Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование аэрозольного поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование аэрозольного поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра"

ЛКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ

ТТ- —-зр-.г рукописи

ЯСКОВИЧ ЛЕОНИД ГРИГОРЬЕВИЧ

УДК 551.521.42

Д.ЬАЙИЕ д&розольисгс п-лиения В ВИДИМОЙ уЛЫ РАФИОЛЕТоЮЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА. (04. 00. 22 •■ геофизика;

¡есертации на соискания ученой степени кандидата физико-математических наук

Шеква - 1990

Работа выполнялась в Институте физики атмосферы АН СССР. Научный руководитель: кандидат физико - математических наук

Ю. С. Любовцева.

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук

Ведущая организация: Институт физики АН БССР.

Защита диссертации состоится " " тТсгЪЬл 1990 г.

в "_" часов на заседании Специализированного совета

К 003.18.01 Института физики атмосферы АН СССР (109017, Москва Ж-17, Пыжевский пер. р ,»я 1

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики атмосферы АН СССР.

Ученый секретарь Специализированного совета ИФА АН СССР кандидат географических наук

Е. М. Зейгельсон.

кандидат физико - математических наук М. К Панченко.

Автореферат разослан

Актуальность темы. Оптические параметры атмосферы во многом определяются присутствующим в ней аэрозолем - его стратификацией, микроструктурой, химической природой и т. д. Бурное развитие экспериментальных исследований и теоретических концепций в области изучения атмосферного аэрозоля в течение последних лет привело к изменению представления о нём, как о наборе инертных минеральных частиц с неизменными свойствами, описание которых сводилось к выбору одного или нескольких типичных параметров взвеси, отличающихся по существу только её концентрацией. В настоящее время на первый план выступила сильная качественная изменчивость аэрозоля, являющейся результатом независимого влияния ряда непрерывно действующих факторов и предстающая как существенно нестационарный стохастический процесс несогласованных изменений нескольких фракций с самостоятельной историей и играющих разные роли в определении оптических параметров атмосферы.

Б связи с этим наиболее актуальной становится задача изучения химического состава, а так же оптических характеристик - рассеяния и поглощения различными фракциями атмосферного аэрозоля и их временной изменчивости. Средние характеристики химического состава аэрозоля и его коэффициент рассеяния изучены довольно подробно , изучение же поглощающих свойств аэроволя в коротковолновой области спектра носит фрагментарный характер. Существующие методики позволяют либо с достаточной точностью измерять спектральный ход поглощения аэрозольного вещества, либо с невысокой точностью коэффициент аэрозольного поглощения на одной фиксированной длине волны видимого диапазона.

Цель работы. Настоящая диссертация посвящена разработке нового метода измерений коэффициентов аэрозольного поглощения в коротковолновой области спектра, разработке и изготовлению соответствующего аппаратурного комплекса и »следованию спектральных и

временных характеристик коэффициента поглощения различных фракций аэрозолей различных регионов.

Основные задачи диссертационной работ

1. разработка метода определения коэффициента аэрозольного поглощения по величине поглощения излучения аэрозольными пробами в коротковолновом диапазоне спектра

2. Разработка и создание аппаратурного комплекса, обеспечивающего все необходимые работы по сбору аэрозольных проб, измерению и контролю основных и вспомогательных параметров.

3. Исследование поглотавших свойств разных фракций атмосферного аэрозоля различных регионов.

Научная новизна работе заключается в том. что разработан метод и изготовлена аппаратура с помощью которых впервые получены и проанализированы достоверные данные о коэффициенте поглощения и его временной изменчивости разных фракций аэрозолей различных регионов в коротковолновом диапазоне спектра В диссертации получены следующие новые результаты:

- предложен и обоснован метод определения коэффициента аэрозольного поглощения по величине поглощения излучения аэрозольными пробами, включающий в себя: сбор проб с упаковкой частиц на подложке разреженным монослоем, критерий его сохранения, а также теоретические и экспериментальные исследования влияний подложек и неидеальности работы собирающих пробу устройств на измеряемую величину поглощения и учёт этих влияний.

- разработан и изготовлен двухлучевой интегральный спектрофотометр на основе фотометрического вара для измерений поглощений излучения дисперсными средами в диапазоне 0,22-0,8 мкм.

- разработана и изготовлена аппаратура для сбора проб различных аэрозольных фракций.

- проведены экспериментальные исследования модельных сред.

получены спектры коэффициентов поглощении различных типов саам, изучено поглощение смесей сильно и слабопоглощаадих частиц.

- получен большой массив спектральных зависимостей коэффициентов поглощения разных фракций аэрозоля различных регионов.

-получены спектры органической составляющая аэрозоля, обнаружена их сильная временная изменчивость и значительные отличия спектров поглощения этой компоненты у различных аэрозолей.

- проведены оценки мнимой части показателя преломления вещества частиц субмикронной фракции аэрозолей различных регионов.

Научная и практическая данность. Полученные результаты могут быть использованы при создании оптических и микрофизических моделей аэрозоля приземного слоя атмосферы; для изучения различных источников и механизмов образования аэрозоля; для разработки методов диагностики оптического состояния атмосферы и контроля антропогенного загрязнения.

Внедрение. Полученные результаты использованы в Шк АН СССР при построении оптической модели атмосферного аэрозоля, в отчёте ИФА АН СССР по теме ГКНТ "Поглощательная способность аэрозоля".

На заиуту выносятся:

1. Разработанный и реализованный метод определения спектральной зависимости коэффициентов аэрозольного поглощения по измеренным значениям поглощения излучения аэрозольными пробами.

