Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

дают реальные значения запыленности, однако они пред-

ставляют собой лишь относительные величины, так как

расчет основан на размере частиц 0,58 • 10~

см, а их

число обратно пропорционально квадрату размера. Ме-

тод Гётца пригоден и для измерения необычных выпа-

дений пыли. Например, он позволил установить, что

при вторжении пыли из Сахары в Арозу (Швейцария),

происшедшем 25 июня 1938 г., число пылинок в столбе

атмосферы с основанием 1 см

увеличилось за время

с 8 до 14 час. с 1,9-10

до 6,2- 10

частиц [56, 57].

Центральная часть диапазона размеров частиц, вы-

зывающих изменение окраски предметов, сильно сдви-

нута в сторону меньших размеров (0,1-10~

—0,4-10~

<ш)

[36], и поэтому оптические измерения дают значения

числа пылинок, на 1—2 порядка превосходящие те, ко-

торые получаются при использовании кониметров [53].

Для облегчения широкого использования поляриза-

ционных измерений в качестве косвенного метода ана-

лиза аэрозолей Дитце [58] разработал теорию стандар-

тов помутнения атмосферы. Ми [59] и Дебай [60, 61]

создали теорию, которая в особых случаях дает возмож-

ность путем измерения рассеяния и поляризации света

частицами определить их вид и размер. Известный инте-

рес представляют также результаты лабораторных из-

мерений, касавшихся искусственно полученной пыли

[62, 63]. Можно полагать, что в результате изучения по-

ляризации небесного света во время и после вторжения

мощных метеорных потоков удастся определить также

порядок величины метеорных частиц [64].

На основании систематического изучения интенсивно-

сти красного и инфракрасного излучения и ее измене-

ний во время сумерек Бигу [65] удалось выяснить, как

изменяется концентрация атмосферной пыли по верти-

кали и каково распределение ее слоев на больших вы-

сотах (тропопауза).

Радиолокационный метод измерения пыли в тропо-

сфере пока не дал удовлетворительных результатов,

так как намеченные длины волн оказались слишком

большими. До сих пор не удается также исследовать

с помощью радиолокации облака радиоактивной

пыли [66].

94 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

АНАЛИЗ ПЫЛИ

При изучении некоторых процессов (например, коа-

гуляции) необходимо сохранить форму пылинок. Для

этого Пфефферкорн [67] предложил улавливать частицы

пыли тонкой специальной иглой диаметром около

10~

см. Наблюдение производится под электронным

микроскопом.

Измерение отдельных компонентов пыли

Определение физических характеристик пыли

Одной из важных задач анализа пыли является оп-

ределение размеров частиц. Для получения спектра рас-

пределения частиц по размерам в большинстве случаев

используют соотношение между размером частиц и ско-

ростью их падения в газе или жидкости. На этой зави-

симости основан ряд методов, например метод фракци-

онного осаждения пыли, воздушной и центробежной

классификации [41], рассева осадка (см. стр. 102). Рас-

пределение пылинок по размерам можно также произ-

вести путем кониметрирования с использованием раз-

личных фильтров (этот способ не всегда надежен) или

путем подсчета их под микроскопом.

Способ получения раздельных данных о содержа-

щихся в грубодисперсном аэрозоле твердых и каплеоб-

разных частицах с помощью доппелькониметра [27] был

уже описан (стр. 89).

Подразделение пыли по различным источникам про-

исхождения возможно в том случае, если каждому ис-

точнику присуще характерное распределение частиц по

размерам. Благодаря этому удается, исходя из внешнего

вида пылинок или анализа причин, места и времени их

образования, распределить подсчитанный на основании

измерений гранулометрический состав на группы, ти-

пичные для каждого источника пылеобразования [37].

Генчель [68] пытался использовать для дифференциа-

ции аэрозолей данные, характеризующие протекание

процесса убыли ядер конденсации в пробе воздуха.

Ход этого процесса во времени он считал показателем

преобладающего размера ядер в аэрозоле.

