Физические механизмы и экологические проблемы загрязнения атмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями (1097952), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Фотографии одной и той же частицы грунтаразмером более 100 мкм в масштабе 100, 10 и 1 мкм.Причина состоит в том, что в агрегатных частицах аридного аэрозолясодержится значительное (даже по массе) количество тонкодисперсногоаэрозоля. В аридных ландшафтах ночью из-за высокой влажности происходитслипание более крупных частиц с мелкими и образование агрегатных частицразмером 80-150 мкм, днем же при высоких температурах воздуха поверхностьземли нагревается, в приземном слое образуется значительный температурныйградиент. При этом происходит дегидратация агрегатных частиц с выделениемтонкодисперсных частиц (0.01-0.5 мкм). Анализ полученных данных показывает,что интенсивность выноса почвенных частиц в атмосферу прямо зависит отпогодных условий.
Как только устанавливается жаркая погодная ситуация даже29накороткийсрок(несколькодесятковминут)начинаетсявыностонкодисперсного аэрозоля. При этом возникают микроинверсионные слои, иконцентрация частиц под ними начинает расти с высотой. Однако, приизменении этой ситуации вследствие появления облачности или других явлений,снижающих нагрев почвы, вынос резко уменьшается.Из литературы известно, что вынос аэрозоля из вновь опустыненныхрегионов в несколько раз превышает вынос из “старых” пустынь, хотя сколичественной стороны мощность таких источников аридного аэрозоля иинтенсивность выноса такого аэрозоля пока недостаточно изучены.
Различие вколичестве выносимого тонкодисперсного аэрозоля между новыми и старымипустыннымирегионамипредшествующих(размеромобъясняетсяисследований150-200мкм)установленнымразличнымчастицах,извсодержаниемкоторыхходевсостоятнашихагрегатныхпустыни,тонкодисперсного аэрозоля. Так, например, в песках Калмыкии и Приаральясодержится (по массе) до 10% тонкодисперсного аэрозоля размером до 5 мкм, ав песках Дубая в 3-4 раза меньше.Согласно данным наших исследований установлено, что вынос аэрозоляосуществляется при различных типах конвективных процессов: от небольшихвихрей и термиков до колонн или столбов больших размеров высотой до 2 км ипродолжительного времени жизни, возникающих в безветренную погоду надтермически и рельефно неоднородной барханного типа пустыней в сухуюжаркую погоду. Интенсивность эмиссии зависит от характеристик ландшафта ипограничного слоя.
Экспедиционные исследования показали, что в отсутствиепыльныхбурьнаиболеесущественноезначениедлявыносаимеютконвективные и вихревые структуры в неустойчивом пограничном слое, потокиу неровностей. Впервые установлено, что в сухую жаркую погоду надпесчаными барханными ‘блюдцами‘ на высоте 1-2 м возникают микроинверсиитемпературы и влажности. По нашим наблюдениям, этот процесс происходитпри температурах воздуха выше 25°С и относительной влажности <40%. Приэтом градиент температуры в нижнем (5 см) слое достигает в отсутствие30внешнеговетра200-500К/м,т.е.возникаетсильнонеустойчивыйприповерхностный пограничный слой.
В ходе наших исследований впервыеособое внимание уделялось изучению механизмов выноса тонкодисперсного(<400 нм) аэрозоля. В результате наших исследований была выдвинута иобоснована гипотеза о структуре пограничного слоя атмосферы в аридныхрегионах и впервые было установлено, что механизмы подъёма субмикронногоаэрозоля размером менее 400 нм, и более крупного аэрозоля, различны.Рис. Структура атмосферного пограничного слоя в пустынных регионахРис.
9. Вихрь высотой около 20 м (сверху);пылевые столбы (в середине), которые вдальнейшем образуют аэрозольные «пузыри»,поднимающиеся в верхнюю часть АПС (внизу).Согласно нашим исследованиям, при дегидратации агрегатных частиц,состоящих из частиц размером 80−150 мкм, выделяется тонкодисперсныйаэрозоль. Эти тонкодисперсные частицы (10−400 нм) вначале скапливаются вприповерхностномслое,азатемзасчетсильноготемпературного(вертикального и горизонтального) градиента проходят сквозь вязкий подслой и31в виде вихрей или просто конвективных потоков поднимаются в верхнюю частьпограничного слоя атмосферы, где образуют аэрозольные облака, которыепереносятся на дальние расстояния. В ходе экспедиционных исследованийнаблюдались различные структуры: движущиеся вихри с высотой в несколькодесятков метров (при средней скорости ветра 4−8 м/сек), практическинеподвижные колонны с высотой более 100 м и временем жизни 10−20 мин.(при слабом ветре). Указанные структуры регистрировались только при слабомветре (до 4 м/сек).Лидарныеизмеренияпоказалисуществованиеразличныхструктураэрозольных облаков: с ясно выраженной стратификацией и без нее.
Былизафиксированыразличныестадииразвитияпылевыхвыносов:подынверсионные аэрозольные слои и пылевые столбы в области выноса.Обнаружено существование тонких аэрозольных слоев (около 100 м) сотносительно высокой концентрацией.Пространственная структура распределения аэрозоля в пограничномслое.слое. Лидарные измерения с борта самолёта на высоте 1 км в Калмыкии.Калмыкии.Рис. 10.Измерения в нижней части пылевых столбов на высоте 0,5−1 м показали,что температура воздуха в столбе превышает температуру окружающего воздухана 1−2°С и на больших высотах практически сравнивается с температуройокружающего воздуха Получена база данных, включающая значения массовойконцентрации частиц и распределения частиц аэрозоля по размерам в атмосферена трех высотах 0,5 м, 1 м и 2 м, а также значения скорости ветра, температуры и32относительной влажности воздуха.
