Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

Гл. 2. Способы, образования и свойства пыли

ческой пыли в атмосфере. С этой пылью связано обра-

зование свиндовосерой четко очерченной каймы земной

тени на лунном диске [14]. Уширение земной тени по

сравнению с ее теоретической величиной примерно на

120 км также объясняется наличием пылевого слоя

в атмосфере. Величина уширения (120 км) в достаточ-

ной мере согласуется с высотой образования светлых

полос на ночном небе (125 км) и высотой уровня, на

котором прекращается повышение температуры, вызван-

ное космической пылью (120 км

Измерение интенсивности солнечной радиации по-

зволило получить достаточно надежные данные для рас-

чета количества выпадающих на землю метеорных ча-

стиц. Для расчета необходимо знать, кроме высоты Я

и продолжительности падения пылинок Т, величину ми-

нимальной оптической плотности, найденной из из-

мерений поглощения света при лунных затмениях

(Д = 0,003—0,005). Исходя из изменения интенсивности

освещения при лунных затмениях и яркости световых

явлений на ночном небе после максимума вторжения

в атмосферу мощных метеорных потоков, можно опреде-

лить, что значения Т составляют 1—3 месяца. Указанная

величина Т не противоречит данным Боуэна, по которым

повсеместное большое выпадение осадков наблюдается

через 1 месяц после вторжения мощных метеорных по-

токов в земную атмосферу (стр. 231). Как уже отмеча-

лось, величина Я составляет около 120 км. В соответ-

ствии с этими значениями Г и Я величина радиуса пы-

линок г = 2 • 10~

см. Она согласуется с теми значе-

ниями г, при которых уже не наблюдается зависимости

поглощения света от длины световой волны. Пользуясь

указанными величинами Д, г и Т, Линк [23] определил,

что прирост массы Земли за счет космической пыли со-

ставляет

щ =

— 5-10~

г-см'^-сек'

На высоте около 110 км находится и слой Хевисайда—верх-

няя ионизированная часть атмосферы, образование которой также

относят за счет космической пыли.

3 В. Фетт

34 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

или 80 000 000 т в год на всю поверхность земного шара

(к (г)—предложенный Гринштейном коэффициент по-

глощения). Это значение гп

меньше отличается от зна-

чения, найденного на основании относительного содер-

жания уловленных магнитных шариков в атмосферной

пыли (Ю

-14

•

слг

•

се/с

-1

), чем от значения, полученного

при непосредственном наблюдении за вторжением ме-

теоров в атмосферу Земли (Ю

-17

•

см~

•

сек~

). 11адо счи-

тать, что наиболее вероятный прирост массы Земли за счет

космической пыли составляет около Ю

-13

•

см~

•

сек~\

или около 10

т в год на всю земную поверхность.

В соответствии с этим столб атмосферы над 1 см

по-

верхности Земли содержит около Ю

-7

— 10~

г, или около

— 10

частиц космической пыли, а во всей атмосфере

постоянно находится в среднем около 10

т ее. Это ко-

личество не превышает

% от общего содержания есте-

ственной пыли в атмосфере (стр. 126).

Космическая пыль, находящаяся за пределами

солнечной системы

Темные туманности на звездном небе и межзвездная

материя представляют собой, по-видимому, космическую

пыль, так как поглощение ими света зависит от длины

световой волны. Ослабление света пропорционально Лг

;

следовательно, рассеивающая среда не находится в га-

зообразном состоянии, но содержание в ней крупных

твердых частиц крайне мало.

Существование космической пыли подтверждается са-

мыми различными явлениями, для объяснения которых

предложен ряд теорий. Например, по теории Зелигера,

внезапное появление новых звезд вызвано вторжением

потухших звезд в облака пыли, которые начинают све-

титься или отражать свет (появление новых звезд в со-

звездии Персея в 1901 г.). Эта теория имеет ограничен-

ное применение, так как внезапное появление новых

звезд не всегда связано с присутствием облаков косми-

ческой пыли. Периодическое изменение блеска звезд,

например звезды R в созвездии Северной Короны,

а также медленное исчезновение и появление звезд, па-

Гл. 2. Способы образования и свойства пыли

пример звезды RT в созвездии Змеи, также объясняется

существованием в космосе облаков пыли [14].