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

Форма частиц пыли, принесенной из глубины кон-

тинента и подвергавшейся шлифующему действию

ветра, иногда дает возможность сделать предположение

относительно источника ее образования. Например, не

отшлифованные ветром песчинки, вероятно, образова-

лись в Алжире или Марокко, а не в Сахаре (Ливии, Ту-

нисе) [69]. Наличие искусственных радиоактивных ве-

ществ также может указывать на источник образования

Высота,

км

Фиг. 16. Анализ результатов измерения интен-

сивности -у-излучения при помощи радиозонда

(2. II. 1955) [70].

пыли. При этом активность измеряют либо непосред-

ственно на месте обнаружения пыли, либо взятую пробу

исследуют в лаборатории [70]. Если измерение произво-

дится на высоте, необходимо вносить поправку на кос-

мическое излучение. Лабораторные данные получаются

обычно заниженными вследствие неполного улавлива-

ния пылинок. Особенно неудовлетворительна степень

улавливания частиц размером менее Ю

-4

см.

При полете над Токио на высоте 1—3 км из 6,3 м

воздуха была отфильтрована пыль. Количество ее не

определялось, а активность составляла 2-Ю

-18

с на

1 см

воздуха [70].

Для измерения интенсивности излучения на месте

обнаружения радиоактивной пыли используют счетчики

6 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

Гейгера — Мюллера. При запуске радиозонда резуль-

таты подсчета передаются на Землю с помощью радио-

волн. Анализ этих результатов должен предусматривать

поправку на фотоны и заряженные частицы, содержа-

щиеся в космическом излучении. На фиг. 16 представлен

результат измерения интенсивности ионизирующего из-

лучения, произведенного с помощью радиозонда, запу-

щенного над Токио, с поправкой на космическое излу-

чение [70].

Дата измерения

Ф и г. 17. Графики изменения (3-активности

уловленных примесей воздуха, позволяющие

с помощью „закона \/t" установить принад-

лежность этих примесей к осколочным про-

дуктам, образующимся в результате одного и

того же взрыва атомной бомбы, а также дату

взрыва (длина штрихов показывает величину

средней ошибки измерений) [84].

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

Для наземных измерений можно брать пыль выпав-

шую [71, 72], уловленную на фильтрах или содержа-

щуюся в радиоактивных осадках [76—78]. По времени

спада активности даже самого малого количества со-

бранных радиоактивных веществ можно судить о мо-

менте взрыва атомной бомбы. Место и время взятия

пробы пыли, а также траектория перемещения воздуш-

ных масс в большинстве случаев приблизительно ука-

зывают место взрыва. Прежде всего определяют |3-ак-

тивность каждой пробы. Как известно [79], распад смеси

радиоактивных продуктов деления описывается форму-

лой

где А

— активность в момент взрыва, а значения х не

превышают 0,1—0,2 и в начале настолько малы, что для

указанных целей можно применить «закон \/t». Он дей-

ствителен даже спустя 4—5 месяцев после взрыва.

В начале измерения наблюдается значительная актив-

ность за счет естественных продуктов распада торона,

но через 3—4 дня они полностью распадаются [80]. Пу-

тем графической экстраполяции величины активности,

обратная величина которой пропорциональна времени

t, можно установить время взрыва с точностью до

±1 дня. Из фиг. 17 следует, что все осколочные радио-

активные продукты, принесенные с дождем в разные

дни, имеют один и тот же источник образования, если

известно, что за этот отрезок времени произошел только

один взрыв. В противоположность этому источником

возникновения выпавшей радиоактивной пыли следует

считать взрыв, происшедший ранее. Кривая зависимости

логарифма активности пробы от времени состоит из

линейных отрезков, угол наклона которых характери-

зует периоды полураспада отдельных радиоактивных

компонентов пробы. Если у кривых, построенных для

двух проб, углы наклона отдельных участков одина-

ковы и переход от одного участка к другому происхо-

дит одновременно, то можно предположить, что обе

пробы имеют своим источником один и тот же взрыв

(фиг. 18) [81].

7 В. Фетт

Дата измерения

Фиг. 18. Изменение ^-активности радиоактивных осколочных продуктов, вымытых дождем из атмосферы.

Л —осколочные продукты атомного взрыва, принесенные дождем 25/1 1956; Б — осколочные продукты атомного взрыва, прине-

сенные дождем 29/XII 1955. Разложение кривых на участки позволяет определить периоды полураспада присутствующих

в пробе радиоактивных изотопов. Одновременность излома обеих кривых указывает на один и тот же источник образования

осколочных продуктов (взрыв атомной бомбы произведен 29/XI 1955) [84].