2. Результаты экспериментального исследования поглощения модельных сред, на основе которого показана правомерность разделения вкладов поглощений различных компонент аэрозоля и оценок концентраций сажи.

3. Результаты измерений спектральных зависимостей коэффициентов поглощения разных фракций атмосферного аэрозоля, оценки содержания сажи в этих фракциях и оценки показателя поглощения субмикронной фракции аэрозолей различных регионов.

4. Закономерности временной изменчивости спектрального хода и коэффициентов поглощения разных аэрозольных фракций в различных регионах.

5. Существенные отличия спектральных зависимостей коэффициентов поглощения органической компоненты у аэрозолей различных регионов.

Апробация результатов.

Диссертационная работа или отдельные её части докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании по распространению оптического излучения в дисперсной среде, г. Мэсква. 1978 г., на Совещании по итогам АФАЭКС, г.Вильнюс, 1982 г. , на II Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, г.Обнинск, 1982 г., на III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии, г. Томск. 1983 г., на Всесоюзной конференции "Трансформация и дальний перенос газовых и аэрозольных примесей в атмосфере, создание моделей загрязнённости", г. Вильнюс, 1986 г. , на Всесоюзном совещании • "Состояние и охрана воздушного бассейна курортных районов", г.Кисловодск, 1989 г., на семинарах Отдела физики атмосферного аэрозоля и Отдела контроля атмосферы оптическими методами ИФА АН СССР.

«5 и

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объём работа.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 138 наименований, содержит 140 страниц машинописного текста, 34 рисунка, 6 таблиц.

Содержание диссертации.

Во введении указано место исследуемой проблемы в оптике атмосферного аэрозоля, сформулирована цель работы, описана структура диссертации, изложены основные результаты и отмечена их научная и практическая ценность.

- б -

В первой главе после краткого обзора современных представлений об аэрозоле анализируется основные достоинства и недостатки разработанных ранее методов. изучения поглощающих свойств атмосферного аэрозоли; делается вывод, что существующие методики не позволяй» получать достоверные данные о спектральной зависимости коэффициента аэрозольного поглощения в коротковолновом диапазоне спектра, формулируется задача по разработке нового метода.

Во второй главе представлена предлагаемая методика определе-«

ния коэффициента аэрозольного поглощения по измеренному згачсяи» поглощения аэрозольной пробой; описывается двухлучевой интегральный спектрофотометр на основе фотометрического шара для измерений поглощений в диапазоне 0,22-0,8 мкм, проведён анализ ошибок измерений. Предложен и экспериментально обоснован критерий сохранения монослоя на собранной аэрозольной пробе. Рассмотрены вопросы связанные с влиянием неидеальности работы собирающих пробу устройств и используемых подложек на измеряемую величину поглощения пробей, на конкретных примерах показана возможность учета этих влияний.

Для определения коэффициента аэрозольного поглощения об('Л) по результатам измерений поглощения пробами необходимо связать поглощающие свойства частиц пробы о поглощающими свойствами частиц, взвешенных в атмосфере. Для этого з ИФА АН СССР было предложено осуществлять сбор проб таким образом, чтобы частицы на пробе были расположены в один слой с достаточным удалением друг от друга, исключающим их взаимное влияние, т. е. изучать разрешенный монослой частиц на пробе.

Если световой поток Fo сечением Sîb падает на такую пробу, полученную осуждением частиц на поверхность подложи S из иОъема V, то коэффициент аэрозольного поглощения связан с величиной п< «г* лощений пробег, соотношением:

оь = (1 - F / Fo) / L - А / L ,

где: Ь - V / Зоб при Эзв > Б (1)

1.-7/8 при Эзв < Б .

Условия поглощения света аэрозольной пробой существенно разнятся от поглощения аэрозолем в атмосфере. Отличие заключается в том, что на все частицы пробы, находящиеся в монослое падает световой поток с одинаковой исходной интенсивностью 1о, в отличие от атмосферы, где по мере распространения потока его интенсивность уменьшается по закону Еугера. Это вызвано тем обстоятельством, что аэрозольную пробу, в отличие от атмосферы нельзя рассматривать как сплошную среду.

Если при сборе проб аэрозольные частицы осаждаются на подложку не все, а с некоторой вероятностью V , называемой коэффициентом захвата, то измеренное значение поглощения пробой Аизм будет в V раз меньше истинного поглощения Ао, неучет зтого фактора может привести к грубым ошибкам в определении и.

Таким образом можно сформулировать основные положения разработанной в ИФА АН СССР методики для определения коэффициентов поглощения атмосферного аэрозоля по измеряемым значениям поглощения света аэрозольными пробами:

1. Измеряется поглощение излучения аэрозольными пробами, все частицы которых расположены в одном слое с достаточным удалением их друг от друга, исключающим их взаимное влияние, т.е. разреженным монослоем.

2. Коэффициент поглощения атмосферного аэрозоля связан с величиной поглощения света пробой соотношениями (1).

3. При определении коэффициента аэрозольного поглощения учитывается коэффициент захвата используемых подложек.

Для измерений поглощений пробами атмосферного аэрозоля з ИФА АН СССР автором был впервые разработан и реализован двухлучевой интегральный спектрофотометр на основе фотометрического шара с

• покрытием составом на основе ВаЗО^. За основу схемы регистрации '. ;-л-'/ь:гсо;!иые уыкожители работающие в режиме счёта о;;:- - ".'Л.трлч&.ч импул^ов, или так называемом режиме счёта фотонов.

