Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Нуклеация льда на аэрозолях в присутствии загрязняющих веществ
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат диссертации по теме "Нуклеация льда на аэрозолях в присутствии загрязняющих веществ"
На правах рукописи
Шилин Алексей Геннадьевич
НУКЛЕАЦИЯ ЛЬДА НА АЭРОЗОЛЯХ В ПРИСУТСТВИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Нальчик - 2006
Работа выполнена в НПО «Тайфун» и ЦВМВП «АКВА»
Научный руководитель: Доктор физико-математических наук
Ким Николай Сергеевич
Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук
Хучунаев Бузигит Муссаевич
Кандидат физико-математических наук Романов Николай Петрович
Ведущая организация: Центральная аэрологическая
обсерватория, г. Москва
Защита диссертации состоится 1 декабря 2006 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.327.001,01 при Высокогорном геофизическом институте по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, просп. Ленина. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института
Автореферат разослан октября 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор физ.-мат. наук, //у/ /
проф. ^ъьСШ^А^ А.В.Шаповалов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. К настоящему времени для целей активных воздействий разработаны высокоэффективные льдообразующие реагенты и пиротехнические составы. Однако процессы, имеющие отношение к механизму гетерогенного образования льда на аэрозольных частицах реагента до сих пор не получили должного освещения. Например, широко -применяемые методы генерирования льдообразующих аэрозолей связаны с выделением химически активных по отношению к возгоняемому реагенту продуктов. Так, выделение хлора при горении перхлоратных пиросоставов может приводить к разрушению возгоняемого льдообразующего реагента и падению льдообразующей активности аэрозоля.
Работы по активным воздействиям зачастую проводят в условиях загрязненной атмосферы, что также может менять льдообразующую активность применяемых аэрозолей и активность естественных льдообразующих ядер. К настоящему времени имеется подтвержденная информация о таком влиянии, но изучение механизмов его реализации не предпринималось. Имеющийся экспериментальный материал достаточно противоречив и не позволяет сформулировать однозначное суждение относительно природы и механизмов процесса. Так, исследованное активирующее действие иода иногда связывается с образованием льдообразующе активных иодопроизводных терпенов (аэрозоли фоновых районов), однако аналогичное образование иодопроизводных свинца в городской атмосфере термодинамически невозможно.
Активация аэрозолей различного происхождения под действием иода, а также обратимый характер воздействия, вызывает сомнение в обоснованности трактовки активации, как результата образования новых химических соединений. Следует отметить, что в ряде экспериментов зафиксировано значительное, до нескольких порядков величины, увеличение льдообразующей активности исходного аэрозоля, но за стадией активации иногда имело место снижение льдообразующей активности аэрозоля.
Отсутствие надежной информации о возможном изменении льдообразующей активности искусственных и естественных аэрозольных частиц в присутствии химически активных газовых примесей затрудняет понимание механизмов гетерогенной нуклеации льда. С другой стороны отсутствие такой информации не позволяет осуществлять обоснованный методологический подход к разработке пиротехнических составов и других средств воздействия, основанных на термоконденсационном формировании льдообразующих частиц.
Учет взаимодействий такого рода позволит разрабатывать составы повышенной эффективности, более правильно проводить работы по
активному воздействию в загрязненных районах, осуществлять нормировку расхода реагента и средств воздействия.
Объектами исследования являются льдообразую щие аэрозоли, сформированные , термоконденсационными методами в генераторах различного типа, пиротехнические генераторы и рецептуры пиротехнических смесей, а также естественные аэрозоли.
Цель работы состоит в экспериментальном , изучении влияния химических продуктов горения пиротехнического состава и газообразных реакционно-активных компонентов атмосферы на льдообразующую эффективность аэрозолей, .. в. разработке методов получения высокоэффективных реагентов и разработке практических рекомендаций по применению льдообразующих аэрозолей в районах с высоким уровнем антропогенного загрязнения атмосферы.
.. Научная новизна работы.
1. Разработаны методики и аппаратура для получения аэрозолей различных классов соединений и исследования их льдообразующих свойств, аппаратура для; исследования льдообразующих свойств естественных и малоактивных аэрозолей. 2.0ценена-ошибка измерений, связанная с, термическим разложением . органических материалов на подвергающихся нагреву частях аппаратуры ; и эффектом десорбции агрессивных газов со стенок аппаратуры. 3. Показано, что,в определенных случаях имеет место физико-химическое взаимодействие некоторых составляющих газовой фазы и вещества аэрозольных частиц. Результатом такого взаимодействия может быть значительное изменение результирующей льдообразующей активности аэрозоля. . . ■
•♦.Обнаружено активирующее влияние иода на льдообразующую активность аэрозолей различных классов химических соединений. Обнаружен ряд соединений, присутствие которых в газовой фазе значительно снижает льдообразующую активность: хлор, бром, алифатические амины, , формальдегид. - ■
5.Показано, что нукпеация льда на поверхности аэрозольной частицы происходит в условиях сложного физико-химического взаимодействия. При этом возможно значительное изменение льдообразующей активности • итогового аэрозоля. » , ¡..- ,
Практическая значимость работы.
1. Предложены методы модификации льдообразующего вещества, заключающиеся , в введении в его структуру некоторых ионов, изменяющих параметры кристаллической решетки и физико - химические свойства образующегося соединения.
2. Разработаны рецептуры высокоэффективных пиротехнических составов. Показано, что в области температур переохлажденного облака от -2,5 °С и ниже выход льдообразующих частиц составляет не менее 1012 г'.
3. Показано, что комплексные соединения типа хА^-уМе1 можно применять для различных типов автономных генераторов.
4. Показано, что по своим льдообразующим характеристикам аэрозоли комплексных соединений близки к характеристикам хладоагентов, что : позволяет применять их в программах по увеличению осадков и рассеянию облаков. . 1 ; 1 о
5. Сделан вклад в понимание механизмов нуклеации льда на аэрозольных частицах при наличии в системе сложного физико-химического взаимодействия льдообразующего вещества с химически активными компонентами газовой фазы. •
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Физико-химические процессы, реализующиеся при термоконденсационном формировании аэрозолей, за пределами зоны конденсации паров реагента существенно влияют на льдообразующие свойства аэрозольных частиц.*
2. Льдообразующая активность искусственных и естественных аэрозолей зависит от присутствия в атмосфере газовых составляющих, реализующих указанные взаимодействия. Учет взаимодействий этого типа позволяет, увеличить льдообразующую активность аэрозолей и создавать более эффективные средства активных воздействий. '
3. Льдообразующая активность аэрозолей на основе иодистого серебра значительно повышается при введении в его структуру ионов,
" изменяющих параметры кристаллической решетки и свойства соединения.
•4. Предложены методики и аппаратура для исследования влияния загрязняющих примесей на льдообразующую активность естественных и искусственных аэрозолей.
5. Предложены рецептуры пиротехнических ■-..■ составов,
обеспечивающих при температуре -2,5 °С образование не менее 1012 активных льдообразующих частиц на грамм состава.
Виды работ и использованная аппаратура
Основой диссертационной работы послужили научные материалы, полученные автором в результате многолетних исследований свойств льдообразующих аэрозолей, полученных термоконденсационными методами с использованием различного типа генераторов: лабораторные термические, лабораторные пиротехнические, полноразмерные пиротехнические и жидкостные генераторы. Измерения льдообразующей активности проводились на стенде для исследования свойств льдообразующих
5
аэрозолей на базе горизонтальной аэродинамической трубы НПО «Тайфун». Также использовались климатические камеры К-3001, термодиффузионная камера оригинальной , конструкции, ^ стандартное лабораторное оборудование. .
Личный вклад автора .
Все основные результаты работы получены лично автором. Личный вклад автора состоит в обнаружении-и детальном исследовании эффекта влияния некоторых активных компонентов газовой фазы аэрозоля на его льдообразующую активность. При непосредственном участии автора произведена вся описанная исследовательская часть, в том числе и разработка оригинальной , аппаратуры. Автором предложены все выдвигаемые объяснения наблюдаемых эффектов. При непосредственном участии автора произведена разработка методов получения нового льдообразующего реагента и пиросоставов на его основе.
Публикации.
По непосредственным материалам и результатам работы опубликовано 13 работ в научных журналах и сборниках, - получено одно авторское свидетельство.
Апробация результатов.
Материалы, лежащие в основе данной работы представлены на V научной конференции ВМО по модификации погоды и прикладной физике облаков (Пекин 1989 г.), Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 1991), на XIII Международной конференции по нуклеации и атмосферным аэрозолям (Солт Лейк Сити, США 1992 г.), на Московском аэрозольном симпозиуме (Москва 1994 г.), Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2005 г.)
В работе предложен новый льдообразукнций - реагент на основе иодистого серебра, модифицированного иодистой медью, разработаны пиросоставы на его основе по эффективности превосходящие используемый на данный момент состав. Показана принципиальная применимость предложенного реагента во всех типах составов и генераторов.
Структура и объем диссертации. ,
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и библиографии из 168 наименований. Общий объем диссертации составляет 126 страниц машинописного текста.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы ..исследования, формулируются цели и задачи исследовательской работы, объект и предмет исследования, проводится обзор состояния работ по данной тематике. Описываются основные результаты работы и защищаемые положения.
В первой главе сделан краткий обзор современных теорий. гетерогенной нуклеации льда на ядрах искусственных аэрозолей льдообразующих веществ. Рассмотрены возможные механизмы нуклеации, приведены теоретические и экспериментальные диапазоны применимости данных механизмов для различных льдообразующих веществ.
Акцентируются основные допущения современных теорий: допускается однородный состав твердой фазы частицы и наличие четко определенной границы раздела фаз; поверхностная энергия фаз считается равной энергии фаз в макросистеме; не учитывается вклад энергии, связанной с. линией границы раздела трех фаз; для расчета образования новой фазы применяются уравнения термодинамики, справедливые для случая макрообъектов.
Вводится основной критерий льдообразующей активности: мисфит, т.е. минимальное расхождение параметров кристаллической решетки льда и кристаллической, решетки вещества частицы. Показана обоснованность такого критерия при анализе свойств иодидов серебра и свинца и комплексов этих соединений с ЫН^, N81, Ю, СиЛ. Также отмечается
отсутствие универсальности этого критерия при рассмотрении льдообразующей активности органических соединений.
Показана возможная роль процессов .образования новой фазы льдообразующего вещества на льдообразующую активность частицы., Рассматриваются стохастические теории нуклеации льда на аэрозольных частицах, основанные, на сходстве описаний процесса нуклеации с процессами образования твердой фазы льдообразующего вещества. Показано преимущество. такого рассмотрения, т.к. обсуждаемые стохастические процессы - контролируются различными параметрами: нуклеация льда - температурой, образование льдообразующего вещества — концентрацией растворимых иодидов, ионной силой раствора и другими, в первую очередь зависящими от концентрации параметрами. Таким образом, появляется возможность влияния на процесс нуклеации льда через параметр, не связанный с температурой, что особенно актуально при температурах, близких к О °С.
