Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

Предисловие к русскому изданию

10. Томсон Н. М., К вопросу о профилактике рака, Гигиена и сани-

тария, № 11 (1951).

11. Томсон Н. М., Гигиеническое значение смолистых веществ как

продуктов неполного сгорания, Вестник АМН СССР, № 1 (1956).

12. Гуринов Б. П., Зорэ В. А., Ильина А. А. и Шабад Л. М„ О со-

держании полициклических ароматических углеводороов в загряз-

нениях воздуха и дымовых выбросах, Гигиена и санитария,

№ 2 (1953).

13. Шабад Л. М. и Дикун П. П., Загрязнение атмосферного воздуха

канцерогенным веществом, Медгиз, 1959.

14. Шпольский Э. В., Ильина А. А. и Базилевич В. В., Спектраль-

ный флуоресцентный анализ некоторых полициклических арома-

тических углеводородов, Вестник АН СССР, № 5 (1948).

15. Томсон Н. М„ Загрязнение воздуха продуктами неполного

сгорания и личная гигиена, Здравоохранение Белоруссии, № 1

(1958).

16. Томсон Н. М., Проветривание жилого квартала, Биомедгиз, 1937.

17. Томсон Н. М., Аэрация городской застройки, Изд. АМН СССР,

1947.

18. Рязанов В. А., ред., Предельно допустимые концентрации атмо-

сферных загрязнений, Медгиз, 1952.

Проф. Н. М. Томсон

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА

Превращение какого-либо материала в пыль, т. е.

раздробление его на бесчисленное множество мельчай-

ших частиц, связано с характерным изменением его

свойств. По своему агрегатному состоянию пыль напо-

минает как твердые, так и газообразные вещества, и

в первом приближении допустимо назвать ее газом, ли-

шенным свойства непрерывности. Благодаря тому что

пыль состоит из огромного числа невидимых частиц и

способна легко распространяться, она оказывает замет-

ное влияние на повседневную жизнь и деятельность лю-

дей. Во всех отраслях естествознания и техники прихо-

дится принимать во внимание ее присутствие. Хотя

обычно описывается только вредное влияние пыли, ино-

гда ее свойства могут быть использованы человеком для

своих нужд.

Вопрос о пыли рассматривается во многих исследо-

ваниях, относящихся к различным отраслям знания:

одни из них специально посвящены пыли, а в других

этот вопрос рассматривается лишь попутно.

Настоящая книга представляет собой монографию по

атмосферной пыли, написанную на основании обширного

литературного материала. Первая ее часть посвящена

происхождению, свойствам и способам измерения пыли,

находящейся или находившейся ранее в атмосфере,

а также распределению ее в пространстве, причем мате-

риал выбран и сгруппирован так, чтобы создать наибо-

Из предисловия автора

лее полное представление о значении пыли во всех

аспектах.

В некоторых случаях автор ограничивается лишь ука-

занием на эффекты, к которым может привести запылен-

ность атмосферы, т. е. оценивает их чисто качественно;

это сделано для того, чтобы стимулировать исследова-

ния по определению соответствующих количественных

показателей. Особенно богатое поле деятельности от-

крывается в этом отношении перед метеорологами. При-

веденные данные могут также оказаться весьма полез-

ными для специалистов, работающих в областях,

смежных с метеорологией; другим специалистам они по-

кажут огромное значение загрязненности атмосферы

или по крайней мере заставят понять важность этой

проблемы.

Ввиду ограниченного объема данной монографии, от-

нюдь не являющейся справочником, некоторые вопросы,

имеющие частное значение, рассмотрены далеко не ис-

черпывающе; в приведенной библиографии также, не-

сомненно, имеются пробелы. Иногда автор ограничи-

вался лишь упоминанием о каком-либо явлении или

описанием какого-либо одного наблюдения, а вместо из-

ложения некоторых специальных вопросов, по которым

существует большая литература или специальная моно-

графия, — просто библиографической ссылкой. Литера-

турные источники, особенно старые, автор старался ис-

пользовать лишь в той мере, в какой это оправдывалось

более или менее изолированным рассмотрением вопроса

об атмосферной пыли. В 1945 г. после окончания войны

началось быстрое развитие науки об аэрозолях, которое

показало, что следует отказаться от изолированного ис-

следования атмосферной пыли и необходимо рассматри-

вать всю проблему в целом. Эта эволюция понятий огра-

ничила выбор материала и придала данной работе

15 Из предисловия автора

характер исторической монографии, которая в будущем,

возможно, и будет продолжена.