.'Лсожткая величина ошибки при максимальной чувствительности ра^на и,Ь-10: и следовательно с точностью 1% мы можем измерять пог-

-2 -I

лощение равное 0,05 , что соответствует значению 0,8*10 км при обычных условиях сбора проб в течение одного часа.

При интегральном ебсре проб, как правило, нами использовались фильтры серии АФА, имеющие коэффициент захвата * - 0,9 - 0,95 который, в основном, и определяет точность измерения -¿инт, поскольку измерения поглощения света пробами и объём прокаченного воздуха проводились с точностью не хуже 1% - 2 %.

Пофракционный сбор проб осуществлялся импакторами, разработанными автором и изготовленными в ИФА АН СССР. Граница раздела каждого каскада импактора определяется нами с точностью не хуже ±10X. Вариации значений коэффициентов захвата данного типа подложки для разных каскадов и различных мест сбора аэрозольных проб не превышают ±8%, что и определяет точность измерения коэффициентов аэрозольного поглощения различных фракций.

Не менее существенным источником ошибок могут быть и эффекты плотной упаковки аэрозольных частиц на подложке. Поглощение пробой аддитивно по отношению к числу частиц при условии сохранения на пробе разреженного монослоя - следовательно, критерием разреженного монослоя частиц на пробе может служить линейная зависимость поглощения от числа частиц, либо, что эквивалентно, сохранение аддитивности поглощения для нескольких проб, полученных прокачкой объема воздуха У^, Уг и У^ « У£ + У2 через собирающее пробу устройство. Если для них выполняется условие А2- А, можно говорить о сохранении разреженного монослоя частиц на пробе. Нами были определены значения допустимых оптических толщ при которых в использу-

емых импакторах эффекты взаимного влияния частиц незначительны. • Для любого собирающего устройства с равномерным распрделением частиц по поверхности подложки монослой сохраняется при А < 0,4.

Как показали исследования измеренная величина поглощения света пробой зависит от материала подложек и их ориентации. Было установлено, что определяющим фактором, влияющим на значение поглощения пробой являются оптические параметры, такие как коэффициент отражения и поглощения самих подложек.

Для учёта влияния подложек на поглощение пробой рассмотрены две схемы: первая - световой поток сечения Зав падает на подложку с осаждёнными на ней со стороны падающего светового потока частицами; вторая - частицы расположены со стороны противоположной, падающему потоку. Тогда при измерении в фотометрическом шаре по первой схеме величина измеренного значения поглощения равна:

А1ИЗМ - Aoll - hf/(l - Г)3, 12)

где h - EHi Sl Qi<й/ E Hi S1 Qlot - Ra /Ао , - поглощение подложки, QiiTi и Qioi - факторы эффективности рассеяния навстречу падащему потоку -6*1 и поглощения -ос , Ао - истинная величина поглощения аэрозольной пробой, т. е. при измерениях по первой схеме мы получаем заниженные по отношению к истинным значения А i изм, а следовательно и сь.

При расположении пробы по второй схеме для измеренного значения поглощения пробой получаем:

Агизм Дэ(1 + Ьг) p/(i -fj . (3)

Оптичзскпо параметры подложек и их ориентация оказывает су-ссэтвеннсе влияние на измеряемую величину поглощения света пробой и uoräv прмзззти к значительному искажйНйад результатов, оценки по-кгз:л;:, чю оуьд'отьакно худп:е реуу.г-таты дает 1Р методы.

.¿папанш h кокно кмссаить из результатов измерении по двум рассмотренном С5;е|.ам. Как следует (2) и :

Ь - с (1 - Г) р /Г(р + с) . (4)

где с - А£изм/А£изм и т.о. величина поправочного коэффициента может быть учтена точно.

Погрешность при определении коэффициентов аэрозольного поглощения складывается из следующих факторов:

а). Эффекты плотной упаковки частиц на пробе могут полностью исказить картину её поглощения. Предлолженный критерий сохранения разреженного монослоя частиц на пробе позволяет контролировать эти эффекты.

б). Аппаратурные ошибки измерений величины поглощения излучения пробами зависят от их плотности и. в зависимости от постав-леной задачи, выбираются в пределах о.IX - 2% временем накопления^ результата измерения.

в), фи сборе интегральных проб на волокнистые фильтры погрешность является следствием неопределённости коэффициентов захвата и зависит от характеристик фильтров; при использовании АФА-ХП-20 ошибка не превышает 5-10 X.

г).При сборе проб инерционными импакторами погрешность складывается из неопределённости границы раздела частиц по фракциям и вариаций коэффициентов захвата используемых подложек. При испочь-зовании импакторов изготовленных в ИФА АН СССР границы раздела определяются с точностью ±10%. коэффициенты захвата подложек - ±8%.

д). На измеряемую величину поглощения излучения пробой оказывает существенное влияние её ориентация и материал подложки. Предложенные соотношения позволяют учесть это влияние.

Оценка полной ошибки в определении коэффициентов аэрозольного поглощения требует учета всех перечисленных фактороз в каждом конкретном случае.

В третьей главе рассматриваются вопросы связанные с природой и характером поглощения в коротковолновом диапазоне спектра. Отме-

чается, что основными поглощащими компонентами в этом диапазоне спектра являются различные сажи и органические соединения, входящие в состав аэрозольных частиц. Поскольку современная теория не даёт ответа на вопрос о характере поглощения композитными частицами, то экспериментальными методами изучаются спектры поглощения двухкомпонентных смесей частиц и массовые коэффициенты поглощения исходных компонент. Измеряются также спектры поглощения разных типов сажи. На основании проделанных экспериментов делается вывод о возможности разделения вклада в аэрозольное поглощение сажевой и несажевой компонент атмосферного аэрозоля.