Во второй главе рассмотрена структура частиц льдообразующего
аэрозоля и возможные поверхностные процессы, имеющие место в момент
нуклеации льда. Приводится описание использованного оригинального оборудования, оценка ошибок измерений.
Проведена оценка ошибок измерений. Показано, что случайная ошибка измерения по каждому параметру не превышает 5 % , среднеквадратичная ошибка в измерении величины выхода составляет ±35 % при температуре тумана -10 °С. Источники ошибок связаны с осаждением частиц на стенках каналов аппаратуры за счет инерционных и термофоретических сил, турбулентной и броуновской диффузии, неоднородностями температурного поля внутри камеры смешения;
Суммарная систематическая ошибка за счет перечисленных факторов
составляет +3 %.
ы Выявлены
дополнительные источники систематических ' ошибок, ранее не учитывавшихся и свойственных всем
методикам этого типа. Первый источник связан с влиянием на измеряемую льдообразующую активность продуктов разложения
органических конструкционных' материалов, используемых в контуре подготовки пара, температурные зависимости выхода
Рис.
.» -1» '(■ - - Т*С
1 Температурная зависимость иичола»Л1.'р [-млас1НкоиыГ1 пиропроинл;2-металлическпП паропрпиол ■ !
Так, на рис.1 приведены активных ядер аэрозоля, полученного при работе ацетонового генератора. Зависимость 1 получена при использовании резиновых элементов в системе подготовки пара, 2 - в отсутствии органических материалов. Расхождение измеряемых результатов максимально в области температур от -9 °С до -16 °С. • Ошибки такого типа могут быть получены и в случае, когда не
предпринимается специальных мер по предотвращению 1 десорбции активных газовых составляющих со стенок аппаратуры.
Следующий источник
систематической ошибки связан с большим градиентом температуры в ; слое," .непосредственно прилегающем к холодным стенкам. камеры. При наличии в камере тумана в . этом слое существует градиент
пересыщения водяного пара, что
Т*с.
Р:и: 2 Темиеригурн»* шннсимисть мычолл ср ЛАМ •* ра-ккых кам^рих смешения
также может активировать льдообразующие частицы. На рис. 2 приведены зависимости выхода активных частиц ацетилацетоната меди от средней температуры переохлажденного тумана в камере смешения для разных конструкций камер. Как видно, различия в измеренных значениях выхода достигают нескольких порядков величины. Различие в камерах заключалось в том, что температура стенки одной камеры отличалась от температуры в центре камеры на 1,5 ?С, в то время как для другой камеры такое различие составляло 4 °С. ,
Рассмотрены проблемы изменения дисперсности получаемого аэрозоля в зависимости как от содержания в исходных составах льдообразующего вещества, так и условий конденсации, в частности от параметров обдувающего генератор потока и формирующихся , профилей
смешения. Показана связь пороговых
температур получаемых аэрозолей. с размерами частиц. Так, аэрозоли, полученные сжиганием пиросоставов с большим содержанием активного вещества или при меньших скоростях' обдува, имеют больший размер частиц и более высокие пороговые температуры.
Проведена оценка влияния растворимых иодидов на льдообразующую активность получаемых аэрозолей, сравнительные исследования влияния N1141, N81, Ю на формирование аэрозольных частиц. Экспериментальным путем продемонстрировано наличие * легколетучих . соединений, испаряющихся под электронным . пучком микроскопа на частицах, полученных сжиганием растворов А^ — ЫН41 в ацетоне. „
В третьей главе - проведен анализ влияния: продуктов горения пиросоставов и возможных компонентов загрязнения окружающей среды на льдообразующую активность тестовых аэрозолей. Так, аэрозоль, даже полученный при возгонке чистого вещества в очень мягких условиях, неизбежно содержит в своем составе достаточно значимое количество продуктов разложения возгоняемого вещества. Кроме твердых продуктов разложения, в состав которых для аэрозолей А^ прежде всего входит А§, в ) газовой фазе находятся свободные галогены. Для пиросоставов на основе >Ш4СЮ4 это С12 и 12, продукты неполного сгорания топлива. Возможно и влияние компонентов загрязнения среды, 'прежде всего формальдегида, являющегося наиболее общим продуктом атмосферной деструкции
Рис..? Выход ядер для составов Ау! и условиях ■ ' иересышсния (а) и насыщенна (б) .
1-4%. 3-1%, 4-0,4%, 5-0,2% :
органических веществ, на льдообразующую активность естественных и искусственных аэрозолей
Также возможно влияние окислов азота, серы и некоторых достаточно часто встречающихся компонентов антропогенного загрязнения, например алифатических аминов.
Инструментальной особенностью исследования является то, что перечисленные вещества^ так же как и исследуемые аэрозоли, находятся на крайне низких уровнях концентраций, а именно порядка 1-100 микрограммов в кубическом метре воздуха.
Работа со столь малыми концентрациями крайне затруднена, в связи с чем был разработан ряд оригинальных методов для создания малых концентраций исследуемых реагентов, особое внимание уделялось проблемам пассивации поверхностей аппаратуры и очистке аппаратуры между сериями измерений. Проводилось исследование влияния на льдообразующую активность тестовых аэрозолей следующих соединений:
иод - образуется при разложении иодистого серебра и иодирующей добавки. Необходимые концентрации иода создавались отбором насыщенного пара из равновесной газовой фазы над кристаллическим иодом с последующим разбавлением. Поглощение иода из газовой фазы проводилось при выдерживании аэрозоля над гранулированными гидроокисями.
Вг2, бром - в газовой фазе реальных аэрозолей не присутствует, исследовался для получения более полной информации по влиянию галоидов. Концентрации брома создавались отбором насыщенного пара брома из равновесной газовой фазы над жидким бромом.
С12, хлор - присутствует совместно с хлороводородом в продуктах горения перхлоратных пиросоставов. Соотношение С12: НС1 определяется температурой горения пиросмеси, давлением, присутствием окислителя и режимом охлаждения продуктов сгорания.
СН20, формальдегид - может присутствовать в воздухе производственных помещений как результат термического разложения подвергающихся нагреву пластических материалов, в природе - как промежуточный результат >, многочисленных процессов окисления органических загрязнений. Концентрация формальдегида создавалась при термическом разложении точной навески параформа в струе горячего воздуха.
1ЧНх(К)у, органические амины - компонент загрязнения атмосферы, обычно имеющий. место вблизи предприятий, использующих в своем технологическом цикле соединения азота. В эксперименте концентрации аминов создавались разложением солянокислых солей аминов.
в02, - двуокись серы —;. присутствует а атмосфере как результат вулканической активности :■ и распада серосодержащих соединений.
Концентрации двуокиси серы создавались разложением сульфита натрия в кислой среде.
N02, двуокись азота — присутствует в атмосфере, как результат распада азотсодержащих соединений. Концентрации двуокиси азота создавались проведением термического разложения точной навески нитрата свинца.
Результаты проведенных экспериментов представлены рис. 4. Реакция
аэрозоля с исследуемыми 1*с ■ * • реакционно-активными
компонентами проводилась при нормальных условиях, льдообразующая активность измерялась при температуре -10 °С для аэрозолей иодистого серебра,
ацетилацетоната меди и флороглюцина, для
остальных аэрозолей — при
-20 °С. Величина активации в определялась как отношение концентрации льдообразующих ядер в аэрозоле с добавками галоида к концентрации ядер в отсутствии добавок.
Влияние иода заключается в первоначальной активации всех тестированных
аэрозолей, причем максимум активации лежит в районе молярного соотношения «льдообразующее вещество — льдообразующий реагент» порядка 1:1. Дальнейшее повышение концентрации иода либо приводит к значительному спаду льдообразующей активности (свойственно веществам, для которых химическая реакция с иодом с образованием льдообразующе неактивных соединений возможна), либо практически не меняет достигнутый уровень активности.
Влияние хлора и брома заключается в дезактивации всех исследованных аэрозолей. Характерно, что процесс дезактивации имеет место, как в случае веществ, для которых реакция термодинамически возможна (иодистое серебро, ацетилацетонат меди, флороглюцин), так и для веществ, с которыми она термодинамически невозможна или маловероятна (фторид никеля, окислы вольфрама).
иод
2 - бром
3 - хлор
Рис.4 Закшсимосгь пк шиаиин ядер о*
копшжфашш галоида а-ноднсюе серебро, б-ЛЛ\К в-флорогюиин г-оксмд вольфрама, д-фгорнл ннке.и
■•*■■.■ •■<» . тч
Рис.5 Выход ядер 0,4% Л^
ниросостаиа. ¡-добавка иода, 2-без добавок З-иогдощенне иода
Аналогичное влияние галоидов имеет место и для аэрозолей полученных при сжигании пиротехнических составов и работе, ацетоновых генераторов. Поскольку в продуктах сгорания образуется достаточно много собственного иода, искусственное поглощение его приводит к значительному снижению льдообразуюшей активности аэрозоля (рис. 5).
Таким образом, функции иодирующей добавки расширяются. Кроме подавления процессов разложения иодистого серебра она обеспечивает: создание слоя гигроскопических солей на поверхности частицы; создание некоторой
концентрации свободного иода в газовой увеличивает льдообразующую активность
фазе, что также значительно аэрозоля.
Разложение иодирующей добавки с образованием свободного иода более характерно при использовании иодистого аммония. Вместе с тем, требование наличия растворимых гигроскопичных иодидов на поверхности частицы также должно выполняться. Таким образом, для соблюдения оптимального баланса- иода между газовой и твердой фазой аэрозоля в пиросоставах следует использовать смесь иодидов щелочных металлов и аммония, а в состав топлива для жидкостных генераторов совместно с иодидами' щелочных металлов перспективно вводить органические соединения иода.
Влияние газовых примесей органического происхождения носит пассивирующий характер, но не столь ярко выраженный, как в случае с галогенами. Воздействие формальдегида идентично описанному ранее случаю с воздействием продуктов разложения органических материалов системы подготовки пара, такой же активностью обладают алифатические амины. Зависимость пассивирующего влияния алифатических аминов от органических радикалов в аминогруппе позволяют сделать предположение, что в данном случае имеет место блокирование поверхности активных центров на поверхности льдообразующего вещества. Такой же механизм возможно предположить и для формальдегида.
Влияния двуокиси серы и двуокиси азота в диапазоне концентраций 0 -1000 мкг/л. в проведенных экспериментах не обнаружено.
