Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

При объяснении сильных электрических явлений, ко-

торые наблюдали Гумбольдт в льяносах и песчаных пу-

стынях Южной Америки во время пыльных смерчей и

Сименс на пирамиде Хеопса, следует принимать во вни-

мание электризацию кварцевых частиц при их нагрева-

нии за счет поглощения лучистой энергии [194]. Во

время пыльных бурь максимальное отклонение гра-

диента потенциала электрического поля атмосферы со-

ставляло от +3500 в/ж до —2600 в/м, и, следовательно,

атмосферный пространственный заряд был в 8 раз

больше, чем при тихой погоде [195]. Чоун [196] сооб-

щает, что в этих случаях вследствие большого атмо-

сферного заряда даже отказывало зажигание в автомо-

бильных двигателях. Поэтому не удивительно, что во

время таких бурь пыль вызывает настоящую грозу [197,

198], наблюдаемую большей частью при вулканических

извержениях.

Штегер [189] установил, что причиной таких вулкани-

ческих гроз является сильный заряд пепла при выбросе

из кратера, а не электризация капель, имеющая место,

например, в грозовых облаках. Как и при завихрении

пыли, электризация вызывается распылением и трением

сухого пепла при его выбросе, а также абсорбцией

ионов, образующихся при процессах горения и сильного

нагрева. Доказано, что оседающие на землю частицы

пепла заряжены. При мгновенном электрическом раз-

ряде электрическое поле атмосферы, в котором нахо-

дятся заряженные частицы, исчезает, что приводит

к оседанию частиц. Облако над Везувием, имевшее

форму пинии, возникло вследствие мгновенного разряда

частиц пепла, выброшенных из кратера, и их падения

на землю [102].

Разряд способствует коагуляции частиц и создает

условия, аналогичные тем, которые имеют место при

коагуляции гидрозолей в изоэлектрической точке [189,

199—201]. Установлено, что извержение пепла всегда

сопровождается грозой. Это доказывает, что пыль дей-

ствительно является основной причиной вулканических

гроз. Чем больше извержено пепла, тем сильнее гроза

[202]. В некоторых случаях в зависимости от свойств

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

225

атмосферы, также влияющих на грозовые явления, воз-

можен разряд без грозы.

Аномалии в распределении падения электрического

потенциала, вертикального тока проводимости и про-

странственного заряда вызываются главным образом

пылью. При слабом ветре (слабое перемешивание

частиц по высоте) с увеличением концентрации частиц

увеличивается падение потенциала. При более сильном

ветре поднятая пыль, наоборот, уменьшает падение по-

тенциала, а вертикальный ток проводимости становится

отрицательным. Распределение пыли по высоте до

3000 м и вертикальное падение электрического потен-

циала находятся в тесной связи [203]. Атмосферная пыль

тормозит движение ионов и уменьшает электропровод-

ность воздуха в безоблачные дни. Чем чище воздух, тем

выше его электропроводность [190].

В синоптике пыль используют в качестве индикатора,

так как скорость ее оседания определяется характером

заряда. Например, перед наступлением ненастья сахар-

ная пыль оседает быстрее, чем при устойчивой хорошей

погоде. В плохую погоду пыль быстро теряет заряд, и

поэтому в запыленном пространстве видимость голубой

дали ухудшается [204]. Образование аэрозолей в закры-

тых помещениях также зависит от состояния погоды,

поэтому влияние пыли исследуют и в метеоропатологии.

Погода влияет на устойчивость аэрозолей, и поэтому

характер движения клубов дыма может служить

ее предвестником. Еще недостаточно изучены свой-

ственные пыли процессы адсорбции [205], зависящие, по

данным Бейерсдорфера [204], от параметров поверх-

ности тела.

Особое значение пыль приобретает в тех случаях,

когда она становится радиоактивной и оказывает силь-

ное влияние на электрическое поле атмосферы. Произ-

веденные Зиткусом [206] измерения показали, что после

взрывов атомных бомб в различных пунктах земного

шара наибольшая дополнительная интенсивность радио-

активного излучения, наблюдавшаяся в Германии,

удвоила бы ионизацию приземного слоя атмосферы,

если бы радиоактивные продукты не были перенесены

водой в землю. Из этих данных следует, что увеличение

15 В. Фетт

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

интенсивности радиоактивного излучения, вызываемое

атомными взрывами, может заметно влиять на электри-

ческое поле атмосферы [207].