Из всего многообразия химических соединений, входящих в состав аэрозоля лишь некоторые поглощают свет в коротковолновом диапазоне спектра, причём основной поглощающей компонентой является сажа. В этой связи значительный интерес представляет задача разделения вклада в аэрозольное поглощение сажевой и несажевой компонент аэрозоля. С одной стороны это позволит выделить спектры поглощения различных компонент аэрозоля, с другой - проводить оценки массовой концентрации сажи в атмосфере.

Можно сформулировать два основных вопроса, возникающих при постановке задачи учёта вклада в поглощение с гике вой компонентой аэрозоля:

во-первых, каким образом коагуляция сажевых частиц между собой видоизменяет спектр поглощения данного типа сажи, величину её массового коэффициента поглощения и возможно ли по спектральной зависимости коэффициента аэрозольного поглощения определить тип сажи, присутствующей в данном аэрозоле?

во-вторых, как и насколько, при осаждении сажевых частиц на другие слабопоглошашие более крупные частицы, спектр поглощения смеси отличается от суммы поглощений исходных компонент?

Для экспериментального исследования этих вопросов измерялись

спектры поглощения образцов различной плотности в [мкг/см2] из трёх типов сажи с исходным радиусом кристаллитов 50 А, 90 А и 150 Л и смеси сажи С(90) с частицами глины. Отметим, что сажу С(90) или же М71, любезно предоставленную нам доктором Хайзенбергом из Стокгольмского университета, обычно используют в качестве эталона при оценках массовых концентраций сажи в атмосфере по величине коэффициента аэрозольного поглощения »(А - 0,55 мкм).

Обнаружено, что увеличение плотности образцов сажи приводит к деформации исходных спектров поглощения, выражающейся в том. что спектр поглощения становится всё более нейтральным и при больших значениях в появляется "плато" в спектральной зависимости поглощения в диапазоне Я ~ 0,25 мкм. Это означает, что по мере роста сажевых частиц величина поглощения всё в большей степени определяется не значением комплексного показателя преломления, а только суммарной площадью сечения образовавшихся конгломератов.

Величина массового коэффициента поглощения данного типа сажи определяется линейным участком зависимости А(и) и в данном случае равна:

ВсМ = Ас (Л)/а . (5)

Исследования массовых коэффициентов поглощения образцов саки Вс(а), а также Вс(а)/Вс(0,52) нормированные на их значения при -0.52 мкм показали,что величина Вс(А) для разных образцов сажи существенно различна, но их спектральный ход отличается незначительно, поэтому можно сделать вывод, что определить тип сажи, присутствующий в аэрозоле, только по спектрам поглощения в коротковолновом диапазоне невозможно.

Для определения влияния слабопоглощающих частиц на суммарное поглощение смесью были измерены спектры поглощения образцов из частиц глины с поперечным сечением а < 1,0 мкм и её смеси с сажей С( 90) в пропорции 10:1 и 4,7:1.

Измерения показали, что поглощение смесью меньше или равно сумме поглощений исходных компонент. Отличие этих спектров от рассчётных не зависит от плотности образцов, т.е. отличаются массовые коэфициенты поглощения полученные из эксперимента и рассчёта; оно становится незначительным при малых концентрациях сажи в смеси. а также при малых значениях массовых коэффициентов поглощения компонент.

Как показали измерения, спектры поглощения аэрозольных проб и сажи при ^ > 0.4 мкм как правило идентичны, следовательно, можно утверждать, что для этих проб, во-первых, в этом диапазоне длин волн сажа является единственной поглощающей компонентой; во-вторых, ни в атмосфере, ни в процессе сбора аэрозольных проб не произошло черезмерного укрупнения сажевых частиц, что проявилось бы в более пологом спехтре поглощения пробы. Только в этом случае концентрацию сажи в атмосфере Мз можно определить по коэффициенту аэрозольного поглощения на длине волны этого диапазона и массовому коэффициенту поглощения эталона:

Из -оС(Л) / Вот • (6)

Точность данной оценки не хуже 50%. Отличие аэрозольного поглощения от поглощения сажей при А < 0,35 мкм вызвано наличием в пробе органических соединений, спектр поглощения которых находим из соотношения:

оЦ,, (Л ) ) - Вг(А) Чс . (7)

где о^Ш - коэффициент аэрозольного поглощения, сборг (Я) -коэффициент поглощения органической компоненты.

Основываясь на результатах данной главы сделаны следующие выводы:

1. по спектрам поглощэния атмосферного аэрозоля определить тип сажи, входящей в него, невозможно в силу малых спектральных различий в спектральном ходе поглощения у разных типов саж.

2. оценки массовой концентрации сажи по of (Я) аэрозоля можно проводить только в диапазоне , где есть уверенность, что сажа является единственной поглощающей компонентой.

3. расчет спектров поглощения несажевой составляющей аэрозоля может приводить к заниженным значениям поглощения другими компонентами.

В четвертой главе приводятся результаты и анализ спектральных зависимостей коэффициентов поглощения различных фракций атмосферного аэрозоля, полученных при изучении проб, собранных в экспедициях АФАЭКС-78, АФАЭКС-79 в к. Абастумани ГССР в 1978 г. и в 1979 г., АРАЭКС-81 в г. Душанбе и г. Орджоникидзеабаде Тадж. ССР в 1981 г., в г. Кисловодске в 1982 г. ив 1984 г. , в Тихом Океане во время 35 рейса ШС "Академик Королёв" в 1983 г. ив Арктике на о. Диксон в 1986 г.

