т/Т Ж/Т Г/Т Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, композиционные материалы Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, в адсорбентах; почвы, грунты Пористые тела: адсорбенты в катализаторах и газах Жидкая Твердая Жидкая Газообразная Т/Ж Ж/Ж Г/Ж Суспензии и золи: промышленные суспензии, пульпы, взвеси, пасты, илы Эмульсии: природная нефть, кремы, молоко Газовые эмульсии и пены: флотационные, противопожарные, мыльные пены Газообразная Твердая Жидкая Газообразная Т/Г Ж/Г Г/Г Аэрозоли (пыли, дымы), порошки Аэрозоли: туманы (в том числе промышленные), облака Устойчивая коллоидная система не образуется

26 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, )Агрегатное состояние фаз дисперсной системы (газообразная дисперсионная фаза и жидкая или твердая дисперсная фаза); 2)Способы образования аэродисперсной системы (конденсационный и диспергационный); 3)Тип аэрозоля (пыли, дымы и туманы); 4)Степень дисперсности (наночастицы, высокодисперсные, тонкодисперсные и грубодисперсные аэрозоли); Классифицирующие признаки для аэродисперсных систем

27 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, )Плотность дисперсной фазы (аэрозоли и аэровзвеси); 6)Соотношение внутренних структурных элементов дисперсионной и дисперсной фаз (определяет выбор физико-математической модели для описания аэродисперсной системы); 7)Другие классифицирующие признаки, которые могут быть востребованы при необходимости. Классифицирующие признаки для аэродисперсных систем

28 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Система классифицирующих признаков в принципе не является замкнутой. При обнаружении новых важных физических свойств и особенностей аэродисперсных систем могут вводиться и новые классифицирующие признаки, уточняющие их поведение. Таким образом, путем введения системы классифицирующих признаков, мы добиваемся достаточно исчерпывающего определения и описания аэрозолей. Незамкнутость системы классифицирующих признаков

29 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Чем принципиально не устраивают краткие определения аэрозолей как дисперсной системы, известные из литературы? 2.Какие цели преследуют известные классификации дисперсных систем в целом и аэрозолей в частности? 3.Как можно охарактеризовать аэрозоли с точки зрения классификации дисперсных систем, принятой в коллоидной химии? 4.Почему в данной классификации существует запрет на существование системы «газ – газ»? При каких физических условиях все же могут возникать предпосылки для возникновения такой дисперсной системы? Вопросы по лекции

30 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В чем принципиальные разница и сходство с точки зрения данной классификации между аэрозолями и пористыми телами? 6.Может ли дождь рассматриваться как аэродисперсная система? Если нет, то почему? 7.Какую цель преследует построение системы классифицирующих признаков для аэродисперсных систем? Является ли такая система замкнутой? 8.С какой целью вводится классифицирующий признак о соотношении внутренних структурных элементов дисперсионной и дисперсных фаз (Рудяк, 1995)? В чем его конструктивный смысл при теоретическом анализе аэродисперсных систем? Вопросы по лекции

31 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, К какому типу аэрозолей (пыли, дымы или туманы) относится табачный дым? Какую эволюцию его частицы испытывают с течением времени? Почему дым от горящей сигареты выглядит голубоватым, а выдохнутый курильщиком – белесым? 10.Аэрозоли и аэровзвеси: для какой дисперсной системы легче формулировать физико- математические модели, описывающие их свойства? В чем разница между этими системами? Вопросы по лекции

32 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Грин Х., Лейн В. Аэрозоли – пыли, дымы и туманы. 2-е изд. Л.: Химия, Петрянов-Соколов И.В., Сутугин А.Г. Аэрозоли. М.: Наука, Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, Рудяк В.Я. Статистическая механика гетерогенных сред. IV. Принципы классификации. Препринт 3(8)-95 НГАСУ. Новосибирск: НГАСУ, Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака // УФН Т. 167, 1. С Фортов В.Е. И др. Пылевая плазма // УФН Т. 174, 5. С Рекомендуемая литература

33 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 3 Морфологические свойства аэрозолей Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

34 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Форма и структура частиц. Вторичные частицы как объемные фрактальные кластеры. Размеры частиц. Атмосферные аэрозоли: дисперсный состав и классификация Уитби. Поверхностные свойства аэрозолей. Содержание

35 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, К основным морфологическим свойствам аэрозольных частиц относят их форму, структуру и характерные размеры. Изучение особенностей и закономерностей этих характеристик позволяет не только уточнить возможные классификации аэрозолей, но и глубже понять физико-химические процессы их образования и эволюции. Кроме того, изучая и обобщая основные морфологические свойства частиц, становится возможным разрабатывать и эффективно применять на практике адекватные модельные представления об аэрозолях различных типов. Морфологические свойства аэрозолей

36 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Форма и структура частиц зависят от способа образования аэрозоля и последующих процессов его эволюции, а также от природы и физико- химических свойств вещества частиц. Первичные и вторичные аэрозоли Первичные Диспергационный способ образования – жидкие капли и твердые частицы (изометрические, пластинчатые, волокнистые); Конденсационный способ образования – жидкие капли (переохлажденные капли могут кристаллизоваться). Вторичные Образуются в процессе агрегации первичных частиц при их коагуляции (коалесценции для жидких капель) – процессе встречного движения частиц, их столкновения и слипания под действием адгезионных сил. Вторичные аэрозольные частицы очень часто являются фрактало- подобными агрегатами. Форма и структура частиц

37 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, а) спора растений (биоаэрозоль); б) малый агрегат из семи первичных частиц конденсационного происхождения; в) крупный рыхлый агрегат первичных частиц; г) фрактальная структура вторичных частиц типа сажи; д) вирус (биоаэрозоль); е) крупная твердая частица неправильной формы диспергационного происхождения. Форма некоторых типичных первичных и Вторичных аэрозольных частиц

38 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Микрофотографии атмосферных частиц (Mugica V. at al. // J. Aerosol Sci V. 33. N 1. P.91): а) частицы на фильтре PM 10; б) углеродные частицы, образовавшиеся при горении; в) частица промышленных выбросов с высоким содержанием железа и меди; г) частица с большим содержанием ванадия; д) органическая частица; е) глинистая почвенная частица, содержащая алюминий, серу, железо и кальций. Форма и структура частиц

39 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ОФК – это особым образом организованные структуры первичных частиц, в которых каждый выделенный элемент подобен системе в целом. Применительно к аэрозолям в качестве ОФК можно рассматривать агрегаты, образуемые множеством (сотни и тысячи) первичных частиц с одинаковыми физико-химическими свойствами, размеры которых существенно меньше самого агрегата и мало отличаются для отдельных частиц, а расположение их друг относительно друга внутри агрегата описывается достаточно общими статистическими закономерностями (в частности, наблюдается самоподобие и масштабная инвариантность пространственной структуры в достаточно широких пределах) - Ивлев и Довгалюк (1999). Основные параметры ОФК связаны соотношением: Следует ожидать, что физические свойства ОФК (плотность, теплофизические и оптические характеристики) могут сильно отличаться от свойств компактных (не фрактальных) частиц. Объемные фрактальные кластеры

40 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Моделирование роста ОФК (по обзору Б.М. Смирнова) Существующие модели сборки фрактальных кластеров можно классифицировать по следующим признакам: 1. Характер процесса (кластер – первичная частица или кластер - кластер); 2. Характер движения первичных частиц или кластеров (прямолинейное или броуновское); 3. Характер объединения частиц и кластеров в зависимости от вероятности слипания при их соприкосновении.

41 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Основные модели а) DLA-модель (Diffusion Limited Aggregation), Виттен и Сандерс (1981). Первичные частицы, подверженные броуновскому движению, при столкновениях с имеющимся хотя бы одним или несколькими кластерами с определенной вероятностью прилипают к ним. б) CCA-модель (Cluster-Cluster Aggregation), предложена разными авторами (1983). Первичные частицы на первой стадии образуют кластеры малых размеров, которые на следующей стадии образуют кластеры больших размеров. Со временем число кластеров уменьшается, а их размеры растут.

42 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Основные модели в) RLCA-модель (Reaction Limited Cluster Aggregation), Жюльен и Колб (1984). Модель, отвечающая малой вероятности слипания при кластер-кластерной агрегации. Параметры образующегося кластера уже не чувствительны к характеру движения кластеров. г) Баллистическая модель или модель Эдена. Прямолинейные траектории движения первичных частиц и кластеров в DLA-модели.

43 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Промежуточные этапы образования кластера (а б в) по CCA-модели. Первичные частицы объединяются в малые кластеры, а те, в свою очередь, в кластеры бόльших размеров (Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991). Этапы образования кластера

44 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Структура вторичных аэрозольных частиц (экспериментальные микрофотографии), соответствующая различным способам их образования: а) сценарий по CCA-модели, б) сценарий по DLA-модели (Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А., 1999). Структура вторичных аэрозольных частиц

45 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Основные морфологические типы первичных и вторичных частиц (по Ивлеву и Довгалюк, 1999) 1 – плотные сферы; 2 – неплотные сферы; 3 – частицы с оболочкой из мелких частиц (с «шубой»); 4 – плотные несферические частицы; 5 – рыхлые несферические частицы (агломераты); 6 – цепочеченые структуры; 7 – рыхлые частицы с плотными ядрами; 8 – кристаллические частицы и частицы с высохшей оболочкой.

46 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Размеры частиц Границы характерных размеров частиц 1. Обоснование границ для верхних и нижних характерных размеров частиц (0, мкм). 2. Динамический критерий для нижней границы размеров (Петрянов-Соколов и Сутугин, 1989). 3. Критерий временной устойчивости аэродисперсной системы для верхней границы размеров.

47 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Размеры частиц Система эквивалентных диаметров 1. Проективный диаметр; 2. Эквивалентный массовый диаметр; 3. Аэродинамический диаметр; 4. Стоксовский диаметр; 5. Эквивалентный оптический диаметр.

48 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классификация аэрозолей по степени дисперсности 1. Ультрадисперсные аэрозоли или наночастицы (0,001-0,01 мкм); 2. Высокодисперсные аэрозоли (ВДА) (0,01-0,1 мкм); 3. Среднедисперсные (тонкодисперсные) аэрозоли (0,1-10 мкм); 4. Грубодисперсные аэрозоли ( мкм).

49 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Характерные размеры аэрозольных частиц и способы их наблюдения и улавливания (Вальдберг, 1989)

50 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Характерные времена Пребываниясреднедисперсных частиц (

51 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классификационная схема Уитби (1977) и Хьюсара (1979) для тропосферного аэрозоля (Бретшнайдер и Курфюрст, 1989)

52 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Поверхностные свойства аэрозолей Удельная поверхность (отношение площади поверхности к объему тела связана линейными размерами тела соотношением где - так называемый фактор формы (K = 2 для пластинчатой частицы, 4 - для волок- нистой частицы, 6 - для кубической частицы), а - показатель дисперсности. Сейчас становится понятной терминология в классификации частиц по степени дисперс- ности.