Если допустить, что частицы облаков космической

пыли имеют сферическую форму, то их средний диаметр

можно определить на основании вызываемых ими изме-

нений окраски света, используя при этом закон Ми. По

данным Шалена (см. [6], стр. 762), этот диаметр состав-

ляет 5 • 10^

см, а в исключительных случаях превышает

-5

см. Поскольку в метеорах часто встречается же-

лезо, в расчетах можно исходить из плотности этого эле-

мента; результаты, полученные на основании наблюдав-

шихся величин поглощения света, показывают, что сред-

няя плотность образующей облако космической материи

приблизительно равна 5 • Ю~

г/см

и что в 1 см

содер-

жится Ю

-12

частиц. Вне темных туманностей межзвезд-

ная материя распределена неравномерно. Основываясь

на астрономических и астрофизических данных, многие

авторы пытались теоретическим путем определить коли-

чество выпадающих на землю метеорных частиц. Швин-

нер [24] подробно рассматривает эту проблему и приво-

дит исчерпывающий литературный обзор. Теоретические

величины выпадения метеорных частиц колеблются от

7,3 г (Вудворд, цитировано Рудзским) до 100 ООО т в год

(Меррил). В 1936 г. Швиннер пришел к выводу, что

в среднем на Землю выпадает в год около 500 т косми-

ческой пыли, что составляет 3 • 10~

г • см~

• сект

. Ве-

роятная величина годового прироста массы Земли за

счет космической пыли (10

г), основанная на экспери-

ментальных данных, во много раз превышает максималь-

ную теоретическую величину (10

г), и это позволяет

сомневаться в правильности предпосылок, принимаемых

при теоретических расчетах.

ЕСТЕСТВЕННАЯ ПЫЛЬ ЗЕМНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Неорганическая пыль

Пыль, образуемая поверхностью суши

От

до з/

всего количества пыли, содержащегося

в свободной атмосфере, состоит из неорганического ве-

щества [25], главным источником которого является

рыхлая почва [1]. Огромная поверхность суши земного

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

шара подвергается выветриванию. Этот процесс приво-

дит к образованию пыли, которая уносится ветром

вследствие завихрений и конвекции. Поэтому содержа-

ние компонентов почвы в пыли, естественно, весьма ве-

лико.

Пыль возникает всюду, где сама природа или люди

не создали растительный покров, препятствующий быст-

рому выветриванию верхнего слоя пород, составляющих

почву, и превращению их в мельчайшую пыль. Образо-

ванию пыли благоприятствуют сухость воздуха и силь-

ные .ветры [25].

Наиболее интенсивно протекает пылеобразование на

аридных почвах, состоящих из силикатных пород с ми-

нимальным содержанием связующей глины. При этих

условиях возникает типичная почва из пыли и песка,

в составе которой находится всего лишь 0,5—7% глины.

Вполне понятно, что гумус не оказывает влияния на

структуру почвы этих районов. Главным источником

пыли являются пустыни (Сахара, Гоби и другие). Их

климат чрезвычайно сух, а почва представляет собой

продукты распада горных пород [26]. Второстепенным

источником пыли после достаточно продолжительного за-

сушливого периода может служить почва полуаридных

и гумидных областей. Образование пыли в сырых высо-

когорных районах также вызывается выветриванием

горных пород.

В состав пыли преимущественно входят кварц и по-

левой шпат. Кроме того, она содержит в более или ме-

нее значительных количествах слюду, хлорит, руду, до-

ломит. Реже в ней находят роговую обманку, авгит и

другие второстепенные составные части горных пород.

Встречается также органическая кремневая кислота (ди-

атомеи) и небольшое количество растворимых в воде со-

лей [27, 28].