В таблице 1 представлены значения а£(о,52мкм) различных аэрозольных фракций, оценки концентраций сажи в атмосфере, содержащейся в этих фракциях, и -доля сажи в общей массе аэрозольных частиц.

В к. Абастумани сбор проб осуществлялся на территории Абасгу-макской астрофизической обсерватории, расположенной на горе Капо-вши, высотой около 1600 м над уровнем моря, в рамках комплексной экспедиции АФАЭКС-78 в июле 1978 года и совместного советско-американского эксперимента АФАЭКС-79 в августе 1979 года

В среднем в 1978 году величина поглощения частицами с 0,1б мкм < а < 0,34 мкм составила около Б0£ от суммарного мэрозольного поглощения. Вклад частиц грубодисперсной фракция не превышал 15%. Аналогичная зависимость наблюдается и для проб 1979 года Подобную зависимость поглощения различными фракциями аэрозоля можно объяснить исходя из кинетической модели Розогберга. Согласно этой модели основным стоком микродисперсных частиц, к чяглу которых принадлежат и частицы сажи, является захват их присутствуют!« л в

Таблица 1. аМс и Мс/Мя различных аэрозолей.

Вреия и место сбора проб радиус частиц иэиер. парам. тт. шах. средн. диспер.

к.Абастуиаки август 1978г. аГ10"км'1 0.16 0.96 0.65 0.26

Мл[ мкг/и 0.3 1.9 13 0.5

Л 0.027 0.134 0.08 0.025

эе 0.007 0.034 0.02 0.006.

м0/м. г%1 1.1 5.1 3 1

к.Абастуиани июль 1079г. ' а< 1.0 шеи 0.1 1.5 0.85 0.25

М0Гикг/1Л 0.2 3.0 1.3 0.5

р 0.032 0.076 0.05 0.016

эг 0.008 0.019 0.013 0.004

"./М, г%1 1.4 2.9 2 0.6

г.Душанбе август- сентябрь 1981г. а. < 0.12шсм оСГЮ'кмЧ 1.1 8.0 3.8 1.9

ио[мкг/|^1 2 16.0 7.3 3.7

стгики <а<1,о о^ГюЛсмЧ 0.6 24.0 7.0 7.3

М<,[мкг/м' 1.1 45.0 13.2 13.0

а< 1.0ики «ПО^кмЧ 2.0 30.0 10.9 8.0

Мс[ икг/\£ 4.0 80.0 20.7 16.3

а > 1.0 ики «ГЮ^кй1! 0.08 1.0 0.4 0.25

Мс[мкг/|г 0.15 1.9 0.75 0.5

г.Орджони-кидэеабад сентябрь 1981г. а < 0Л2ию/. 0.6 5.5 2.7 1.5

1.15 10.6 5.2 2.6

0.12ики <а< 1.0 л- Г102кы'1 0.22 5.5 1.9 1.5

икгД?] 0.4 10.5 3.7 2.8

а< 1.0икк 1.4 10.4 4.3 2 Л

МоГ«кг/|Л 2.8 20.0 3.2 4.5

£ 0:11 0.92 0.45 0.25

эе 0.04 0.23 0.12 0.065

6.0 30.0 18.0 9.0

а> 1.0ики 0.2 1.3 0.8 0.4

0.4 2.5 1.1 0.7

г.Кис.ловодск сентябрь -октябрь 1932г. а- < ¿0.12« км «[ЮТшТ 0.12 1.3 0.6 0.4

М0[ыкгД?] 0.25 2,5 1.2 0.7

влгикы <а< 1.о 0.11 1.5 0.7 0.5

Ме[ ккг/ьг'! 0.2 2.8 1.3 0.9

а. > 1.0ыкм 0.11 1.4 0.5 0.4

Ц0[икг/1/] 0.2 2.6 1.0 0.8

Таблица 1. Продолжение.

Время и место сбора проб радиус частиц измер. парам. тт. тах. средн. диспер.

г.Кисловодск август 1904г. а < 0.2мкк «ПсЛыЧ 0.15 1.44 0.75 0.4

¡.Цмкг/ьг 0.3 2.7 1.4 О.В

О.Змкм-- 1.4ики «£ГюнЫт 0.17 0.96 0.45 0 25

М0[ мкг/(/ 0.3 1.8 0.86 0.5

а< 1.4шш «[10^1 0.46 2.32 1.2 . 0.5

Мс[мкг/|^1 0.85 4.4 2.3 1.0

А 0.02 0.11 0.06 0.25

а? 0.005 0.03 0.012 \ -У1.8

м./м. ГХ1 0.8 4.2 0.006', / 0.9

0. , 1.4мкы оггю'кмЧ 0.06 0.43 0.25 0.15

Мд^икг/^ 0.1 0.9 0.45 0.25

Тихий Океан охтабрь — ноябрь 1983г. <0.12мкм «ПО^СМ1) 0.14 5.83 2.4 2.0

0.13-1.0 а^Ю^о!*] 0.76 6,73 2.6 2.1

>1.0мкм 0.15 7.15 1.7 2.2

Арктика апрель-май 1986г. 0.12мкм <а< 1.0мкм «Гю1игЧ 0.25 3.15 0.9 1.5

Мс[мкг/иГ) 0.045 0.6 0.17 0.25

атмосфере более крупными частицами. Скорость коагуляции частиц разной природы пропорциональна произведению исходных счетных концентраций взаимодействующих частиц. Максимум счетной концентрации субмикронных частиц лежит в пределах 0,1 - 0,5 мкм по диаметру и именно в этом диапазоне размеров наблюдается максимум поглощения. Хотя объёмная концентрация частиц грубодисперсной фракции сравнима с субмикронной, их счетная концентрация существенно низке, поэтому и поглощение этой фракции в коротковолновом диапазоне существенно меньше.