Таким образом, в нашей монографии мы вынуждены

прибегнуть как бы к двойственной трактовке вопроса,

сохраняя, с одной стороны, устарелые, недостаточно ши-

рокие понятия, основанные на одностороннем рассмот-

рении изучаемых явлений, и вводя, с другой стороны,

новые представления, продиктованные быстрым разви-

тием рассматриваемой области науки. Впрочем, именно

это быстрое развитие, наблюдаемое во многих странах

в последнем десятилетии, дает основание надеяться, что

многие вопросы, которые были еще недостаточно ясны

в период составления данной монографии, в настоящее

время уже решены.

Для предотвращения путаницы в терминологии по

возможности сохранены термины, применяемые отдель-

ными авторами. При изложении вопросов, изучение ко-

торых быстро развивается, автор избегал окончательных

формулировок.

Берлин, весна 1957 г.

ВАЛЬТЕР ФЕТТ

Часть I

ПРИРОДА И СВОЙСТВА АТМОСФЕРНОЙ ПЫЛИ

Глава 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ПЫЛЬ»

Универсального определения понятия «пыль» не су-

ществует. Та или иная классификация частиц пыли по

видам и величине отражает специфику лишь отдельных

отраслей знания. Например, в почвоведении, изучающем

частицы почвы самой различной величины, принято рас-

пределять их по размерам. Метеорологи стремятся вы-

явить отличия атмосферной пыли от других компонентов

воздуха по виду, свойствам и действию и классифици-

руют ее частицы на основании этих характерных при-

знаков.

В данной главе излагаются различные определения

пыли и рассматриваются попытки ее классификации.

_Пылыо обычно называют свободные твердые ча-

стицы, которые благодаря своим малым размерам ви-

тают в неподвижном газе или равномерно и медленно

оседают [1].

Атмосферную пыль считают примесью воздуха. Но,

как отмечает Кауэр [2], это определение было бы пра-

вильным, если бы воздух содержал лишь немного ком-

понентов постоянного химического состава, содержание

которых в атмосфере не менялось. В действительности

же воздух состоит из многих химических элементов и их

соединений. «Изменения температуры, давления и коли-

чества поглощаемой лучистой энергии вызывают нару-

шение энергетического равновесия на земной поверхно-

сти. Вследствие этого в атмосферу поступают новые

химические соединения и коллоидные комплексы и на-

ряду с этим разрушаются содержащиеся в ней соедине-

ния. Сложность и непостоянство состава воздуха заста-

2 В. Фетт

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

вляют различать его главные и второстепенные компо-

ненты и не именовать пыль примесью» (Кауэр). Одной

из задач химической метеорологии, по мнению Кауэра,

является разработка определений второстепенных со-

ставных частей воздуха, к которым относится не только

пыль, но и частицы аэрозолей, капельки тумана, различ-

ные ионы, сублимированные частицы, аллергены и т. д.

Создавая классификацию для всех этих частиц, следует

избегать заимствования терминов из смежных отраслей

знания, если оно связано с изменением содержания этих

терминов. К главным компонентам воздуха Кауэр от-

носит только азот, кислород, углекислый газ и водяной

пар. «Все остальные, — пишет он, •— следует считать вто-

ростепенными и разделять их на две группы: к одной

следует относить компоненты, образующиеся в самой

атмосфере в результате различных химических и физико-

химических реакций (озон, нитрит, аммиак и т. д.),

к другой — компоненты, поступающие из мирового про-

странства или с поверхности земного шара. Компоненты,

возникающие на земной поверхности, делятся на есте-

ственные (природные) и искусственные (собственно

«примеси»). По отношению к пыли удобнее применять

термин «суспензии», так как он подчеркивает временный

характер пребывания ее в воздухе».

