Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

ная особенность состоит в непрерывной регистрации

результатов измерения в течение сравнительно длитель-

ного промежутка времени. Она достигается благодаря

тому, что просос воздуха производится с помощью элек-

тромотора и предметное стекло, соединенное с часовым

механизмом, непрерывно вращается так, что осадок

образуется в виде кольца [35]. Продолжительность

одного оборота предметного стекла может достигать

30 час. В качестве липкого вещества

пригоден лишь очень тонкий слой кол-

лодиевой смазки, так как он не высы-

хает и не расплывается в течение зна-

чительного промежутка времени. Эф- Фиг. 12. Схема

фенбергер [29] производил фотометри- предложенного Эф-

ческий подсчет частиц в очень узком Ф

ен

бергером [29]

прибора для реги-

кольце с помощью измененного цейс-

трациипыли,имею-

совского самописца-фотометра, в ко- щего обтекаемую

тором поступательное движение пред- форму,

метного стекла заменено вращатель-

ным. Этот прибор давал удовлетворительные резуль-

таты регистрации запыленности воздуха на протяже-

нии суток. Эффенбергер указал, что точность прибора

зависит от того, как расположено его входное отвер-

стие по отношению к направлению ветра, и что сле-

дует создать новый прибор в виде флюгера обтекае-

мой формы с несколькими входными отверстиями

(фиг. 12).

Сравнение измерений концентрации пыли кониметром

и специально приготовленными предметными стеклами

или пылемером Оуэнса

На одном из оживленных мест города в течение

1,5 час. производились параллельные измерения коли-

чества пыли на предметных стеклах и с помощью кони-

метра без фильтра. Самые крупные частицы, осевшие

на предметных стеклах, имели диаметр 20-Ю

-4

—

200

•

1см, а уловленные кониметром — 15-Ю

-4

—

180•Ю

-4

см; при обоих методах измерения они встреча-

лись в относительно равных количествах. Но в кони-

метре они составляли только 1—2% от общего числа

84 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

уловленных пылинок, а на предметных стеклах мель-

чайшие частицы почти полностью отсутствовали. Следо-

вательно для гигиенических целей метод седиментации

не пригоден [30].

При сравнительных измерениях концентрации пыли

кониметром и пылемером Оуэнса наблюдается резкое

несовпадение результатов. В 1942 г. Куп [19] опублико-

вал работу, в которой изложены причины этого несов-

падения.

Как правило, кониметр дает более низкие значения,

чем пылемер Оуэнса. Сравнение величин, полученных

с помощью этих двух приборов, показывает, что рас-

хождение их тем больше, чем меньше количество изме-

ряемой пыли. Частное от деления значений запыленно-

сти, обнаруженных пылемером Оуэнса и кониметром,

всегда больше единицы и зависит от места измерения и

структуры аэрозоля. В жилом помещении, воздух ко-

торого содержит однородный аэрозоль, измерения по

вертикали, произведенные с помощью указанных прибо-

ров, дают пропорциональные значения. В нежилом по-

мещении воздух застаивается и вследствие этого при

пользовании этими приборами наблюдается другое соот-

ношение величин: показания пылемера Оуэнса соответ-

ствуют распределению частиц по высоте, а кониметр

дает резко заниженную запыленность воздуха у пола,

так как здесь сосредоточены наиболее крупные частицы,

которые задерживаются фильтром.

Наглядное представление о диапазонах измерений

для каждого из этих приборов, а также о некоторых

других данных дает таблица, составленная Куном [19]

(табл. 7). Для упрощения расчетов Куп допустил, что

пылинки имеют сферическую форму; это предположение

тем ближе к истине, чем меньше размер частицы.

Данные табл. 7 позволяют сделать -ряд выводов:

1. При помощи пылемера Оуэнса и кониметра опре-

деляются частицы, размеры которых попадают в диа-

пазон измерений счетчиком ядер Шольца.

2. Иногда пыль является только частью ядер кон-

денсации, улавливаемых счетчиком ядер Шольца.

3. Диапазоны измерения пылемером Оуэнса и кони-

метром не совпадают.