Частицы пыли имеют кристаллическую структуру и

форму многогранных обломков или округлых чешуек,

реже пластинок. Нередко наблюдается напластование

частиц или другие типы их формообразования. Большая

часть пылинок мельче 5-10

-3

см. Шкала цвета пыли

включает беловато-серый, желтый, красный и коричне-

вый тона окраски вплоть до черного,

Гл. 2. Способы, образования и свойства пыли

Пыль вулканического происхождения

Источником пыли служат также недра земли, содер-

жимое которых выбрасывается в атмосферу при извер-

жениях вулканов. В зависимости от типа вулкана про-

исходят извержения лавы или пепла я пыли, а также

других более крупных частиц; бывают и смешанные из-

вержения. В табл. 4 приведены количества рыхлых ма-

териалов, выброшенных при нескольких особенно силь-

ных вулканических извержениях. Начиная с 1500 г.

450 действующих вулканов извергли наряду с 50 км

лавы не менее 330 км

рыхлых материалов [30].

Облако пепла над Везувием обычно поднимается на

высоту не более 1 км, а при вулканических извержениях

пепел достигает высоты более 20 км (при извержении

Кракатау — 50 км [5], однако по данным Зюринга

[17], — только 27 км). Сильные воздушные течения, гос-

подствующие на больших высотах, быстро уносят пепел

и пыль в области, находящиеся на огромном расстоянии

от места извержения, где в результате наблюдаются

различные оптические явления в атмосфере: изменения

вида и излучения неба, появление серебристых облаков

и необычные сумеречные явления (см. статистику сопо-

ставления дат у Зюринга [17]).

На основании оптических измерений помутнения неба,

вызванного извержением Катмая в июне 1912 г., Гётц

[32] нашел, что радиус частиц вулканической пыли ра-

вен 2,2 • 10~

см, а в одном исключительном случае

(14/VII 1912 г. в Упсале) — 1,7- 10"

см. Эти данные не

согласуются с выводами Дорно, установившего на осно-

вании наблюдений кольца Бишопа, что радиус этих ча-

стиц составляет 4,5

•

ГО

-5

см (см. также стр. 209—210).

Обычный вулканический пепел (вероятно, исланд-

ский) нашли в скандинавской почве. Это вулканические

туфы, свидетельствующие о происходивших ранее вы-

делениях вулканического пепла.

Вулканический пепел и пыль имеют такой же состав,

как и лава [5, 33]. Их образование связано большей

частью не с разрушением твердых горных пород,

а с разбрызгиванием расплавленного потока лавы под

действием выделяющихся при остывании газов [31].

Таблица 4

Данные о некоторых вулканических извержениях

Вулкан

Год

извер-

жения

Количе-

ство

рыхлых

материа-

лов,

км

Примечания

Источ-

ник

данных

Тамбора на остро-

ве Сумбава (Ма-

лые Зондские

острова)

1815

150 Затемнение на террито-

рии, в 4 раза превы-

шающей территорию

Германии в 1919 г. *

[29]

Косегуина у за-

лива Фонсека

(Никарагуа)

1835

50 Извержение пепла; по

данным Пенка, коли-

чество пепла соста-

вило 150 км

[30]

Аскья в Исландии

1875 3—4 Пыль, развеянная ветра-

ми, достигла Швеции

[29]

Кракатау в Зонд-

ском проливе

1883 18

Пыль и пепел распре-

делились на площади

82 700 км

; мельчай-

шая пыль достигла

Западной Европы

[29]

Санта-Мария в

Гватемале

1902 5,5 Рыхлые массы распре-

делились на площади

250 000 км

(больше

половины территории

Германии в 1919 г.) *

[29]

Везувий в Италии

1906 0,2

[29]

Катмай на Алеут-

ских островах

1912

20 [31]

Ключевская сопка

на Камчатке

1931

0,12

[17]

* Территория Германии в 1919 г. составляла 471000 км'.

Гл. 2. Способы, образования и свойства пыли 39

Частицы пыли имеют более остроугольные грани, чем

зерна песка (поэтому пыль используют в качестве со-

ставной части стиральных материалов). Исследования

позволили сделать важный вывод, что извергаемый вул-

канический пепел очень богат водяным паром, водоро-

дом и другими газами. Благодаря взрывному действию

этих газов облака вулканического пепла поднимаются

на огромную высоту.