Вебер (см. [3]) называет пыль, а также ионы и гидро-

метеоры «инородными телами» в атмосфере, «воздушным

планктоном». Это обозначение не согласуется с приня-

той в настоящее время терминологией, подразумеваю-

щей под аэропланктоном только образовавшуюся из

организмов часть аэрозолей.

Бютнер [4] считает пылью все сухие твердые частицы,

содержащиеся в атмосфере. Одни из них гигроскопичны

и находятся в сухом состоянии потому, что не было

влаги, которую они могли бы поглотить (поднятая вих-

рем пыль разного рода), а другие, например песок, не-

гигроскопичны по своей природе (пыль пустынь).

Способность витающих в воздухе сухих частиц рас-

сеивать проходящие лучи света независимо от длины

волны используется в метеорологической оптике для от-

граничения частиц пыли от частиц, приближающихся по

своим размерам к молекулам. Пылью считают такие ча-

Гл. 1. Определение понятия «пыль» 19

стицы, которые по интенсивности рассеяния света за-

метно отклоняются от закона Рэлея (К\~—А

-4

) (фиг. 1).

Интенсивность рассеяния света более мелкой пылью из-

меняется обратно пропорционально второй степени

длины волны (пыль вулканов, поднятая на большую вы-

соту), а более крупная пыль рассеивает почти одинаково

свет различной длины волны, т. е. (угольная

пыль, см. также [6]). Поэтому в метеорологии под пылью

Первичный

•луч

S -Г- N

Частица размером Ю~

см

Первичный _

Jii/ч /"Т"—" \

—J. ^ (-• и

Частица размером 10~

см

Фиг. 1. Распределение интенсивности

рассеянного света по азимутам вокруг

рассеивающей частицы [5].

понимают прежде всего частицы, которые могут витать

в воздухе, но по размерам (^10~

см) достаточно ве-

лики для того, чтобы вызвать существенное отклонение

от закона Рэлея.

По терминологии Общества германских инженеров

(1932 г.), пылью являются твердые частицы аэрозолей,

оседающие по законам Стокса, Кеннингема, Оссена

(см. [7]). Это определение точно характеризует общее ти-

пичное свойство пыли, но недостаточно отражает ее

природу.

Недавно Юнге [8, 9] попытался дать определение по-

нятия «пыль», удовлетворяющее современному уровню

развития науки. По его мнению, неправильно называть

пылью грубодисперсную фракцию аэрозолей. Нельзя

проводить резкое разграничение между аэрозолями и

пылью, так как они родственны по природе и разделение

их объясняется использованием различных методов

20 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

измерения частиц. Сухость, присущая пыли, не принад-

лежит к числу ее специфических свойств, как это счита-

лось раньше. Можно предполагать, что континентальные

аэрозоли состоят из частиц смешанного происхождения

и, по существу, одинаковы по составу во всем диапазоне

величин. Исходя из способа образования, даже частицы-

гиганты представляют собой не сухую пыль, а более или

менее растворимые частицы смешанного происхождения.

Поэтому Юнге просто включает пыль в разработанную

им классификацию компонентов аэрозолей (табл. 1).

Таблица I

Классификация компонент аэрозолей по Юнге [8]

Радиус частиц, г, см

Наименование

Примечание

г <0,2-КГ

Ядра Айткена

К ним относятся также

крупные ионы (по Израэлю)

и частицы, определяемые

счетчиком ядер конденсации

0,2

•

10~

< г <

Крупные частицы Ошибочно именуются

<1-10

пылью; включают частицы,

определяемые кониметром

/->Ы0~

Частицы-гиганты

Состав зависит от место-

нахождения; над морями —

частицы соли, над степями—

частицы пыли, над сушей—

частицы смешанного проис-

хождения

По своему происхождению частицы аэрозолей под-

разделяются на: а) первичные, образующиеся благодаря

конденсации и сублимации; б) коагуляционные (преоб-

ладающая группа), возникающие в результате коагуля-

ции и имеющие радиус более 1 • Ю

-5

— 2 • Ю

-5

см; в) дис-

персионные, появляющиеся при размельчении и распыле-

нии твердых и жидких веществ; их радиус обычно го-

раздо больше Ю

-5

см.