Диапазоны измерений кониметра,

пылемера Оуэнса и счетчика ядер Шольца *

Удельный

в ее, г/см*

2,5

0,797

0,664

0,398

0,230

Б-

\ 0,178

[0,126

I 0,056

2,0 1,5 1,0 0,5 0,1 0,05 0,01 0,005 0,0013

0,891

0,630

0,446

0,257

0,190

0,141

0,063

: 0,398

| 0,119

j 0,084

0,037

0,265

0,119

0,084

0,037

0,265

0,119

0,446

0,133

0,094

0,042

0,297

0,133

0,094

0,042

0,297

0,133

1,029

0,728

0,514

0,297

1,261

0,891

0,230

0,163

0,073

0,515

0,630

0,362

0,282

0,199

0,089

0,624

0,153

0,109

0,188

0,133

0,049 0,059

JTb

0,342 0,419

0,153

0,109

0,049

0,342

0,153

0,188

0,133

0,059

0,419

0,188

1,785

1,260

0,892

0,515

0,399

0,282

0,126

0,892

0,399

0,188

0,084

0,594

0,266

0,188

0,084

0,594

0,266

4,010

2,840

2,015

1,185

5,710

4,040

2,858

1,650

0,8

0,634

0,284

2,012

0,897

0,635

0.189

1,338

0,597

0,423

0,189

.1,338

0,597

1,277

0,904

0,404

2,855

1,278

0,903

0,404

1,90

0,851

0,602

0,269

1,90

9.540

6,750

3,90

3,02

2,135

0,954

6,75

3,018

2,134

0,954

6,75

2,010

1,42

0.635

4,50

0,851

2,010

5,972

4,624

3,272

1,463

10,34

4,623

3,272

1,463

10,34

4,623

2,18

0,972

6,88

8,91

6,296

2318

19,9

8,91

6,296

•

3,010

2,818

19,9

8,91

6,296 Б

1,875

13,25

5,94

Радиус

частиц,см

• 10~

•10"

»10~

• 10~

-10"

•10-4

•

кг

• Ю-"

• КГ

•10"

•10~

•10"

• 10"®

• Ю"

•1Q-*

* Л —теоретическая верхняя гра-

ница диапазона измерений пылемером-

Оуэнса; Б — практическая верхняя гра-

ница диапазона измерений пылемером

Оуэнса; В —верхняя граница области

измерений счетчиком ядер Шольца

(по Юнге); Г —нижняя граница обла-

сти измерений счетчиком ядер Шольца

(по Юнге); Д— верхняя граница диа-

пазона измерений кониметром; Е— ме-

ханическая граница диапазона изме-

рений кониметром; Ж — оптическая

нижняя граница диапазона измерений

кониметром; 3 —область измерения

ионов Ланжевена (по Юнге).

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

4. Спектр размеров частиц, охватываемый пылеме-

ром Оуэнса, резко сдвинут в сторону меньших размеров

по сравнению со спектром размеров частиц, регистри-

руемых кониметром.

5. Изучение многих пылевых пятен показывает, что

верхняя граница диапазона измерений пылемером

Оуэнса лежит около 1СИ см. Пылинки больших разме-

ров встречались очень редко.

6. Верхняя граница диапазона измерений пылемером

Оуэнса часто находится ниже границы средних разме-

ров частиц, улавливаемых кониметром.

7. Нижняя граница диапазона измерений пылеме-

ром Оуэнса не найдена.

8. Пылемером Оуэнса можно измерить ионы Лан-

жевена и ионы-гиганты.

Согласно этим выводам, при определении содержа-

ния пыли в воздухе пылемер Оуэнса и кониметр нельзя

считать равноценными приборами. В настоящее время

для измерения содержания пыли пользуются только

кониметром, а пылемер Оуэнса, как и все приборы, ос-

нованные на конденсации аэрозоля, относят к серии

счетчиков ядер. Такое заключение подтверждается дан-

ными Купа [19] о «концентрации пыли», выявленной

«счетчиком ядер» Оуэнса.

Дальнейшее развитие методов измерения содержания

пыли в воздухе

Сравнительные измерения показывают, что резуль-

таты, полученные с помощью приборов различных ти-

пов, несопоставимы. Но и при использовании одного и

того же прибора — кониметра — сравнивать величины,

полученные разными наблюдателями, весьма затрудни-

тельно, так как всегда возможны различия в фильтрах,

смазке покровных стекол, количестве засосанного воз-

духа, скорости просасывания и методе подсчета частиц.

Еще не удалось получить абсолютно достоверных дан-

ных о содержании пыли в воздухе и на основании ряда

измерений одного и того же автора.

Отдельные недостатки кониметрии отмечали многие

авторы. Юнге [27, 36] опубликовал подробный критиче-

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

ский обзор этого метода определения концентрации

пыли. Основные вопросы кониметрии были рассмотрены

и Эффенбергером [37].

Неудовлетворительные результаты измерений объ-

ясняются следующими главными причинами. Фильтр,

установленный перед счетчиком пыли, задерживает не

только крупные частицы, но и много мелких частиц;

это обусловлено, очевидно, диффузией, происходящей

в порах фильтра. Не вся пыль улавливается на пред-

метном стекле. Например, путем двукратного просасы-

вания одной и той же пробы воздуха со скоростью

15 см!

/сек Юнге [36] установил, что на вазелине в сред-

нем задерживается а крупных ядер с радиусом

—

•

-5

см, где

a =

= ±15,40/0.