1 Влияние газовых примесей на естественные льдообраэующие ядра несколько отличается от описанного выше. Возможно, это связано с более сложным составом естественных ядер или значительно различающимися способами проведения эксперимента. Поскольку концентрация
естественных льдообразующих ядер в атмосфере низка, проведение прямого воздействия на них химических реагентов невозможно. Концентрирование производилось осаждением льдообразующих ядер на нуклеопоровые фильтры при прокачивании значительных объемов воздуха. После завершения отбора фильтры экспонировали в камере с заданной концентрацией активной газовой примеси и последующим проявлением в термодиффузионной камере. Воздействие хлора на пробы естественного аэрозоля в большинстве случаев приводило к некоторому (в 1,5-2 раза) возрастанию концентрации льдообразующих ядер. Исчерпывающего объяснения эффект не имеет, однако, можно предположить, что в данном случае эксперимент чистым не являлся, и возможно имели место потери хлора на реакцию с материалом фильтра или с большим количеством неактивного аэрозоля, находящегося на фильтре. »
Влияние органических газовых примесей на естественные ядра не отличалось от влияния на искусственные ядра. Результат воздействия метиламина на естественные льдообразующие ядра приведен на рис. 6, где темными квадратами представлены значения концентрации
льдообразующих ядер после выдержки фильтров при разных концентрациях
метиламина. 1. Падение
льдообразукмцей активности естественных ядер <- в> присутствии метиламина не
£
? ... ' • ' . о «I__•' у6«* ,
« » к к « более чем двукратное при
Рис.6 Изменение концет рлиии еаествен. максимальной концентрации ных ядер пил действием метиламина' „
1 газовой ■ примеси в
эксперименте, однако эффект воздействия органических примесей на вещество аэрозольной . частицы может быть более длительным из-за миграции молекулы органического вещества к поверхности нерастворимого ядра. Так, при повторном проявлении фильтра, количество активных льдообразующих ядер продолжает уменьшаться.
В четвертой главе рассмотрены процессы нуклеации в условиях сложного адсорбционно - химического взаимодействия, структуры и электронное строение наиболее известных льдообразующих веществ. Произведен анализ возможных взаимодействий, реализующихся на поверхности аэрозольной частицы, отмечается возможность образования электронных структур, в которых металл может выступать в качестве я-доноров электронных пар. Это означает, что кристалл льдообразующего вещества способен к дативному * л-электронному взаимодействию* и согласуется с опубликованными данными, согласно которым льдообразующая активность соединений связывается с большей подвижностью молекул воды в гидратных оболочках, что приводит к уменьшению времени возникновения критического зародыша льда.
Для аэрозолей образованных при горении пиросоставов, на основании термодинамических расчетов, частично подтвержденных данными химического анализа, сделан вывод о наличии значимых количеств следующих веществ А§.Г, А§С1, Ag, Г, 12, С1", С12.
При рассмотрении физико-химических взаимодействий, имеющих место после образования аэрозоля при горении пиросостава, следует определить . следующие процессы:
1. Окисление металлического серебра;
2. Реакции обмена типа AgJ - АвС1;
3. Разложение растворимых комплексов серебра;
4. Разложение иодистого серебра под действием хлора;
5. Процессы сорбционного характера, не связанные с образованием или разложением льдообразующего вещества
Естественно такое разделение сильно формализованно:
- в реальной системе эти процессы происходят с реализацией серии промежуточных реакций с участием многочисленных продуктов;
- рассматриваемые микросистемы сложны и формализация такого рода является некоторой абстракцией. В действительности можно говорить о том или ином проценте, участия рассматриваемого взаимодействия в результирующем процессе.
Очевидно, что прохождение группы реакций 1-3 ведет к образованию дополнительных количеств льдообразующего вещества в момент, потенциально благоприятный для прохождения нуклеации, группа процессов 4 имеет выраженный деструктивный характер, направление влияния сорбционных процессов различно. ~
Для органических льдообразующих веществ перечень возможных взаимодействий : более узок: реакции органического льдообразующего соединения с активным компонентом газовой фазы (галогены) с образованием неактивных продуктов; процессы сорбционного характера (формальдегид, амины и первые стадии присоединения галогена, особенно характерные для иода). Для взаимодействий с инертными соединениями (например фторид никеля) возможно прохождение только сорбционных процессов.
Таким образом, увеличение льдообразующей активности может быть связано с образованием новой фазы льдообразующего вещества, в ситуации благоприятной для прохождения нуклеации, но это справедливо только для аэрозоля, полученного при сжигании систем, содержащих иодистое серебро — иодиды щелочных металлов или аммония.
Второе предположение о перераспределении электронной плотности носит более общий характер. Рассматривая вопросы активации с позиции изменения электронных структур, отметим, что в ряду 1 - Вг - С1 только иод способен участвовать в донорчо-акцепторном взаимодействии, в случае, брома и хлора атомные радиусы и параметры электронных оболочек таковы, что позволяют им ^проявлять исключительно электроноакцепторные
свойства. Так, начальная стадия действия иода, вне зависимости от того имеет , место химическая реакция или нет, будет сопровождаться обобществлением электронов и появлением более лабильных электронных структур. Льдообразующая активность аэрозоля на этой стадии увеличивается. При дальнейшем увеличении . концентрации возможно прохождение химической реакции. В этом случае льдообразующая активность падает (ацетилацетонаты, флороглюцин). Если химическая реакция невозможна, то льдообразующая активность доходит до некоторого предела и далее не изменяется (фторид никеля, трехокись вольфрама).
Обнаруженные эффекты активации могут быть использованы для повышения эффективности пиросоставов. Это может быть достигнуто посредством:
- применения соединений с кристаллической структурой более соответствующей структуре льда или модификации структуры соединения;
- реализации системы взаимосвязанных процессов ; "растворение-осаждение" в гидратной оболочке аэрозольной частицы в условиях наиболее благоприятных для нуклеации;
- использованием соединений с большей термической устойчивостью в процессах возгонки или модификация имеющихся соединений внесением соответствующих изменений в молекулярную структуру;
- инициированием реакций синтеза льдообразующего соединения;
- модификацией льдообразующих соединений с целью создания более обобществленной электронной системы;
В работе была осуществлена успешная попытка модификации иодистого серебра одновалентными катионами той же подгруппы периодической системы: меди и ртути. Рассматривая термодинамические и кристаллографические свойства, например, соединений хА^-уСи1 следует отметить, что параметры кристаллической решетки, температуры кипения и растворимость по перечисленным выше критериям более оптимальны, чем для чистого иодистого серебра, однако иодистая медь в чистом виде более неустойчива в процессах возгонки из пиросостава на основе перхлората
аммония.
,. Для выяснения оптимального
соотношения AgJ : СиЛ (AgJ : Н§2.12), а также способа введения модифицирующего вещества, ^ исследован ряд пиросоставов с различным соотношением А^:Ме. Как видно из рис.7, эффект ^ активации имеет место как в —;—I— случае меди, так и в случае ртути : м*» (для ртути высоко разложение Рис.7 Активация аэрозоля I - Си. иодида ртути, данные об 2 - Ми (соединении), 3 Си. меха- оптимальном соотношении
ническая смесь
А^:1^2.12 могут быть оценены только на качественном уровне). Для соединений с Си1 максимальная активность имеет место при соотношении А§1:Си1 равном 3:1, причем, устойчиво только соединение, полученное предварительно. Добавление индивидуальных веществ в пиросостав увеличения активности не вызывает (зависимость 3 рисунка 7).
После установления оптимального соотношения Ац:Си , была предпринята успешная попытка его введения в состав АД-1/Так, на рис.8
представлены результаты испытаний пиросоставов (микромодельные образцы) на основе базовой рецептуры АД-1 с содержанием комплекса ЗА§1-Си1 равным 15%, 10% и 5%. Очевидно, что с увеличением содержания комплексного соединения в
пиротехнической смеси выход активных частиц в области высоких температур быстро возрастает.
им*и
1Л*«
ЦП*«
'Ц№*и'
1 ' - * -"5Г
. V $ ¿ГЪщ г*
■ ' %
» . . .1 ; :: л ■ . * * - -» -II Рис 8 Температурные зависимостидля составов с I - 15%, 2 - 10%, 3 - 5% содержанием комплекса
-14
Особенно следует подчеркнуть, что применение комплекса повышает температурный порог действия формирующегося льдообразующего аэрозоля. Для состава с 15% ЗА^-Са! температурный порог составляет всего -2 °е, а в области температур -2 °С -3 °С выход активных частиц составляет около 10" г1. Указанные выше величины характерны только для хладоагёнтов типа твердой углекислоты или жидкого азота.
Аналогичные результаты получены при испытании полноразмерных пиротехнических генераторов, произведенные в аэродинамической трубе. .... _..... ... _ . _ Исследуемые составы показали
ц}*
ю
У
I.....» '
——1♦„.,„,1,........
| I •' Г
- I '[у ;"•■
■ 11* 4............ —1 ,. ■,,. .1
Г* 1з ! 1
. |»2 Т 1 1
0 -г •$ -ю -гг -и т«с
Рис. 9 Полноразмерные генераторы:
1 - 15%, 2 - 10%, 3 - 5%- 'ЗА$1-Си1
высокую льдообразующую эффективность в
пиротехническом, генераторе ПВ-26. В диапазоне температур от -2,5 °С до -4 °С выход активных частиц также составил более 10" г1 (рис 9), что значительно превосходит активность штатных
пиросоставов.
Термодинамические и химические свойства
соединения ЗА§1-СиЛ
отличаются не более чем на 5%
от свойств чистого можно полагать, что основные эксплуатационные характеристики нового состава: устойчивость в производстве и хранении, чувствительность к тряске, трению и удару, ■ находятся на уровне характеристик для штатного состава.
Характеристики комплексного соединения ЗА§^СиЛ позволяют предполагать возможность его применения в генераторах других типов. В частности была экспериментально проверена возможность использования комплекса в топливных, составах, в составе растворов для жидкостных генераторов.
Рассмотрены возможные причины высокой льдообразующей активности составов на основе ЗА^-Си!. К ним можно отнести более близкие ко льду параметры кристаллической решетки вещества, более оптимальные параметры электронной структуры и растворимости соединения.
Одновременно с высокой, льдообразующей активностью при' температурах порядка -2 + -3 "С отмечаются еще два эффекта: быстрое срабатывание и большая устойчивость льдообразующее-активных частиц. Эти эффекты по-видимому связаны с высоким содержанием растворимых иодидов и большей растворимостью получаемых комплексных соединений. Так, при движении аэрозольной частицы к облаку, льдообразукмце-активное вещество может быть растворено в виде комплекса сложного состава и не подвержено старению и действию ультрафиолетового излучения. Образование льдообразующего соединения при попадании частицы в поле высокой влажности и низкой температуры одновременно стимулирует процесс нуклеации льда. .
