Исследование субмикронной фракции аэрозоляв атмосфере пустыни Гоби

Атмосферный аэрозоль ‒ это взвесь твердых или жидких частиц. Источником первичной информации о свойствах частиц того или иного типа аэрозоля являются результаты прямых или косвенных измерений с помощью достаточно широкого класса аэрозольных приборов. Первостепенный интерес представляют концентрация частиц (как счетная, так и массовая), распределение частиц по размерам (спектр размеров), различные физико-химические характеристики частиц, изменения этих характеристик со временем и влияние на них внешних условий. Основными микрофизическими характеристиками различных типов аэрозолей являются их счетная концентрация и дисперсный состав аэрозолей [1]. Наиболее изученными являются аэрозольные частицы, размеры которых превышают 0,1 мкм. Что касается микродис-персной фракции аэрозоля, образующейся из газовой фазы и дающей начало всему аэрозольному процессу, то сведения о ее поведении в атмосфере неполны и противоречивы.

Аэрозоль играет ключевую роль в глобальном круговороте веществ в атмосфере. Формирование аэрозольного состава атмосферы происходит за счет источников естественного и антропогенного происхождения. Одним из самых мощных источников взвешенных частиц является почвенный аэрозоль, выносимый в атмосферу ветровыми потоками. Наиболее крупными источниками почвенного аэрозоля являются аридные территории земного шара. В целом натурные наблюдения за микрофизическими характеристиками аэрозоля и процессами их образования и вымывания из атмосферы представляют непосредственный интерес для изучения в силу небольшого количества подобных исследований в реальной атмосфере, необходимых для верификации аэрозольных моделей. Следует отметить, что обширные аридные территории Монголии, являющиеся источником пылевого аэрозоля, представляют определенный интерес для исследования закономерностей образования и трансформации микродисперсной фракции аэрозоля в атмосфере. При исследовании микроструктуры аэрозоля большое значение имеет исследование распределения размеров частиц, выносимых ветровыми потоками с поверхности почвы [2].

Методика измерений и климатическая характеристика региона исследований

Экспериментальные исследования содержания и распределения по размерам аэрозоля субмикронной фракции в атмосфере пустыни Гоби были проведены в рамках российско-монгольской экспедиции Института физического материаловедения СО РАН и Института метеорологии и гидрологии Монголии.

В августе 2009 г. проведены натурные наблюдения за микрофизическими характеристиками аэрозоля в атмосфере ст. Сайншанд с помощью диффузионного спектрометра аэрозолей (ДСА). Диффузионный спектрометр аэрозолей позволяет с высокой точностью в реальном режиме времени измерять концентрацию аэрозольных частиц в атмосфере, а также распределение их содержания по размерам в диапазоне от 1,6 до 400 нм для исследования процессов перехода «газ ‒ частица», коагуляции и фотохимического образования аэрозоля [3]. Пробы отбирались на высоте 2 м от поверхности земли.

Анализируя возможные источники поступления аэрозоля в атмосферу, необходимо принимать во внимание природно-климатические особенности региона пустыни Гоби, а именно высокий уровень солнечной радиации, слабое влияние океанических воздушных масс, скудную растительность, каменистую глинистую почву. Интенсивная инсоляция способствует усилению фотохимических процессов образования частиц нуклеационной моды в присутствии газов ‒ предшественников аэрозоля [4]. Однако бедная растительность пустыни Гоби исключает фотохимические образование аэрозоля за счет реакций с участием изопренов и монотерпенов, источником которых является флора. Также исключается влияние мощного источника – морского аэрозоля в силу удаленности и изолированности региона от Мирового океана. По данным исследований [3, 4], почва вносит половину массы всего аэрозоля в атмосферу незагрязненных территорий.