53 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Поверхностные свойства аэрозолей Изменение показателя дисперсности при дроблении частицы в виде куба (Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки,1988) Ребро куба R, м Удельная поверхность S уд, м -1 Число образовавшихся частиц N Показатель дисперсности D* (1 мкм) (1 нм)

54 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Почему для изучения свойств аэрозольных частиц конструктивно использовать модель объемного физического кластера (ОФК)? В чем проявляется принципиальная ограниченность стандартного подхода, основанного на идее эквивалентных диаметров вторичных частиц? 2.Как понимать термин «фрактальная размерность ОФК»? Какие значения она принимает для реальных вторичных аэрозолей? 3.В чем принципиальная разница в терминах «фрактало-подобные» и «фрактальные» частицы для характеристики соответствующих вторичных аэрозолей? Вопросы по лекции

55 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Каков физический смысл корреляционной функции для фрактальных частиц? Как оценить требуемые морфологические и теплофизические характеристики вторичных аэрозольных частиц при ее использовании? 5.Какие транспортные и теплофизические характеристики вторичных аэрозольных частиц определяют различные сценарии (модели) сборки ОФК? 6.По каким причинам плотность реальных атмосферных аэрозолей может быть существенно меньше плотности массивных образцов тех же веществ? Вопросы по лекции

56 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В чем различие в определениях аэродинамического и стоксовского диаметров частиц? Какой из диаметров чаще используется в аэрозольных измерениях и почему? 8.Попробуйте рационально обосновать границы диапазонов размеров в классификации аэрозольных частиц по степени дисперсности. 9.В каких координатах представлена функция распределения частиц по размерам в классификационной схеме Уитби? В чем заключается необходимость именно такого представления данных? 10.В чем состоит методическое различие классификаций частиц атмосферного аэрозоля по степени дисперсности и по схеме Уитби? Вопросы по лекции

57 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, По содержанию лекции в целом: 1.Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд. АН СССР, Грин Х., Лейн В. Аэрозоли – пыли, дымы и туманы. 2-е изд. Л.: Химия, Райст П. Аэрозоли – введение в теорию. М.:Мир, Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. М: Металлургия, Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, Петрянов-Соколов И.В., Сутугин А.Г. Аэрозоли. М.:Наука, Рекомендуемая литература

58 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, О фрактальных свойствах аэрозолей: 1.Федер Е. Фракталы. М.: Мир, Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, Filippov A.V., Zurita M., Rosner D.E. Fractal-like aggregates: relation between morphology and physical properties. J. Colloid Interface Sci V P Рекомендуемая литература

59 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, О структуре и физических свойствах малых кластеров в газовой фазе: 1.Петров Ю.И. Физика малых частиц. М.: Наука, Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.Н. Физические явления в ультрадисперсных средах. М.: Энергоатомиздат, Рекомендуемая литература

60 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 4 Закономерности распределения частиц по размерам Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

61 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, «Жизненный цикл» аэрозолей. Функция распределения частиц по размерам. Математическое представление функции. Статистические параметры распределения. Теоретически обоснованные функции распределения. Полуэмпирические и эмпирические функции распределения. Содержание

62 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Аэрозоли – это в общем случае динамически неустойчивая, нестабильная дисперсная система, обладающая ярко выраженной пространственно- временной изменчивостью. Анализ процессов эволюции аэродисперсных систем позволяет выделить основные этапы ее существования, которые образно можно охарактеризовать как «рождение, жизнь и смерть» аэрозолей. Для атмосферного аэрозоля существуют ситуации, когда устойчивое состояние системы существует достаточно протяженное время (месяцы и даже годы), для аэрозолей в технологических процессах это практически никогда не реализуется. «Жизненный цикл» аэрозолей

63 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, «Жизненный цикл» аэрозолей

64 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Источником первичной информации о свойствах частиц того или иного типа аэрозоля являются результаты прямых или косвенных измерений с помощью достаточно широкого класса аэрозольных приборов. Первостепенный интерес представляют концентрация частиц (как счетная, так и массовая), распределение частиц по размерам (спектр размеров), различные физико-химические характеристики частиц, характер изменения этих характеристик со временем и влияние на них внешних условий. Основными микрофизическими характеристиками различных типов аэрозолей являются их счетная концентрация и дисперсный состав аэрозолей. Функция распределения аэрозольных частиц по размерам

65 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Функция распределения аэрозольных частиц по размерам

66 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Функцияраспределенияаэрозольных частиц по размерам Типичная функция распределения по размерам для атмосферных ядер конденсации (Грин и Лейн, 1972)

67 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Математическое представление функции распределения Различают два типа функций распределения частиц по размерам: дифференциальную и интегральную функции. Дифференциальная функция, введенная как определяет долю частиц из единицы объема, приходящуюся на единичный интервал диаметров (т.е. имеет смысл плотности вероятности). Для такого способа условие нормировки дает

68 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Математическое представление функции распределения Существует и другой, альтернативный способ введения этой функции: В этом случае функция нормирована на полное число частиц в единице объема (т.е. на счетную концентрацию частиц): Здесь f( ) – счетная дифференциальная функция распределения.

69 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Математическое представление функции распределения Используют также массовую дифференциальную функцию g( ), которая обычно нормирована на полную массу частиц m в единице объема Дифференциальные функции распределения, особенно если они получены из первичных данных измерений при ограниченном их числе, достаточно сильно подвержены флуктуациям.

70 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Математическое представление функции распределения Более устойчивыми в этом смысле являются интегральные функции распределения. Различают счетную и массовую интегральные функции распределения F( ) и G( ), которые определяются следующим образом Смысл интегральных функций распределения таков: это доля частиц из их общего числа в единице объема (или доля массы частиц из их полной массы в единице объема) в интервале диаметров от 0 до.

71 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Математическое представление функции распределения Дифференциальные (слева) и интегральные (справа) счетные и массовые функции распределения частиц по размерам (Фукс, 1955)

72 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Статистические параметры распределения Знание функции распределения позволяет достоверно определить: 1.средний арифметический диаметр ср, причем аналогично среднему арифметическому диаметру могут быть введены средний квадратичный и средний кубический диаметры, полезные в ряде частных случаев; 2.мода (или модальный диаметр) распределения m – он соответствует максимуму счетной дифференциальной функции распределения f( );

73 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Статистические параметры распределения Знание функции распределения позволяет достоверно определить: 3.средний геометрический диаметр g, определяемый как 4.медиана (или массовый медианный диаметр) 50 – он соответствует такому диаметру, по которому масса всех частиц из единицы объема делится пополам. Медиану находят по массовой интегральной кривой распределения, этот диаметр широко используется на практике;

74 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Статистические параметры распределения Знание функции распределения позволяет достоверно определить: 5.дисперсия распределения σ 2 и средний квадратичный разброс σ, определяемые по формуле 6.асимметрия (коэффициент асимметрии) распределения Σ A

75 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Теоретически обоснованные функции распределения Примерный вид нормального распределения для монодисперсного аэрозоля

76 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Теоретически обоснованные функции распределения Схематическое изображение распределения Юнге

77 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Теоретически обоснованные функции распределения Типичная кривая счетного дифференциального распределения частиц атмосферного аэрозоля в обычных координатах

78 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Теоретически обоснованные функции распределения Вид логарифмически нормального распределения для логарифмически- вероятностной шкалы

79 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Теоретически обоснованные функции распределения Вид функции распределения частиц конденсационного происхождения при аппроксимации Г-распределением для β=1 и α=0, 1 и 3

80 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Полуэмпирические и эмпирические функции распределения Формулу Гриффитса для порошковых материалов можно считать полуэмпирической, так как при ее записи принята следующая гипотеза: распределение числа молекул в частицах порошка аналогично распределению молекул газа по энергиям в состоянии термодинамического равновесия из кинетической теории газов.

81 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Распределения каких физико-химических характеристик атмосферных аэрозолей (помимо распределения по размерам) принципиально возможно рассматривать? 2. Почему до сих пор не существуют универсальные аэрозольные приборы, которые позволяли бы проводить дисперсный анализ для всего диапазона размеров аэрозольных частиц? 3. При введении функции распределения частиц по размерам нигде не фигурировал радиус-вектор, определяющий положение точки (или элементарного объема) наблюдения. Как следует понимать и трактовать отсутствие в формулах этой необходимой характеристики? Вопросы по лекции

82 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Каковы размерности различных видов функций распределения? Как они согласуются с общепринятыми обозначениями? 5. Как следует понимать термин «нормальное распределение для частиц монодисперсного аэрозоля»? Нет ли здесь определенных терминологических противоречий? 6. Что является физическим обоснованием для введения в практику распределения Юнге? 7. Для какого вида функций распределения логарифмически-нормальное распределение представимо в виде прямой линии в соответствующих координатах? Вопросы по лекции

83 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Каковы пределы применимости логарифмически- нормального распределения как с фундаментальной точки зрения, так и при практическом использовании? 9. По каким причинам чисто математическое Г- распределение так удачно аппроксимирует данные измерений для частиц конденсационного происхождения? Каково соотношение этого распределения и распределения Левина? 10. В чем заключается удобство и ограниченность полуэмпирических и чисто эмпирических функций распределения частиц по размерам? Вопросы по лекции

84 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартное и компактное изложение вопроса представлено в учебниках Райста (1987), Белоусова (1988), Швыдкого и др. (2001). Классическое изложение вопроса отражено в монографии Фукса (1955). Углубленный и детальный анализ представлен в монографии: Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 3-е изд., 1987 Полезная информация об особенностях распределения частиц аэрозоля по размерам имеется в монографии: Айвазян Г.М. Распространение миллиметровых и субмиллиметровых волн в облаках. Справочник. Л.: Гидрометеоиздат, Рекомендуемая литература

85 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 5 Образование аэрозолей: диспергирование жидкостей Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

86 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диспергационный и конденсационный способы образования аэрозолей Диспергирование жидкостей Диспергирование твердых тел Содержание

87 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диспергационный и конденсационный способы образования аэрозолей

88 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Сообщаемая объему жидкости энергия заставляет принять ее неустойчивую форму (классифицируются различные типы и виды неустойчивой формы жидкости) и распадаться на капли. Силы поверхностного натяжения стабилизируют окончательную форму частиц образовавшейся дисперсной фазы (сферические капли). Диспергирование (распыление) жидкостей

89 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Энергия, сообщаемая объему жидкости расходуется на три основных составляющих: 1) образование новой поверхности жидкости при дроблении ее на капли (площадь поверхности многократно увеличивается); 2) преодоление сил вязкостного трения, связанное с диссипацией энергии при изменении формы жидкости; 3) потери, обусловленные неэффективностью методов передачи энергии жидкости (обычно эта составляющая преобладает). Диспергирование (распыление) жидкостей

90 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Энергия, сообщаемая объему жидкости расходуется на три основных составляющих: 1) образование новой поверхности жидкости при дроблении ее на капли (площадь поверхности многократно увеличивается); 2) преодоление сил вязкостного трения, связанное с диссипацией энергии при изменении формы жидкости; 3) потери, обусловленные неэффективностью методов передачи энергии жидкости (обычно эта составляющая преобладает). Диспергирование (распыление) жидкостей

91 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Энергия, сообщаемая объему жидкости расходуется на три основных составляющих: 1) образование новой поверхности жидкости при дроблении ее на капли (площадь поверхности многократно увеличивается); 2) преодоление сил вязкостного трения, связанное с диссипацией энергии при изменении формы жидкости; 3) потери, обусловленные неэффективностью методов передачи энергии жидкости (обычно эта составляющая преобладает). Диспергирование (распыление) жидкостей

92 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Пневматическое (или аэродинамическое) распыление; 2.Гидравлическое (или гидродинамическое) распыление; 3.Центробежное распыление; 4.Прочие методы (электростатическое, акустическое, с помощью пропеллентов и другие), каждый из которых можно выделить и в отдельную группу. Методы распыления жидкостей

93 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Разрушение капли в установившемся потоке воздуха (Грин и Лейн, 1972)

94 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Распад тонкой жидкой пелены на капли Плоская ламинарная пелена воды выпускается из сопла с веерным распылением, колеблющемся в осевом направлении с резонансной частотой. Регулировка частоты колебаний управляет промежуточной стадией образования жидких нитей и размером образующихся капелек (Ван-Дайк, 1988)

95 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизм пневматического распыления жидкостей Распылитель Коллисона: 1 – вход сжатого воздуха (сверху рисунка); 2 – канал для распыляемой жидкости; 3 – выход распыленной жидкости; 4 – цилиндрический отражатель крупных капель; 5 – выход сжатого воздуха. Генерирует туман из нелетучих жидкостей с очень небольшим содержанием капелек крупнее 10 мкм (Грин и Лейн, 1972)

96 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизм пневматического распыления жидкостей Распылитель Де Уилбиса: распыляет полидисперсный жидкокапельный аэрозоль (чистые жидкости, растворы, суспензии) с размерами частиц 1÷10 мкм и массовой концентрацией 5÷50 г/м 3

97 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизм гидравлического распыления Он также основан на распаде струи жидкости (вследствие ее гидродинамической неустойчивости), вытекающей из сопла с большой скоростью и дробящейся на специальных преградах и отверстиях. Отличие данного способа от способа пневматического распыления заключается в скорости истечения жидкости из сопла.