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Проведен анализ основных физико-химическиих процессов,' связанных с влиянием примесей и активных газообразных соединений газовой фазы на льдообразующую активность искусственных и естественных аэрозолей. , . -
2. Разработаны конструкции генераторов льдообразующих аэрозолей, исследованы процессы, имеющие место при возгонке льдообразующих соединений, разработаны методы создания ультрамалых концентраций исследуемых; реагентов и определения льдообразующей активности получаемых аэрозолей.
3. Определены возможные ошибки, связанные с работой в недостаточно чистых в химическом отношении условиях и больших градиентах температур в облачных камерах. Показано, что отсутствие учета этих составляющих может приводить к значительным, вплоть до нескольких порядков величины, ошибкам измерения льдообразующей активности аэрозоля.
4. Проведена оценка влияния различных физико-химических факторов на льдообразующую активность аэрозоля: . размера частиц, наличия
гигроскопических веществ на поверхности, продуктов горения пиросоставов и компонентов загрязнения атмосферы.
5. На основании полученной информации предложено к использованию новое льдообразующее вещество, представляющее собой комплексное соединение иодистого серебра и иодистой меди. Определена оптимальная технология его синтеза и разработаны пиросоставы на его основе с выходом активных частиц на уровне более 1012 г"1 в диапазоне температур от -2,5 °€ и ниже. Установлена принципиальная пригодность разработанного соединения для применения в топливных рецептурах противоградовых ракет и жидкостных генераторов.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Герливанов В.Г., Гусейнов ШЛ., Диденко Н.К., Иванов В.Н., Ким Н.С., Михалев A3., Пузов Ю.Н., Смирнов В.В.Сухов В.А., Шилин А.Г., Шкодкин A.B. Генерация активного аэрозоля в источниках тепла на основе плоских пиротехнических элементов//Труды ИЭМ, 1990, вып.6., с.131-139.
2. Герливанов В.Г., Гусейнов Ш.Л., Диденко Н.К., Иванов В.Н., Ким Н.С.," Михалев A.B., Пузов Ю.Н., Смирнов В.В., Сухов В.А., Шилин А.Г., Шкодкин A.B. Устройство для введения реагента в атмосферу. A.c. СССР, № 1729220,1991.
3. Головко JI.B., Ким Н.С., Шкодкин A.B., Шилин А.Г. Кристаллизация переохлажденного тумана при испарении жидкого азота из пористых носителей//Труды ИЭМ, 1989, вып.48(138), с.65-71.
4. Диденко Н.К., Иванов В.Н., Ким Н.С., Пузов Ю.А., Смирнов .В., Шилин
A.Г., Шкодкин A.B., Герливанов В.Г., Гусейнов .ШЛ,, Михалев А.Г., Сухов
B.А. Пиротехнический генератор для возгонки органических льдообразующих реагентов// Тез. докл. Всес. 'конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик, 1991, с.29-30. '
5. Ким Н.С.,. Шкодкин A.B., Шилин А.Г. Эффективность генераторов льдообразующих аэрозолей// Труды ИЭМ, 1989, вып.48(138), с.46-59.
6. Ким Н.С., Шкодкин A.B., Шилин А.Г. Эффективность средств воздействия на переохлажденные облака при разных условиях их применения // Активные воздействия на гидрометеорологические процессы, Л, Гидрометеоиздат, 1990, с.471-476.
7. Ким Н.С., Шевчук Е.А., Шилин А.Г., Шкодкин A.B. Комплекс аппаратуры и результаты исследований льдообразующих свойств аэрозолей в широких диапазонах концентрации и температуры// Всес. конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик, тез докл., 1991, с.29-30.
8. Ким Н.С., Шилин А.Г., Шкодкин A.B. Влияние паров иода на льдообразующую активность аэрозолей различных веществ// Коллоидный журнал, 1990, т.52, №4, ¿579-581/
9. Ким Н.С., Шилин А.Г. Современное состояние и перспективы разработки новых льдообразующих составов и гигроскопических средств воздействия// Тр. Всеросс. конф. по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик, 2005.
10. Kim N.S., Shevchuk Е.А., Shilin A.G., Shkodkin A.V. Ice nuclei inhibition by organic molecules adsorption// IntAerosol Symp., Atmospheric Aerosols. Moscow, March 21-25, 1994. v.l,p.1-3.
11. Kim N.S.. Shilin A.G., Shkodkin A.V.. Volkovitsky O.A. Ice nucleating efficiency of artificial aerosol in different cloud seeding procedures// Proc. V WMO Sci. Conf. on Weather Modification and Applied Cloud Physics. Beijing. China, 1989, v.l. p.l51-153.
12. Kim N.S., Shilin A.G., Shkodkin A.V. Ice forming capability of various aerosols under haloid influence// Proc. XIII Int.Conf. on Nucleation and Atmospheric Aerosols, Salt Lake City. USA. 1992.
Сдано в набор 30.10.06. Подписано в печать 31.10.06. Гарнитура Тайме. Печать трафаретная. Формат 60x84Vi6. Бумага писчая. Усл. п.л. 1. Тираж 100. Заказ №925.
Типография ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия»
Лицензия ПД № 00816 от 18.10.2000 г.
г. Нальчик, ул. Тарчокова, 1а
Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Шилин, Алексей Геннадьевич
1. Введение
1. ГЕТЕРОГЕННАЯ НУКЛЕАЦИЯ ЛЬДА НА ЯДРАХ ИСКУССТВЕННЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ.
1.1. Механизмы нуклеации льда на льдообразующих аэрозолях
1.2. Размер частиц льдообразующего аэрозоля и его связь с льдообразующей активностью.
1.3. Понятие минимального мисфита как основной критерий льдообразующей активности вещества.
1.4 Стохастическая пуклеация льда на аэрозольных частицах.
1.5. Особенности процессов нуклеации в гидратпых оболочках.
2. СТРУКТУРА ЧАСТИЦ ЛЬДООБРАЗУЮЩЕГО АЭРОЗОЛЯ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЦЕССЫ.
2.1. Генераторы льдообразующих аэрозолей.
2.1.1 Лабораторные генераторы льдообразующих аэрозолей.
2.1.2 Пиротехнические генераторы льдообразующих аэрозолей.
2.1.3 Жидкостные генераторы льдообразующих аэрозолей.
2.2. Физико-химические процессы, протекающие при термо-конденсациоином формировании пиротехнических аэрозолей.
2.3. Методика и аппаратура для исследования льдообразующих аэрозолей.
2.3.1 Методики исследования аэрозолей, полученных при функционировании полиоразмерных генераторов.
2.3.2. Облачная камера с непрерывным поддержанием переохлажденного тумана.
2.3.3. Термодиффузиоппая камера.
2.3.4. Ошибки измерения величины выхода.
2.4. Дисперсность льдообразующих частиц.
2.6. Связь пороговой температуры и дисперсности аэрозоля.
2.7. Влияние растворимых солей на льдообразующую активность аэрозолей.
3. ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ПИРОСОСТАВОВ И КОМПОНЕНТОВ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ЛЬДООБРАЗУЮЩУЮ АКТИВНОСТЬ АЭРОЗОЛЯ.
3.1 Возможные реакционно-активные соединения, входящие в состав газовой фазы.
3.1.1 Методика получения исследованных химических соединений.
3.1.2 Методики, аппаратура и режимы исследования влияния газовых составляющих на льдообразующую активность аэрозолей.
3.2 Влияние газовых примесей на льдообразующую активность искусственных аэрозолей.
3.2.1. Влияние свободных галогенов.
3.2.2 Влияние газовых примесей органического происхождения.
3.3 Влияние газовых примесей па естественные льдообразующие ядра.
3.3.1 Подготовка образцов естественного аэрозоля.
4. ГЕТЕРОГЕННАЯ НУКЛЕАЦИЯ В УСЛОВИЯХ АДСОРБЦИОННО
ХИМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.
4.1.Льдообразующие соединения, особенности их строения и структуры.
4.1.1. Иодиды серебра и свинца.
4.1.2.Ацетилацетопаты переходных металлов.
4.1.3 Альдегиды, оксисоедииения, многоатомные спирты.
4.2 Особенности нуклеации льда при наличии сложного адсорбционного и химического взаимодействия.
4.2.1 Синтез льдообразующих соединений на поверхности аэрозольных частиц.
4.2.2 Деструкция льдообразующее активного вещества как результат химической реакции.
4.2.3 Сорбциоппые процессы.
4.3 Пути модификации льдообразующих соединений.
4.4 Льдообразующая активность соединений AgJ-MeJ переменного состава.
4.5. Определение оптимальных рецептур пиросоставов на основе иодистой меди.
4.6. Вероятные причины высокой льдообразующей активности соединений xAgJ-yMeJ. Ill
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Нуклеация льда на аэрозолях в присутствии загрязняющих веществ"
АКТУАЛЬНОСТЬ. Среди различных способов воздействия на гидрометеорологические процессы наиболее часто используемым на практике является искусственная кристаллизация переохлажденных облаков и туманов, основанная на внесении в зону воздействия заданного количества искусственных льдообразующих ядер. Первые исследования в этой области были начаты в 50-х годах прошлого века /57-59, 87, 97, 104, 129 и т.д./. Практические работы по предотвращению выпадения града, увеличению осадков над заданными территориями, рассеянию туманов и облаков, достаточно распространены и проводятся во многих странах мира. За истекшее время для этих целей разработаны и широко применяются высокоэффективные льдообразующие реагенты и пиротехнические составы на их основе. Однако, несмотря на обилие теоретических и экспериментальных исследований в этой области, процессы, имеющие отношение к механизму гетерогенного образования льда на аэрозольных частицах реагента не получили надлежащего освещения и по сей день. Так, широко применяемые методы генерирования льдообразующих аэрозолей при горении штатных пиротехнических составов связаны с выделением большого количества химически активных веществ, в первую очередь хлора и иода. Вместе с тем экспериментально подтверждено /43/, что наличие таких веществ может приводить к частичному или полному разрушению льдообразующего реагента. Также работы по активным воздействиям зачастую проводят в промышленных районах с повышенными концентрациями загрязняющих веществ, которые могут менять льдообразующую активность применяемых аэрозолей. Хотя надлежащей статистики по этому вопросу не собрано, имеется распространенное мнение о неэффективности проведения активных воздействий в промышленно загрязненных районах. Итак, на настоящий момент имеется информация о влиянии агрессивных газов, возникающих либо при работе пиротехнических генераторов, либо имеющихся в атмосфере как компонентов антропогенного загрязнения на льдообразующую активность применяемых аэрозолей /18,29,31,86,88,158/. Детальное изучение процессов такого рода не предпринималось. Между тем исследование поведения льдообразующего аэрозоля в загрязненной атмосфере имеет существенное значение как для понимания процессов гетерогенной нуклеации льда, так и непосредственно для практики активных воздействий.
СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ. Наблюдаемое изменение льдообразующих свойств аэрозолей под влиянием различных газов и паров принято связывать либо с блокированием поверхности частиц в результате физической адсорбции, либо с образованием химических соединений при взаимодействии газов с веществом частицы /2,124,154,158/. Такое влияние может приводить как к увеличению, так и к уменьшению льдообразующей активности частицы /43,124/. В работах /124,154/ отмечено активирующее влияние иода на льдообразующие свойства фоновых аэрозолей городской атмосферы. Повышение концентрации ядер кристаллизации авторы связали с образованием эффективного льдообразующего соединения - иодида свинца, образующегося при взаимодействии иода с содержащими свинец продуктами сгорания автомобильного топлива /154/. Тем не менее, этот вывод находится в противоречии с термодинамическими расчетами для реакции образования иодида свинца, а в работах Гранта и Корина /124/ показано, что рост концентрации льдообразующих ядер не связан с присутствующими в автомобильных выбросах примесями свинца, находящимися в форме, недоступной для реакции иодирования. В результате проведения работы авторы пришли к мнению, что «имеет место образование соединений иода с другими, не установленными компонентами загрязнения атмосферы». Данные компоненты загрязнения не обязательно должны иметь антропогенное происхождение, так Росински и Паранго /158/ обнаружили увеличение льдообразующей активности терпенов (группа соединений, поставляемая в атмосферу в результате жизнедеятельности хвойных лесов) под действием иода. Наблюдаемый эффект был объяснен авторами образованием неизвестных, более активных льдообразующих соединений. Вместе с тем Рейшелом /157/ отмечена обратимость процессов активации при воздействии паров иода на окислы свинца.
Одинаковое активирующее влияние паров иода па аэрозоли различного химического состава и обратимый характер активации вызывает сомнение в обоснованности трактовки активации, как результата образования новых химических соединений. Вместе с тем необходимо отметить важность наблюдаемого процесса: во-первых в ряде экспериментов зафиксировано значительное, до нескольких десятков процентов, увеличение льдообразующей активности исходного аэрозоля /43,86,154/, а во-вторых за стадией активации в некоторых случаях имел место процесс снижения льдообразующей активности аэрозоля, иногда на несколько порядков величины от первоначальной активности /43,157/. Для выяснения механизмов реализации льдообразующей активности аэрозоля в условиях загрязнения, наличия в атмосфере реакционно-активных, химически неустойчивых компонентов и было предпринято настоящее исследование.
В качестве объектов исследования были выбраны аэрозоли веществ различных химических классов, а именно фторид никеля, окислы никеля и вольфрама, иодиды меди и серебра. Из органических соединений исследовались флороглюцип и ацетилацетонат меди. В экспериментах изучалось влияние газообразных агрессивных продуктов сгорания пиросоставов (хлор, иод) а так же возможных компонентов природного и антропогенного загрязнения (окислы серы, азота, амины, формальдегид). В некоторых случаях между льдообразующим веществом и исследуемым газом возможно прохождение химической реакции, в других случаях прохождение реакции невозможно или маловероятно /4,15,30,54/.
Данный объект исследования крайне сложен. Перечислим только основные факторы, осложняющие как процесс исследования так и интерпретацию результатов:
1. Недоступность объекта исследования для большинства физических методов. Даже при работе с чистыми аэрозолями высокоактивных льдообразующих веществ и исследовании частиц этих аэрозолей, например при помощи электронной микроскопии, невозможно идентифицировать выбранную частицу как льдообразующую в реальных условиях воздействия. При работе с аэрозолями, образованными пиросоставами, аэрозолями пизкоактивпых веществ и природными аэрозолями, для которых льдообразующие свойства могут проявляться только у нескольких процентов от общего количества образованных частиц /130,157/, вопрос о льдообразующих свойствах конкретной взятой на исследование частицы становится совершенно неопределенным.
2. Практически невозможно на количественном уровне оцепить химию процессов образования частиц льдообразующих аэрозолей, прежде всего из-за неконтролируемого разложения диспергируемых веществ и неопределенности как химического состава взятой для исследования частицы, так и отсутствия соответствующих аналитических методов /10,18/. Из-за этого данные интегрального анализа продуктов горения невозможно соотнести с реально получаемым спектром аэрозоля. Такие данные с наибольшей вероятностью будут описывать состав крупных фракций, практически не проявляющих себя в работе реального генератора. Состав основных фракций аэрозоля в диапазоне размеров 50 - 500 нм, определяющий его льдообразующую активность, остается в достаточной степени неопределенным.
3. Работа генераторов аэрозоля сопряжена с реализацией множества трудноконтролируемых условий, особенно имеющих место на выходе из сопла генератора и в зоне смешения продуктов горения с окружающим воздухом. Эти условия трудно учесть и они обычно игнорируются при проведении соответствующих термодинамических оценок. В большинстве случаев проведенные расчеты касаются только процессов конденсации аэрозольных частиц, хотя процессы, связанные с физико-химическим взаимодействием за зоной конденсации не меньшей мере определяют льдообразующие свойства итогового аэрозоля,
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в экспериментальном изучении влиянии химических составляющих продуктов горения пиротехнического состава и газообразных реакционно-активных компонентов атмосферы на льдообразующую эффективность получаемого при действии генератора аэрозоля, в разработке методов получения высокоэффективных регентов и разработке практических рекомендаций по применению льдообразующих аэрозолей в районах с высоким уровнем антропогенного загрязнения атмосферы.
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
Впервые начато исследование процессов влияния химически активных газообразных продуктов сгорания термического генератора и отдельных компонентов загрязнения окружающей среды на льдообразующую активность искусственного льдообразующего аэрозоля.
Впервые разработаны методы и аппаратура для исследования льдообразующей активности аэрозолей, позволяющие в значительной степени снизить влияние сторонних загрязнений (продукты термодеструкции пластиков в системах подготовки пара, сорбированные газообразные компоненты предыдущих экспериментов) на получаемую информацию.
Получены экспериментальные данные, позволяющие прогнозировать поведение естественного льдообразующего аэрозоля в условиях загрязнения окружающей среды.
Определены критерии, учет которых при разработке пиросоставов, топлива и конструкций генераторов может привести к существенному увеличению выхода активных льдообразующих ядер.
Рассмотрен новый параметр, вероятно играющий существенную роль в процессах гетерогенной нуклеации льда: образование новой фазы льдообразующего вещества в условиях, благоприятных для прохождения процесса пуклеации. Образование новой фазы льдообразующего вещества может происходить в результате как химического так и физико-химического процесса и провоцировать собственно процесс нуклеации. При внешней схожести стохастического описания процессов пуклеации льда и образования льдообразующего соединения, они контролируются различными и в первом приближении независимыми факторами - температурой в случае образования льда и концентрацией реагентов для фазы льдообразующего вещества. Таким образом, появляется независимый от температуры способ управления процессами нуклеации льда посредством изменения концентраций веществ, реакция между которыми приводит к образованию льдообразующего соединения.
Получены пиросоставы и рецептуры топлива генераторов, имеющие выход льдообразующего аэрозоля па порядок и более превосходящий применяющиеся па данный момент рецептуры.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Физико-химические процессы, имеющие место за пределами высокотемпературной зоны конденсации и влияющие на состояние аэрозольной частицы пе менее значимы, чем собственно процессы образования частицы в зоне конденсации. Отсутствие учета такого взаимодействия может приводить к значительным, на несколько порядков величины в ту или другую сторону, искажению результатов как в момент исследования, так и в реальной практике активных воздействий.
2. Учет и управление тонкими физико-химическими взаимодействиями в низкотемпературной зоне может привести к увеличению льдообразующей активности аэрозольных частиц и созданию более эффективных средств активных воздействий. Возможно также создание специфических средств активных воздействий, предназначенных для работы в условиях значительного загрязнения атмосферы.
3. Льдообразующая активность искусственных (и вероятно по этому же механизму - естественных) аэрозолей может контролироваться и изменяться введением активных газовых компонентов. Данный процесс не обязательно деструктивен, возможно как повышение, так и понижение льдообразующей активности для одного и того же аэрозоля.
4. В определенных условиях образование новой фазы льдообразующего вещества может провоцировать процесс нуклеации льда. Примерами такого образования могут быть:
- образование твердой фазы AgJ*MeJ из раствора иодистого серебра в растворах щелочных металлов или аммония высокой концентрации при снижении концентрации последних.
- синтез AgJ из металлического серебра или его соединений, входящего в состав аэрозольной частицы и иода, присутствующего в газовой фазе.
- синтез органического льдообразующего вещества, например ацетилацетоната меди непосредственно в гидратном слое на поверхности аэрозольной частицы.
Следует подчеркнуть, что при реализации такого процесса отсутствует требование наличия значительных пересыщений водяного пара, связанное с высокой гидрофобностыо поверхности ацетилацетоната /37/. Возможные исходные компоненты для такого синтеза - растворимые соли меди и ацетилацетон имеют гораздо большую гидрофильность.
Возможно предположить, что целенаправленное использование описанных выше тонких физико-химических взаимодействий позволит инициировать пуклеацию в непосредственной близости к 0°С - и это обязательно должно находить отражение при соответствующем моделировании нуклеационных процессов, средств и способов проведения воздействий. Другой возможный эффект учета таких взаимодействий -изменение схем проведения активных воздействий и целенаправленное манипулирование льдообразующей активностью полученного аэрозоля. Например использование растворимых комплексов xAgJ*yMeJ может позволить предотвратить фото- и окислительную деструкцию AgJ до момента попадания частицы в поля влажности, достаточные для разбавления раствора и выпадения комплекса в твердую фазу - т.е. непосредственно в зону воздействия.
Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Шилин, Алексей Геннадьевич
Основные результаты диссертационной работы, имеющие практическое значение заключаются в следующем.
1. Предложены методы модификации льдообразующего вещества, заключающиеся в введении в его структуру ионов в пределах той же подгруппы периодической системы, изменяющих параметры кристаллической решетки и физико - химические свойства образующегося соединения.
2. Разработаны экспериментальные рецептуры высокоэффективных пиротехнических составов. Показано, что в области температур переохлажденного облака от минус 2,5°С и ниже выход льдообразующих частиц составляет ие менее 1012г"1.
3. Показано, что комплексные соединения типа xAgJ-yMeJ можно применять и для различных типов автономных генераторов.
4. Показано, что по своим льдообразующим характеристикам аэрозоли комплексных соединений близки к характеристикам хладоагентов, что позволяет применять их в программах по увеличению осадков и рассеянию облаков.
Таким образом, совокупность выполненных исследований представляет собой решение важной научно-технической проблемы - разработку пиротехнических составов, эффективных в зоне температур от минус 2,5° С до минус 4 0 С, а также некоторый вклад в понимание механизмов нуклеации льда на аэрозольных частицах при наличии в системе сложного физико-химического взаимодействия.
