Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

Гл. 5. Распределение пыли в атмосфере

123

также [11]). Работа Леттау давала возможность вклю-

чить кониметры в систему аэрологических приборов, но

усовершенствование способов измерения концентрации

пыли, в частности использование подъема радиозондов

вместо взлета самолетов, изменило возможности и пер-

спективы в этой области.

S/S

Фиг. 21. Определение коэффициента обмена воздуха А (указан

на кривых) на основании распределения отношения — по высоте

слоя атмосферы (s — измеренная концентрация пыли, s

— концен-

трация у земной поверхности, равная 16,5 пылинки на 1 см?) [10].

Изображено теоретическое распределение значений— по высоте:— = е <

где р = 0,0012 г/см

при скорости падения пылинок с = 0,5 см/сек и различном об-

мене (Л = 10—20 г-см~

- сек

-1

). Средняя величина действительного обмена:

Л = 17 ± 1 г •

•

сек~Точки указывают места измерения содержания пыли

17/1 1937 г., 13-15 час.

Кониметрические измерения, производимые при взле-

тах самолетов, показывают, что с увеличением высоты

концентрация пыли, как и концентрация ядер конден-

сации или частиц дыма, в среднем экспоненциально

124

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

уменьшается. Следовательно, на протяжении 2—3 км от

приземного слоя не наблюдается более или менее значи-

тельного оседания пылинок, соответствующего скорости

падения их под действием силы тяжести. Распреде-

ление пыли зависит от времени года [12, 13]. Например,

концентрация пыли, равная — ее значения у земной

поверхности, обнаружена зимой на высоте 300 м (сред-

нее из 8 измерений при взлетах самолета), а летом на

s/s

Фиг. 22. Теоретическое распределение значений — по высоте

«о

=£?h

/ S А \ '

= е

)

где р = Ю

-3

г/см

\ для сферических пылинок диамет-

ром 10~

см и удельным весом 2 г/см

, охватывающее более ши-

рокий диапазон величин h и А, чем изображенное на фиг. 21.

При значениях с, отличных от 0,5, распределение остается з силе, если вели-

чины А умножить на коэффициент г/0,5.

высоте 1300 м (среднее из 12 измерений). В табл. 14

приведены данные о среднем, минимальном и макси-

мальном содержании пылинок в 1 см

на различной вы-

соте.

В зимнее время кривые распределения пыли по вы-

соте обычно не имеют перегибов и указывают на боль-

шую запыленность вблизи земной поверхности, резко

Гл. 5. Распределение пыли в атмосфере

125

уменьшающуюся с высотой. По кривым для летнего

времени, когда конвекция очень интенсивна, труднее

определить функциональную зависимость концентрации

Таблица 14

Распределение пыли по вертикали [12]

Зима 1942/43 г.

Лето 1943 г.

высота,

среднее

число

пылинок

в 1 см

предельные

значения

высота,

среднее

число

пылинок

в 1 см

предельные

значения

21—183

19,5

1,0—82

100

33—145

100

11,8

1,0—39

200

34—122

200

11,3

1,5—27

300

18,5

9—26 300

10,5

1,5—31

400

16,5

2,9—32

— — —

500

7,2

4,0—7,5

500

11,0

1,0—51

600

12,0

6,0—19

600

9,5

0—71

700

12,4

10,3—14,5

— — —

800

9,3

""" [-3,7—17 f

800

11,8

0—45

900

4,8

2,5—7,5

— — —

1000

6,3

2,0—10,8

1000

7,1

0—31

1200

3,1

0—12 1200

5,8

0—23

1500 1,0 0—3,3

1500 3,6

0—12

— — —

1800

3,7

0—13,5

2000 0,5 0—2

2000 4,0

0,5—9,5

—

— —•

2200 3,2 0—13

пыли от высоты; по сравнению с зимним временем за-

пыленность вблизи земной поверхности невелика и мед-

леннее уменьшается с высотой.

Выше 2000 м удавалось обнаружить заметное коли-

чество пыли только во время сильной жары. Характер

изменения концентрации пыли в общем сохраняется и

выше границы области дымки или инверсии темпера-

туры, если не учитывать случаев отступления от закона

экспоненциального уменьшения. Замечено, что содержа-

ние пыли обычно наиболее резко уменьшается вблизи

границы области дымки. Кроме того, при пересечении

126 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

области инверсий температуры нередко наблюдается не-

нормально малое число пылинок и, наоборот, слиш-

ком большое число ядер конденсации. Согласно данным

Юнге (см. стр. 88), еще не ясно, в какой мере указан-

ное явление, обусловлено уменьшением влажности воз-

духа, часто вызываемым инверсиями температуры.