Большое значение для исследования микроструктуры аэрозоля имеет распределение размеров частиц, выносимых ветровыми потоками с поверхности почвы. Функция распределения по размерам частиц, содержащихся в почвах, лежит в широком интервале от 1 до 100 мкм, который зависит от типа гумуса [4]. Тем не менее в [3] сообщается, что максимум распределения частиц почвенного происхождения по размерам, как правило, находится в субмикронной области.

Результаты исследований

Значения счетных концентраций аэрозоля, измеренных в атмосфере аридных территорий Центральной Азии, соответствуют континентальному типу распределения частиц в сельской местности, где концентрация может возрастать до 104 см-3. Установлено, что содержание аэрозоля субмикронной фракции в атмосфере пустыни Гоби, удаленной от антропогенных источников и источников морского аэрозоля, низкое, в целом же средняя концентрация аэрозольных частиц не превышает 7,5*103 см-3.

Анализ функций распределения субмикронного аэрозоля по размерам выявил, что вариации содержания наиболее мелких фракций аэрозоля выражены значительно больше, чем крупные. Динамика среднесуточной концентрации аэрозольных частиц характеризовалась увеличением общей счетной концентрации частиц почти в 2 раза, до 7500 см-3 во время прохождения холодного фронта (14 августа 2009 г.). Нелинейный характер содержания частиц за данный период объясняется сложной синоптической обстановкой в пункте наблюдения, характеризовавшейся неустойчивой погодой: влиянием нескольких фронтов, частой сменой направления ветра, изменением метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.

Разнообразие погодных условий в период экспериментов в значительной степени определяет и вариации счетной концентрации частиц разных фракций в течение суток. Формирование частиц различных мод подчиняется разным закономерностям.

На рисунке 1 представлены результаты исследования суточной динамики микродис-персного аэрозоля в период экспериментов.

а

б

Рис. 1. Суточный ход общей счетной концентрации аэрозоля (август 2009 г., ст. Сайншанд, Монголия): а ‒ нуклеационной моды; б ‒ моды Айткена.

Вертикальные линии – среднеквадратическое отклонение

Для суточного хода общей счетной концентрации микродисперсного аэрозоля характерным является наличие явно выраженного ночного минимума. Положение максимума частиц нуклеационной моды (0,01

Снижение счетной концентрации частиц нуклеационной моды в дневные часы, по-види-мому, связано с усилением процессов коагуляции частиц данной фракции и перехода в диапазон частиц Айткена. В какой-то степени это подтверждают соответствующие данные суточного хода концентрации частиц Айткена (0,01

Суточный ход концентрации частиц Айткена (0,01 мкм

Проанализированы суточные вариации спектра распределения микродисперсных частиц для разных по погодным условиям дней. Выявлено, что мода Айткена в распределении частиц по спектру размеров присутствует в течение всех суток и частицы этой моды составляют основную долю в составе микродисперсного аэрозоля.

В распределении частиц по размерам в диапазоне 1,6–200 нм преобладают частицы субмикронной фракции (d<0,1 мкм) аэрозоля, что свидетельствует об образовании частиц данной фракции преимущественно за счет газофазных реакций. Доля частиц аккумуляционной моды

(d>0,1 мкм) меньше, чем доля частиц нуклеационной моды и моды Айткена, что свидетельствует о том, что процессы конденсации в образовании аэрозольных частиц играют меньшую роль по сравнению с газофазными реакциями.

Заключение

Установлено, что содержание аэрозоля субмикронной фракции в атмосфере пустыни Гоби, удаленной от антропогенных источников и источников морского аэрозоля, низкое, в целом же средняя концентрация аэрозольных частиц не превышает 104 см-3. Высокая неоднородность содержания частиц нуклеационной моды (d<100 нм) и одномодальный характер распределения аэрозольных частиц по размерам свидетельствуют о том, что основным механизмом образования аэрозоля являются процессы фотохимического образования и газофазных реакций.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 4.12, интеграционных проектов СО РАН № 14, 25 и гранта РФФИ № 13-05-92219-Монг_а.