Конденсация, сублимация и образование осадков

Пользуясь счетчиком ядер Шольца, Юнге [208] уста-

новил, что витающие в воздухе частицы пыли большей

частью могут служить ядрами конденсации (табл. 30).

Таблица 30

Содержание ядер конденсации в различных аэрозолях *

[208]

Число ядер в 1 см',

Характеристика

подсчитанное счетчиком

Шольца

Вид пыли

пыли по количеству

подсчитанное счетчиком

Шольца

Вид пыли

ядер, подсчитанных

Вид пыли

ядер, подсчитанных

счетчиком Шольца

перед рас-

ширением

после

расширения

Наждачная пыль . . .

+ + +

9 700

Около 50 000

Угольная пыль ....

+ + +

600

Около 100 000

Каменный уголь, растер-

тый в ступке ....

+ + +

5 800

Около 100 000

Угольный брикет, рас-

тертый в ступке . . .

+ + +

7 700

Около 150 000

Активированный уголь,

растертый в ступке .

+ + +

7 700

Около 200 000

Красная глина, растер-

тая в ступке ....

+ + +

9 700 27 000

Серая глина, растертая

в ступке

+ + +

600

34 000

Пыль с поверхности

земли

+ + +

9 700 36 000

Пыль из пылесоса . . .

Ликоподий

Увеличения числа ядер

Порошок талька ....

не обнаружено

Порошок канифоли . .

* + + + много ядер; + мало ядер.

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

227

При четырех последних измерениях количество пыли-

нок было недостаточным для того, чтобы заметно увели-

чить число ядер конденсации. Данные Юнге позволяют

считать, что любое вещество может способствовать по-

явлению зародышевых капель воды в атмосфере, если

диаметр его частиц меньше Ю

-5

см. Правильность этого

допущения была подтверждена опытом, показавшим,

что даже пылинки вещества, не поддающегося увлажне-

нию, являются ядрами конденсации (табл. 31).

Таблица 31

Число ядер конденсации в аэрозолях, обладающих различной

гигроскопичностью [208]

Негигроскопичный

источник ядер

(раствор парафина

в химически чистом

бензоле, г/см

)

Число ядер

конден-

сации

в 1 см

Расчетный средний

радиус парафино-

вого ядра (плот-

ность 0,9

г/см

см

Сильно гигроско-

пичный источник

ядер (раствор

едкого кали в

дистиллированной

воде, г/см')

Число ядер

конден-

сации

в 1 см?

0,00

•

10~

000 0,00- 10~

0,00-Ю

-4

2 400

2,76

•

10"

26 400

1,55-Ю

-5

4,1

•

-4

10 400

14,6 -10"

44 000 2,29

•

-5

22,1

•

-4

12 400

61,5 -10"

47 200 3,61

•

-5

89,7 -Ю

-4

200

213

•

-4

56 700 5,15-10"

311,0

•

-4

23 200

325

•

10"

77 000 5,36

•

10~

610,0 -ИГ

21 600

Данные табл. 31 показывают, что источником воз-

никновения ядер конденсации могут служить два совер-

шенно различных вещества и что, следовательно, важны

не свойства вещества, а размер его частиц. Ядра кон-

денсации отличаются от пылинок лишь размером: к пер-

вым относят частицы диаметром менее Ю

-4

—10~

см,

а ко вторым — более крупные частицы (см. фиг. 2 и 4).

Крупная пыль не является источником ядер, и она бы-

стрее оседает. Число пылинок всегда меньше числа ядер

на один или несколько порядков величины. Цветочная

пыльца, размер которой обычно больше Ю

-4

см, также

не способствует появлению зародышевых капель воды

в атмосфере. Как уже было указано, для подсчета числа

13*

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

пылинок служат кониметры, а число ядер определяется

специальными счетчиками, но надо заметить, что самая

мелкая пыль 'включается в область частиц, подсчиты-

ваемых с помощью счетчика ядер.