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

Определение неорганических компонентов пыли

Часто отложения пыли определенного химического

состава представляют особый интерес. Например, для

гигиены воздуха процентное содержание в нем кварца,

металлов, смолистых и некоторых других веществ имеет

нередко решающее значение. Для подсчета частиц

кварца в пробе пыли предлагается следующий метод

[82]. Пробу пыли накрывают предметным стеклом, под

которое вводят каплю спирта. Благодаря капиллярности

воздух из пробы вытесняется. После подсчета частиц

спирт удаляют с помощью капли тетралина, который

делает частицы кварца почти невидимыми, так как его

показатель преломления близок к показателю прелом-

ления кварца. Вторичный подсчет частиц в пробе и срав-

нение его с первым позволяют определить содержание

кварца.

Лёбнер [30] провел опыты с чистой кварцевой пылью

и нашел, что для частиц мельче Ю

-3

см описанный ме-

тод дает недостаточно точные результаты. Частицы

кварца диаметром 1 • Ю

-4

—2-Ю

-4

см не исчезают из

поля зрения, и, несмотря на слабое свечение, их кон-

туры видны достаточно отчетливо. Это явление объяс-

няется тем, что тетралин и кварц неодинаково рас-

сеивают и преломляют даже монохроматический свет.

Таким образом, тетралиновый метод определения содер-

жания кварцевой пыли в воздухе не пригоден для гигие-

нических исследований, при проведении которых осо-

бенно важен точный подсчет самых мелких частиц.

Этот метод позволяет разграничить лишь крупные

частицы кварца и калиевого полевого шпата, имеющих

почти одинаковые показатели преломления. Частицы

кварца и частицы плагиоклаза любых размеров разли-

чить этим методом невозможно.

Коэн (см. [83]) предложил способ определения ме-

таллического железа в пыли и шламе. Частицы, обла-

дающие магнитными свойствами, извлекают из пробы

и обрабатывают раствором вольфрамовой кислоты, на-

пример раствором Клейна. После этого под микроско-

пом можно различить мельчайшие частицы чистого же-

леза, так как они окружены тонким ободком, Указанный

100

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

способ пригоден, если в пробе нет цинка, меди и

органических веществ. Геллер [84] рекомендует распоз-

навать железо и его соединения с помощью превраще-

ния их в синее железосинеродистое железо, свинец и

его окислы — путем преобразования их в желтый йодид

свинца, а смолу — по признаку окрашивания хлорофор-

мом в коричневый цвет.

Перечисленные способы качественного определения

неорганических компонентов пыли обычно дают удо-

влетворительные результаты лишь для частиц размером

не менее 5

•

10~

см. Методы рентгеноструктурного [85]

и спектрального анализа [86] пригодны для распозна-

вания и более мелких пылинок. Результаты, полученные

Тейхертом [87] при спектральном исследовании излуче-

ния вольтовой дуги, горящей между покрытыми пылью

угольными электродами, были приведены выше (см.

табл. 5). Способ определения некоторых радиоактивных

компонентов пыли также уже был рассмотрен (см.

фиг. 18).

Для обнаружения и подсчета частиц хлоридов в ат-

мосфере можно пользоваться реакцией Лизеганга. Бла-

годаря фотолизу вокруг каждой частицы хлоридов, осев-

шей на слой содержащей нитрат серебра желатины и

растворившейся в ней, образуется кольцо, диаметром

в 8—10 раз больше диаметра пылинки. Этим способом

можно под микроскопом обнаружить даже частицы раз-

мером 5

•

-5

см, которому соответствует масса 10~

1Г>

—

Ю-16

[88—91].

По мнению Гирша [92], о содержании сажи в атмо-

сфере можно судить на основании химического опреде-

ления углерода в отобранной пробе. Сажу собирают

в специальные микротрубки, имеющие фильтр из слоев

кварца и окиси меди. Здесь она сгорает в потоке кисло-

рода, превращаясь в двуокись углерода, которая абсор-

бируется и титруется. Средняя ошибка измерений

составляет ±2,80%. Кистер [93] подробно описывает ме-

тоды определения сажи, предложенные Ренком и Лиф-

маном, и использование их в условиях больших городов.