Таким образом, истинное число частиц пыли равно

измеренному числу их, умноженному на —.

Необходимо определить поправочные коэффициенты

для исключения влияния скорости просасывания воз-

духа на результат измерений. По данным Эффенбергера

[37], изменение продолжительности хода поршня всего

лишь на 1 сек. вызывает изменение результатов измере-

ния, достигающее 50%.

По мнению Юнге [36], удобнее работать с конимет-

ром, входное отверстие которого имеет щелеобразную

форму, так как это значительно упрощает подсчет рас-

пределения пылинок по величине. Как уже было ука-

зано, не все частицы достигают предметного стекла. Для

более точного распределения частиц по размерам сле-

дует путем измерений при различной ширине щели оп-

ределить поправочные коэффициенты для отдельных

фракций.

Частицы располагаются на предметном стекле в виде

центрального пылевого пятна и более или менее ясно

выраженного пылевого кольца. Относительное количе-

ство пыли, образовавшее центральное пылевое пятно,

сильно зависит от распределения частиц по размерам и

поэтому получавшиеся ранее результаты несравнимы.

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

Часть пыли X, осевшая на стекле после двукратного

просасывания одной и той же пробы воздуха, опреде-

ляется по формуле

у —

f*2

- Л-Л, '

где F\ — число частиц в центральном пылевом пятне,

подсчитанное при первом измерении, F

— число частиц

в центральном пылевом пятне, подсчитанное при втором

О 20 40 ВО 80 100

Относительная влажность, %'

Фиг. 13. Увеличение числа частиц естественного

аэрозоля, осевших на смазанном вазелином пред-

метном стекле, с увеличением влажности (среднее

из 15 серий измерений в июле — августе 1950 г.,

Франкфурт-на-Майне) [26].

За 1 принято число осевших частиц при влажности 90%.

измерении, и Ri— число частиц в пылевом кольце, под-

считанное при первом измерении.

Специальные измерения показали, что значения X

лежат в пределах 0,25—0,63. Следовательно, даже без

других поправочных коэффициентов истинное число пы-

линок в 2—4 раза больше числа, установленного при

измерении. Определение значений X необходимо при

всех биоклиматических исследованиях и при расчетах,

служащих для изучения оптических свойств атмосфер-

ной дымки.

Юнге [26] доказал также, что результат измерения

сильно зависит от степени влажности аэрозоля. Увели-

чение относительной влажности воздуха вызывает ук-

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

рупнение частиц, благодаря чему большее количество

их становится доступным для измерения кониметром.

Кривая на фиг. 13 показывает, как с увеличением отно-

сительной влажности воздуха возрастает число уло-

вленных частиц в одном и том же естественном аэро-

золе. Резкое укрупнение частиц происходит при относи-

тельной влажности воздуха свыше 70%. Измерения,

произведенные с помощью доппелькониметра Юнге, по-

зволяют ближе подойти к объяснению этого явления.

Относительная влажность,%

Фиг. 14. Зависимость числа частиц естествен-

ного аэрозоля, уловленных на вазелине и цапон-

лаке, от влажности воздуха [26].

О число частиц на вазелине; + число частиц на цапон-лаке.

Указанный прибор позволяет при одном ходе поршня

получить две пробы одного и того же аэрозоля. Одно

предметное стекло смазывают вазелином, задерживаю-

щим как капельно-жидкие, так и твердые частицы,

а другое стекло покрывают цапон-лаком, задерживаю-

щим все капельно-жидкие частицы и только 10% твер-

дых частиц. Значение

Z _ Число пылинок?на цапон-лаке

V Число пылинок на вазелине

позволяет приблизительно судить о соотношении между

капельно-жидкими и твердыми частицами и, следова-

тельно, о структуре аэрозоля.

По мнению Юнге [26], результаты (фиг. 14 и 15),

полученные этим способом, дают основание считать, что

Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

при относительной влажности воздуха выше 70% прак-

тически все частицы переходят в капельно-жидкое со-

стояние и заметно укрупняются. С понижением относи-

тельной влажности величина частиц уменьшается и они

постепенно переходят в твердое состояние. Замечено,

что точному подсчету пылинок препятствует раздробле-

ние и склеивание их при кониметрировании. Поэтому

Эффенбергер [37] рекомендует указывать не только

1.0

О 20 40 60 80 100

Относительная нлажность,%

Ф и г. 15. Зависимость относительного количества

капельно-жндких частиц естественного аэрозоля

(значение Z/V) от влажности воздуха (среднее

из 15 серий измерений в июле — августе 1950 г.,

Франкфурт-на-Майне) [26].