Совокупность ядер, подсчитываемых в счетчике,

представляет собой смесь различного вида частиц, обла-

дающих неодинаковой способностью вызывать конден-

сацию, например частиц морской соли, почвы, продук-

тов сгорания. До настоящего времени считалось, что

пары воды в атмосфере начинают конденсироваться

около наиболее гигроскопичных ядер, а ядра, обладаю-

щие меньшей способностью вызывать конденсацию,

действуют лишь при наступлении пересыщения, и по-

этому их значение невелико. К последним относили

также большую часть очень мелких пылинок, не являю-

щихся ядрами смешанного характера.

Исследования Юнге [209] не подтвердили этого

взгляда. При высокой влажности обычная атмосферная

пыль нередко существует в виде капелек раствора и по-

этому значительно содействует возникновению предкон-

денсационного состояния и конденсации. Над морем

эффективными ядрами конденсации служат частички

морской соли, переходящие в жидкое состояние при

75% относительной влажности воздуха [210]. Измерения

показали, что в атмосфере над Западным Пакиста-

ном содержание естественных гигроскопических частиц

больше в морских воздушных массах, чем в континен-

тальных [211].

Замечено, что в Рочдейле (Англия) дождь наблю-

дается по воскресеньям реже, чем в будничные дни [214,

215], и что в Рурской области годовое число дождливых

и туманных дней на 20 больше, чем в прилегающих не-

промышленных районах [216]. Эта закономерность объ-

ясняется более значительным загрязнением воздуха

в Руре и в будничные дни в Рочдейле. Пыль способ-

ствует также образованию тумана [217—219]. Изучение

влияния пыли на конденсацию паров в атмосфере про-

должается [212, 213].

Остаток, образующийся после выпаривания падаю-

щих капелек дождя, состоит из частиц преимущественно

аморфного строения. По данным электронной микро-

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

229

скопии радиус этих частиц составляет 5-Ю

-6

—

— 15- 10~

см [220].

Для объяснения образования естественных и искус-

ственных осадков надо знать, в какой мере частицы

пыли служат зародышами кристаллов льда и каков ме-

ханизм этого явления. Возникновению кристаллов осо-

бенно способствуют такие зародыши, у которых кри-

сталлическая решетка имеет такую же структуру, как

и у льда, а поверхность не подвергалась изменениям.

Растворимость этих ядер кристаллизации не имеет

значения, так как при образовании кристаллов они не

растворяются. Размер зародышей также не оказывает

влияния, и самое незначительное количество загрязне-

ний содержит достаточно центров кристаллизации. Осо-

бенно способствуют сублимации пылинки кварца всех

модификаций. Мерой эффективности зародышей может

служить, например, так называемая характеристическая

температура, при которой начинается сублимация водя-

ного пара [221].

В общем характеристическая температура пыли до-

вольно высока. Например, она колеблется от —3 до

—5,5° у только что измельченного морского песка, от

—5,2 до —5,8° у уличной пыли и равна —7,3° у пыли

с крыш. Иногда она бывает более низкой, например

у пыли пустынь она составляет —14,8° [221].

Pay [222] установил, что естественный аэрозоль со-

держит достаточно зародышей и при температуре

около •—12° вызывает сублимацию паров воды в атмо-

сфере (1000 частиц аэрозоля могут образовать одну

частицу льда). Нефильтрованная дождевая вода, со-

бранная во время летнего грозового дождя, содержит

частицы, имеющие характеристическую температуру

—7,6°, а зародышам, содержащимся в фильтрованной

воде (максимальный размер 5- Ю

-4

см), свойственна ха-

рактеристическая температура —12,3°. Вулканические

пылинки являются зародышами при —14° и вызывают

увеличение осадков [223].