Гл. 1. Определение понятия «пыль»

Несмотря на возражения некоторых исследователей,

наименование твердой части аэрозолей пылью прочно

укоренилось в литературе. Оно согласуется с общим

представлением людей об атмосферной пыли, как о свое-

образной витающей в воздухе материи находящейся

в твердом, преимущественно сухом и чрезвычайно раз-

мельченном состоянии. Понятие «пыль» распростра-

няется также на быстро оседающие частицы некоторых

веществ, для которых воздух является необычной сре-

дой

. При размерах, соответствующих нижней границе,

частицы пыли еще сохраняют свойство равномерно и

медленно оседать только под действием силы тяжести,

а наиболее крупные частицы еще могут быть подняты

ветром. Крупный песок уже не считается пылью, так как

ветер лишь перемещает его по земле. Таким образом,

степень дисперсности пыли характеризуется тем, что

силы, удерживающие ее в атмосфере, по порядку вели-

чины близки к силе тяжести.

Точное отграничение пыли от более крупных частиц,

по-видимому, невозможно, и поэтому приходится уста-

навливать переходную область вокруг определенного

максимума. Для получения данных, не только согласую-

щихся с общим представлением о пыли, но и характери-

зующих ее свойства, следует исходить из спектра массы

частиц, а не спектра числа их. Исследование должно

охватить все частицы, находящиеся под действием аэро-

динамических и гравитационных сил. Они могут витать

в воздухе, оседать на землю и уноситься ветром в атмо-

сферу. При исследовании надо учитывать факторы вре-

мени и пространства. Максимум кривой, показывающей,

какая доля общей массы пыли приходится на частицы

каждого размера, и будет искомым.

Юнге [9] приводит схематическое изображение

(фиг. 2) кривой частоты распределения частиц по раз-

мерам и соответствующей кривой распределения массы

находящихся в атмосфере частиц аэрозоля (средние

Водяные капельки и снег не считаются пылью, так как очень

недолго остаются в атмосфере.

Сахарный песок на складе не называется пылью, но к ней

причисляют поднявшиеся в воздухе мелкие и затем осевшие час-

тицы сахара.

22 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

данные). Оказывается, что большая доля массы прихо-

дится на частицы диаметром около 0,3 • Ю

-4

см. Если

принять во внимание массу очень быстро оседающих ча-

стиц, то этот максимум придется сдвинуть вправо на

1—2 порядка величины.

Диапазон дисперсности атмосферной пыли включает

и такие частицы, которые в почвоведении относят к мел-

козернистым. Почвоведы определяют верхний предел

Малые

ионы

Средние

ионы

меньшей крупность

Ядра Дйтпена £

ьреониеирионы\ Сверхкрш?

ны

большей Ланже-

„,.,„ 'лГ.,

Крупные частицы

щоностщвена \

2 5

2 5 Ю'

Радиус частиц, см

Фиг. 2. Распределение находящихся в воздухе частиц аэрозоля

по размеру и по массе [9].

/—кривая частоты распределения частиц по размерам (средние данные); //

—

кри-

вая распределения массы частиц. На схеме указаны также диапазоны размеров

частиц, определяемых счетчиком ядер конденсации (ядра Айткена) и конпметром

(крупные частицы), а также приведены наименования ионов различных размеров

по Израэлю.

размеров пылинок по соглашению, вследствие чего он

имеет до некоторой степени произвольный характер. Та-

кой вывод подтверждается расхождениями различных

определений понятия «пыль» в почвоведении. Например,

в 1905 г. Раман [10] предложил считать пылью частицы,

способные отмучиваться, за исключением ила (табл. 2).

В анализах Прусского геологического управления

способная отмучиваться (фракция почвы подразделяется

на «пыль» (размер частиц 10—50 • 10"

см) и «мельчай-

шие частицы» диаметром менее 10- Ю

-4

см. Недавно до-

стигнуто международное соглашение об использовании

в почвоведении шкалы Аттерберга (см. [11]). В ней нет

названия «пыль», и частицам размером 0,2 см дано

наименование «мелкозернистые». Классификация их при-

ведена в табл. 3.