О способах обнаружения вулканической пыли в атмо-

сферных осадках сообщает Флегель [94].

Гл. 4. Измерение и анализ пыли 101

Определение органических компонентов пыли

Определение содержания микробов, осевших на ча-

стицах пыли, не представляет трудности [95]. По методу

Петри исследуемый объем воздуха быстро просасывают

через стеклянную трубку диаметром 2 см, в которой

между двумя металлическими сетками находится слой

простерилизованного крупного песка толщиной 3 см

(размер песчинок 0,4 мм). Установлено, что фильтр за-

держивает все содержащиеся в воздухе микроорга-

низмы. Песок помещают в чашку с желатиной или ага-

ром, в которой быстро выросшие колонии микробов мо-

гут быть подсчитаны и исследованы. Если вместо песка

использовать для фильтра толченое и просеянное стекло

или, еще лучше, искусственно изготовленные кусочки

кварца, микробы видны отчетливее и их легче подсчи-

тать.

В настоящее время метод Петри усовершенствован,

и при просасывании воздуха микробы сразу попадают

на питательную среду, где по истечении 24 час. обра-

зуются колонии, видимые макроскопически [42, 96—99].

Указанный метод позволяет обнаруживать мельчайшие

микроорганизмы независимо от их размера и этим отли-

чается от способов распознавания неорганических ком-

понентов пыли, применимых только при определенном

диапазоне размеров пылинок. Это специальное кони-

метрическое измерение позволяет охватить весь аэро-

планктон и, следовательно, все виды бактерий — от

мельчайших кокков до самых крупных бацилл —•

пыльцу растений и споры непатогенных и патогенных

грибов, а также мхов и папоротников. По данным

Грундмана [96], такой счетчик бактерий позволяет

точно установить степень зараженности воздуха и сле-

дить за ее изменением.

Широко распространенный метод обнаружения мик-

робов, в котором используется оседание их на чашки

с питательной средой, мы считаем неприемлемым. Бак-

терии диаметром около 10^

см, например стафилококки,

в совершенно неподвижном воздухе имеют скорость

падения 0,2 см/мин. Поэтому в течение часа могут

осесть на чашку лишь те микробы, которые содержатся

102

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

в расположенном над ней столбе воздуха высотой 12 см.

Поток же воздуха, движущийся со скоростью 30 см/мин,

удерживает в витающем состоянии частицы диаметром

до Ю

см. Седиментационный метод применим главным

образом для обнаружения микробов, которые осели на

крупных частицах пыли и падают вместе с ними или

случайно занесены на улавливающую поверхность то-

ком воздуха [42]. Результаты таких измерений можно

использовать лишь при разрешении некоторых специаль-

ных вопросов.

Некоторые микроорганизмы удается выявить путем

окрашивания препаратов пыли.

Определение пыли в почве и морских отложениях

Механический анализ почвы

Механический анализ производится с целью харак-

теристики различных почв по величине и распределе-

нию содержащихся в них зерен. Размер зерен, которые

следует считать пылью, еще окончательно не устано-

влен. По мнению Вальтера [101], пыль и шлам состоят

из частиц, большая часть которых мельче 5-Ю

-3

см.

Во всяком случае, они могут быть охвачены не просеи-

ванием, а только отмучиванием, которое производят

одним из двух следующих методов:

а) седиментация, состоящая в разграничении твер-

дых частиц в зависимости от скорости их оседания

в стоячей воде (по Кюну, Шлезингу, Леберу и др.;

см. [102]);

б) вымывание, заключающееся в разделении частиц

в зависимости от сопротивления подъему в направлен-

ной кверху струе воды (по Шену, Хилгарду, Вильямсу

и др.).

Методы механического анализа почвы подробно опи-

саны Кейльгаком в «Учебнике практической геологии»

[103]. В этом руководстве описан ряд приборов для от-

мучивания (сосуд Бенингса, цилиндр Кюна, воронка

Шена, прибор Аттенберга, аппарат Клаузена и Апплани;

см. также [104]).

См. также [100].