98 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Центробежное распыление Отрыв капель с краев вращающегося диска напоминает процесс отрыва капель с острия под действием силы тяжести (Грин и Лейн, 1972)

99 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Генератораы аэрозолей Самобалансирующийся волчок Уолтона и Пруэтта. Приводится в действие сжатым воздухом (вход справа), угловая скорость вращения – несколько тысяч оборотов в секунду, радиальное ускорение – порядка миллиона g. Жидкость подается сверху из узкой трубки (3) в центр ротора (2) и растекается на его поверхности в виде тонкой пленки. Капли отрываются от конуса ротора, тонокодисперсный туман выходит в зазор между вращающимся ротором и корпусом волчка. Вторичные мелкие капли-сателлиты (если их присутствие нежелательно) можно удалить при помощи местного отсоса (Грин и Лейн, 1972)

100 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Генератораы аэрозолей Дисковый распылитель Мэя – популярный коммерческий распылитель. Имеет гораздо лучшие характеристики, чем дисковый распылитель-волчок Уолтона и Пруэтта. Капли- сателлиты удаляются автоматически, организовано более спокойное вращение ротора, уменьшен расход воздуха. Возможно распылять органические жидкости, масла, воду, водные растворы и суспензии, но возникают трудности при распылении эмульсий. Дает практически монодисперсный туман, минимальный размер капель вплоть до 6 мкм, максимальный – до 200 мкм. Средний размер капелек легко регулируется изменением расхода воздуха (Грин и Лейн, 1972)

101 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Ультразвуковой генератор (небулайзер) Раабе (1968)

102 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Распыление с помощью пропеллентов Схема аэрозольного баллона с низкокипящим пропеллентом: 1 – распыляемая смесь; 2 – пары пропеллента; 3 – корпус; 4 – клапан; 5 – сопло (Белоусов, 1988)

103 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Схематическое представление пузырькового механизма образования морского аэрозоля (Кондратьев и др., 1983)

104 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Согласуется ли общепринятое утверждение о двух принципиально различных способах образования аэрозолей (конденсационном и диспергационном) с известными данными для атмосферного аэрозоля (в частности, с классификационной схемой Уитби)? 2. В чем заключается универсальность представлений о физических механизмах диспергации жидкости при различных формах ее проявления? 3. Каковы физические причины возникновения неустойчивой формы жидкости на первоначальной стадии развития процесса? Вопросы по лекции

105 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какой физический механизм действует на заключительной стадии образования капельного аэрозоля при диспергации жидкости? 5. Какой из способов распыления жидкостей – пневматический или гидравлический – энергетически более выгоден и почему? 6. Какой физический механизм лежит в основе метода распыления жидкости ультразвуком? В каких еще методах распыления жидкости также проявляется данный механизм? 7. Что такое спрэй? Каково место данного типа аэрозоля в классификационных схемах (это новый тип аэрозоля или его можно отнести к уже известным)? Вопросы по лекции

106 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какова роль пропеллента в диспергации жидкостей в аэрозольных баллончиках? Какие вещества и с какими теплофизическими характеристиками для этого используются? 9. Что означает повсеместно используемое предупреждение «Ozone friendly» на корпусе аэрозольного баллончика? 10. Каковы основные физические механизмы образования частиц морского (океанического) аэрозоля? Какова генетическая взаимосвязь данных частиц и атмосферных ядер конденсации? Вопросы по лекции

107 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Подборка научных экспериментальных фотографий о различных типах и формах неустойчивости жидкости и распаде ее на капли представлена в книге: Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, О механизмах образования морского аэрозоля и явлении сальтации частиц почвенного аэрозоля смотри в книгах: Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат, Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В. Аэрозольные модели атмосферы. М.: Наука, О физических свойствах малых частиц и вопросах их диспергации смотри в монографии: Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.Н. Физические явления в ультрадисперсных средах. М.: Энергоатомиздат, Рекомендуемая литература

108 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 6 Образование аэрозолей: диспергирование твердых тел Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

109 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диспергационный и конденсационный способы образования аэрозолей Диспергирование жидкостей Диспергирование твердых тел Содержание

110 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диспергационный и конденсационный способы образования аэрозолей

111 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Образовать аэрозоли с твердой дисперсной фазой можно двумя способами: либо подвергнуть массивные образцы твердых тел процессу диспергации, либо распылить в воздухе порошки. И те, и другие процессы широко распространены как в природных явлениях (выветривание горных пород, пылевые пустынные облака), так и в технологических приложениях (измельчение горных пород путем дробления, размола, бурения, взрыва) образовать аэрозоли с твердой дисперсной фазой можно двумя способами: либо подвергнуть массивные образцы твердых тел процессу диспергации, либо распылить в воздухе порошки. И те, и другие процессы широко распространены как в природных явлениях (выветривание горных пород, пылевые пустынные облака), так и в технологических приложениях (измельчение горных пород путем дробления, размола, бурения, взрыва). Диспергирование твердых тел

112 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диспергирование твердых тел Питатель пыли Райта. Нож скрепера снимает тонкий слой спрессованной пыли в верхнем вращающемся цилиндре, которая затем увлекается потоком сжатого воздуха от компрессора и выводится в нижней части устройства.

113 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диспергирование твердых тел Схема генератора аэрозолей с твердой дисперсной фазой при использовании псевдоожиженного слоя и последующей сепарации частиц по их размерам

114 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Каждая такая крупинка испытывает три типа давления газа: 1.положительное давление p 1 с наветренной стороны, действующей на частицу со стороны ветра (ветровое давление, ~ v 2 ), которое инициирует перемещение почвенной частицы; 2.отрицательное давление с подветренной стороны p 2 (вязкостное давление, являющееся функцией вязкости и плотности газа и первой степени скорости ветра v); 3.статическое отрицательное давление p 3, действующее на крупинку сверху и вызванное известным эффектом Бернулли; оно создает эффект поднятия частицы вверх (здесь эффект Бернулли проявляется так: при увеличении скорости движения газа, обтекающего тело сверху, давление в вертикальном направлении понижается). Образование почвенного аэрозоля – явление сальтации частиц

115 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Схематическое изображение сил, действующих на частицу почвы при ветровой эрозии: 0 – центр масс; Z 0 – средний уровень неровностей почвы (Кондратьев и Поздняков, 1981) Образование почвенного аэрозоля – явление сальтации частиц

116 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Зависимость пороговой скорости ветра при сальтации от эквивалентного диаметра эрозионных частиц почвы (Кондратьев и Поздняков, 1981) Образование почвенного аэрозоля – явление сальтации частиц

117 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Экспериментально определенные траектории прыгающих частиц при сальтации песка в аэродинамической трубе (Фукс, 1955) Образование почвенного аэрозоля – явление сальтации частиц

118 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, К каким физическим следствиям приводит действие адгезионных сил при диспергации твердых тел? 2. В чем заключается необычность теплофизических характеристик частиц твердых ультрадисперсных аэрозолей (особенно металлов)? 3. В чем принципиальная разница терминов «пыль», «осадок пыли» и «порошок»? Как производится искусственное запыление воздуха? 4. Каковы механизмы и стадии развития процесса сальтации частиц почвенного аэрозоля? Вопросы по лекции

119 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Почему в «прыжках» частиц при сальтации они поднимаются все выше и выше от поверхности почвы? Откуда черпается энергия для развития подобного процесса? 6. Какую роль механизм сальтации частиц играет в процессе эрозии почвы? Как возможно предотвратить развитие данного негативного процесса? 7. Проанализируйте классификацию основных типов атмосферного аэрозоля и выделите те из них, которые образованы посредством диспергации жидкости или твердых тел. Вопросы по лекции

120 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Подборка научных экспериментальных фотографий о различных типах и формах неустойчивости жидкости и распаде ее на капли представлена в книге: Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, О механизмах образования морского аэрозоля и явлении сальтации частиц почвенного аэрозоля смотри в книгах: Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат, Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В. Аэрозольные модели атмосферы. М.: Наука, О физических свойствах малых частиц и вопросах их диспергации смотри в монографии: Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.Н. Физические явления в ультрадисперсных средах. М.: Энергоатомиздат, Рекомендуемая литература

121 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 7 Образование аэрозолей. Конденсационный способ (гомогенная конденсация пара) Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

122 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Образование аэрозолей. Конденсационный способ. Гомогенная конденсация пара. Термодинамическая теория Гиббса. Классическая феноменологическая теория спонтанной конденсации в пересыщенном паре. Содержание

123 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В этой лекции мы попытаемся проанализировать второй возможный путь образования аэрозолей – способ «от малого к большому» – конденсационный способ, в котором принято различать возможности гомогенной конденсации пересыщенных паров и гетерогенной конденсации на уже имеющихся зародышах – ядрах конденсации. Здесь уместна цитата из книги известных специалистов в этой области Петрянова-Соколова и Сутугина (1988): «Сам по себе процесс рождения новой фазы из газа представляет собой нечто таинственное. Какая сила заставляет молекулы, безмятежно летающие в пространстве, соединяться в рои- кластеры, вырастающие в капли?». Недаром известный физик Ф. Жолио-Кюри в 1936 г. назвал спонтанную конденсацию самым интересным аспектом науки вообще, а не только науки об аэрозолях. Конденсационный способ

124 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Степень пересыщения пара. Из термодинамики известно, что в состоянии термодинамического равновесия бинарная система жидкость–пар характеризуется таким макроскопическим параметром как давление насыщенного пара жидкости над плоской границей раздела фаз при фиксированной температуре p (T). Гомогенная конденсация пара

125 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Отношение фактического давления к давлению насыщенного пара обычно называют пересыщением В ряде случаев удобно оперировать величиной относительного пересыщения Зависимость давления насыщенного пара от температуры можно оценить из термодинамического уравнения Клапейрона – Клаузиуса: Гомогенная конденсация пара

126 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Гомогенная конденсация пара Кривая равновесия капли и ее собственного пара по уравнению Кельвина при комнатной температуре: нижняя кривая – вода, верхняя – диоктилфталат. Выше кривой наблюдается конденсационный рост, ниже – испарение капли (Грин и Лейн, 1972)

127 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Равновесные значения параметров в уравнении Кельвина для капель воды при T=300K r, мкмP r, мм рт. ст.S 1,0 0,1 0,01 0,001 0, , , , , ,5 17,7 19, ,001 1,01 1,12 3,0 4 5 * 6 7 8

128 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Термодинамическая теория Гиббса Зависимость термодинамического потенциала Гиббса от радиуса капли-зародыша при различных значениях пересыщения пара

129 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классическая феноменологическая теория спонтанной конденсации в пересыщенном паре Типичная форма представления результатов теории для скорости гомогенной нуклеации в зависимости от пересыщения S для паров воды при T = 293 K и T = 273 K (Hinds, 1999)

130 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классическая феноменологическая теория спонтанной конденсации в пересыщенном паре Сопоставление теоретических и экспериментальных значений для скорости гомогенной нуклеации паров толуола при различных температурах (Girshick and Chiu, 1990)

131 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классическая феноменологическая теория спонтанной конденсации в пересыщенном паре Схема динамического поведения капелек, образовавшихся из критических зародышей, в объеме стационарной термодиффузионной камеры (Bakanov et al, 2001)

132 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Развитие статистических теорий гомогенной нуклеации, предполагающих широкое использование представлений и методов физики малых агрегатов– кластеров, что снимает трудности феноменологического характера при описании процесса; 2.Лоте и Паунд (1962) предложили радикально пересмотреть термодинамические результаты Гиббса, являющиеся составной частью классической теории. Предложенная ими иная термодинамическая схема расчета работы по образованию критических зародышей увеличивает расчетные значения скорости нуклеации в 1017÷1018 раз. В настоящее время у этой теории осталось довольно мало сторонников и последователей. Основные направления развития теории гомогенной нуклеации после классического периода

133 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Развитие варианта теории на основе методов термодинамики необратимых процессов (группа авторов, 60-е годы 20-го века). Существенно новых результатов получено не было. 4.Понимание чрезвычайной сложности и многообразия процессов при гомогенной конденсации пересыщенных паров, необходимость новой классификации протекающих процессов и нахождения в ней места классической теории, попытка формулировки в целом новой физико-математической модели явления (неизотермичность процессов, явление истощения пара, волновой характер процесса нуклеации, учет до- и закритических кластеров, «быстрая» и «медленная» нуклеация, роль коагуляции в процессах нуклеации и т.д.). Основные направления развития теории гомогенной нуклеации после классического периода

134 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В чем принципиальная разница образования аэрозолей диспергационным и конденсационным способами? 2. Какова функциональная зависимость давления насыщенного пара над плоской границей раздела фаз от температуры? 3. В чем принципиальная разница между термодинамическими уравнениями Кельвина и Клапейрона – Клаузиуса? 4. Какова область применимости термодинамического уравнения Кельвина? Какие его обобщения вам известны? Для чего необходимы такие обобщения? Вопросы по лекции

135 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Каковы основные результаты термодинамической теории Гиббса в задаче гомогенной конденсации? На какой принципиальный вопрос она не в состоянии дать ответ? 6. Используя формализм метода Гиббса, получите уравнение Кельвина. 7. Почему в методе Гиббса используется условие изотермичности процесса? К каким неточностям в описании процесса номогенной конденсации может привести такой подход? Вопросы по лекции

136 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Что такое гомофазные и гетерофазные флуктуации плотности? Какую принципиальную возможность открывает использование концепции гетерофазных флуктуаций в теории гомогенной нуклеации? 9. Кто из исследователей внес существенный и принципиальный вклад в классическую феноменологическую теорию гомогенной нуклеации? Перечислите основные идеи и концепции авторов в этом вопросе. 10. Каковы основные результаты классической феноменологической теории гомогенной нуклеации? Почему она так называется? Вопросы по лекции

137 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какие методы экспериментального исследования процесса гомогенной нуклеации вам известны? 12. Как в целом можно охарактеризовать достоинства и недостатки классической теории? Исчерпывает ли она все возможные варианты процесса гомогенной нуклеации? 13. Может ли процесс гомогенной нуклеации эффективно проявляться в реальных атмосферных условиях? Если нет, то почему? Вопросы по лекции