число частиц, но и частное от деления массы (или

объема) пыли на число пылинок; это частное характе-

ризует величину куба среднего диаметра частиц. Опре-

деление массы производят отдельно для каждой группы

размеров пылинок. Общая масса примерно равна сумме

произведений куба среднего размера частиц группы на

содержащееся в ней число частиц. Для атмосферного

аэрозоля значение частного лежит в пределах

0,1

—

10 ц

, в обычных условиях оно равно 1 ц

Указанные затруднения и зависимости следует учи-

тывать при определении загрязненности воздуха мето-

дом кониметрии.

Эффенбергер [37] описал усовершенствованный кони-

метр Цейсса, который регистрирует на пленке, движу-

щейся со скоростью 1 см!час, интенсивность светового

Гл. 4. Измерение и анализ пыли

потока после прохождения через пылевую полоску,

а также интенсивность потока, испускаемого источником

света. Степень ослабления света пропорциональна коли-

честву осевшей пыли, которое можно определить по фо-

тометрической диаграмме любым методом интегрирова-

ния. Градуирование пленки производится с помощью

кониметра, причем предполагается, что состав пылинок

приблизительно одинаков. При измерениях запыленно-

сти свободной атмосферы просасывают 24—30 л воз-

духа в 1 мин., а при измерениях внутри помещения —

не больше 10—20 л.

Электронный прибор нового типа, называемый аэро-

лоскопом, дает возможность производить определение

числа пылинок, патогенных микробов или других частиц

аэрозоля в 1000 раз быстрее, чем обычный микроскоп.

Он был создан в экспериментальной лаборатории аме-

риканской армии с целью своевременного выявления

бактериологического нападения, но может быть исполь-

зован также и для нужд мирного времени [38]. Заслу-

живает внимания также прибор, автоматически подсчи-

тывающий пятнышки на покрытой лаком (изготовленным

на основе копала) стеклянной пластинке, образование

которых может быть вызвано, например, капельками

в счетчике ядер Шольца [39]. Он представляет со-

бой электронный умножитель, использующий вторичную

эмиссию электронов, со счетным устройством и элект-

роннолучевым осциллографом; он снабжен также опти-

кой микроскопа, предназначенной для исследований

в монохроматическом свете. Измерительный прибор,

в котором содержащаяся в воздухе пыль оседает на

пластинку под действием электричества и затем взве-

шивается на микровесах, был предложен Гастом [40].

Этот прибор позволяет обнаружить разницу веса пла-

стинки с пылью и без нее с точностью 10~

г/ж

. Взвеши-

вание и регистрация производятся автоматически.

Клумб [41] описал прибор для гравитационного осажде-

ния частиц пыли радиусом до Ю

-4

см под действием

радиального ускорения вращающихся газовых молекул,

которое в 10

—10

раз превышает ускорение силы тяже-

сти. Дополнительное электрическое радиальное поле

дает возможность осадить частицы еще меньшего раз-

92 Часть I. Природа и свойства атмосферной пыли

мера. В заключение следует также упомянуть о диссер-

тации Фальке [42], в которой рассматриваются основные

проблемы измерительной техники и методики, связан-

ные с определением содержания пыли и бактерий в воз-

духе. Измерение загрязнения атмосферы подробно из-

ложено Химионом [43], а Браун и Шренк [44] опублико-

вали обширную библиографию по этому вопросу.

В настоящее время методы измерения пыли быстро

развиваются. Это касается даже кониметра и особенно

приборов для измерения специальных компонентов

пыли [45]. Поэтому главной целью данной главы яв-

ляется характеристика основных вопросов, а не оценка

приборов.

Косвенные методы измерения пыли

Число опытов по оптическому измерению содержания

пыли в воздухе очень велико, но полученные величины

недостаточно точны, так как существует ряд еще не

устраненных затруднений, вызываемых наличием воды

и водяного пара в атмосфере. При разработке оптиче-

ских методов измерения пыли пытались использовать

дальность горизонтальной и вертикальной видимости

[46, 47], интенсивность солнечной радиации, ослабление

ультрафиолетового излучения [48, 49], поляризацию

света (величина поляризации и расположение нейтраль-

ных областей), снижение яркости неба, опалесценцию,

ход сумерек и сумеречные явления, образование колец

и венцов вокруг Солнца ([50, 52], см. также стр. 209),

зависимость рассеяния света в дымке от направления

[53] и т. д.

Первым исследователем, получившим сравнительно

удовлетворительные результаты, был Гётц [54—56]. Он

добился большого успеха благодаря тому, что использо-

вал различие свойств «сухой пыли» и «влажной дымки».

При определении фактора мутности атмосферы по

способу Ангстрема, применявшемуся до настоящего вре-

мени, допускалось постоянство соотношения между со-

держанием тумана и пыли в атмосфере. Эта предпо-

сылка неверна, особенно в случаях необычно высокой

запыленности, например при пыльном вихре в Сахаре.

Отдельные определения содержания тумана и пыли