Вариации р , X и Мз/Ма могут вызываться как сменой воздушных масс и метеопараметров атмосферы, влияющих на процессы генерации и синтеза аэрозольных частиц, так и степенью их обЕоднённости. Вариации и Мг/Уа обезвоженного аэрозоля свидетельствуют о изменении химического состава и, в частности, доли сажи в аэрозольных частицах. В условиях постоянства воздушной массы и стабильности

погоды наблюдается стабильный рост р. ае. и Мс/Ма как непосредс-венно в атмосфере, так и для сухой основы частиц. В это время содержание сажи возросло с 1,2% до 3,2% в 1979 году и с 2,7% до 5,1% в 1978 году, в сухой основе в 1979 году её содержание возросло с 2% до 6, 8%.

В рамках экспедиции АФАЭКС-79 проводились измерения массовой концентрации сажи, содерл&щзйся в частицах а > 1,25 мкм. что дало возможность оценить значения массового коэффициента поглощения сажевой компоненты абастуманского аэрозоля для А - 0,54 мкм. Его значения варьировали от 4 м2/г до 14,5 м2/г при среднем 6,5 (±2,5) мг/г, что несколько выше значения, полученного нами для эталонной сажи Ы71 - Вс(0,54) - 5,0 мг/г. Следует однако учесть, что наши измерениям 0,54) проводились для частиц а >1,0 мкм, несколько отличалось и время осреднения результатов.

Спектры поглощения органической компоненты аэрозоля к. Абас-тумани имеют один максимум большой интенсивности в диапазоне "Л ^ 0,22 мкм. и второй, с меньшей интенсивностью в диапазоне Я - 0,28 мкм. В некоторых спектрах имеется слабовыраженная колебательая структура с расстоянием около 9-11 нм, что соответствует д^ - 14501900 см4, т. е. колебанию С-С. Пэдобные спектры поглощения свойственны поглощению соединениям бензола с существенным баторохромным сдвигом, который наблюдается у конденсированных или катоконденси-рованых соединений.

Подобие спектров поглощения органической компоненты субмикронного и грубодисперсного аэрозоля, при гораздо меньшей интенсивности у органики последнего даёт возможность утверждать, во-первых - о едином механизме образования этой компоненты в разных фракциях, во-вторых- о невозможности образования её за счёт дробления смолистых веществ. растительного происхождения. Следовательно, органическая компонента абастуманского аэрозоля является про-

- 17 -

дуктом внутриатмосферного синтеза

На основе данных химического анализа оьии проведены оценки массового коэффициента поглощения органической компоненты на длине волны 0,2175 мкм, вариации которого составили 1,и -4,8 м2/г - ото соответствует вариациям 32орг от 0,01 до 0,1 , что позволило оценить молекулярный вес поглощающей органической компоненты в пределах 240-2400, что соответствует 20 - 200 атомам углерода. По данным хроматографии и масспектрометрического анализа около 80% органической компоненты аэрозоля принадлежит неидентефицированным органическим соединениям с числом атомов углерода более 24. Исходя из приведённых оценок можно утверждать, что именно эта компонента определяет поглощение в УФ диапазоне спектра и принадлежит конденсированным или катоконденсированным ароматическим соединениям.

В августе и сентябре 1981 года в рамках экспедиции АРАЭКС-31 осуществлялся сбор проб в Гиссарской долине в г. Дугеаное и в районе города Срджоникидг^аоада.

За время наблюдения г. г. Душанбе г:слад wmi :>. ■ 0,1:: мкм в поглощение субмикронпым аэргзсдпл для л ¡" ли-"

тавил 35Х. Исходя из предыдущих рчс ••'.чт. иии mwo y-Bvr.n" *т г максимум счетной коицеитрациа syoMiwnoua част«;« пг.рс- ••л-; ". ¿у ванбе находится вблизи а - U.1;: '.vi-ioii гчгякн г -Т'Т

более крупных размеров частиц.

Оа вр-.-мя наблюдений в г. Ордетюэс^даезОа;!« ■■ ; цами а < 0,12 mich в среднем составило 60% от поглощения субчик-ройной фракцией. В отличие от г. Душанбе вклад частиц а и Л?

"Г I![''.." j. IIV.I J .л ■ г J tj i; I д: I -. ^^ „ j w н ., .........

составило 12?. от интегрального и иртлтачкгллько я Ь |.г» m»w.v.

- 18 -

чем поглощение субмикронным аэрозолем.

Измерялись так же и спектры поглощения частиц субмикроняой фракции с 0,12мкм < а < 1,0мкм и грубэдисперсной Фракции с а 1,0 мкм аэрозоля Гисеарской долины. В них можно выделить следующие особенности: присутствие двух полос поглощения с максимумом более сильной в области 0,23 - 0,25 мкм и более слабой - 0,3 - 0,33 мкм; в спектрах некоторых проб присутствует довольно слабая полоса в диапазоне 'А - 0,4 мкм.