138 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартное изложение вопроса представлено в книгах Грина и Лейна (1972), Швыдкий и др. (2001), Петрянова- Соколова и Сутугина (1989), Ивлева и Довгалюк (1999). Классическая теория гомогенной нуклеации достаточно полно отражена в монографии: Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. 3-е изд. М.: Химия, Рекомендуемая литература

139 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, С историческими аспектами ее создания можно познакомиться в книгах: Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. М.: Наука, Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, Основы теории гетерогенной конденсации изложены в: Щёкин А.К., Куни Ф.М., Татьяненко Д.В. Термодинамика нуклеации на нерастворимых макроскопических ядрах: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГУ, Рекомендуемая литература

140 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Кроме того, рекомендуются обзорные статьи в журналах: Сутугин А.Г. Спонтанная конденсация пара и образование конденсационных аэрозолей // Успехи химии Т. 38, 1. С Лушников А.А., Сутугин А.Г. Современное состояние теории гомогенной нуклеации // Успехи химии Т. 45, 3. С Петрянов И.В., Сутугин А.Г. История развития представлений о процессах образования конденсационных аэрозолей и их современное состояние // Коллоидный журнал Т. 51, 3. С Куни Ф.М., Щекин А.К., Гринин А.П. Теория гетерогенной нуклеации в условиях постепенного создания метастабильного состояния пара // Успехи физических наук Т. 171, 4. С Рекомендуемая литература

141 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 8 Образование аэрозолей. Конденсационный способ (гетерогенная конденсация пара) Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

142 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Образование аэрозолей. Конденсационный способ. Гетерогенная конденсация пара. Атмосферные ядра конденсации, их классификации Ядра кристаллизации Ионы как ядра конденсации Содержание

143 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В этой лекции мы попытаемся проанализировать второй возможный путь образования аэрозолей – способ «от малого к большому» – конденсационный способ, в котором принято различать возможности гомогенной конденсации пересыщенных паров и гетерогенной конденсации на уже имеющихся зародышах – ядрах конденсации. Здесь уместна цитата из книги известных специалистов в этой области Петрянова-Соколова и Сутугина (1988): «Сам по себе процесс рождения новой фазы из газа представляет собой нечто таинственное. Какая сила заставляет молекулы, безмятежно летающие в пространстве, соединяться в рои- кластеры, вырастающие в капли?». Недаром известный физик Ф. Жолио-Кюри в 1936 г. назвал спонтанную конденсацию самым интересным аспектом науки вообще, а не только науки об аэрозолях. Конденсационный способ

144 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Условия, необходимые для гетерогенной конденсации. Расчеты показывают, что спонтанная нуклеация водяного пара при обычных температурах возможна только при S 5, что совершенно нереально для земных атмосферных условий. Но также известно, что уже при относительной влажности в 30% в атмосфере начинается образование жидкокапельного водного аэрозоля. Причиной данного процесса является наличие в атмосфере так называемых ядер конденсации, а процесс образования на них как на уже готовых зародышах капелек воды связан с гетерогенной конденсацией паров. Гетерогенная конденсация пара

145 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Различают следующие типы ядер конденсации в атмосферных условиях (Ивлев и Довгалюк, 1999): 1) гигроскопические частицы, растворяющиеся в воде; 2) смачиваемые, но не растворяющиеся частицы; 3) частично смачивающиеся частицы; 4) смешанные ядра. Атмосферные ядра конденсации, их классификации

146 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Некоторые из аэрозольных частиц могут служить центрами кристаллизации переохлажденной воды. Экспериментально подтверждено, что в лабораторных условиях мелкие капельки (r < 5 мкм) хорошо очищенной воды удается переохладить до – 40 0 С. Такое состояние переохлаждения метастабильно и обусловлено отсутствием ядер кристаллизации. Считается поэтому, что устойчивость жидкокапельных облаков при t < С говорит о малочисленности эффективных естественных ядер кристаллизации в атмосфере. Ядра кристаллизации

147 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Равновесное давление пара заряженных (1) и незаряженных (2) капелек

148 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Критические пересыщения паров на ионах (Грин и Лейн, 1972) Вещество Молярная масса М, г/моль ρ, г/см 3 σ, дин/см p/p теор. эксп. Знак иона Вода Этиловый спирт Метиловый спирт Бензол Четыреххлористый углерод Хлороформ Хлорбензол ,00 0,81 0,92 1,63 1,50 1,15 76,5 23,1 24,7 33,3 31,1 30,3 38, ,52 2,07 11,4 12,7 7,4 30,0 4,14 1,94 2,95 4,94 6,0 3,45 8,9 – + + – + –

149 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какова оценка величины относительной влажности воздуха, при которой в атмосфере может начаться процесс гетерогенной конденсации водяного пара? 2. Почему необходимое пересыщение пара при наличии у частицы растворимого ядра конденсации существенно меньше, чем для капли чистого вещества? 3. В каком агрегатном состоянии может находиться атмосферная вода, в том числе в облаках различных типов? 4. Что такое ядра кристаллизации? В чем их отличие от атмосферных ядер конденсации? Вопросы по лекции

150 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, По какой физической причине ионы могут являться эффективными ядрами при гетерогенной конденсации пара? 6. Какие реальные физические объекты подразумеваются под легкими, средними и тяжелыми ионами в классификационной схеме ионов как ядер конденсации? 7. Проанализируйте классификацию основных типов атмосферного аэрозоля и выделите те из них, которые образованы тем или иным типом конденсационного способа. Вопросы по лекции

151 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартное изложение вопроса представлено в книгах Грина и Лейна (1972), Швыдкий и др. (2001), Петрянова- Соколова и Сутугина (1989), Ивлева и Довгалюк (1999). Классическая теория гомогенной нуклеации достаточно полно отражена в монографии: Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. 3-е изд. М.: Химия, Рекомендуемая литература

152 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, С историческими аспектами ее создания можно познакомиться в книгах: Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. М.: Наука, Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, Основы теории гетерогенной конденсации изложены в: Щёкин А.К., Куни Ф.М., Татьяненко Д.В. Термодинамика нуклеации на нерастворимых макроскопических ядрах: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГУ, Рекомендуемая литература

153 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Кроме того, рекомендуются обзорные статьи в журналах: Сутугин А.Г. Спонтанная конденсация пара и образование конденсационных аэрозолей // Успехи химии Т. 38, 1. С Лушников А.А., Сутугин А.Г. Современное состояние теории гомогенной нуклеации // Успехи химии Т. 45, 3. С Петрянов И.В., Сутугин А.Г. История развития представлений о процессах образования конденсационных аэрозолей и их современное состояние // Коллоидный журнал Т. 51, 3. С Куни Ф.М., Щекин А.К., Гринин А.П. Теория гетерогенной нуклеации в условиях постепенного создания метастабильного состояния пара // Успехи физических наук Т. 171, 4. С Рекомендуемая литература

154 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 9 Элементы механики аэрозолей. Часть 1 Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

155 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Предмет и задачи механики аэрозолей. Прямолинейное равномерное движение частиц Прямолинейное неравномерное движение частиц Режимы движения частицы в зависимости от числа Рейнольдса Силы, действующие на частицы в неоднородных газах. Термофорез аэрозолей. Содержание

156 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Предметом механики аэрозолей является изучение явлений и процессов с аэрозолями после стадии их образования, т.е. явлений и процессов эволюции аэрозолей Задачи механики аэрозолей – разработка адекватных физико-математических моделей процессов и явлений эволюции аэрозолей и создание эффективных экспериментальных методик их исследования, которые не только верифицируют теоретические предсказания, но и открывают новые стороны явлений и процессов. В результате мы должны объяснить существующие факты в данной научной области, а также получить возможность предсказывать с необходимой точностью ход процессов. Основные направления, где необходимы результаты решения данных задач – процессы в аэрозольных технологиях, газоочистка, механика атмосферного аэрозоля. Предмет и задачи механики аэрозолей

157 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Для описания механических и теплофизических свойств системы необходимо разработать физико-математическую модель явления или процесса. Общая методология математического моделирования какого-либо физического процесса (объекта) предполагает реализацию трех последовательных этапов: построение математической модели процесса, отражающей важнейшие свойства исследуемого объекта; разработку адекватных модели, экономичных и адаптирующихся к особенностям решаемой задачи алгоритмов для ее компьютерной реализации; создание конкретных эффективных программ, являющихся «электронным» эквивалентом изучаемого объекта и пригодными для непосредственного испытания на «экспериментальной установке» - компьютере. Запись полной системы определяющих уравнений в такой модели достижима лишь в идеале, асимптотически. Основные теоретические методы механики аэрозолей

158 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Реализация физико- математической модели процесса

159 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, После осознания невозможности реализовать идеальную ФММ процесса, обычно пытаются сформулировать ее упрощенный вариант (заменяя точные, сложные связи на приближенные, более простые). Получаемая более простая модель не обязана быть универсальной для описания широкого круга явлений и процессов. Кроме того, данный феноменологический подход к построению ФММ процесса зависит от опыта конкретного исследователя и потенциально может служить причиной грубых просчетов и промахов. По этой причине, на начальном этапе исследований более предпочтительно использование методов теории подобия, которые позволяют выявить основные закономерности процесса и корректно сформулировать в дальнейшем ФММ определенного уровня сложности. Основные теоретические методы механики аэрозолей

160 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Способ построения феноменологических моделей аэродисперсных систем Предмет и задачи механики аэрозолей

161 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Для дисперсионной (газовой) фазы допустимыми являются следующие модели: 1. Континуальная (сплошная) среда, описываемая уравнениями физико-химической гидрогазодинамики; 2. Дискретная (молекулярная) среда, описываемая на основе газокинетического уравнения Больцмана (или газокинетическими модельными уравнениями); 3. Комбинация предыдущих моделей, учитывающая наличие кнудсеновского слоя вблизи поверхности частиц дисперсной фазы (модель так называемой «гидрогазодинамики со скольжением»). Основные теоретические методы механики аэрозолей

162 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Для дисперсной (частичной) фазы допустимы следующие модельные представления: 1. Сплошная среда (континуум) с некоторыми усредненными по частицам свойствами, описываемая уравнениями физико-химической гидрогазодинамики и тепломассопереноса; 2. Модель (или приближение) одиночной частицы в бесконечном объеме газа. Используются уравнения Ньютона для описания динамики частицы, уравнения макро- или микроскопической электродинамики, химической кинетики, тепломассопереноса для описания процессов внутри частицы и на ее поверхности. Коллективные свойства дисперсной фазы и ее взаимодействие с дисперсионной средой оцениваются через соответствующие характеристики для одиночной частицы Основные теоретические методы механики аэрозолей

163 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Силы, действующие на аэрозольную частицу в неоднородном газе Приближение одиночной частицы в бесконечном объеме газа

164 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Так как многие аэродисперсные системы (в особенности – атмосферные аэрозоли) характеризуются чрезвычайно малыми концентрациями частиц, то часто бывает полезным рассматривать поведение одиночной аэрозольной частицы, находящейся в бесконечном объеме газа. Другие частицы, границы сосуда, или другие объекты в газе подразумеваются расположенными на достаточно больших расстояниях от частицы, поведение которой представляет интерес. Авторы предлагают количественный критерий для данного приближения: если отношение (где R p – характерный размер (радиус) одиночной частицы, λ g – характерный аэродинамический размер в газа (например, средняя длина свободного пробега молекул)), то данное приближение вполне оправдано. Приближение одиночной частицы в бесконечном объеме газа

165 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Типичные диапазоны изменения основных параметров, характеризующих атмосферный аэрозоль (Хайди и Брок, 1970) Параметр Аэрозольные частицы Воздушная среда Числовая плотность (частиц в см 3 ) Средняя температура (К) Среднемассовая или тепловая скорость (см/с) Средняя длина свободного пробега (см) Радиус частицы (см) Масса частицы (г) Заряд (число элементарных зарядов) n p 10 2 ÷ 10 4 T p T g q p ÷ 10 3 p 10 2 R p ÷ m p ÷10 -9 Q p 0 ÷ 100 n g ÷ 310 q g 0 ÷ 10 3 g 6·10 -6 (N 2 ) R g 1,9·10 -8 (N 2 ) m g 4,6· (N 2 ) слабоионизиро- ванный газ