Данные Брезины [5] о запыленности вблизи земной

поверхности в зависимости от скорости ветра и высоты

приведены в табл. 15.

Таблица 15

Запыленность воздуха вблизи земной поверхности

Содержание частиц радиусом 10

*см в 1 см

воздуха

при различной скорости ветра*

Высота, м

водяной пар углерод кремнезем

окись железа

Высота, м

<и

си

«о

су

со

а?

СО

<м

1Л

см

СО

СМ со

<м ю

см

СО

<м

см

0,1

89 18 55

78,5

8,5

74 2

1 11

45 76 2,5

56 1

—

2,5

4 31

67 0,5

12 42

—

0,5

24 63

—

2,5 27

— —

—

1 18

— —

—

— —

100

—

10 47

—

1 19

•—

—

* В процентах от содержания частиц в 1 см

воздуха на высоте 1 см над уров-

нем земной поверхности,

Если почва стойкая, то распределение пыли по вы-

соте, указанное в табл. 15, происходит уже при мень-

шей скорости ветра, а характер изменения запылен-

ности в общем сохраняется. О распределении частиц

других размеров можно судить на основании скорости

их падения, приведенной в табл. 12. Все показатели от-

носятся к сферическим частицам и поэтому являются

минимальными. Характерно быстрое уменьшение кон-

центрации пыли на очень небольшом расстоянии от по-

верхности земли. На высоте 5 м даже содержание па-

!Гл.

5. Распределение пыли в атмосфере 125

125

ров воды составляет всего лишь 4% от содержания их

у самой земной поверхности (на высоте 1 см). Однако

при увеличении скорости ветра вертикальное распреде-

ление пыли становится сравнительно равномерным.

Пользуясь показаниями аэрозонда, полученными

14/11 1937 г., Леттау [10] построил график (фиг. 23),

на котором общее количество измеряемых кониметром

Фиг. 23. Сопоставление общего числа

частиц пыли в столбе воздуха, находящемся

над наблюдателем, с цветом неба [10].

Л —общее содержание пыли в столбе воздуха основа-

нием!^

над уровнем наблюдения; В —синева неба.

частиц пыли, содержащееся в столбе воздуха над на-

блюдателем, сопоставлялось с цветом неба. Из резуль-

татов этого единичного измерения не следует, что умень-

шение концентрации пыли по вертикали строго подчи-

няется экспоненциальному закону. К аналогичному

выводу пришли также Гётц и Перль [14], применявшие

другой метод.

Измерения фактора мутности Линке на большой

высоте, проведенные Круг-Пильстикером [15], показы-

вают, что над нижним слоем тропосферы содержится

еще значительное количество вызывающей помутнение

пыли. Вероятно, до тропопаузы фактор мутности пре-

восходит единицу главным образом вследствие наличия

1500

Ю-Ю

20-Ю

12 10 8 6

Чцсло

частиц на 1см

Степень синевы

Фактор м!/тиосш(по Линке)

Фиг. 24. Вертикальное изменение фактора

мутности Линке, измеренное Круг-Пильстике-

ром [15] при полетах над Южной Германией

летом 1944 г.

При определении средних показателей учтены интерпо-

лированные и экстраполированные значения.

!Гл.

5. Распределение пыли в атмосфере 129

пыли (фиг. 24), (см. также [16]). Некоторое влияние

оказывает также и дымка. Присутствие слоя пыли на

уровне тропопаузы подтверждается измерением измене-

ния интенсивности красных и инфракрасных лучей во

время сумерек. Второй слой пыли, образование кото-

рого связано с метеорами и инверсиями температуры,

находится на высоте 80 км (см. стр. 32).

Прис и Крокс (см. [19]) пытались объяснить продол-

жительное пребывание пыли вулканических извержений

^ 420

щ 360

•gS зоо

| %240

180

1120

«а

§ 60

13 15,5 13 15,5 13 15,5 13 15,5

Температура,°С

Ф и г. 25. Различные стадии оседания дыма из высоких

фабричных труб, вызывающего значительное загрязнение

воздуха у поверхности земли [20].

в витающем состоянии ее сильным электрическим заря-

дом. Она отталкивается от отрицательно заряженной по-

верхности земли и очень медленно теряет свой заряд

в крайне разреженных слоях атмосферы, благодаря

чему выпадение ее может длиться годами.