Как показали исследования ИК спектров поглощения этих проб в состав всех фракций входят неорганические соединения - карбонаты, кальциты, нитраты, силикаты и глинистые минералы. Наличие минера-линых составляющих в субмикронном аэрозоле можно объяснить либо эрозией и выветриванием горных пород - тогда их содержание в гру-бодисперсной фракции должно существенно превышать их содержание в субмикронной, что практически не наблюдалось, либо эти минералы попадают в атмосферу при сжигании каменного угля и в дальнейшем осаждаются как на субмикронные, так и на грубодисперсные частимцы и тогда их содержание, как и в данном случае, в субмикронной фракции существенно превышает содержание в частицах грубодисперсной фракции. Полосу поглощения, обнаруженную на длине волны > =0,4 мкм можно приписать соединениям железа. Присутствующие две другие полосы поглощения можно приписать как и в случае абастуманского аэрозоля конденсированным или катоконденсированным соединениям, только в отличие от абастуманского аэрозоля с существенно большим молекулярным весом.

В сентябре-октябре 1982 г. и в августе 1984 г. в рамках экспедиции ИФА был проведён сбор проб аэрозоля г. Кисловодска. Сбор осуществлялся в центре города на территории Санэпедстанции. В 1982 г. вклад частиц а < 0,12 мкм в поглощение субмикронным аэрозолем изменялся от 13% до 79% ; доля поглощения грубодисперсным аэрозо-

лем я общем аэрозольном поглощении ияменялаоъ от 13% до 4§% и в

„¡.т.;:си« и^оюшкло ЗС*. 13 19*34 году вклад частиц а < 0,2 мкм з поглощение субмикронным аэрозолем менялся от 30% до 85%, доля поглощения груоодисиерсным аэрозолем в интегральном аэрозольное поглощении изменялась о? 5% до 20%, коэффициент поглощения частиц а < О,"мкм, С,2мкм ' з 1,4 мкм и а > 1,4 мкм в среднем составил 52%, ч сгстг?тс?вснно от среднего интегрального коэффициента

1ХЧ-И.

У., оопоень"! ??обсн:юстпм с"о:строг поглощения гасловодекого аэрозоля следует отнести наличие двух полос поглощения в области ^ - 0,23 мкм (более сильная полоса) и в области А- 0,3 мкм (более слабая), а так же значительные вариации как интенсивности полос, так их ширины и положения максимумов для разных дней наблюдений. Полученные спектры несажевой компоненты так же можно приписать конденсированным и катоконденсированным ароматическим соединениям, с ба.торохромным сдвигом, и, следовательно, молекулярным весом большим, чем в к. Абастумани, но меньшим, чем в Гиоеарекой долине.

В некоторых пробах грубодисперсной фракции присутствуют полосы поглощения нг-сольшой интенсивности в области 0,4 мкм, что так ж как и б случае гиссарского аэрозоля можно связать с присутствием окислов железа, но отсутствие этих полос у проб субмикронного аэрозоля свидетельствует о разном происхождении этих соединений. В данном случае наиболее вероятно что они являются продуктами дробления горных пород.

В октябре - ноябре 1983 года во время 35 рейса НИС Академик Королёв был проведён сбор проб океанического аэрозоля. Пробы собирались в акватории Тихого Океана от берегов Аляски до Южного полушария.

Вклад частиц с а < 0,12 мкм в поглощение субмикронным аэрозолем варьировал от 15% до 78%. Доля поглощения грубодисперсной

фракцией в полном аэрозольном поглощении изменялась от 6% до 60% при среднем 30%.

В спектральных зависимостях коэффициентов поглощения частиц грубодисперсной фракции с а > 1,0 мкм и частиц субмикронной фракции с 0,12 мкм < а < 1,0 мкм можно отметить следующие особенности поглощения: I - спектры проб сохраняют подобие на спектры поглощения континентального сажесодержащего аэрозоля - наблюдается рост поглощения при продвижении в коротковолновую область спектра ; II - спектры резко отличаются от спектров континентального сажесодержащего аэрозоля - поглощения в ультрафиолетовой области спектра меньше, чем в видимой; III - спектры имеют практически нейтральный ход со слабовыраженными полосами в УФ диапазоне.

Можно предположить, что полученные спектры являются суперпозицией морского и континентального аэрозоля с преобладающим влиянием материка в I группе спектров, моря во II группе и их конкуренции в III группе.

В период с 29 апреля по 24 мая 1986 года на острове Диксон импактором было собрано 13 проб арктического аэрозоля с размером частиц 0,12 мкм <• а < 1,0 мкм. Измерялись значения 40(0,52), и спектры поглощения в диапазоне 0,2175 - 0,6025 мкм.

Значительные вариации л (Л ), по-видимому, связаны со сменой воздушных масс. Зтим же фактором можно объяснить и разные спектральные зависимости поглощений у различных проб.

Отсутствие сильных полос поглощения в УФ диапазоне свидетельствует, что в данном аэрозоле органических соединений практически нет. Наиболее вероятно, что в данном аэрозоле поглощение обуслов лено только сажевыми частицами различной природы.

Отсутствие органики в аэрозольных пробах, резкие изменения значений и характера спектрального хода поглощения, его небольшая величине и, следовательно, низкие концентрации сажи, свидете;.ьст-

в уют, что в данном районе во время сбора проб отсутствовал внутри-атмосферный синтез аэрозоля и зарегистрирован только привнесённый аэрозоль; его характеристики определяются предисторией доставивших его воздушных масс.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. разработана и обоснована методика, создан аппаратурный комплекс для сбора аэрозольных проб, измерений основных и вспомогательных параметров позволяющие определять коэффициент аэрозольного поглощения по измеренному значению поглощения аэрозольной пробой; при этом:

- предложен и экспериментально обоснован критерий сохранения монослоя на собранной аэрозольной пробе.

--рассмотрены вопросы связнные с влиянием неидеальности работы собирающих пробу устройств и используемых подложек на измеряемую величину поглощения пробой, на конкретных примерах показана возможность учета этих влияний.