166 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Итак, основные идеи приближения одиночной частицы в бесконечном объеме газа сводятся к следующему: 1. Аэрозольные частицы сильно «разбавлены» газом и находятся на больших (в среднем) расстояниях друг от друга, при этом силами взаимодействия между частицами обычно можно пренебречь; 2. Рассматриваются основные элементарные процессы, которые могут происходить с одиночными частицами (испарение и конденсационный рост, движение под действием различных сил, рассеяние и поглощение излучения, процессы коагуляции, электрическая зарядка частиц и т.д.). Анализ таких элементарных процессов составляет предмет микрофизики аэрозолей; 3. Если существует необходимость учета взаимодействия между частицами, то по возможности вводятся поправки в характеристики элементарных процессов с одиночной частицей; 4. Коллективные свойства аэродисперсной системы оцениваются по свойствам одиночных частиц (для этого необходимо знать функцию распределения аэрозольных частиц по размерам или по другим физико-химическим характеристикам). Приближение одиночной частицы в бесконечном объеме газа

167 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Число Кнудсена где λ g – средняя длина свободного пробега молекул газа, R p – радиус частицы. Оно возникает при анализе уравнения Больцмана, применяемого для описания дисперсионной газовой среды, и характеризует структурность газа. Формальный диапазон изменения критерия. Для атмосферных аэрозолей при н.у., тогда. Основные безразмерные критерии подобия для описания аэродисперсных систем

168 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Число Маха где q p и q g – характерные скорости движения частицы и газа соответственно. Оно возникает при анализе уравнений газовой динамики и характеризует скоростные режимы движения аэрозольной частицы относительно центра масс газа. Диапазон изменения критерия: от очень малых значений до единицы. Для атмосферных аэрозолей характерен диапазон M

169 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Число Рейнольдса где – плотность, среднемассовая скорость и вязкость газа соответственно. Оно возникает при анализе уравнений газовой динамики и выражает соотношение сил инерции и сил вязкого трения в газе. Диапазон изменения критерия – от нуля до очень больших значений. Для атмосферных и технологических аэрозолей число Re изменяется от очень малых (гравитационное осаждение частиц) до очень больших значений (турбулентный перенос частиц, газоочистные аппараты). Основные безразмерные критерии подобия для описания аэродисперсных систем

170 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Число Стокса где – время механической релаксации частицы, L g – некоторый характерный размер процесса. Оно возникает при анализе уравнений движения частицы в механике аэрозолей и характеризует соотношение между силами инерции частицы и силами вязкого трения в газах. Можно сказать, что оно является «аэрозольным» аналогом числа Рейнольдса. Диапазон изменений критерия может быть достаточно большим (особенно для процессов с технологическим аэрозолем). Основные безразмерные критерии подобия для описания аэродисперсных систем

171 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Число Брауна где p и g – характерные тепловые скорости движения аэрозольной частицы и молекул газа соответственно. Возникает при анализе уравнений броуновского движения аэрозолей, характеризует интенсивность броуновского движения аэрозольных частиц. Диапазон изменения критерия – от нуля до единицы. Для атмосферных аэрозолей обычно число Брауна Br

172 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Задача Стокса Газ (дисперсионная среда) описывается системой уравнений Навье–Стокса (частный случай уравнений газодинамики для вязкого несжимаемого газа) в изотермическом приближении: где – среднемассовая скорость газа, p g – давление в газе. Прямолинейное равномерное движение частиц

173 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Тогда формулировка и решение интересующей нас краевой задачи сводится к следующему: 1. Запись уравнений Стокса в сферических координатах; 2. Постановка граничных условий: при, при (условие прилипания), (равенство температур частицы и газа); 3. Определение поля скоростей в газе вокруг неподвижной частицы; 4. Отыскание тензора вязких напряжений на поверхности частицы по известному полю скоростей; 5. Вычисление силы, действующей со стороны газа на закрепленную неподвижную частицу: Прямолинейное равномерное движение частиц

174 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В результате получаем классическую формулу Стокса для силы, действующей на закрепленную неподвижную частицу при обтекании ее низкоскоростным потоком газа, или силы сопротивления со стороны газовой среды, действующей на движущуюся частицу : Основные допущения и предположения в задаче Стокса 1. Несжимаемость газовой среды; 2. Очень малая скорость движения частицы; 3. Отсутствие скольжения газа на поверхности частицы; 4. Твердость (жесткость) частицы; 5. Постоянство скорости движения частицы; 6. Бесконечная протяженность газовой среды; 7. Сферичность частицы. Прямолинейное равномерное движение частиц

175 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Отличие классической навье-стоксовской гидрогазодинамики от гидрогазодинамики со скольжением Прямолинейное равномерное движение частиц

176 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какие из этапов «жизненного цикла» аэрозолей целесообразно анализировать методами механики аэрозолей? 2.Какова возможная методология построения феноменологических моделей аэродисперсных систем? 3.В чем могут проявляться недостатки и опасности такого подхода? 4.Какие феноменологические модели дисперсионной среды используются в механике аэрозолей? В чем их сходство и коренное различие? Вопросы по лекции

177 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какие феноменологические модели дисперсной среды наиболее часто используются в механике аэрозолей? 6.Какова, на ваш взгляд, общая процедура использования континуальной модели дисперсной среды в механике аэрозолей? Каково ее соответствие с соответствующей процедурой для модели одиночной частицы в бесконечном объеме газа? 7.Какую цель преследует введение модели «гидрогазодинамики со скольжением» в механике аэрозолей? Почему недостаточно модели на основе классической навье-стоксовской гидрогазодинамики? Вопросы по лекции

178 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какую самостоятельную роль играют безразмерные критерии подобия в задачах механики аэрозолей? 9.В чем заключается сходство и различие числа Рейнольдса и числа Стокса в механике аэрозолей? 10.Являются ли независимыми три основных «газовых» критерия подобия: число Рейнольдса, число Маха и число Кнудсена? 11.Сформулируйте основные предположения и допущения для задачи Стокса. Вопросы по лекции

179 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартные подходы к рассматриваемым вопросам представлены в книгах Фукса (1955), Райста (1987), Ивлева и Довгалюк (1999), Швыдкого и др. (2001). Для углубленного изучения вопроса рекомендуются монографии Фридлендера (2000), Вильямса и Лойалки (1991), а также Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. М.: Мир, Hidy G.M., Brock J.R. The dynamics of aerocolloidal systems. Oxford: Pergamon Press, Clift R., Grace J.R., Weber M.E. Bubbles, drops, and particles. N.Y.: Academic Press, Brennen C.E. Fundamentals of multiphase flows. Cambridge University Press, Рекомендуемая литература

180 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 10 Элементы механики аэрозолей. Часть 2 Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

181 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Предмет и задачи механики аэрозолей. Прямолинейное равномерное движение частиц Прямолинейное неравномерное движение частиц Режимы движения частицы в зависимости от числа Рейнольдса Силы, действующие на частицы в неоднородных газах. Термофорез аэрозолей. Содержание

182 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Малые числа Рейнольдса Общее дифференциальное уравнение одномерного движения частицы в вязкой среде при малых числах Re было впервые получено французским математиком и механиком Буссинеском в 1903 г. (Фукс, 1955): где m p, q p – масса и скорость движения частицы, t – текущее время, x – координата. Прямолинейное неравномерное движение частиц аэрозоля

183 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Независимо от размера частицы ее движение можно считать практически безинерционным, т.е. отвечающим сопротивлению среды при постоянной скорости движения, равной ее значению в данный момент времени. Критерием безинерционности движения частицы является время механической релаксации частицы, которое в случае малых чисел Re имеет вид Прямолинейное неравномерное движение частиц аэрозоля

184 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, При рассмотрении движений, продолжительность которых велика по сравнению со временем механической релаксации, можно считать, что частицы неподвижны по отношению к среде (если на них не действуют внешние силы), или же движутся со скоростью V(t) = BF(t), где F(t) – мгновенное значение внешней сил, B – подвижность частицы. Такое движение частиц называется квазистационарным (Фукс, 1955). Прямолинейное неравномерное движение частиц аэрозоля

185 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Умеренные и большие числа Рейнольдса В этом случае уравнение Буссинеска неприменимо, а аналитический вид требуемого дифференциального уравнения из литературы не известен. Однако, в учебнике Райста (1987) приведен интересный способ анализа указанной проблемы. Прямолинейное неравномерное движение частиц аэрозоля

186 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В настоящее время имеется большое количество теоретических, чисто эмпирических и полуэмпирических формул для коэффициента сопротивления сферической частицы. Самые известные из них, включая формулу Стокса, следующие: Формула Стокса:, Формула Озеена:, Формула Клячко:, Формула из учебника Райста (1987):, Прямолинейное неравномерное движение частиц аэрозоля

187 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Зависимость коэффициента сопротивления для прямого кругового цилиндра от числа Рейнольдса (Фейнман и др., 2004) Режимы движения частицы в зависимости от числа Рейнольдса

188 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Схематичное изображение линий тока в газе, обтекающем частицу, для различных диапазонов изменения числа Рейнольдса (Фейнман и др., 2004)

189 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Линии тока течения газа за сферой при ламинарном периодическом режиме (Ван Дайк, 1986)

190 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Силы, действующие на аэрозольную частицу в неоднородном газе Силы, действующие на частицы в неоднородных газах. Термофорез аэрозолей

191 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Если в газе существует градиент температуры, то на аэрозольную частицу действует так называемая термофоретическая сила, сложным образом зависящая от соотношения давления газа и размера частицы, ее теплопроводности, характеристик взаимодействия молекул газа с поверхностью частицы. Термофорез аэрозолей (наряду с фотофорезом) представляет собой частный случай проявления так называемых радиометрических явлений в газах, заключающихся в возникновении сил, действующих на неоднородно нагретые тела в разреженном газе. Термофорез аэрозолей – чисто кинетическое явление, его невозможно описать в рамках классической навье- стоксовской гидрогазодинамики Силы, действующие на частицы в неоднородных газах. Термофорез аэрозолей

192 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизм возникновения термофоретической силы при малых числах Кнудсена Термофорез аэрозолей

193 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизм возникновения термофоретической силы в свободномолекулярном режиме Термофорез аэрозолей

194 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Что характеризует время механической релаксации частицы в задачах механики аэрозолей? 2.Какой тип движений аэрозольных частиц Фукс (1955) предложил назвать квазистационарным? 3.Какой физический смысл подвижности частицы? 4.Как определяется коэффициент сопротивления тела в аэродинамике и механике аэрозолей? 5.Какие характерные особенности имеет коэффициент сопротивления в зависимости от числа Рейнольдса? Вопросы по лекции

195 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Чем обусловлен так называемый «кризис сопротивления» для данной зависимости? 7.Что такое радиометрические явления (эффекты) для аэрозолей? 8.Как возникает тепловое скольжение газа вдоль неоднородно нагретой поверхности частицы? В чем его необычность с термодинамической точки зрения? 9.Почему термофоретическая сила и скорость движения частицы направлены против градиента температуры в газе? Вопросы по лекции

196 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартные подходы к рассматриваемым вопросам представлены в книгах Фукса (1955), Райста (1987), Ивлева и Довгалюк (1999), Швыдкого и др. (2001). Для углубленного изучения вопроса рекомендуются монографии Фридлендера (2000), Вильямса и Лойалки (1991), а также Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. М.: Мир, Hidy G.M., Brock J.R. The dynamics of aerocolloidal systems. Oxford: Pergamon Press, Clift R., Grace J.R., Weber M.E. Bubbles, drops, and particles. N.Y.: Academic Press, Brennen C.E. Fundamentals of multiphase flows. Cambridge University Press, Рекомендуемая литература

197 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 11 Испарение и конденсационный рост капель Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

198 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Общая характеристика проблемы испарения и конденсационного роста капель. Теория Максвелла для диффузионного режима испарения. Уравнение Ленгмюра для времени испарения капли. Формула Герца–Кнудсена для кинетического режима испарения. Современное состояние вопроса. Содержание

199 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Основоположником теории испарения капель в газовой среде был выдающийся английский ученый Дж. К. Максвелл. В 1887 г. он впервые рассмотрел следующую идеализированную задачу. Одиночная сферическая капля радиусом покоится в неограниченном объеме идеальной парогазовой смеси. Полное давление смеси p = const; давление пара над каплей равно давлению насыщенного пара над плоской границей раздела фаз p s, причем p s /p

200 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Постановка задачи об испарении или конденсационном росте капли в диффузионном режиме Теория Максвелла для диффузионного режима испарения

201 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Поток числа молекул пара выражается уравнением где D – коэффициент диффузии пара (размерностью м 2 /с). Знак «–» в уравнении означает преимущественный поток пара от капли, что соответствует процессу испарения. Граничные условия для числовой концентрации пара: n = n s при r = R p ; n = n при r. Формула Максвелла Теория Максвелла для диффузионного режима испарения