Состав веществ, являющихся зародышами кристал-

лов льда в атмосфере, изучен еще недостаточно. Нельзя

считать, что образованию снега способствует только

пыль выветрившихся пород, так как в выпавшем снеге

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

не удалось обнаружить их основного компонента —

алюмосиликатов [224]. Однако электронно-микроскопи-

ческое исследование зародышей кристаллов льда, про-

веденное Изоно [225, 226], привело к заключению, что

большая часть их представляет собой минеральную

пыль, в которой содержится значительное количество

морской соли. По мнению Pay [227, 228], частицы хлори-

дов морского происхождения не являются главными

компонентами зародышей кристаллов льда, так как их

плотность мала и связи между их содержанием и чис-

лом ядер сублимации не отмечается. Все же экспери-

ментальные данные о том, что сухие кристаллы морской

соли могут служить ядрами сублимации [230], позво-

ляют объяснить наблюдения, показывающие, что субли-

мация над морем протекает при меньшем переохлажде-

нии, чем над сушей [229].

Следует отметить, что опыты показали возможность

образования зародышей льда путем диэлектрической

поляризации при полном отсутствии ядер сублимации.

Этим можно объяснить механическое вымораживание

при небольшом переохлаждении, которое должно про-

исходить в атмосфере [231—233].

Важно было бы доказать, что изменение содержания

ядер сублимации связано только со сменой воздушных

масс и не зависит ни от местных условий, ни от отдель-

ных метеорологических факторов. Соотношение между

содержанием ядер и областью возникновения или исто-

рией жизни воздушных масс определенно показывает,

что, по классификации Юнге [209], они относятся к яд-

рам смешанного характера, имеющим морское происхо-

ждение. При адиабатическом нагреве воздуха они пре-

вращаются в кристаллики, которые переносятся на

далекое расстояние, а при его адиабатическом охла-

ждении они становятся крупнее и оседают [234].

Если пыль, связанная с деятельностью человека

(а возможно, и пыль континентального происхождения),

не оказывает существенного влияния на естественную

сублимацию, то она, несомненно, способствует возник-

новению искусственных осадков. Опыты засева облаков

мельчайшими частицами различных веществ еще не

решили вопроса о возможности существенного увеличе-

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

231

ния количества осадков. Поэтому приходится ограни-

читься сообщением лишь предварительных результатов

некоторых опытов этого рода.

Для засева облаков удобно использовать только что

измельченные кристаллические частицы кварца различ-

ных модификаций, имеющие сравнительно высокую ха-

рактеристическую температуру. Тончайший размол не-

обходим для обеспечения малой скорости оседания пы-

линок [221]. Легко распыляемые йодистое серебро и

йодистый кобальт вызывают сублимацию пара при

более высокой температуре, чем частицы аэрозолей,

образующиеся в промышленных или густо населенных

районах (разница составляет около 10°). йодистый ко-

бальт очень гигроскопичен, и его нельзя распылять

с земли [235]. Производятся опыты с засевом облаков

и другими веществами 1236—238].

Опыты рассеивания и осаждения облаков дадут бла-

гоприятные результаты лишь в том случае, если будет

разработана теория химико-физических явлений, проте-

кающих при сублимации паров в атмосфере, а также

соответствующая технология и генеральный план иссле-

дований [239—242]. Имеются описания многочисленных

опытов [243—248], но они еще не позволяют сделать

определенных выводов. Можно считать, что засев обла-

ков пока не давал годового увеличения осадков больше

чем на 10% [243]. Следует указать на отсутствие надеж-

ных статистических данных о заметном увеличении ко-

личества осадков, выходящем за рамки обычных коле-

баний погоды.

В аналогичном состоянии находится также вопрос

о влиянии вторжения метеоров в земную атмосферу на

количество дождя. Боуэн [249—250] (см. также [251,

252]) сопоставил даты вторжения метеорных потоков и

максимумов количества дождя или повторяемости до-

ждей и сделал вывод, что на протяжении 30 ± 2 суток

метеорная пыль успевает осесть с высоты 100 км до

тропосферы, что способствует выпадению повышенного

количества осадков на больших пространствах. Эта ги-

потеза не согласуется с наблюдениями Уиппля [253], кото-

рый с помощью фотографирования и радиолокации уста-

новил, что эффект, вызываемый вторжением метеорного

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

потока, лишь незначительно превышает эффект, вы-

зываемый вторжением отдельного метеора, и, следо-

вательно, мало увеличивает число ядер сублимации.