В заключении автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность Киму Николаю Сергеевичу, под руководством которого были начаты, проведены и завершены эти исследования а также благодарность и признательность Шкодкину Александру Викторовичу за многолетнее активное участие и помощь в работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации рассмотрены основные физико-химические процессы, связанные с влиянием примесей и активных газообразных соединений газовой фазы на льдообразующую активность искусственных и естественных аэрозолей. Рассмотрены возможные механизмы нуклеации льда, особое внимание уделено процессам нуклеации в тонких гидратных оболочках, образующихся на поверхности частиц льдообразующих аэрозолей. В работе дано детальное описание генераторов льдообразующих аэрозолей, процессов, имеющих место при возгонке льдообразующих соединений и композиций различных составов. Дано описание уникальной аппаратуры, использовавшейся для создания заданных ультрамалых концентраций исследуемых реагентов и определения льдообразующей активности получаемых аэрозолей.
Определены возможные ошибки, связанные с работой в недостаточно чистых в химическом отношении условиях и больших градиентах температур в облачных камерах. Показано, что отсутствие учета этих составляющих может приводить к значительным, вплоть до нескольких порядков величины, ошибкам измерения льдообразующей активности аэрозоля.
Приведена оценка влияния различных факторов на льдообразующую активность аэрозоля, его размера, наличия и состава гигроскопических веществ на поверхности частиц а также влияние на льдообразующую активность продуктов горения пиросоставов и компонентов загрязнения атмосферы.
На основании полученной информации предложено к использованию новое льдообразующее вещество, представляющее собой комплексное соединение иодистого серебра и иодистой меди, определена оптимальная технология его синтеза и разработаны пиросоставы на его основе с выходом активных частиц на уровне более 1012 г'1 в диапазоне температур от минус 2,5° С до минус 4 0 С. Установлена принципиальная пригодность разработанного соединения для применения в топливных рецептурах противоградовых ракет и жидкостных генераторов.
Основные научно-методические результаты работы состоят в следующем.
1. Разработаны методики и аппаратура для приготовления термоконденсационным способом льдообразующих частиц. Предложены конструкции генераторов пиротехнического аэрозоля, теплового генератора аэрозолей химически чистых веществ.
2. Разработана методика и аппаратура для исследования льдообразующих аэрозолей с низкой льдообразующей активностью.
3. Разработана термодиффузионная камера для изучения свойств естественных аэрозолей.
4. Оценена ошибка измерений, связанная с термическим разложением органических материалов па подвергающихся нагреву частях аппаратуры (отдельные элементы системы подготовки пара).
5. На основе термодинамических расчетов выявлены продукты сгорания пиротехнических составов, снижающие льдообразующую активность образующегося аэрозоля.
6. Проанализировано влияние растворимых солей на льдообразующую активность аэрозольной частицы. Обнаружено существенное влияние ионов иода на температуру кристаллизации капель.
7. Показано, что в определенных случаях имеет место физико-химическое взаимодействие газовых компонентов и вещества аэрозольных частиц. Результатом такого взаимодействия может быть значительное изменение льдообразующей активности итогового аэрозоля в ту или иную сторону.
8. Обнаружено активирующее влияние иода на льдообразующую активность аэрозолей различных классов химических соединений.
9. Выявлено пассивирующее влияние хлора п брома на льдообразующую активность аэрозолей.
10. Показано, что амины, формальдегид оказывают дезактивирующее влияние на аэрозоли иодистого серебра и ацетилацетоната меди.
11. Показано что сернистый газ, двуокись азота в диапазоне концентраций 0 - 100 мг/м3 не влияют на льдообразующую активность естественных и искусственных аэрозолей.
12. Проведены термодинамические расчеты, которые показали, что при горении пиротехнических составов на основе перхлората аммония с льдообразующим реагентом в продуктах горения присутствуют вещества, химически активные по отношению к возгоняемому иодистому серебру.
13. Показано, что нуклеация льда па поверхности аэрозольной частицы сложного химического состава происходит в условиях сложного физико-химического взаимодействия. При этом возможно значительное изменение льдообразующей активности итогового аэрозоля как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.
Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Шилин, Алексей Геннадьевич, Обнинск
1. Абшаев М.Т, Тлисов М.И., Федченко J1.M. Современные методы и технические средства, применяемые при воздействии на градовые процессы.// ВНИИГМИ-МЦД. Обзор, Обнинск, 1985, вып.7, 36с.
2. Адамсон А.В. Физическая химия поверхности.// Изд. Мир, М., 1979, 568 с.
3. Аксенов М.Я. и др. Исследование льдообразующей активности аэрозолей ацетилацетоната меди различной дисперсности.// Труды ЦАО, 1979, вып. 142, с.82-88.
4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Москва. Высшая школа 1981 г.
5. Баззаев Т.В., Смородин В.Е. О гетерогенной нуклеации льда па аэрозольных ядрах с модифицированной поверхностью.// Труды ЦАО, 1986, вып. 162, с. 119128.
6. Бакланов A.M. и др. Исследование дисперсности и льдообразующей активности аэрозолей иодистого серебра, генерируемых пиросоставами.// Изв.АН СССР, ФАО, 1983, т. 18, с.506-502.
7. Баханова Р.А., Киселев В.И. Исследование структуры воды, адсорбированной на AgJ при различной влажности.//Труды УкрНИГМИ, 1977, вып. 152, с.22-25.
8. Баханова Р.А., Киселев В.И., Олейник Р.В., Плауде Н.О., Гришина Н.П. Исследование характеристик льдообразующего аэрозоля, полученных сжиганием растворов.//Труды УкрНИИ, 1984, вып.203, с.73-78.
9. Беляев С.П., Дьяченко Ю.Д., Ким Н.С., Матвеев Ю.Н., Сидоров А.И. Некоторые результаты сравнительных испытаний генераторов льдообразующих аэрозолей.// Метеорология и гидрология, 1978, № 4, с. 107-111.
10. Беляев С.П., Дьяченко Ю.Д., Ким Н.С., Матвеев Ю.Н., Сидоров А.И. Исследование эффективности действия натурных пиротехнических генераторов льдообразующих аэрозолей.//Труды ИЭМ, 1976, вып.14(59), с.21-32.
11. Беляев С.П., Ким Н.С. и др. Дисперсность и структура льдообразующих аэрозолей от составов с малым содержанием AgJ.// Метеорология и гидрология, 1986, № 3, с.38-44.
12. Беляев С.П., Ким Н.С., Матвеев Ю.Н. Исследование модели самолетного жидкостного генератора льдообразующих аэрозолей.// Метеорология и гидрология, 1978, № 11, с.11-115.
13. Беляев С.П., Ким Н.С., Сидоров А.И., Хваи С.Б., Шкодкии А.В. Дисперсность и структура льдообразующих аэрозолей от состава с малым содержанием AgJ.// Метеорология и гидрология, 1986, № 3, с.38-43.
14. Богатова Н.Ф., Будераская Г.Г., Товбин М.В. Адсорбция паров воды на кристаллах иодистого серебра.// В кн. «Абсорбция и адсорбанты». Киев, Наукова Думка, 1972, вып.1, с.120-123.
15. Васильев В.П. Аналитическая Химия ки. 2 Москва 2003 г.
16. Волковицкий О.А., Игнатенко В.И. Аэродинамическая труба для исследования с двухфазным потоком.// Труды ИЭМ, 1969, вып.1, с.3-9.
17. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е, пер. и доп. В трех томах. Л., "Химия", 1977.
18. Герливанов В.Г., Гусейнов Ш.Л., Диденко Н.К., Иванов В.Н., Ким Н.С., Михалев А.В., Пузов Ю.Н., Смирнов В.В., Сухов В.А., Шилин А.Г., Шкодкин А.В. Устройство для введения реагента в атмосферу. А.с.СССР, № 1729220, 1991.
19. Гзиришвили Т.Г., Карцивадзе А.И., Окуджава Д.М. Гетерогенная пуклеация льда.// Тбилиси, Мецниереба,1984,140 с.
20. Головко Л.В., Ким Н.С., Шкодкин А.В., Шилин А.Г. Кристаллизация переохлажденного тумана при испарении жидкого азота из пористых носителей.//Труды ИЭМ., 1989, вып.48(138), с.65-71.
21. Головко и др. Исследования покрытия поверхности кремнезема иодидом серебра при адсорбции его из паровой фазы.// Труды УкрНИИ, 1985, вып.24, с.92-95.
22. Горбунов Б.З., Какуткииа Н.А., Куценогий К.П. и др. Кинетика образования ледяных кристаллов на аэрозольных частицах в переохлажденном тумане.
23. Влияние истощения водяного пара. // Изв. АН СССР, ФАО, 1986, т.22, № 4, с.437-438.
24. Горбунов Б.З. и др. Влияние пересыщений па льдообразующую активность иодистого серебра.// Изв. АН ССР, ФАО, 1980, т.16, № 7, с.720-728.
25. Горбунов Б.З. и др. Возможные механизмы образования льда на частицах иодистого серебра в диффузионной камере.// Метеорология и гидрология, 1980, № 6, с.57-62.
26. Горбунов Б.З., Какуткииа Н.А., Куценогий К.П, Макаров В.И. Исследование зависимости льдообразующей активности аэрозолей иодистого серебра от дисперсности.//Известия АН СССР, ФАО, 1976, т. 12, с.1295-1302.
27. Дерягин Б.В. Некоторое применение идей Гиббса в статистической термодинамике поверхностных явлений.// В кн. «Современная теория капиллярности». Л., Химия, 1980, с.86-99.
28. Дерягин Б.В. Общая теория нуклеации. Теория гомогенной конденсации при умеренных пересыщениях.// ДАН СССР, 1970, т. 193, № 5, с. 1096-1099.
29. Ефимов А.И. Свойства неорганических соединений. Москва «Химия» 1983 г.
30. Качурин J1.Г. и др. Исследование льдообразующей активности некоторых реагентов при диспергировании их в сверхзвуковой струе пересыщенного водяного пара.//Труды ИГ АН ГССР, 1984, вып.52, с.80-84.
31. Ким Н.С. Искусственная кристаллизация в переохлажденных облачных средах. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических паук. 1999 г. г. Обнииск.
32. Ким Н.С., Шкодкин А.В. Активация льдообразующих аэрозолей, формируемых при горении пиротехнических составов.// Труды ИЭМ, 1989, вып.48(138), с.41-46.
33. Ким Н.С., Шкодкин А.В. Формирование гетерогенных аэрозольных частиц при горении пиротехнических смесей.// Тез.докл. XIV Всесоюзи. коиф. Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем, 1986, т.2, с.39.
34. Ким Н.С., Шкодкин А.В. Исследование льдообразующей активности аэрозолей ацетилацетоната меди в переохлажденном двухфазном потоке.// Метеорология и гидрология, 1986, № 2, с.28-31.
