ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Оптические характеристики почвенного аэрозоля для минералов различного химического состава и микроструктуры из "Атмосферный аэрозоль" Расчеты индикатрис рассеяния для полидисперсных ансамблей частиц требуют больших затрат машинного времени. Этим объясняется тот факт, что данные по индикатрисам рассеяния различными фракциями атмосферных аэрозолей крайне ограничены. Имеющиеся данные [8, 9] относятся к водному аэрозолю, который в чистом виде реализуется довольно редко. В связи с этим в работах Н. И. Москаленко, В. Ф. Терзи [41—48] были выполнены детальные вычисления по формулам (2.1) —(2.4) и (2.9) коэффициентов ослабления, рассеяния, поглощения и индикатрис рассеяния для различных микроструктур атмосферного аэрозоля реального химического состава. Вычисления выполнены для разнообразных микроструктур и химического состава атмосферных аэрозолей с целью разработки замкнутых моделей оптических характеристик аэрозоля для различных климатических зон Земли. Были вычислены оптические характеристики частиц льда и водяных капель, частиц пылевого облака Сахары и континентальной минеральной пыли, частиц морских солей и водного солевого раствора, частиц водных растворов для сельской местности и промышленных районов, частиц сульфата аммония и растворов серной кислоты. Прежде чем перейти к обсуждению результатов этих расчетов, проанализируем информацию по оптическим константам компонентов, формирующих атмосферный аэрозоль. [c.73] Почвенный аэрозоль по своему химическому составу. имеет довольно сложный минералогический и микроэлементный состав. Поэтому оптические свойства тропосферного почвенного аэрозоля можно попытаться характеризовать либо усреднением величины действительной (я) и мнимой (х) частей комплексного показателя преломления т — п — /х, полученных в ходе экспериментов в различных точках земного шара, отмеченных почвенно-эрозионной активностью, либо идти по пути синтезирования его оптических свойств на основе изучения оптических констант основных составляющих этого типа аэрозоля. [c.73] Как правило, расчеты распространения электромагнитного излучения в атмосфере осуществляются в предположении однородных сферических частиц аэрозоля, имеющих одинаковый комплексный показатель преломления и единую микроструктуру. Однако реальный аэрозоль характеризуется наличием различных компонентов разного происхождения, обладающих специфическими оптическими свойствами и микроструктурой. Так, например, совершенно различны частицы из углерода и аэрозоль почвенного происхол дения. Имеющиеся данные свидетельствуют о существовании зависимости оптических характеристик от размеров частиц. В частности, частицы крупнее одного микрометра обладают малым значением мнимой части комплексного показателя преломления, а субмикронная фракция характеризуется быстрым возрастанием показателя поглощения с уменьшением размеров. [c.75] В состав частиц крупнодисперсной фракции, имеющей почвенное происхождение, входят силикатные глины, кальцит, кварц и небольшое количество минералов изверженных пород местного происхождения. Субмикронный аэрозоль состоит главным образом из сульфата аммония и углерода. При моделировании минералогического состава аэрозоля по данным о спектре поглощения пылевого аэрозоля в интервале длин волн 2,5—40 мкм авторы 214] пришли к выводу, что главными компонентами являются монтмориллонитовые, иллитовые и каолинитовые глины, кварц, кальций и нитрат натрия. Лабораторные измерения показателя поглощения подобной смеси дали значение меньше 0,0001, тогда как измерения для пыли пустынь привели к значению 0,01. Отсюда следует, что реальный аэрозоль содержит поглощающие компоненты, которые не проявились при лабораторных измерениях [140, 164, 237, 240, 293, 294]. [c.75] Линдберг и Д. Б. Гиллеспи [221] выполнили качественный анализ химического состава и измерения мнимой части комплексного показателя преломления отдельных компонентов проб атмосферного аэрозоля, полученных в феврале—марте 1976 г. на ракетном полигоне в пустыне Уайт-Сэндс (штат Нью Мексико, США). Пробы брались при помощи восьмиканального каскадного импактора Андерсона, основанного на использовании аэродинамического принципа разделения частиц различных фракций. Для выполнения анализов пробы накапливались за срок около трех месяцев. Химический состав проб определялся путем спектроскопического анализа вещества аэрозоля, впрессованного в таблетки из бромистого калия. [c.75] Спектральный ход коэффициента поглощения х, так же как спектральный ход коэффициента я, характеризуется ростом в близкой ультрафиолетовой области [159]. При исследовании поведения величины х в инфракрасной области спектра наблюдалось наличие минимума поглощения веществом частиц почвенно-эрозионного аэрозоля вблизи 1 мкм [221, 240]. Однако, начиная с длин волн около 1,5 мкм х значительно увеличивается, достигая максимума вблизи 10 мкм. Результаты измерений показывают [240], что для пссчаной почвы характерно наличие максимума показателя поглощения (порядка 0,8) при 9,2 мкм, обусловленного влиянием полосы поглощения 5102, и минимума при 1 мкм. Как видно из рис. 2.1, эти спектральные особенности и проявляются в зависимости х от к для аэрозольного вещества. [c.76] В зависимости от химического состава минералов изменяются действительная и мнимая части комплексного показателя преломления. В табл. 2.2 представлены величины пик показателя преломления для обсидиана слабого остекле-нения, обсидиана с прожилками кобальта, базальтового стекла, базальта и андезита. Микроэлементный состав этих минералов представлен в табл. 2.3. [c.78] Расчеты изменения величин я и х в функции от / для городского аэрозоля Майнца [166] показывают, что при изменении относительной влажности от 20 до 99 % величина п в зависимости от радиуса частицы изменяется от 1,545 до 1,341 —1,338, ах — соответственно от 0,047 до 0,001. [c.78] Примечание. 