При анализе обработанных данныхэкспериментальных натурных и лабораторных исследований механизмоввыноса и переноса частиц в атмосферу установлено, что существуют несколькомеханизмовпоступлениятонкодисперсныхчастицватмосферуизприповерхностных горизонтов пустынных почв в зависимости как от погодныхусловий, так и от размеров частиц. Также установлено, что возникновениепылевых столбов в пустыне при слабом ветре (не более 1−2 м/с) в солнечнуюпогоду происходит при генерации потока мелких частиц с диаметром порядка0,05−0,4 мкм с поверхности песчаного грунта. Механизм выноса аэрозолей,характерный для песчаных бурь, здесь не действует, поскольку он связан сналичием отрывных течений в пограничном слое, и для его проявлениянеобходимо, чтобы скорость ветра была порядка десяти метров в секунду.Приповерхностный слой атмосферы в аридных районах в жаркую сухую погодуобычно характеризуется сильным градиентом температуры (как показываютизмерения в Калмыкии, его величина может превышать 10 K/см), что создаетусловия для преодоления частицами тонкодисперсного аэрозоля вязкогоподслоя.
Поэтому этот фактор, вероятно, является одной из основных причин,способствующих эмиссии тонкодисперсного аэрозоля в атмосферу при слабомветре.Входенашихисследованийбылаисследованазависимостьраспределения концентрации аэрозоля по высоте от термической стратификациипограничного слоя. При устойчивой стратификации, (когда потенциальнаятемпература повышается, в то время как энергия турбулентности уменьшается свысотой), концентрация в целом экспоненциально падает по высоте. Принеустойчивой стратификации наблюдались кратковременные явления ростаконцентрации аэрозоля с высотой, связанные, по-видимому, с микроинверсиямитемпературы и влажности. При конвекции концентрации пыли стремится кконстанте.
Конвекция зарождается в неустойчиво стратифицированном слое,образующемся у поверхности земли при нагреве ее солнечным излучением, иявляется механизмом, с помощью которого потенциальная энергия этого слояпереходит в кинетическую энергию вертикальных и горизонтальных движений.33Начальными импульсами для развития конвекции служат микромасштабныевозмущения, всегда присутствующие в приземном слое. При неустойчивойстратификации эти возмущения быстро вырастают до размеров крупных вихрей,называемых термиками. Под действием сил плавучести термики приобретаютзначительные скорости подъема и могут проникать в расположенный вышеустойчивый слой.
Рассматриваемая конвекция является одной из формтермической турбулентности и имеет широкий спектр размеров турбулентныхвихрей. Проявлением такой конвекции в атмосфере являются облака "хорошейпогоды".Конвекция является важным фактором тепло- и массопереноса в атмосфере,и способна поднять большое количество соли и пыли в верхние слои атмосферы.10y = 0.09x + 2.35C, мкг/мкг/м38y = 0.07x + 3.096y = 0.09x + 1.89y = 0.04x + 1.544y = 0.05x + 0.9920.5 м до 2 мкм2 м до 2 мкм2,5 м до 2 мкм0.5 м до 2 мкм2 м до 2 мкм02030405060T0, °C70Зависимость концентрации аэрозоля в воздухе от температурыповерхности по измерениям в пустыне 2002 и 2004 гг.гг.Рис. 11.Проведеннаясистематизацияэкспедиционныхисследованийикорреляционный анализ результатов измерений позволяют выделить триразличныеситуации,характеризующихкорреляционныесвязимеждумассовыми концентрациями частиц различных фракций, а именно: ветровойвынос,термоконвективныйвыносипромежуточноесостояние,когдаприсутствуют элементы как ветрового, так и конвективного выноса.На основании анализа результатов экспедиционных измерений потока34выносатонкодисперсногопустынногоаэрозолядляслучаевтермоконвективного выноса при слабом ветре и жаркой погоде можноустановить следующие закономерности.
В предположении, что механизмперемешивания воздуха в приповерхностном слое при большом вертикальномградиентетемпературы(температураповерхности50−60градусов,относительная влажность 20−30%, ветер 2−3 м/с) практически не отличается отмеханизма свободной конвекции, автором предложена эмпирическая формуладля оценки потока выноса тонкодисперсного (меньше 0,4 мкм) пустынногоаэрозоля с использованием формул для турбулентного потока тепла q икоэффициента обменаKq = 0,14 H1/2 |∆T|3/2 кал/см2 мин,K (H) = 0,13 H3/2 |∆T|1/21F = k 0 (∆T ) 2м2/сdCпри φ0 < 0,3 и η ≤ 2, гдеdzF – поток выноса тонкодисперсного аэрозоля,k0 = 0,0325 м2/(K1/2*c),φ0 – относительная влажность воздуха на высоте 1,5 м в долях от 1,T – температура воздуха (на 0,5 и 2 м),С – концентрация аэрозоля <2 мкм (на высотах 0,5 и 2,5 м),η - облачность в баллах.Или приближённо1F ≈ k0 (∆T ) 2dC dTdT dzи при dT = 15 K, dz = 0,5 м, dC/dT = 0,07 мкг/K, k0 = 0,0325 м2/(K1/2*c),получаем количественную оценку потока выноса тонкодисперсного аридногоаэрозоля: F ~ 0,3 мкг/(м2*с) для вертикального потока массы частиц с аридныхучастков поверхности.
Заметим, что в численных моделях, учитывающих выносаридного аэрозоля из пустынь, при обычно используемых формулах:u* учитывается, когда она больше 0,4 м/с.Вынос тонкодисперсного аридного аэрозоля растёт пропорционально росту35температуры поверхности: C = k * T*, где С – концентрация тонкодисперсногоаэрозоля, T* - температура поверхности, k – коэффициент.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