35. Ким Н.С., Шкодкин А.В., Шилип А.Г. Эффективность генераторов льдообразующих аэрозолей.// Труды ИЭМ, 1989, вып.48(138), с.46-59.
36. Ким Н.С. Исследование влияния условий генерации аэрозоля AgJ на его льдообразующую активность.// Труды ЦАО, 1980, вып.142, с.89-98.
37. Ким Н.С., Сидоров А.И., Хван С.Б., Шкодкин А.В. Структура и свойства льдообразующих аэрозолей, генерируемых пиротехническими составами. // Активные воздействия на гидрометеорологические процессы, Л., Гидрометеоиздат, 1990, с.496-499.
38. Ким Н.С., Шкодкин А.В., Шилин А.Г. Эффективность средств воздействия на переохлажденные облака при разных условиях их применения. // Активные воздействия на гидрометеорологические процессы, Л, Гидрометеоиздат, 1990, с.471-476.
39. Ким Н.С., Шилин А.Г., Шкодкин А.В. Влияние паров иода па льдообразующую активность аэрозолей различных веществ.//Коллоидный журнал, 1990, т.52, №4, с.579-581.
40. Ким Н.С., Шкодкин А.В. О необходимом условии гетерогенной нуклеации льда из пара.// Коллоидный журнал, 1987, т.49, № 2, с.253-257.
41. Ким Н.С., Чихабах Б.К. Методика исследования генераторов льдообразующих аэрозолей в двухфазном потоке.// Труды ИЭМ, 1985, вып. 11(32), с. 19-25.
42. Ким.Н.С. Исследование льдообразующей активности аэрозоля иодистого серебра в зависимости от условий его формирования.// Дисс.па соиск. уч.ст. к.ф.-м.н., Обнинск, 1978, 189 с.
43. Ким Н.С., Шилин А.Г. Влияние микроконцентраций некоторых газов на льдообразующую активность иодистого серебра и ацетилацетопата меди. .// Всес. конф. По физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик, тез докл., 2005
44. Левков Л., Генадиев Н. К вопросу об исследовании льдообразующей активности ацетилацетопата меди.// Гидрология и метеорология, 1977, т.24, кн.6, с.68-70.
45. Малкина А.Д., Патрикеев В.В. Ацетилацетонат меди как льдообразующий реагент.//Труды ЦАО, 1978, вып. 132, с. 103-107.
46. Малкина А.Д., Патрикеев В.В. Карцивадзе. Кристаллизующий реагент для активного воздействия на переохлажденные облака и туманы (авторское свидетельство СССР № 306654).
47. Несмеянов Н.А. Начала Органической Химии 1,2 т. Москва 1974 г.
48. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Смачивающие пленки.//М., Наука, 1984, 159 с
49. Плауде Н.О., Соловьев А.Д. Контактная нуклеация льда.// Труды ЦАО, 1978, вып. 132, с.3-31.
50. Плауде Н.О. Исследование льдообразующих свойств аэрозолей иодистого серебра и иодистого свинца.// Труды ЦАО, 1967, вып.80, 88с.
51. Плауде Н.О., Соловьев А.Д. Льдообразующие аэрозоли для воздействия па облака.// ВНИГМИ-МЦД, Обзор, Обнинск, 1979,82 с.
52. Попов А.П. и др. Химическая классификация льдообразующих веществ и их свойства.// 3 Всесоюзное совещание по вопросам изыскания льдообразующих реагентов и исследования их действия, тез. докл., Кишинев, 1977, с.12-13.
53. Погребной A.M., Кудрин Л.С. Бурдуковская Г.Г. Масс-спектрометрическос исследование ионио-молекулярных равновесий в парах RbJ, AgJ, RbAg4J5. Энтальпии образования ионов.// Теплофизика высоких температур. 1992 г. Т 30 № 5 с 907-915
54. Силаев А.В. и др. Поточная камера для проявления мембранных фильтров при исследовании льдообразующих ядер.// Труды УкрНИИ, 1983, вып.193, с.103-113.
55. Смородин В.Е. Двухбарьерная пуклеация на активном центре энергетически неоднородной поверхности.// ДАН СССР, 1987, т.294, № 3, с.595-599.
56. Соловьев А.Д., Плауде Н.О. Оценка возможностей использования органических реагентов типа флороглюципа в практике активных воздействий.// Отчет ВНТИЦ, 1976, №453963, с. 59.
57. Способ получения льдообразующих ядер. ( Беляев С.П., Ким Н.С. и др.) Авт. св. СССР, № 926793.
58. Сумин Ю.П., Торопова Н.В. Результаты исследований льдообразующего действия пиротехнических составов с иодидами серебра и свинца при воздействии переохлажденные слоистообразпые облака.//Труды ГГО, 1972, вып.278, с.78-90.
59. Сутугин А.Г., Лушников А.А. О механизме образования высокодисперсных аэрозолей неорганических веществ.//Коллоидный ж., 1974, т.36, №2, с.306-311.
60. Товбин М.В. и др. Исследование льдообразующей активности двухкомпонентных аэрозолей.// Физика аэродисперсных систем, 1983, вып.23, с.13-16.
61. Туров В.В. Архаров А.В. Зависимость льдообразующей активности диоксипафталинов от строения гидратной оболочки кристалла. Институт химии поверхности НАН Украины 1997 г.
62. Цитович И.К. Курс Аналитической Химии Москва «Высшая школа» 1994 г.
63. Acsenov М., Plaude N. Critical sizes of ice forming nuclei.// Procced.VIII Intern.Conf.Nucleation, Leningrad,1973, p.40-43.
64. Aksenov M.Ya., Lisenkova N.V., Plaude N.O. Ice nucleation by silver iodide particles with nearly critical sizes.// Proc. XI Int.Conf.on Atmos.Aerosols, Condens. And Ice Nuclei, Budapest, 1984, v.2, p.20-24.
65. Anderson B.J., Hallet J. Supersaturation and time dependence of ice nucleation from the vapor on single crystal substrates.// J/Atmos.Sci., 1976, v.33, N 3, p.822-832.
66. Barchet W.R., Corrin M.L. Water vapor adsorption by pure silver iodide above ice saturation.// J.Phys.Chem., 1972, v.72, N 16, p.2280-2285.
67. Beaglehole D., Nason D. Transition layer on the surface of ice.// Surface Sci., 1980, v.96, N 1-3, p.357-363.
68. Belyaev S.P., Volkovitskii O.A., Djatchanko Yu.D., Kim N.S., Matveev Y.N., Sidorov A.I. Method and devices for studying crystal reagent efficiency in commercial pyrotechnics.// Proc. Int.Conf. Weather Modif., Tashkent, 1973, p. 115-116.
69. Belyaev S.P., Kim N.S., Sedunov Yu.S., Volkovitsky O.A. Ways of increasing the ice nucleating effectiveness of cloud seeding agents.// Proc.IV WMO Sci.Conf.on Weather Modif., Honolulu, 1985, v.l, p.273-276.
70. Berglund E.R., Mace A.C. Rate of solution of ice nuclei in water drops and its effect on nucleation.// J.Appl.Meteorol., 1972, v. 11, N 5, p.813-817.
71. Birstein S.J. The role of adsorption in heterogeneous nucleation.// J.Meteorol., 1955, v.12, p.324-331.
72. Blair D.N., Davis B.L., Dennis A.S. Cloud chamber tests of generators using acetone solution of AgJ-NaJ, AgJ-KJ and AgJ-NH4 J.//J.Appl.Meteorol., 1973, v. 12, N 6.
73. Blumenstein R.R., Finnegan W.G., Grant L.O. Ice nucleation by silver iodide-sodium iodide: A reevaluation.//J. Weather Modif., 1983, v. 15, N 1, p. 11-15.
74. Borys R.D., Duce R.A. Relationships among lead, iodine, trace metals and ice nuclei in a coastal urban atmosphere.// J.Appl.Meteorol., 1979, v. 18, N12, p. 1490-1499.
75. Bryant G.W., Hallett J., Mason B.J. The epitaxial growth of ice on single crystalline substrates.// J. Phys. Chem. Solids, 1959, v.12, p.189-195.
76. Cmilong B.M. Sublimation in outdoor air and seeded sublimation.// Nature, 1949, v.163, p.727-728.
77. Corrin M.L., Barnes R. In-situ silver iodide coated titanum dioxide as an ice nucleant.// J.Appl.Meteorol., 1976, v.15, N 4, p.413-414.
78. Cooper W.A., Knight Ch. A. Heterogeneous nucleation by small liquid particles.// J/Aerosol Sci., 1975,v.6,N l,p.213-221.
79. Corrin M.L., Moulic S.P., Cooley B. The surface chemistry of condensation nuclei: III adsorption of water vapor on doped silver iodide.// J.Atmosp.Sci., 1967, v.24, p.530-532.
80. Davis C.I., Auer A.H. The possibility of collision nucleating by an AgJ aerosol in orographic cap cloud.//J.Rech.Atmos., 1968, v.6, N1-2-3, p.108-115.
81. Davis B.L., Jonson L.R., Moeng M.I. An explanation for the unusual nucleating ability of aerosols produced from the AgJ-NEiJ acetone system.// J.Appl.Meteorol., 1975, v.14, p.891-896.
82. Davis C.L., Steel R.L. Performance characteristics of various artifical ice nuclei sources.// J.Appl.Meteorol., 1968, v.7, p.667-673.
83. Donnan J.A. et al. Nucleating efficiencies of AgJ-NH4J and AgJ-NaJ acetone solutions and pyrotechnic generators as a function of LWC and generator flame temperature, a preliminary report.//J.Weather Modific., 1970, v.2, p.154-164.
84. Edwards G.R., Evans L.F. Effect of surface charge on ice nucleation.// Trans.Faraday Soc., 1962, v.58, p. 1649-1655.
85. Edwards G.R., Evans L.F. Ice nucleation by silver iodide. 1. Freezing vs. Sublimation.// J.Meteorol., 1960, v. 17, N 6, p.627-634.
86. Edwards G.R., Evans L.F. Ice nucleation by silver iodide. 3. The nature of the nucleating site.// J.Atmos.Sci., 1968, v.25, N2, p.249-256.
87. Edwards G.R., Evans L.F. The mechanism of activation of ice nuclei.// J.Atmos.Sci., 1971, v.28, N 8, p.1443-1447.
88. Fletcher N.H. Active sites and ice crystal nucleation.// J.Atmos.Sci., 1969, v.26, N 6, p.1266-1271.
89. Fletcher N.H. High-temperature contact nucleation of supercooled water by organic chemicals.// J.Appl.Meteorol., 1972, v.l 1, N.6, p,988-993.
