4.6: Звідки беруться ядра конденсації хмар (CCN)?

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37920

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Тепер, коли ви знаєте все про газофазний склад атмосфери, настав час подивитися на його склад частинок. Нас цікавлять атмосферні частинки з кількох причин:

більш дрібні можуть потрапити в легені і викликати серйозні проблеми зі здоров'ям;
більш дрібні можуть поглинати або розсіювати сонячне світло, впливаючи тим самим на клімат;
деякі з них є хорошими ядрами конденсації хмар, які необхідні для утворення хмар.

Атмосферний аерозоль найбільш очевидний для нас в теплі муггі літні дні. У цих умовах є багато аерозольних частинок, і вони поглинають воду і набухають до розміру, який досить ефективний при розсіюванні сонячних променів. Наступний знімок був зроблений над Мерілендом на рейсі між аеропортом Вашингтона Даллеса та аеропортом Стейт-Коледж. Над ясною погодою купчасті хмари знаходиться блакитне небо у вільній тропосфері. Нижче хмар знаходиться атмосферний прикордонний шар, який наповнений аерозолем, добре перемішаним теплим вологим повітряним посилками, що піднімаються і перемішують прикордонний шар повітря. Серпанок настільки густий, що трохи важко розгледіти землю.

2019-08-14 12.30.00.png — Літній серпанок над Мерілендом. Кредит: Брюн W.

Атмосферні частинки надходять з багатьох різних джерел. Ядра хорошої конденсації хмар (CCN) повинні бути дрібними частинками, щоб вони не осідали занадто швидко, і повинні бути гідрофільними, а це означає, що вода може прилипати. Вони можуть бути як розчинними (тобто розчинними у воді), так і нерозчинними, але більшість з них розчинні.

Більшість частинок походять від викидів з поверхні Землі. Первинні аерозолі викидаються безпосередньо з джерела, хоча менші починаються як гарячі гази, які швидко конденсуються, утворюючи частинки ще до того, як вони покинуть димову трубу або вихлопну трубу. Вторинні аерозолі - це газоподібні викиди, які перетворюються в аерозольні частинки хімічними реакціями в атмосфері. Деякі з них стають CCN. Цей процес часто називають перетворенням газу в частинки. Більшість ССН є вторинними аерозолями.

Джерела бувають як природними, так і антропогенними (створеними людиною). Морський спрей, вулкани, ліси та лісові пожежі, а також перетворення газу в частинки природних газів, таких як діоксид сірки (SO ₂) та деякі природні ЛОС, такі як α-пінен (який надає запах сосни), є важливими природними джерелами частинок. Промисловість, електростанції, використання пожеж для очищення сільськогосподарських угідь, транспортування та перетворення антропогенних SO ₂ та численних інших викидів газу є важливими джерелами антропогенних частинок.

Зверніть увагу, що ми повинні звертати увагу не тільки на джерела аерозолю, але і на аерозольні раковини, як показано на схемі нижче.

2019-08-14 13.06.30.png — Атмосферні аерозольні джерела та раковини Джерела атмосферного аерозолю: лісові пожежі, надземний пил, континентальний аерозоль, вулкани, промисловість, автомобілі, вітрова ерозія та ресуспензія, реакції газ-частинки Джерела атмосферних фарб: очищення в хмарі (зародження, дифузія борніана, форез), випадання опадів (вплив, броунієва дифузія, форез) *Кредит: NOAA*

Різні джерела роблять частинки різного розміру. Типовий розподіл розмірів (тобто кількість частинок в обсязі повітря, побудованого як функція розміру) має нерівності в ньому, з більшою кількістю частинок в одних розмірах, ніж у інших, як показано на діаграмі нижче. Читання цих ударів говорить нам багато про те, як були зроблені частинки.

Режим зародження (для цього є й інші позначення) включає частинки, які виробляються шляхом перетворення газ-частинки. Пара з низькою летючістю - це той, який конденсується на частинках або інших поверхнях, коли його тиск пари перевищує низький тиск пари насичення. Така ситуація аналогічна воді.

Грубий режим включає частинки, виготовлені механічними процесами. Гідрофільні грубі частинки можуть бути CCN, але вони осідають досить швидко.

Частинки режиму накопичення зазвичай виробляються, коли частинки зародження стикаються і прилипають (називається коагуляцією) або коли гази накопичуються на частинці режиму зародження. Вони не осідають швидко і не згортаються, тому вони, як правило, зависають в атмосфері протягом декількох тижнів. Вони роблять досить непоганий CCN.

2019-08-14 13.07.42.png — Типові розподіли аерозолів за розмірами та їх джерелами та мийками. Частинки нуклеаційного діапазону швидко переростають у частинки діапазону накопичення, які повільно падають на землю і залишаються тиждень-два в атмосфері. Більші частинки, звані грубими частинками, падають на землю протягом декількох годин, а іноді і днів. Перетворення газів до частинок означає, що частинки починаються як гази, але перетворюються реакціями на липкі хімічні речовини, які утворюють частинки. Кредит: Брюн W.

PM2.5 - вторинні частинки від утворення газів до частинок

PM2.5 - це позначення розміру частинок, що означає «Частинка матерії менше 2,5 мкм в діаметрі». Іншим поширеним терміном є PM10, який є «частинками, меншими за 10 мкм в діаметрі». Частинки PM2.5 є найбільш важливими для здоров'я людини та клімату, і, у багатьох випадках, утворення хмар через їх довший термін служби в атмосфері.