202 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Таким образом, оцененный поток пара (иногда не совсем точно называемый скоростью испарения) полностью определяется скоростью диффузии пара в среде, поэтому данный режим испарения называют диффузионным или диффузионно- контролируемым. Заметим также, что в данном режиме N ~ R p. Если пар считать идеальным газом, то p s = n s kT, а формулу Максвелла можно записать в более удобном для практических целей виде где I = mN - массовый поток пара (размерностью кг/с), m и M – масса молекулы пара и его молярная масса соответственно, R – универсальная газовая постоянная. Теория Максвелла для диффузионного режима испарения

203 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Так как I = -dm p /dt, а масса капли m p = (4/3)πR p 3 ρ p, то Интегрируя это уравнение, получаем где R p0 – радиус капли в начальный момент времени. Таким образом, площадь поверхности капли есть линейная функция времени при ее испарении. Уравнение Ленгмюра для времени испарения капли

204 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Время испарения капли с начальным радиусом R p до конечного радиуса R p0 : где S – степень пересыщения пара. Данное уравнение называется уравнением Ленгмюра (1915). Естественно, что оно справедливо только для диффузионного режима испарения. Уравнение Ленгмюра для времени испарения капли

205 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В условиях свободномолекулярного режима средняя длина свободного пробега молекул пара значительно превышает радиус капли. Плотность потока паровых молекул на каплю в условиях термодинамического равновесия согласно кинетической теории газов оценивается как, где – характерная тепловая скорость движения молекул пара, n – числовая концентрация молекул пара вдали от капли. α m – называется коэффициентом испарения/конденсации. Формула Герца – Кнудсена для кинетического режима испарения

206 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Плотность потока сконденсировавшихся молекул равна С поверхности капли испаряется поток молекул плотностью где n 0 – числовая плотность молекул насыщенного пара, взятая при температуре капли. Формула Герца – Кнудсена Формула Герца – Кнудсена для кинетического режима испарения

207 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Большой вклад в решение проблемы внес Н.А. Фукс. В частности, он предложил способ существенного уточнения формул Максвелла и Ленгмюра, используя концепцию кнудсеновского слоя вблизи поверхности капли. Он предположил, что диффузионный процесс начинается не непосредственно на поверхности частицы, а на расстоянии порядка средней длины свободного пробега молекул пара от нее. Современное состояние вопроса

208 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, При выводе формул Максвелла и Герца – Кнудсена предполагалось, что температура капли и парогазовой смеси одинаковы (случай изотермического испарения / конденсации). Такое приближение отнюдь не является универсальным, поэтому учету скрытой теплоты фазового перехода в исследуемых процессах впоследствии уделялось пристальное внимание. Современное состояние вопроса

209 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Большое значение для рассматриваемой проблемы имеет состав газовой среды. В частности, за прошедшие годы был достигнут существенный прогресс в описании процессов испарения/конденсации в парогазовых смесях различного состава. Ранний же этап исследований в основном касался процессов испарения/конденсации в собственном паре вещества частицы. Современное состояние вопроса

210 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Проблемы испарения/конденсационного роста капель. В настоящее время появилась принципиальная возможность исследования этих процессов на кинетическом уровне, т.е. основываясь на решении граничных задач на основе уравнения Больцмана. Такой уровень описания проблемы позволяет оценить пригодность и ограничения полученных ранее феноменологических результатов. Кроме того, эти методы позволяют проанализировать проблему во всем диапазоне чисел Кнудсена. Современное состояние вопроса

211 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Рассмотренные выше процессы квазистационарного (или «слабого») испарения/конденсации капель являются частными случаями широкого класса нестационарных явлений, управляемых величиной интенсивности теплоотвода от капли. При этом могут организовываться всевозможные варианты газодинамических процессов, исследование которых не завершено и на сегодняшний день. Современное состояние вопроса

212 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Очень важны экспериментальные исследования рассмотренных проблем. Было прояснено влияние на скорость испарения возможных значений коэффициентов испарения/конденсации. Большой интерес представляет и экспериментальное исследование процессов испарения для электрически заряженных капель. Современное состояние вопроса

213 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Полученные результаты в данной области в настоящее время широко используются в прикладных исследованиях. В частности, можно привести пример регулирования и управления выпадением осадков посредством модификации спектров размеров облачных капель за счет пассивации их поверхности пленками из неиспаряющихся веществ. Развитие методов воздействия мощного лазерного излучения на облачные системы также интенсифицировало исследования в данной области. Современное состояние вопроса

214 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Приведите примеры атмосферных и технологических приложений для проблем испарения и конденсационного роста капель. 2.Как следует понимать термин «квазистационарный режим испарения»? Какие трудности в описании проблемы снимает использование данного приближения? 3.Какие термодинамические условия необходимы для реализации процессов испарения и конденсационного роста капель? 4.Почему капля жидкости может испаряться даже в среде собственного насыщенного пара? Вопросы по лекции

215 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Учитывается ли в теории Максвелла структурность (молекулярность) газовой среды? Если учитывается, то на каком уровне описания? 6.Что является движущей силой процессов испарения/конденсации согласно формулам Максвелла и Герца – Кнудсена? 7.Как вы понимаете термины «диффузионный» и «кинетический» режимы испарения? Какие еще режимы процессов также принципиально возможны? 8.Какой физический смысл имеет коэффициент испарения m ? Вопросы по лекции

216 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Пусть капля испарилась от некоторого от некоторого начального радиуса R p до ситуации R p =0 (превратилась в молекулярный кластер, который затем распался). Используя формулу Ленгмюра, оцените время такого процесса. 10.Почему в диффузионном режиме скорость испарения пропорциональна R p, а в кинетическом режиме – R p 2 ? 11.Как вы понимаете сущность метода «граничной сферы» в теории Фукса? Что данный метод уточняет в теории Максвелла? Вопросы по лекции

217 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартные подходы к вопросу рассмотрены в книгах Фукса (1958), Райста (1987), Грина и Лейна (1972), Амелина (1972), Швыдкого и др. (2001). Полезное качественное обсуждение проблемы представлено у Петрянова-Соколова и Сутугина (1989). Для углубленного изучения рекомендуются следующие монографии и статьи: Фукс Н.А., Сутугин А.Г. Высокодисперсные аэрозоли. М.: ВИНИТИ, Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский А.В. Нелинейные оптические эффекты в аэрозолях. Новосибирск: Наука, Кучеров А.Н. Режимы испарения капли водного аэрозоля // Теплофиз. высоких темпер Т С. 144–152. Hinds W.C. Aerosol technology: properties, behavior, and measure- ment of airborne particles. 2nd ed. N.Y.: Wiley–Interscience, Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change. N.Y.: Wiley–Interscience, Рекомендуемая литература

218 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 12 Броуновское движение и диффузия частиц Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

219 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Причины и характер броуновского движения аэрозольных частиц. Законы, описывающие броуновскую диффузию частиц. Теория броуновского движения Эйнштейна. Диффузионно–седиментационное равновесие и «барометрическое» распределение частиц. Влияние массы частицы на коэффициент броуновской диффузии. Кажущийся средний свободный пробег аэрозольной частицы. Содержание

220 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Причины и характер броуновского движения аэрозольных частиц Частицы могут выводиться из аэрозольной системы двумя путями: 1)они способны коагулировать (агрегировать) с другими частицами и укрупняться до таких размеров, что будут интенсивно оседать на поверхности под действием силы тяжести; 2)могут мигрировать к поверхностям осаждения, ударяться о них и оставаться связанными с ними.

221 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Причины и характер броуновского движения аэрозольных частиц Процессы, вследствие которых аэрозольные частицы перемещаются к поверхности либо друг к другу без действия на них внешних сил, называются диффузионными, а движение частиц в таких процессах – броуновским движением. Броуновская диффузия аэрозолей подразумевает перенос частиц из областей с большей их концентрацией в области с меньшей концентрацией.

222 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Схематическое изображение траекторий движения молекул газа (хаотическое тепловое движение, слева) и аэрозолей (броуновское движение частиц, справа) Причины и характер броуновского движения аэрозольных частиц

223 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Законы, описывающие броуновскую диффузию частиц Первый закон Фика где J – плотность потока частиц (1/(м 2 ·с)), n – числовая концентрация (1/м 3 ), D B (м 2 /с) – коэффициент броуновской диффузии частиц. Этот закон описывает процесс стационарной диффузии и формулируется следующим образом: Плотность потока аэрозольных частиц через поверхность, нормальную к направлению переноса, пропорциональна градиенту концентрации частиц, взятому с обратным знаком.

224 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Законы, описывающие броуновскую диффузию частиц Второй закон Фика Он описывает процесс нестационарной диффузии частиц в пространстве и формулируется так: Производная концентрации аэрозольных частиц по времени в данной точке пространства пропорциональна лапласиану концентрации в этой точке.

225 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Средний квадрат смещения частиц при поступательном броуновском движении Рассмотрим задачу об одномерном броуновском движении системы из N частиц, в начальный момент времени сосредоточенных в элементарном объеме вблизи точки x = 0. Требуется определить числовую плотность (концентрацию) частиц n(x,t) в произвольный момент времени.

226 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Известное решение дает нормальное (гауссовское) распределение для концентрации частиц: причем (условие нормировки). Оценим среднее смещение частиц в этом процессе однако среднее значение квадрата смещения уже не равно нулю При трехмерном движении среднеквадратичное смещение частицы составляет (Райст, 1987). Средний квадрат смещения частиц при поступательном броуновском движении

227 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Коэффициент поступательной броуновской диффузии частиц Рассмотрение задачи о броуновской диффузии частиц по аналогии с известной проблемой возникновения осмотического давления растворенного вещества в растворителе в коллоидной химии, позволило Эйнштейну получить универсальное соотношение для коэффициента броуновской диффузии где В – подвижность частицы (скорость, приобретаемая частицей под действием единичной силы), Т – температура газа, k – постоянная Больцмана.

228 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Коэффициент поступательной броуновской диффузии частиц Подвижность частицы B выражается через время механической релаксации частицы, а значит – через характеристики задачи о силе сопротивления где C c – эмпирическая поправка Каннингема, учитывающая отклонение закона сопротивления от формулы Стокса при конечных числах Кнудсена (Райст, 1987).

229 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Коэффициент поступательной броуновской диффузии частиц Диаметр частицы d p, мкм Подвижность частицы B, м/(Н·с) Коэффициент диффузии B p, м 2 /с Тепловая скорость частицы, м/с 0,00037* 0,01 0,1 1, ,3· ,7· ,8·10 9 6,0·10 8 2,0· ,4· ,9· ,7· ,4· * 4,4 0,14 0,0044 0,00014 * Диаметр и скорость молекулы азота

230 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Броуновское вращение частиц Помимо поступательного броуновского движения, хаотическое тепловое движение молекул газа и их столкновения с частицей может приводить и к броуновскому вращению частиц. Его характеристики описываются следующим соотношением (Фукс, 1955) где – среднее значение квадрата угла поворота частицы относительно выбранной оси вращения за время t.Для крупных сферических частиц

231 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диффузионно-седиментационное равновесие и «барометрическое» распределение частиц Плотность диффузионного потока частиц вдоль оси z равна плотность потока частиц за счет седиментации составляет где V s – средняя скорость гравитационной седиментации частиц. Она определяется из условия равенства сил тяжести m p g и сопротивления среды, откуда, а.

232 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диффузионно-седиментационное равновесие и «барометрическое» распределение частиц Если в системе наступает так называемое диффузионно-седиментационное равновесие, то, Таким образом, высокодисперсные (субмикронные) аэрозоли не оседают на поверхности вследствие гравитационной седиментации, броуновское движение будет удерживать их во взвешенном состоянии. Данный вывод имеет принципиальное значение для процессов и методов газоочистки.