1—обсидиан слабого остекленения, 2-жилкамн кобальта, 3 — базальтовое стекло, 4 — базальт, 5 — андезит. [c.80] В этом разделе рассмотрим оптические константы солевых частиц и частиц водных растворов морского аэрозоля. Обратимся непосредственно к экспериментальным данным по солевой и субмикронной сульфатной фракциям морского аэрозоля. [c.83] В земной атмосфере аэрозоль растворов серной кислоты доминирует в стратосферном аэрозольном слое. Кроме того, аэрозоль раствора серной кислоты является одним из компонентов тропосферного аэрозоля и образуется при наличии источников двуокиси серы в процессе растворения ЗОо в каплях водного аэрозоля. Дымка из частиц раствора серной кислоты обладает сильным токсическим воздействием на флору и фауну [121]. Так как растворы серной кислоты формируют облачный покров Венеры, то сведения об ее оптических свойствах представляют интерес и для изучения венерианской атмосферы. [c.86] Оптические постоянные раствора серной кислоты зависят от концентрации растворов. В табл. 2.5 приведены спектральные данные по действительной и мнимой частям комплексного показателя преломления серной кислоты различной концентрации. В видимой области спектра с уменьшением концентрации раствора действительная часть уменьшается. Мнимая часть показателя преломления в ультрафиолетовой и видимой областях спектра пренебрежимо мала. Это означает, что данного типа аэрозольные образования не поглощают излучения и реализуются условия консервативного рассеяния. В инфракрасной части спектра мнимая часть показателя преломления возрастает и имеет полосовую спектральную структуру. Вблизи полос поглощения величина х также претерпевает значительные спектральные вариации. [c.86] Наличие сильного поглощения излучения раствором серной кислоты в инфракрасной области спектра ( 1 2,5 мкм) свидетельствует о значительном влиянии сернокислого аэрозоля на радиационный режим стратосферы. [c.86] Представляет интерес сопоставить оптические свойства растворов серной кислоты с оптическими свойствами воды (табл. 2.5). В видимой области спектра растворы серной кислоты имеют более высокие значения действительной части показателя преломления, чем вода. Причем величина п возрастает по мере увеличения концентрации раствора Н2504. В инфракрасной части спектра концентрированная серная кислота имеет более сильные полосы поглощения, смещенные относительно основных полос воды, имеющей максимумы в значениях к на длинах волн 2,95 и 6,1 мкм. [c.90] Почвенно-эрозионный аэрозоль является доминирующим типом тропосферных аэрозолей и обладает глобальной распространенностью. Его присутствие обнаружено не только над континентами, но и над морскими акваториями и океанами. Особенно велико влияние этого компонента аэрозоля на оптические свойства атмосферы и ее радиационный режим в условиях пылевых бурь, характерных для аридных и субаридных районов. Большая сухость и измельченность поверхностного слоя почвы, низкая влажность воздуха, сильные ветры благоприятствуют подъему пыли на значительные высоты тропосферы и ее выносу в различные регионы земного шара. При усилении ветра увеличивается количество поднятой в воздух пыли и изменяется микроструктура частиц, составляющих пылевое облако. [c.90] Размеры пылевых бурь различны — от сотен квадратных метров до сотен и тысяч квадратных километров. В зависимости от характера условий, при которых возникают пылевые бури, меняется динамика и структура пылевых бурь. Бури, возникающие при прохождении холодного фронта, в своем развитии проходят ряд стадий — от образования очага бури у земли до возникновения пылевого облака на высотах [6]. Пылевое облако формируется в результате подъема частиц почвы мощными вертикальными потоками на высоты до 3—5 км в районе фронта бури (место встречи холодных и теплых воздушных масс) и вовлекается в высотную атмосферную циркуляцию. Фронт бури смещается с перемещением барического образования. [c.90] Ко второму типу бурь относятся бури, возникающие в так называемой штормовой зоне, которая образуется при встрече двух барических образований противоположного знака при условии резкого усиления одного из них. Бури этого типа имеют стационарный характер и охватывают в основном приземный слой воздуха. Перенос пыли происходит вдоль ветрового течения на высотах до 1,5—2 км. [c.90] Реальный пылевой аэрозоль состоит из частиц неправильной формы. При моделировании оптических свойств пылевого аэрозоля будем предполагать, что его оптические характеристики можно представить эквивалентным ансамблем сферических частиц более сложной микроструктуры, но с сохранением его химического состава и оптических постоянных минерала. Такие допупдения вполне приемлемы при моделировании коэффициентов рассеяния, поглош ения и индикатрис рассеяния для полидисперсного атмосферного аэрозоля. Для эквивалентного описания рассмотренных выше оптических характеристик необходимо реальную микроструктуру ансамбля дополнить тонкодисперсной модой, которая значительно поглош ает излучения даже при невысоких значениях х (0,005—0,01). [c.91] Как и следовало ожидать, индикатриса рассеяния сильно вытянута вперед для коротких длин волн и по мере увеличения длины волны ее вытянутость уменьшается. [c.97] Вернуться к основной статье