2. Проведены экспериментальные исследования модельных сред; показано, что:

- по спектрам поглощения атмосферного аэрозоля определить тип сажи, входящей в него, невозможно в силу мачых спектральных различий в спектральном ходе поглощения у разных типов саж.

- оценки массовой концентрации сажи по коэффициенту поглощения аэрозоля можно проводить только в том диапазоне длин волн, где есть уверенность, что сажа является единственной поглощающей компонентой.

- учет поглощения сажевой компонентой в аэрозольном поглощении может приводить к заниженным значениям поглощения другими компонентами .аэрозоля, основные особенности спектров поглощения других аэрозольных компонент при этом сохраняются

3. Получен большой массив спектральных зависимостей коэффи-

циентов поглощения разных фракций аэрозоля различных регионов, обнаружены значительные вариации как величины, так и характера аэрозольного поглощения.

5. Установлено, что основной вклад в поглощение коротковолнового излучения вносят частицы субмикронного аэрозоля, вклад частиц грубодисперсной фракции существенно ниже.

6. Получены спектры органической составляющей аэрозоля, обнаружена их сильная временная изменчивость и значительные отличия спектров поглощения этой компоненты у различных аэрозолей.

7. Сделан вывод, что основной органической компонентой континентального аэрозоля поглощающей в ультрафиолетовом диапазоне спектра являются различные конденсированные и катоконденсированные соединения.

8. Проведены оценки мнимой части показателя преломления субмикронной фракции аэрозолей различных регионов, установлено, что величина показателя поглощения растёт при увеличении мутности атмосферы.

Основиыв результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. ЕС. Любовцева, Л. М. Щукурова. Л. Г. Яскович. О поглощении в инфракрасной области спектра пробами атмосферного аэрозоля. В кн. Материалы Всесоюзного совещания по распространению оптического излучения в дисперсной среде, г. Москва,Гидрометеоиздат, 1978 г. ,5 стр.

2. Ю. С. Лобовцева. Л. М. Щукурова. ЕПАндрюков, Л. Г. Яскович. Спектры поглощения атмосферного аэрозоля в диапазоне 2-12 мкм. В сб. Защита атмосферы от загрязнений. Вып. 5, г. Вильнюс, Мокслас, 1979 г. , стр. 65-76.

а КХ С. Любовцева, Л. Г. Яскович. Аэрозольное поглощение в области спектра 0,25-0,8 мкм. Изв АН СССР, ФАО, 1982 г. , т. 18, N 9, стр. 922-932.

4. Ю. С. Любовцева, Л. Б. Габелко, Л. Г. Яскович. ИК-поглодание

органическим аэрозолем. II Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде. Тез. докл.. ч. 1, г. Обнинск, 1982 г. , 3 стр.

'5. Ю. С. Любовцева, II И. Юдин, Л. Г. Яскович. Параметры и состав атмосферного аэрозоля. III Всесоюзное совещание по атмосферной оптики и актинометрии. Тез. докл. , ч. 1, г. Томск, 1983 г. , 3 стр.

6. Ю. С. Любовцева, Л. Б. Габелко. Л. Г. Яскович. Показатель поглощения аэрозоля в Ж области спектра 2.5-25 мкм. В сб. Комплексный советско-американский эксперимент по исследованию фонового аэрозоля, г. Ленинград. Гидрометеоиздат, 1986 г., стр 91-99.

7. Л. Б. Галкина. Ю. С. Любовцева, М. а Шишкина. Л. Г. Яскович. Поглощение природным органическим аэрозолем в инфракрасной области спектра. Изв. АН СССР, ФАО. т. 19, N 7. 1983 г.. стр. 683-695.

8. КХ С. Любовцева, а И. Юдин, Л. Г. Яскович. Состав и оптические свойства субмикронной фракции аэрозоля. В кн. Оптика атмосферы и аэрозоль, г. Москва, Наука, 1986 г., стр 65-80.

9. Ю. 0. Любовцева, Л. Б. Габелко, Л. Г. Яскович. Аэрозольное поглощение в области спектра 0,25-25 мкм. В кн. Оптика атмосферы и аэрозоль, г. Москва, Наука, 1986 г. , стр. 174-192.

10. Л. Г. Яскович. Определение коэффициентов поглощения, атмосферного аэрозоля по поглощению излучения аэрозольными пробами. Изв. АН СССР, ФАО, Т. 22, N 8, 1986 г., стр. 823-830.

11. Ю. С. Любовцева, Л. Г. Яскович. Сажа в аэрозолях различных регионов. Всесоюзная конференция "Трансформация и дальний перенос газовых и аэрозольных примесей в атмосфере, создание моделей загрязненности". Тез. докл., г.Вильнюс, Мокелас, 1985 г., г стр.

12. Г.И.Горчаков, а Н. Капустин, Л. Г. Яскович. Сажевый аэрозоль в воздушном бассейне г.Кисловодска. Всесоюзное совещание "Состояние и охрана воздушного бассейна курортных районов". Тез.

докл., г. Кисловодск, 1989 г., стр. 11-12.

13. Л. Г. Яскович. Спектральное определение концентрации сажи из аэрозольного поглощения (аппаратура и методика). Всесоюзное совещание "Состояние и охрана воздупного бассейна курортных районов". Тез. докл. . г. Кисловодск. 1989 г. , стр. 70.

Подписано в печать 29.04.1990 г. Т 02731. Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл.п.л. Тирах 100 экз. Ротапринт ИРЭ АН СССР. 3ак.243.