233 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Влияние массы частицы на коэффициент броуновской диффузии D B не зависит от массы частицы m p, что совершенно не понятно физически. Это кажущееся противоречие объясняет теория Орнштейна–Цернике (1934). где время механической релаксации частицы уже зависит от массы частицы m p. При больших временах рассматриваемого процесса этот результат переходит в соотношение Эйнштейна:

234 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Кажущийся средний свободный пробег аэрозольной частицы λ p представляет собой расстояние, которое в среднем преодолевает частица в выделенном направлении, пока ее скорость в данном направлении не станет равна нулю. Фукс (1955) предлагает определить его как Кажущийся средний свободный пробег аэрозольной частицы

235 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Кажущийся средний свободный пробег аэрозольной частицы

236 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Кажущийся средний свободный пробег для частиц плотностью 1 г/см 3 Диаметр частицы d p, мкм Время механической релаксации, с Тепловая скорость частицы, м/с Средний свободный пробег, мкм 0,00037* 0,01 0,1 1, ,8· ,8· ,6· ,1· * 4,4 0,14 0,0044 0, ,066 0,030 0,012 0,016 0,044 * Диаметр и скорость молекулы азота

237 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Какие процессы в механике аэрозолей принято называть диффузионными? Участвуют ли в процессе диффузии частиц внешние силы? 2.Что является первопричиной броуновского движения аэрозольных частиц? 3.Каков смысл коэффициента броуновской диффузии частиц в феноменологических законах Фика? Какой подход необходим для расшифровки его структуры? 4.Почему среднее смещение частиц при броуновской диффузии равно нулю? Вопросы по лекции

238 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Почему при трехмерном движении среднеквадратичное смещение частиц меньше, чем при одномерном? 6.Что такое подвижность частиц? Через какие характеристики она выражается в механике аэрозолей? 7.Каковы характерные порядки коэффициентов броуновской диффузии частиц и коэффициентов молекулярной диффузии? 8.В каких проблемах механики аэрозолей обязательно необходим учет броуновской диффузии частиц? 9.Какая средняя энергия приходится на возбуждение поступательного или вращательного броуновского движения аэрозольных частиц? Вопросы по лекции

239 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, От каких характеристик дисперсионной и дисперсной фазы аэрозолей зависит коэффициент броуновской диффузии? 11.К каким выводам при анализе процессов осаждения аэрозолей приводит анализ условий диффузионно- седиментационного равновесия частиц? 12.Как можно объяснить тот факт, что коэффициент броуновской диффузии очень слабо зависит от массы аэрозольной частицы? 13.Что такое кажущийся средний свободный пробег аэрозольных частиц? В чем сходство и разница этой характеристики по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул газа? Вопросы по лекции

240 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Фундаментальное введение в проблему содержится в монографии Фукса (1955). Стандартные подходы к вопросу рассмотрены в книгах Райста (1987), Белоусова (1988), Хиндса (1999), Фридлендера (2000). Для углубленного изучения проблемы рекомендуется следующее учебное пособие: Nelson E. Dynamical theories of Brownian motion. 2nd ed. Princeton University Press, Рекомендуемая литература

241 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 13 Коагуляция аэрозолей Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

242 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классификация типов коагуляции Кинетика броуновской коагуляции Теория Смолуховского для монодисперсного аэрозоля Коагуляция полидисперсного аэрозоля. Содержание

243 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Коагуляция – наиболее важный процесс межчастичного взаимодействия в аэрозолях. Ее надо понимать как эффект слипания, агрегирования первичных частиц в процессе их взаимного движения и парных столкновений (тройные столкновения частиц обычно не учитываются как весьма маловероятные). Слияние жидких капель называется коалесценцией, для твердых частиц часто используется термин агломерация. Оба эффекта в целом можно характеризовать как агрегацию частиц. Происхождение этих терминов следующее: coagulatio (лат.) – свертывание, сгущение; aggrego (лат.) – присоединять. В общем случае под коагуляцией понимают уменьшение степени дисперсности частиц (т.е. их укрупнение) при снижении числовой концентрации частиц. Классификация типов коагуляции

244 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Классификация типов коагуляции

245 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Физическая постановка задачи. Рассмотрим монодисперсный аэрозоль из сферических частиц, которые первоначально были равномерно распределены в объеме газа. Они испытывают поступательное броуновское движение, которое приводит к их сближению и столкновениям. Каждое парное столкновение частиц приводит к их слипанию (так называемая «быстрая» коагуляция, которой присуща максимальная эффективность слипания частиц; «медленная» коагуляция – не каждое столкновение приводит к слипанию). Предполагается также, что размер образовавшихся агрегатов на первоначальных этапах коагуляции мало отличается от размеров первичных частиц (это весьма сильное предположение, которое имеет важные следствия). Кинетика броуновской коагуляции

246 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Схематичное представление модели «поглощающей сферы» Кинетика броуновской коагуляции

247 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Плотность потока частиц на «поглощающую сферу» может быть оценена согласно первому закону Фика для броуновской диффузии где n - числовая концентрация равномерно распределенных в объеме частиц; dn/dx - градиент концентрации частиц вблизи поверхности «поглощающей сферы». Частота столкновений движущихся частиц (материальных точек) с выбранной неподвижной частицей – «поглощающей сферой» – может быть оценена как где S - площадь поверхности «поглощающей сферы». Кинетика броуновской коагуляции

248 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Уравнение Смолуховского – основное дифференциальное уравнение кинетики броуновской коагуляции. где K 0 – так называемая константа (коэффициент) коагуляции, размерностью м 3 /с. Для тонко- и грубодисперсного аэрозоля. Его решение имеет вид (представлены две формы): где n 0 - концентрация частиц в условный момент времени t = 0. Кинетика броуновской коагуляции

249 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Когда размер частиц сопоставим со средней длиной «свободного пробега» частиц, то необходимо вводить поправку в константу коагуляции где A – постоянная, зависящая от размера частиц Кинетика броуновской коагуляции

250 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Коагуляция монодисперсных частиц хлорида аммония в воздухе: сравнение теории Смолуховского с экспериментом. Тангенс угла наклона прямой на правом графике определяет константу коагуляции. Кинетика броуновской коагуляции

251 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Зависимость числовой концентрации частиц от времени для броуновской коагуляции монодисперсного аэрозоля (разные кривые соответствуют различной начальной концентрации частиц) Кинетика броуновской коагуляции

252 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Для константы коагуляции частиц радиусом R p1 с другими частицами радиусом R p2 в первом приближении можно принять следующую оценку: В общем случае константу коагуляции полидисперсного аэрозоля с известными функциями распределения частиц по размерам (например, с логарифмически- нормальным распределением) можно выразить следующим образом(Фукс, 1955): Коагуляция полидисперсного аэрозоля

253 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Чем больше отношение радиусов частиц, тем больше константа коагуляции. При равных размерах частиц (т.е. для монодисперсного аэрозоля) константа коагуляции минимальна. Это означает, что в полидисперсном аэрозоле мелкие частицы должны быстро поглощаться крупными, что косвенно подтверждается в экспериментах: в процессе коагуляции полидисперсность не возрастает, а уменьшается. Коагуляция полидисперсного аэрозоля

254 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Константа броуновской коагуляции для полидисперсного аэрозоля К 12 (ось ординат) для частиц с диаметрами D p1 и D p2, мкм. Ось абсцисс – диаметр D p1, мкм (меньший диаметр). Пересечение вертикальной линии от оси абсцисс с кривой на графике для различных D p2 (частицы с бóльшим диаметром) и проекция на ось ординат дадут значение константы коагуляции К 12 Коагуляция полидисперсного аэрозоля

255 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В чем различие процессов броуновской и вынужденной коагуляции аэрозольных частиц? 2.Каковы основные предположения теории Смолуховского для кинетики броуновской коагуляции? 3.Как вводится понятие «поглощающей сферы» в теории Смолуховского? Каков ее радиус по сравнению с размером реальной частицы? Вопросы по лекции

256 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, На каком этапе процесса коагуляции монодисперсного аэрозоля теория Смолуховского обладает максимальной погрешностью? 5.Как зависит от времени числовая концентрация частиц при броуновской коагуляции? 6.В чем смысл поправки Фукса для теории броуновской коагуляции по Смолуховскому? 7.Как зависит темп изменения концентрации монодисперсных частиц во времени от начальной концентрации частиц? Вопросы по лекции

257 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, По какому закону изменяется радиус капель при броуновской коалесценции? 9.Какую информацию о свойствах аэрозоля необходимо иметь для оценки константы коагуляции полидисперсного аэрозоля? 10.Как зависит константа коагуляции полидисперсного аэрозоля от отношения радиусов частиц? Почему константа коагуляции для частиц близких размеров минимальна? Вопросы по лекции

258 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартные подходы к вопросу рассмотрены в книгах Фукса (1955), Белоусова (1988), Райста (1987), Швыдкого и др. (2001). Методически полезный материал содержится также в англоязычных монографиях Хиндса (1999), Вильямса и Лойалки (1991), Фридлендера (2000). Рекомендуемая литература

259 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 14 Электрические свойства аэрозолей Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

260 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Введение. Механизмы зарядки аэрозольных частиц. Диффузионная зарядка частиц. Зарядка частиц в электрическом поле. Максимальная величина заряда частицы. Равновесное распределение зарядов. Содержание

261 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Важность изучения электрических свойств аэрозолей мотивируется следующими положениями: 1. Большинство аэрозолей несут заряд, который может постоянно перераспределяться между частицами; 2. Внешние электрические поля могут эффективно влиять как на величину заряда частиц, так и на характеристики их движения; 3. Проявления особых свойств заряженных аэрозолей важны как для изучения процессов с атмосферным аэрозолем, так и в очень многих технологических приложениях; 4. На сегодняшний день создано множество разнообразных измерительных аэрозольных приборов, использующих электрические свойства аэрозолей. Введение

262 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизмы зарядки аэрозольных частиц К основным процессам, приводящим к образованию заряда на частице, относятся прямая ионизация частиц; статическая электризация частиц; столкновения с ионами или ионными кластерами (в том числе в присутствие внешнего электрического поля); ионизация частиц электромагнитным излучением (ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением). При этом перечисленные процессы могут протекать как по отдельности, так и совместно.

263 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизмы зарядки аэрозольных частиц Прямая ионизация частиц Под ней, по-видимому, следует понимать ионизацию аэрозольных частиц высокоэнергетическими атомами и молекулами (но не электромагнитным излучением). Райст (1987) полагает, что этот механизм не является существенным, так как основной эффект ионизации будет производиться за счет молекул воздуха, но не за счет малого количества в нем аэрозольных частиц.

264 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Механизмы зарядки аэрозольных частиц Статическая электризация. Может протекать за счет действия различных механизмов: 1.Электролитические эффекты. 2.Контактная электризация. 3.Электризация при распылении. 4.Электризация трением. 5.Ионизация в пламени.

265 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Столкновения с ионами или ионными кластерами Ионы или ионные кластеры в воздухе образуются, например, при присоединении нейтральными аэрозольными частицами положительных или отрицательных ионов, возникших за счет энергии α-, β- и γ-лучей в процессе радиоактивного распада изотопов. К зарядке аэрозольных частиц ведут два процесса, действующих по отдельности или совместно. В процессе диффузионной зарядки аэрозольные частицы заряжаются при столкновении с диффундирующими ионами в отсутствие внешнего электрического поля. В процессе зарядки в электрическом поле частицы приобретают заряд, сталкиваясь в основном с ионами, движущимися по направлению внешнего электрического поля.

266 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диффузионная зарядка частиц Рассмотрим данный процесс подробнее при следующих предположениях: 1) частицы сферические (или изометрические), 2) частицы аэрозоля монодисперсные (полидисперсность усложняет, но не опровергает теорию), 3) частицы не взаимодействуют между собой (что можно принять при их малой счетной концентрации), 4) около каждой частицы концентрация ионов и электрическое поле однородны.

267 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диффузионная зарядка частиц Элементарная теория диффузионной зарядки была разработана Уайтом. Результаты теории Уайта можно представить в виде где n(t) – заряд частицы в момент времени t; – характерный заряд частицы, приобретаемый ею за характерное время зарядки, – тепловая скорость движения ионов, N 0 – средняя концентрация ионов в газе, e – элементарный заряд электрона.

268 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диффузионная зарядка частиц Результаты теории Уайта для диффузионной зарядки аэрозольной частицы

269 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диффузионная зарядка частиц По теории Уайта предельного заряда частицы не существует, что физически неверно – при достижении определенного заряда частицы начинается эмиссия электронов с ее поверхности. Кроме того, данная теория справедлива лишь в тех случаях, когда средняя длина свободного пробега ионов меньше или порядка размера частицы. В теории также не учтен стохастический характер приобретения частицей заряда.

270 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Диффузионная зарядка частиц Сравнение теории Фукса – Брикарда (сплошные линии) с теорией Уайта (штриховые линии) и экспериментом (Райст, 1987)

271 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Зарядка частиц в электрическом поле В отличие от диффузионной зарядки, данный процесс происходит в потоке униполярных ионов, направленно движущихся в приложенном электрическом поле. В этом процессе (в отличие от предыдущего) происходит насыщение частицы зарядом, величина предельного заряда оценивается как где ε – диэлектрическая проницаемость частицы, E 0 – напряженность невозмущенного электрического поля. Результаты теории зарядки частиц во внешнем поле удобно представить в виде где – постоянная времени, характеризующая быстроту зарядки частицы (за время t 0 частица получит половину предельного заряда); Z – подвижность ионов (скорость иона под действием электрического поля единичной напряженности).

272 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Зарядка частиц в электрическом поле Зависимость отношения заряда частицы к ее предельному заряду от безразмерного времени

273 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Максимальная величина заряда частицы Для твердой сферической частицы предельный заряд равен где E S – напряженность достижения поверхностной эмиссии электронов или ионов (для электронов, для ионов ед. потенциала СГСЭ/см). Например, максимальный положительный заряд частицы диаметром 0,01 мкм составит около 350 единичных зарядов. Рэлей получил выражение для количества электронов на капле, необходимого для ее разрыва где σ – коэффициент поверхностного натяжения вещества капли.