90. Fletcher N.H. On contact nucleation.//J.Atmos.Sci., 1970, v.27, N 7, p. 1098-1099.
91. Fletcher N.H. On ice crystal production by aerosol particles.// J.Meteorol., 1959, v. 16, N 2, p.173-180.
92. Fletcher N.H. Size effect in heterogeneous nucleation.// J.Chem.Phys., 1958, v.29, p.572-576.
93. Fletcher N.H. Surface structure of water and ice. 2. A revised model.// Phil. Mag., 1968, v.18, N 156, p.1287-1300.
94. Fletcher N.H. Surface structure of water and ice.// Phil. Mag., 1962, v.7, N 74, p.255-269.
95. Fukuta N. Experimental studies of organic ice nuclei.// J.Atmos.Sci., 1966, v.23, N 2, p.191-196.
96. Fukuta N. Mechanism of heterogeneous deposition ice nucleation near water-saturation.// Proc. XI Int.Conf. on Aerosols, Condens. And Ice nuclei., Budapest, 1984, v.2, p.5-9.
97. Fukuta N., Schaller R.C. Ice nucleation by aerosol particles: theory of condensation-freezing nucleation.//J.Atmos.Sci., 1982, v.39, N 3, p.648-655.
98. Fukuta N., Paik Y. Water adsorption and ice nucleation on silver iodide surfaces.// J.Appl. Phys., 1973, v.44, N 3, p.1092-1100.
99. Fukuta N., Schaller R.C. Determination of ice nucleation by fallig dry ice pelllets.// J. Appl. Meteorol., 1971, v. 10, N 6, p. 1174-1179.
100. Gagin A., Arroyo M. A thermal diffusion chamber for the measurement of ice nucleus concentration.// J.Rech.Atmos., 1969, v.4, N 1, p. 115-122.
101. Garvey D.M., Davis C.Y. Ice nucleation characteristics of AgJ aerosols in an isothermal cloud chamber.//Proc.VIII Intern.Conf.Nucleation. Lenindrad, 1973, p. 166-173.
102. Genadiev N., Dobisk V., Levkov L. On the decrease in freezing temperature of waterdrops contaminated with AgJ with repeated freezing.// C.R.Acad.Bulg.Sci., 1970, v.23, N 8, p.935-938.
103. Genadiev N., Michailov M., Nenov D. Ice nucleation activity of AgJ particles on the surface of water and into the volume.// Cryst. Res.Technol. 1986, v.21, N 10, p. 12531255.
104. Gerber II.E. Relationship of size and activity for AgJ smoke particles.// J.Atmos.Sci., 1976, v.33, N 4, p.667-677.
105. Gerber H.E. Size and nucleating ability of AgJ particles.// J.Atmos.Sci., 1972, v.29, N 2, p.391-392.
106. Gokhale N.R. The mechanism of ice-nucleation induced by AgJ particles in a supercooled cloud.//VII Int.Conf.Condens. and Ice Nuclei, Prague,1969, p.200-205.
107. Gorbunov B.Z., Kakutkina N.A. Ice crystal formation on aerosol particles with a nonuniform surface.//J.Aerosol Sci., 1982, v.13,N l,p.21-28.
108. Grant L.O., Corrin M.L. Raw and iodine-treated automobile exhaust as a source of ice nuclei.// J.Weather Modif., 1973, v.5, N 2, p.238-248.
109. Gravenhorst G., Corrin M.L. Ice nucleation and the adsorption of water on pure anf doped silver iodide.// J.Rech.Atmos., 1972, v.6, N 1-3, p.205-212.
110. Hale B.N. et.al. Monte-Carlo studies of water layers adsorbed on a model basal face of AgJ.// Proc. XI Int.Conf.on Atnios.Aerosols, Condens. and Ice Nuclei, Budapest, 1984, v.2, p. 190.
111. Hall P.G. Tompkins S.K. Adsorption of water vapor on insoluble metal halides.// Trans.Faraday Soc., 1962, v.58, p.1734-1745.
112. Hallet J., Shrivastava S.K. Nucleation of supercooled water by large single crystals of silver iodide.// J.Rech.Atmos., 1972, v.6, N 1-3, p.223-236.
113. HofferT.E. A laboratore study of droplet freesing.//J.Meteorol., 1961, v. 18, p.766-777.
114. Huffman K. Supersaturation spectra of AgJ and natural icc nuclei.// J.Appl.Mcteorol., 1973, v.12, N 6, p.1080-1082.
115. Katz U. Cloud-chamber investigation of ice nucleation activity.// Z.Angew.Math.Phys., 1962, v.13, N 2, p.333-358.
116. KimN.S., Shkodkin A.V. Stochastic ice nucleation on nonhomogcneous surface. // In "Atmospheric Aerosols and Nucleation", 1988, P.E.Wagner and G.Vali (Eds.), Springer, Berlin, p.705-708.
117. Kim N.S., Shevchuk E.A., Shilin A.G., Shkodkin A.V. Ice nuclei inhibition by organic molecules adsorption. // Int.Aerosol Symp., Atmospheric Aerosols, Moscow, March 21-25, 1994, v.l, p.1-3.
118. Kim N.S., Shilin A.G., Shkodkin A.V. Ice forming capability of various aerosols under haloid influence. // Proc. XIII Int.Conf. on Nucleation and Atmospheric Aerosols, Salt Lake City, USA, 1992.
119. Kim N.S., Shkodkin A.V. The common features of ice nuclei concentration -temperature dependencies. H Proc. XIII Int.Conf. on Nucleation and Atmospheric Aerosols, Salt Lake City, USA, 1992, p.279-281.
120. Langer G. Analysis of results from Second International Ice Nucleus Workshop with emphasis of expansion chambers, NCAR counters and membrane filters.// J.Appl.Meteorol., 1973, v.12, N 6, p.991-999.
121. Layton R.G., Caple G. Activation and deactivation of silver iodide aerosols in the atmosphere.// Proc.IV WMO Sci.Conf. on Weather Modif., Honolulu, 1985, v.l, p.229-233.
122. Lothe J., Paund C.M. Reconsiderations of nucleation theory.// J.Chem.Phys., 1062, v.36, N 8, p.2080-2085.
123. Manton M.J. Parametrization of ice nucleation on isoluble particles.// Tellus. 1983. v.35B, N 4, p.275-283.
124. Montmory R.L. Mecanisme de condensation-congelation a faible sursaturation par rapport a la glace.// J.Rech.Atmos., 1980, v. 14, N 1, p.71 -79
125. Morgan G.M., Alle P.A. The production of potential ice nuclei by gasoline engines.// J.Appl.Meteorol., 1968, v.7, N 2, p.241-246.
126. Mossop S., Yayaweera K. AgJ-NaJ aerosols as ice nuclei.// J.Appl.Meteorol., 1969, v.8, p.241-248.
127. Mossop S.C., Tuck-Lee C. The composition and size distribution of aerosols produced by burning solution of AgJ and NaJ in acetone.// J.Appl.Meteorol., 1968, v.7, p.234-239.
128. Parungo F.P., Ackerman E., Pueshel R.F. AgJ nuclei: Physical and chemical properties depending of their generating procedure.// Prepr.IV Conf.Weather Modific,, Fort Lauderdale, 1974, p. 165-172.
129. Parungo P.P. Electron-microscopic study of silver iodide as contact or sublimation nuclei.//J.Appl.Meteorol., 1973, v.12, N 3, p.517-521.
130. Passarely R.E., Chessin H., Йодист В. Ice nucleation in supercooled cloud by CuJ-3AgJ and AgJ aerosols.// J.Appl.Meteorol., 1974, v. 13, N8, p.946-948.
131. Patrikeev V.V., Malkina A.D., Kartsivadze A.I. Method of crystallization of water in supercooled clouds and fogs and reagent useful in said method.// Патент CUIA, кл.252-319,1975, N 3887580.
132. Pruppacher H.R., Klett J.D. Microphysics of clouds and precipitation.// Reidel Publishing Co., Dordrecht. 1978, 714 p.
133. Purungo F.P., Rhea J.O. Lead measurement in urban air as it relates to weather modification.// J.Appl.Meteorol., 1970, v.9, N 3, p.241-246.
134. Reed S. On the early stages of condensation of rare gas tyre molecules.// J.Chem.Phys., 1952, v.28, N 2, p.208-214.
135. Reischel M.T. Variation of the activity of ice nuclei upon exposure to ammonium ion and iodine.// Tellus, 1987, v.39B, N 4, p.363-373.
136. Rosinski J., Nagamoto C.T. Contact nucleation of ice by natural aerosol particles.// J.Aerosol Sci., 1976, v.7, N 1, p.1-4.
137. Rosinski J., Parungo F. Terpene-iodine compounds as ice nuclei.// J.Appl.Meteorol., 1966, v.5,N l,p.l 19-123.
138. Sax R., Goldsmith P. Nucleation of water drops by Browniarv contact with AgJ and other aerosols.//Quart.J.Roy.Meteorol.Soc., 1972, v.98, p.60-72.
139. Simpson J. et al. An airbone pyrotechnics cloud seeding system and its use.// J.Appl.Meteorol., 1970, v.9, p. 109-122.
140. Smith E.I.I, et al. Performance measurements of silver-iodide smoke generators oh aircrafts.//J.Appl.Meteorol., 1966, v.5, p.292-295.
141. Vali G. Atmospheric ice nucleation. A review.// J.Rech.Atmos., 1985, v.19, N 2-3, p.105-115.
142. Vonnegut В., Baldwin M. Repeated nucleation of super-cooled water sample that containes silver iodide particles.// J.Clim.Appl.Meteor., 1984, v.23, N 2, p.486-490.
143. Warburton J.A., Hefferman K.I. Time lag in ice crystal nucleation by silver iodide. // J.Appl.Meteorol., 1964, v.3, p.788-791.
144. Weicmann H.K., Katz U., Stell R.L. AgJ sublimation or contact nucleus.// Prepr.Second Nation.Conf.Werther Modif., Santa Barbara, California, 1970, p.332-336.
145. Zettlemoyer A.C. Hydrophobic surfaces. //J.Colloid and Interface Sci., 1968, v.20, N 3/4, p.343-369.
146. Zettlemoyer A.C., Tcheurekdjian N., Hosier S.L. Ice nucleation by hydrophobic substrates.// Z.Angew.Math.Phys., 1963, v. 14, N 5, p.496-502.
-
Шилин, Алексей Геннадьевич
-
кандидата физико-математических наук
-
Обнинск, 2006
-
ВАК 25.00.30
- Квазистатическая модель нуклеации при фазовых переходах воды в атмосфере
- Искусственная кристаллизация в переохлажденных облачных средах
- Химия природных льдов
- Исследование процессов образования гляциогенных аэрозолей из систем с пониженным содержанием серебра
- Исследование процессов образования гляциогенных аэрозолей из систем с пониженным содержанием серебра