О характере оседания слоя пыли, содержащейся в от-

носительно неподвижной атмосфере (например, дыма из

высоких фабричных труб), можно судить по приведен-

ной на фиг. 25 схеме Хьюсона [20], отражающей утрен-

нее вертикальное распределение пыли при ясной погоде.

При попадании нисходящего турбулентного потока эта

пыль быстро оседает, вызывая внезапное и одновре-

менное увеличение запыленности приземного слоя ат-

мосферы на больших площадях. В случае восходящего

турбулентного потока она рассеивается вверх, вслед-

ствие чего запыленность воздуха вблизи земной поверх-

ности экспоненциально уменьшается. Схема на фиг. 25

9 В. Фетт

i 130 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

поясняет, почему станции измерения, расположенные на

разных расстояниях от источника пыли, одновременно

обнаруживают увеличение загрязненности воздуха,

а также показывает значение рассеивания пыли вверх.

Иногда дымовые полосы состоят из двух слоев. Это

явление вызывается либо тепловыми и аэродинамичес-

кими процессами, либо коллоидно-химическими и атмо-

сферно-электрическими [21]. Изучая образование слоев

в атмосфере, надо иметь в виду, что в столбе любого

раствора, концентрация которого уменьшается по напра-

влению снизу вверх, при нагревании появляется ряд

резких горизонтальных полос. Если после образования

слоев обсыпать порошком поверхность столба раствора

[22], то в течение некоторого времени порошок остается

на верхней границе. Затем часть его опускается на вто-

рую границу между слоями, несколько позже — на

третью и т. д. В атмосфере также наблюдается умень-

шение концентрации пыли по вертикали, и поэтому на-

гревание может вызвать образование первоначально не-

видимых слоев. Оседающая и скопляющаяся на их гра-

ницах пыль может служить причиной появления слоев

облачности. Это предположение подтверждается наблю-

дениями Зюринга (см. также [23]), показавшими, что

в местностях с частой облачностью концентрация пыли

в атмосфере повышена.

Тогда как содержание радиоактивной пыли в при-

земном слое атмосферы измеряли неоднократно ([24—

27], ем. также стр. 301), вертикальное ее распределение

изучено еще недостаточно и результаты проведен-

ных измерений имеют лишь частное значение, поскольку

они полностью зависят от типа источника пыли. Пер-

вые измерения после испытательных взрывов атомных

бомб были произведены в Японии в 1954—1955 гг. при

помощи приборов для улавливания пыли или счетчиков

Гейгера — Мюллера, установленных на самолетах или

радиозондах [28]. Распределение радиоактивной пыли

имеет ряд характерных признаков (фиг. 26). В нижнем

слое тропосферы радиоактивность воздуха уменьшается

с высотой, так как преобладающее влияние оказывает,

по-видимому, уменьшение естественной радиоактивно-

сти. Затем до тропопаузы она увеличивается за счет

Г л. 5. Распределение пыли в атмосфере

131

радиоактивной пыли, образовавшейся при взрывах.

Флуктуации радиоактивности соответствуют флуктуа-

циям температуры, что объясняется вызванным конвек-

Ф и г. 26. Вертикальное распределение

радиоактивных веществ в атмосфере над

Японией [28].

Все измерения, кроме 13/1 1955 г., когда был исполь-

зован самолет, производились с помощью радиозонда.

цией скоплением пыли под слоем инверсий. Удельная

активность .воздуха составляет 1СН

с! см

(см. также

[29]). Радиоактивная пыль, появившаяся при взрыве

атомной бомбы, уносится на высоту 30 км.

10*

i 132

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

Органическая часть естественного аэрозоля — аэро-

планктон -— почти полностью распределяется в нижнем

слое тропосферы [30].

Зависимость распределения пыли от погоды

и времени наблюдения

Суточные и годовые изменения содержания пыли

в атмосфере

В солнечные дни содержание пыли в приземном

слое атмосферы изменяется в течение суток следующим

11 14 17 20 23 2

Время дня,часы

Фиг. 27. Среднее суточное изменение содержа-

ния пыли и ядер конденсации, а также частного

от деления этих величин (по измерениям, произ-

водившимся с марта по сентябрь 1939 г.) [31].

—

число пылинок в 1 см'//

—

число ядер конденсации

в 1 см

; ///—отношение числа ядер к числу частиц.

образом: с восходом солнца содержание пыли начи-

нает уменьшаться, после полудня почти не изменяет

своей величины и вечером вновь увеличивается. Перед

восходом солнца, когда температура воздуха достигает

минимума, запыленность его максимальна, в несколько