Только поток микрометеоритов может значительно уве-

личить количество дождя на больших пространствах.

Кроме того, было доказано [254—256], что гипотеза

Боуэна вообще не удовлетворяет требованиям теории

вероятности и ее заключения произвольны [257].

Исследования показали, что пыль, образующаяся

в атмосфере после взрывов атомных бомб, влияет на

образование осадков не сильнее, чем естественная пыль,

так как большинство ее частиц имеет сферическую форму

и негигроскопично. Выпадение большого числа радио-

активных частиц не сопровождалось повышением содер-

жания зародышей льда [187]. По мнению Шаффера [258],

радиоактивная пыль не только не увеличивает числа

ядер конденсации, но, наоборот, напластовывается на

ядра, уже имеющиеся в атмосфере.

ЗНАЧЕНИЕ ПЫЛИ, СОДЕРЖАЩЕЙСЯ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ

АТМОСФЕРЫ

Пыль, содержащаяся в верхних слоях атмосферы,

влияет на радиационный баланс. Благодаря слою пыли

космического происхождения температура атмосферы

на высоте 80 км начинает повышаться и на высоте

120 км достигает 100° [259]. Сохранение разрывности

температурного градиента в тропопаузе объясняется не

только различным излучением влажного и сухого воз-

духа, но и неодинаковым содержанием пыли в тропо-

сфере и стратосфере [260].

Вторжение метеоров более или менее регулярно уве-

личивает ионизацию в верхних слоях атмосферы [192].

Но, вообще говоря, основное значение пыли состоит

в том, что она влияет на процессы конденсации и суб-

лимации.

ЗНАЧЕНИЕ ПЫЛИ, СОДЕРЖАЩЕЙСЯ В ГИДРОСФЕРЕ

Эоловая пыль влияет на химический состав морской

воды и на ее окраску. Изменение химического состава

морской воды, вызываемое растворимыми компонентами

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

233

пыли, очень невелико. Например, Пратье [261] сообщает

о незначительном изменении содержания извести. Не-

органические частицы делают морскую воду мутноватой

и окрашивают ее в различные тона. Характер окраши-

вания зависит от состава и количества этих частиц.

По данным Шпринга [262], крупные частицы кремневой

кислоты и кремнекислых солей поглощают в голубой

области спектра и отражают в желтой и красной обла-

стях, следовательно, окрашивают воду в зеленый цвет.

Характерную окраску Желтому морю придают лёс-

совые частицы, которые приносятся реками, текущими

из Китая, например Хуанхэ, а также воздушными тече-

ниями и оседают на поверхность воды [55].

Окрашивание морской воды помогает определить на-

правления течений на известном расстоянии. Добавляя

в воду радиоактивную пыль, можно довольно точно

определить направления течений на большом расстоя-

нии. В последнее время опубликованы исследования на-

правлений течений в тех областях Тихого океана, где

были произведны взрывы атомных бомб [265, 266].

ПЫЛЬ КАК ИНДИКАТОР ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС

Значение пыли как индикатора движения воздушных

масс очень велико. Оно объясняется физическими свой-

ствами пыли, в частности ее свойством вызывать свое-

образные оптические явления в атмосфере. Следующие

примеры достаточно характеризуют индикационную спо-

собность пыли.

Изучение в фиолетовом свете перемещений трех тем-

ных полос, наблюдаемых в атмосфере Венеры и интер-

претируемых как пылевые завихрения, позволило опре-

делить ось вращения этой планеты [267].

Солнечный свет, отраженный пылью серебристых

облаков, дает возможность судить о течениях в соот-

ветствующих слоях атмосферы. Исследования скопления

пыли на высоте 80 км привели к заключению, что там

господствует восточный ветер, имеющий скорость

50—300 м/сек [141, 268]. Кроме того, установлено, что

во время измерений стратификация атмосферы была

сравнительно устойчива, а турбулентность воздушных