Вторинні частинки починаються з викиду ЛОС або сполук сірки, які реагують в основному з ОН, щоб почати послідовність реакцій. Ці реакції, як правило, додають кисень до молекул, що хімічно робить їх більш липкими (з меншим тиском пари насичення) і більш розчинними у воді, що саме те, що потрібно, щоб зробити їх кращими ядрами конденсації хмар.

Для частинок, які починаються як газоподібні сполуки сірки, такі як діоксид сірки (SO ₂), послідовність реакції починається з OH, а продуктом реакції є сірчана кислота, сполука, яка має дуже низький тиск пари і дуже липка.

\[S O_{2}+O H \rightarrow \rightarrow H_{2} S O_{4}\]

Сірчана кислота легко вбирається в краплі хмар і краплі дощу, а потім може осідати на поверхні Землі, коли йде дощ. Хороша новина полягає в тому, що дощ очищає атмосферу. Погана новина полягає в тому, що дощ дуже кислий і заслужив назву «кислотний дощ» через його шкідливий вплив на ліси та будівлі, меморіали та статуї.

Якщо джерела сірки знаходяться над вітром області, частинки в цій області будуть містити деяку кількість сірки. Але майже всі атмосферні частинки також містять деякі органічні сполуки, а іноді частинки в основному складаються з вуглецевмісних органічних сполук. Деякі з цих органічних частинок є первинними, але більшість малих виробляються шляхом перетворення газу в частинки, що є лише простим способом сказати, що леткі органічні сполуки реагують в атмосфері з OH або O ₃, утворюючи менш леткі органічні сполуки, які стають аерозольними частинками. Хімічні речовини в цих частинках можуть продовжувати окислюватися, тим самим роблячи їх ще кращими CCN.

Ми можемо продемонструвати перетворення ЛОС в частинки, який часто викидається в атмосферу деревами. Ця сполука є лімонен, а також походить з апельсинів. У відео (4:47) нижче під назвою «Демонстрація перетворення газу в частинки» я буду використовувати апельсинову кірку, щоб продемонструвати цей ефект.

Демонстрація перетворення газу в частинки

Клацніть тут для стенограми відео про перетворення газу в частинки.: Сьогодні я покажу вам, як частинки можуть надходити з газів. Я маю тут штучну атмосферу, скляну банку. У мене є джерело світла, яке буде діяти як сонце, так ось сонце прямо тут. Я заставлю сонце. Сонце вимкнено прямо зараз. І тоді у мене є джерело газів, апельсин. Отже, дозвольте мені спочатку очистити апельсин. Давайте тут почистимо апельсин. Трохи апельсина. Зніміть трохи шкірки з апельсина. Гаразд, цього достатньо. Так що тепер у нас є деякі апельсинові кірки. Це дуже добре пахне. Отже, що я збираюся зробити, це взяти апельсинову шкірку і трохи стиснути її, і я збираюся скинути її в атмосферу. Стисніть ще трохи і киньте його в атмосферу. Тепер поставлю кришку на атмосферу. ГАРАЗД. Туди йдемо. Тепер ви бачите, що у мене тут апельсинова кірка, і є деякі гази, які дуже добре пахнуть, ці летючі органічні сполуки. Так що я відчуваю запах, і вони чудово пахнуть. І я покажу вам, що хоча я розмістив це там, у мене є джерело світла. Ось маленький лазер, просто лазерна указка, і ви бачите, що я світлю його там, і ви насправді не бачите жодних частинок взагалі тут. Так що загляньте сюди, і там немає частинок. Бачите, що? Відсутність частинок. Гаразд, тепер я збираюся увімкнути сонце, яке є чудовим ультрафіолетовим світлом тут. Так що я включу сонце, і ми просто збираємося трохи почекати. Так сонце увімкнено. Ви можете побачити його світиться тут і тут. І так що це робить, що виробляє багато і багато і багато OH, гідроксильного радикалу. Він також виробляє багато озону, і тому він робить те, що робить атмосфера, яка окислює леткі органічні сполуки, що надходять з апельсинової шкірки. Ці летючі органічні сполуки, одне з основних називається лімонен, який, звичайно, також є в лимоні та лаймах. І тому ми просто збираємося, щоб дозволити, що готувати трохи і нехай день йти на небагато. І тоді, що ми можемо зробити, це ми можемо побачити, якщо ми робимо якісь частинки. Так що дозвольте мені струсити його трохи, як є трохи вітру. Туди йдемо. Отже, тепер ви бачите, що у нас дуже яскраве світло від лампи. Це дійсно стало яскравим. І ми бачимо, що це робить багато. Підігрійте його ще трохи. Тепер ми просто взяти швидкий погляд і подивитися, якщо ми бачимо що-небудь. Таким чином, лазерне світло тут ми не можемо побачити нічого в атмосфері поза камерою, тому я його світлю. Зараз це б'є мою руку, як ви бачите тут. І немає ніякого роду розсіювання. Але я вимкнув світло зараз. Тепер ми сяємо це тут, і ми бачимо величезний промінь. І все це дрібні частинки, які ми створили, які зараз розсіюють це світло. Побачити можна побачити той дуже міцний промінь. І всі ці частинки походили з летючих органічних сполук, лімонен та інших, які вийшли з апельсинової шкірки, а потім окислювалися в атмосфері, щоб утворилися менш леткі сполуки, які мали нижчий тиск пари, а потім всі вони застрягли і зробили ці приємні маленькі частинки, які ви бачите тут. Отже, є демонстрація перетворення газу в частинки.