Пыль морского происхождения

Роль морей в качестве источников атмосферной пыли

не столь заметна, как роль вулканов, создающих на боль-

ших пространствах отложения первичных материалов, из

которых возникает пыль. Ряд наблюдений показывает,

как попадает иногда в атмосферную пыль морская соль.

После сильного шторма, пронесшегося над Англией

22/XII 1894 г. [34], было обнаружено, что на значитель-

ном расстоянии от моря растения и окна инкрустированы

солью. Шторм унес на 95—110 км в глубь материка

соль из брызг, образовавшихся при ударах волн мор-

ского прибоя. В то же самое время аналогичное отложе-

ние соли наблюдалось у Бирмингема, удаленного на

88 км от Бристольского залива и почти на 160 км от за-

лива Кардиган. После сильного шторма в январе 1839 г.

на листьях деревьев в глубине английского материка

(у Хеддерсфилда) также были найдены отложения соли.

Возникает вопрос, происходило ли непосредственное от-

ложение перенесенных штормом кристалликов соли или

же соль выкристаллизовалась из брызг морской воды

уже в месте ее отложения. Присутствие небольших ко-

личеств гигроскопического MgCl

дает основание пола-

гать, что кристаллизация соли из брызг морской воды

в месте отложения может происходить только в про-

странствах с очень сухим климатом, например в солон-

чаковых пустынях или степях [35].

В восточной части штата Юта и западной части

штата Вайоминг шторм, пронесшийся над США, сопро-

вождался ливнем, содержавшим значительное количе-

ство соли (около 1,15 т/км

). Высохшая после дождя

одежда была белой, а на некоторых окнах образовалась

40 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

такая толстая корка инкрустации, что они стали непро-

зрачными. По-видимому, соль была принесена штормом

из района Большого Соленого озера [36].

О настоящем «солевом шторме» сообщает Гаррисон

[37]. Этот шторм возник 21— 22/III 1933 г. между Сьерра-

Невадой и Скалистыми горами около высохших соля-

ных озер; поднятые им беловатые облака пыли устре-

мились на восток и вынудили самолеты лететь через Те-

хас «слепым полетом» на высоте около 900 м\ через трое

суток эти облака осели восточнее Скалистых гор, обра-

зовав слой очень мелкой белой пыли.

Согласно экспериментальным данным, в 1 м

воздуха

над Иллинойсом (средний запад США) обычно нахо-

дится не более двух крупных частиц соли; во всяком слу-

чае, нигде в этом районе США не было обнаружено та-

ких высоких концентраций этих частиц, как над океаном

[38]. Установлено, что находящиеся над океаном частицы

соли радиусом более 2• 10~

см почти не уносятся

в глубь материка, тогда как содержание более мелких

частиц может иногда достигать даже на расстоянии

около 1000 км от побережья тех же значений, что и над

океаном. Однако обычно оно над сушей очень мало. На-

пример, на протяжении девятимесячных измерений было

установлено, что воздух содержал более одной частицы

соли в 1 см

в течение промежутка времени, составляв-

шего всего 4% общего времени измерений. Исследова-

нием обнаружено, что радиус 90% всех частиц составлял

1,6-Ю

-5

— 4 «Ю

-5

см и менее чем у 0,1% превышал

1 • 10-* см.

Морское происхождение частиц соли, содержащихся

в атмосфере, подтверждается характером колебаний их

концентрации во времени и влиянием метеорологиче-

ских факторов на количество частиц. Содержание этих

частиц не зависит от географического положения и вре-

мени, что указывает на отсутствие связи между их воз-

никновением и поселением людей [39].

Уменьшение концентрации частиц соли, особенно

крупных, в воздухе по мере удаления от морского побе-

режья вызывается главным образом смешиванием раз-

личных по высоте слоев атмосферы и лишь в малой

степени осаждением [40].