274 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Равновесное распределение зарядов Теоретический подход к описанию равновесия биполярных зарядов на аэрозольных частицах описан в учебнике Райста (1987). Окончательный результат теории имеет вид где f(n) – доля частиц аэрозоля диаметром D p из их полного числа в единице объема, содержащих зарядов одного знака. Если ограничиться рассмотрением частиц с D p > 0.01 мкм, то можно аппроксимировать его следующей более удобной формулой Средний заряд любого знака на частице может быть оценен как

275 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Перечислите и кратко охарактеризуйте основные механизмы униполярной зарядки аэрозольных частиц. 2.Какие из механизмов зарядки являются наиболее значимыми? Какой критерий можно использовать для данной оценки? 3.Почему наличие в пламени мелких частиц вещества значительно увеличивает концентрацию свободных электрических зарядов? 4.Почему возникает двойной электрический слой вблизи поверхности жидкости? Какую роль он играет в зарядке частиц, образующихся при диспергации жидкости? Вопросы по лекции

276 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Почему в теории Уайта для диффузионной зарядки формально отсутствует предел насыщения частицы зарядом? Устраняет ли это свойство более совершенная теория Фукса – Брикарда? 6.Какой физический механизм в реальности ограничивает накопление заряда на частице при ее диффузионной зарядке? 7.Почему при зарядке в электрическом поле возникает предельный заряд частиц? Каков физический механизм этого явления? 8.Каков физический механизм ограничения предельного заряда на поверхности жидкой капли по теории Рэлея? Вопросы по лекции

277 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Что является источником возникновения равновесного электрического заряда атмосферных аэрозолей? 10.Что представляют собой физически носители отрицательного и положительного заряда аэрозольных частиц? Вопросы по лекции

278 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартные подходы к вопросу представлены в книгах Райста (1987), Белоусова (1988), Грина и Лейна (1972). Для углубленного изучения вопроса рекомендуется монография: Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З., Пашин М.М. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Энергия, Рекомендуемая литература

279 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 15 Оптические свойства аэрозолей Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

280 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Введение. Взаимодействие электромагнитного излучения с одиночной частицей: теория Ми. Оптические характеристики аэрозолей. Пределы применимости теории Ми. Содержание

281 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Оптические свойства – одни из самых типичных, но в тоже время важнейших характеристик аэродисперсных систем. Рассевают излучение любые аэрозольные частицы. Некоторые частицы (например, сажевые) могут эффективно поглощать излучение. Совокупность процессов рассеяния и поглощения называется экстинкцией (ослаблением) излучения. Введение

282 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Актуальными задачами нелинейной оптики атмосферного аэрозоля 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. Введение

283 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Формализм теории Ми Важнейшей строго решаемой математической проблемой в теории поглощения и рассеяния света дисперсными частицами является задача о дифракции излучения на сфере с произвольными радиусом и комплексным показателем преломления (так называемая «задача Ми»). Взаимодействие электромагнитного излучения с одиночной частицей: теория Ми

284 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, К постановке задачи Ми Взаимодействие электромагнитного излучения с одиночной частицей: теория Ми

285 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Коэффициенты Ми (Борен и Хафмен, 1986) Взаимодействие электромагнитного излучения с одиночной частицей: теория Ми

286 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Основные характеристики, связанные с рассеянным излучением фактор эффективности рассеяния (или безразмерное сечение рассеяния) Q sca, фактор эффективности ослабления излучения Q ext, определяемый как Q ext = Q abs + Q sca. параметр асимметрии фазовой функции g и альбедо однократного рассеяния w = 1 – Q abs /Q ext. Оптические характеристики аэрозолей

287 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Рассчитанные значения факторов рассеяния, поглощения и ослабления излучения для частиц ряда атмосферных аэрозолей Оптические характеристики аэрозолей

288 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Зависимость фактора поглощения излучения от дифракционного параметра при n = 1,5 и различных значениях k Оптические характеристики аэрозолей

289 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Показатели преломления и поглощения частиц воды и льда в зависимости от длины волны излучения (Тимофеев и Васильев, 2003) Оптические характеристики аэрозолей

290 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Показатели поглощения вещества частиц атмосферных аэрозолей в зависимости от длины волны излучения (Тимофеев и Васильев, 2003) Оптические характеристики аэрозолей

291 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Фактор поглощения излучения для полидисперсного аэрозоля Закон Бугера–Ламберта–Бэра Оптические характеристики аэрозолей

292 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Теорию Ми можно трактовать как классическую макроскопическую электродинамическую теорию для описания процессов рассеяния и поглощения излучения частицами достаточно простых геометрических форм и структуры. По установившейся традиции термин «задача Ми» подразумевает рассмотрение только однородных сферических частиц–рассеивателей в поле плоской волны монохроматического излучения, тогда как термин «теория Ми» используется для описания процессов рассеяния и поглощения объектами и других простейших геометрических форм и структур: многослойных и полых сфер, цилиндров, эллипсоидов вращения, пластинчатых частиц. Для частиц же произвольной формы строгого математического решения задачи (хотя бы в квадратурах) на сегодняшний день не существует. Пределы применимости теории Ми

293 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В теории Ми предполагается, что на частицу падает плоская волна излучения. Это означает, что размер частицы считается много меньшим ширины пучка излучения. Модель рассеяния в теории Ми описывает класс упругих видов однократного рассеяния. Пределы применимости теории Ми

294 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Что понимается под термином «задача Ми» в оптике аэрозолей? 2.Что является аргументом, а что параметрами в математическом формализме задачи Ми? 3.Что определяют дисперсионные соотношения Крамерса– Кронига? 4.Какая физическая микроскопическая модель лежит в основе теории Ми? Что с этой точки зрения означает суммирование все больших слагаемых в рядах Ми? Вопросы по лекции

295 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Как понимать термины «рэлеевское рассеяние» и «рассеяние Ми»? Какому случаю соответствует рассеяние излучения на реальных аэрозольных частицах? 6.Каков физический смысл величин факторов рассеяния, поглощения и ослабления излучения? 7.Каков физический смысл величины альбедо однократного рассеяния для аэрозолей? Вопросы по лекции

296 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Что такое объемный коэффициент поглощения излучения? Какова его размерность? 9.Какой процесс характеризует закон Бугера – Ламберта – Бэра? Каков характер этого закона? 10.Каковы основные ограничения теории Ми? Вопросы по лекции

297 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Общая характеристика оптических свойств аэрозолей представлена в книгах Райста (1987), Белоусова (1988), Грина и Лейна (1972), Ивлева и Андреева (1986), Ивлева и Довгалюк (1999), Тимофеева и Васильева (2003). Теория Ми подробно изложена в книге Борена и Хафмена (1986). Для углубленного изучения вопроса рекомендуются следующие монографии: Пришивалко А.П. Оптические и тепловые поля внутри светорассеивающих частиц. Минск: Наука и техника, Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский А.В. Нелинейные оптические эффекты в аэрозолях. Новосибирск: Наука, Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Зуев В.Е. и др. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск: Изд-во СО РАН, Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, Лиоу К.-Н. Основы радиационных процессов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, Рекомендуемая литература

298 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, ЛЕКЦИЯ 16 Роль аэрозолей в современных климатических изменениях Уральский государственный университет Кафедра общей и молекулярной физики Физика атмосферных аэрозолей

299 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Модель аэрозольно-газовой атмосферы Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие Аэрозольные геоинженерные проекты стабилизации современного климата. Содержание

300 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Стандартное распределение температуры воздуха по высоте (Зуев и Комаров, 1986) Строение земной атмосферы

301 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Газовый состав современной атмосферы Земли Газовые компонентыОбъемная доля, % Постоянные компоненты Азот, N 2 Кислород, O 2 Аргон, Ar Неон, Ne Гелий, He Криптон, Kr Ксенон, Xe 78,084% 20,948% 0,934% 0,001818% 0,000524% 0,00011% 0,000009% Переменные и примесные компоненты Водяной пар, H 2 O Углекислый газ, CO 2 Оксид углерода, CO Метан, CH 4 Аммиак, NH 3 Водород, H 2 Оксид диазота, N 2 O Оксид азота, NO Диоксид азота, NO 2 Диоксид серы, SO 2 Озон, O 3 Фреон 12, CF 2 Cl 2 минимум 0,00001% на Южном полюсе, максимум 4,0% над океаном в тропиках 0,0365%, возрастание на 0,4% в год 0,000009% 0,00018% < 0,0001% 0,00006% 0,00003% < 0,0001% < 0,000002% < 0,000007% 0,000001% – 0,0004% 0, %

302 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Распределение основных и примесных газовых компонентов атмосферы по высоте Модель аэрозольно-газовой атмосферы

303 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Вертикальные профили концентрации частиц тропосферного и стратосферного аэрозоля с Rp 0,2 мкм (частицы Ми) по данным различных исследований (Зуев и Креков, 1986) Модель аэрозольно-газовой атмосферы

304 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Радиационный баланс земной атмосферы (из отчета ВМО за 2003 г.) Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие

305 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Антропогенные и естественные факторы, изменяющие радиационный баланс атмосферы и соответствующий уровень научных знаний (Третий оценочный доклад МГЭИК, 2001) Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие

306 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие

307 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Попробуйте оценить соотношение масс атмосферного аэрозоля и атмосферных газов. 2.Каков характер термодинамической устойчивости воздушных масс в тропосфере и стратосфере? 3.Какую температуру в действительности покажет стандартный термометр в термосфере? 4.Какой из атмосферных компонентов является основным радиационно-активным газом? 5.Какими основными причинами обусловлено понижение температуры с высотой в тропосфере и возрастание в стратосфере? 6.Какие атмосферные компоненты являются основными антропогенными парниковыми газами? Каковы источники их поступления в атмосферу? Вопросы по лекции

308 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, В чем основное отличие климатологических характеристик атмосферных аэрозолей и радиационно-активных газов? 8.К каким последствиям приводит накопление в атмосфере сульфатных (серосодержащих) и сажевых (углеродистых) аэрозолей? 9.Что означает термин «аэрозольное радиационное возмущающее воздействие»? 10.На каких различных принципах основаны геоинженерные идеи распыления в стратосфере мелкодисперсного сульфатного и сажевого аэрозоля? Вопросы по лекции

309 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Вопросы температурной стратификации земной атмосферы и ее современного химического состава рассматриваются в книгах: Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, Прибылов К.П., Савельев В.П., Латыпов З.М. Основы химии атмосферы. Казань: Изд-во ДАС, Принципы создания радиационных моделей атмосферы, учитывающих совместное действие газовых и аэрозольных компонентов, освещены в монографиях: Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Л.: Гидрометеоиздат, Зуев В.Е., Титов Г.А. Оптика атмосферы и климат. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, Рекомендуемая литература

310 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Оценки климатических эффектов при потенциальных сценариях военных ядерных конфликтов представлены в: Климатические и биологические последствия ядерной войны / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Наука, Турко Р.П., Тун О.Б., Аккерман Т.Р. и др. Климат и дым: оценка климатических эффектов, приводящих к ядерной зиме // Усп. физич. наук, Т С.89–123. Будыко М.И., Голицын Г.С., Израэль Ю.А. Глобальные климатические катастрофы. М.: Гидрометеоиздат, Концепция РВВ в целом и АРВВ в частности изложена в обзорах: Кондратьев К.Я. Радиационное возмущающее воздействие, обусловленное аэрозолем // Оптика атмосферы и океана Т С Кондратьев К.Я. Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. 3. Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие // Оптика атмосферы и океана Т С Haywood J., Boucher O. Estimates of the direct and indirect radiative forcing due to tropospheric aerosols: a review // Rev. Geophys V.38. N 4. P Schwartz S.E. Uncertainty requirements in radiative forcing of cli-mate change // J. Air & Waste Manage. Assoc V.54. P Рекомендуемая литература

311 © Береснев С.А., Грязин В.И. УрГУ, Дискуссии об обоснованности киотского протокола и методиках «некиотского» воздействия на климат представлены в: Возможности предотвращения изменения климата и его негативных последствий: проблема Киотского протокола / Под. ред. Ю.А. Израэля. М.: Наука, Израэль Ю.А., Борзенкова И.И., Северов Д.А. Роль стратосферных аэрозолей в сохранении современного климата // Метеорология и гидрология С Геоинженерным методикам (в том числе с участием атмосферных аэрозолей) посвящена монография: Macro-engineering: a challenge for the future / ed. V. Badescu and R.D. Schuiling. Dordrecht: Springer, Рекомендуемая литература