Гл. 2. Способы, образования и свойства пыли

Во всяком случае, моря могут участвовать в пыле-

образовании только путем отложений соли. В заметной

форме это участие проявляется лишь изредка и на не-

больших пространствах.

Пыль органического происхождения

Часть атмосферной пыли имеет органическое проис-

хождение. По аналогии с планктоном органическая или,

точнее, образованная организмами часть естественных

аэрозолей называется также аэропланктоном. Послед-

ний отличается особым многообразием и может со-

стоять из живых и мертвых организмов или их остатков.

Пыль из остатков животных

Среди образующих пыль остатков животных прежде

всего следует упомянуть кремневые панцири диатомо-

вых водорослей

и их обломки, в заметном количестве

попадающие в атмосферу. Например, они являются ос-

новным источником харматанной пыли. Харматаном на-

зывается очень сухой и пыльный ветер, господствующий

в Гвинее в течение засушливого зимнего периода. На

протяжении примерно '/з этого периода он дует с во-

стока и северо-востока и приносит из Сахары воздуш-

ные массы, содержащие диатомовую пыль в виде

пудры [41]. Эта пыль приносится только из той части

южной Сахары, где расположены высохшие области,

наводнявшиеся Нигером; других ее источников на окру-

жающей территории нет [3].

К другим остаткам животных, содержащимся в пы-

леобразном состоянии в воздухе, принадлежат чешуйки,

волосы, перья, части тела клещей и насекомых, напри-

мер надкрылья и кусочки хитинового панциря. В воз-

духе находятся также целые мертвые или живые орга-

низмы, например насекомые (комары и' т. д.), пауки,

клещи и другие. В большом количестве встречаются

микроорганизмы — бактерии и вирусы, обнаруженные

Диатомовые водоросли, как показывает их название, отно-

сятся к растениям и ошибочно рассматриваются автором в этом

разделе. — Прим. ред.

42 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

даже на высоте 6000 м; некоторые из них хорошо пере-

носят длительное высушивание [42]. В среднем на 1 м

нижнего слоя атмосферы содержится, например, в Па-

риже 4790 бактерий, в сельской местности во Фран-

ции — 345. Максимальное содержание бактерий наблю-

дается летом, минимальное — зимой [43].

Мертвые и живые микроорганизмы легко прилипают

к более крупным частицам пыли. Погибшие (и реже—

жизнеспособные) микроорганизмы, а также органиче-

ский детрит и мельчайшие частицы шерстяных или

хлопковых волокон являются составной частью «сол-

нечных пылинок», видимых только в луче света

[25].

Иногда в высохшей пыли, содержащейся в воздухе,

обнаруживаются патогенные микроорганизмы, чаще

всего кокки, споры сибиреязвенной палочки, туберку-

лезные бактерии, реже — возбудители дифтерии, скар-

латины и оспы.

Воздушная инфекция играет также роль при рас-

пространении гриппа [42].

Пыль растительного происхождения

В атмосферной пыли содержатся также элементы

растительного мира — семена высших растений, мерт-

вые и жизнеспособные микробы, различного вида

пыльца и споры тайнобрачных, водоросли, спорообра-

зующие плесневые грибы с частицами самих растений,

волокна, крахмал, частицы конского навоза и т. д.

Пыльца хвойных деревьев часто уносится ветрами на

большое расстояние [25, 44, 45]. По данным Рейффен-

шейдта [46], пыльца может переноситься даже на не-

сколько сотен километров. Дождь, вымывающий эту

пыльцу, называется «серным», так как лужи, остаю-

щиеся после него, иногда окрашены в желтый цвет. По-

добно цветению трав, вызывающему аллергию (сенная

лихорадка), такие дожди наблюдаются лишь в ограни-

Автор имеет в виду эффект Тиндаля, основанный на рассеянии

света в дисперсных (мутных) средах, содержащих частицы, показа-

тель преломления которых отличается от показателя преломления

среды, в которой они витают При прохождении света через такие

среды наблюдается конус Тиндаля. — Прим. перев.