В научной литературе обычно не разделяют естественные и антропогенные почвенные аэрозоли, поскольку они мало отличаются по своим физико-химическим свойствам. Определенный интерес аэрозоли этого типа могут иметь, если они выбрасываются в большом количестве на большую высоту, что может заметно увеличить их вклад в радиационные атмосферные процессы по сравнению с вкладом естественных аэрозолей, и если они имеют в своем составе химически активные соединения. Например, цементная пыль, содержащая Al2O3 является эффективным катализатором реакций разрушения озона, а также может служить в качестве центров кристализации [11].

Однако как радиационный климатообразующий фактор наибольшее значение имеет антропогенный аэрозоль, образующийся из различных продуктов сгорания. К ним в первую очередь относятся сажевые, сернокислотные и сульфатные частицы, а также частицы, образующиеся из органических веществ [1,6]. Кроме того, при процессах горения в атмосферу выбрасывается большое количество соединений тяжелых металлов, которые обладают высокими токсичными свойствами и являются очень эффективными катализаторами атмосферных реакций окисления. Важным фактом для этих процессов аэрозолеобразования является относительно большая высота выброса значительной доли частиц в атмосферу (Z>=500 м), что при малых размерах частиц (r<=1 мкм) приводит к большому времени жизни их в атмосфере. В результате аэрозольные частицы перемещаются на значительное расстояние, в том числе в те регионы, в которых концентрация естественного аэрозоля низка, А процессы вымывания частиц из атмосферы ослаблены. К таким регионам, в частности, относится Африка . Присутствие в атмосфере поглощающих аэрозольных частиц может существенно изменить радиационный баланс системы Земля-атмосфера при наличии сплошного снежного покрова .

1.1.1. САЖА

Сажевые частицы образуются при неполном сгорании различных топлив. Так как парциальное давление насыщения углерода очень низкое, то образование частиц может происходить даже при небольших концентрациях элементарного углерода и недоокислившихся углнводородов. Поэтому диапазон размеров сажевых частиц очень широк. Значительная часть сажи конденсируется на уже присутствующих в воздухе частицах, образуя, по терминалогии Г. В. Розенберга, покровную фазу аэрозолей. Если учесть, что массовая концентрация сажи в приземном слое в промышленно развитых районах составляет от 5 до 20 - 30 мкг/м3, то становится очевидна важная роль сажи в радиационных процессах в атмосфере промышленных центров. В ряде работ рассматривалась каталитическая и фотокаталитическая активность частиц, содержащих сажу. В основном она обусловлена присутствием в таких частицах тяжелых металлов и свободных радикалов. Это обстоятельство может иметь важное климотологическое значение при выбросах продуктов сгорания на высоту озонового слоя, так как приведет к резкому уменьшению концентрации озона [2].

Основным механизмом возникновения как природных, так и антропогенных сажевых частиц является пиролиз в газовой или конденсированной фазе углеродсодержащих материалов [2,5]. Микрофизические характеристики продуцируемых при этом частиц зависят от специфики источника. Так, частицы, образующиеся при сгорании нефти, имеют кораллоподобную структуру и эффективную форму – сферическую; пиро--лиз каменного угля генерирует частицы в виде сфер, внутри которых заключены в большом количестве сферы меньших размеров, хаотически расположенные под внешней оболочкой.

На характер образующихся частиц сажи большое влияние оказы-вает способ сжигания. При медленном, тлеющем горении образуются крупные, хлопьеобразные частицы ( поскольку при этом велика вероят-ность коагуляционного роста мелких, “эмбрионных” частиц). В случае быстрого горения образуются в основном мелкие частицы с r<=0.1 мкм. Сильное воздействие на микроструктуру частиц сажи оказывают также и характеристики среды, в которую они выбрасываются.

Первоначально образующиеся частицы имеют радиус 0.01-0.1 мкм. В результате коагуляции эти “эмбрионные” частицы быстро рекомбинируют, поэтому атмосферное время жизни “эмбрионных” частиц должно быть достаточно мало (менее нескольких суток).

Частицы с r>3 мкм образуются в особо благоприятных условиях коагуляции и благодаря турбулентно обусловленному “механическому” подъему крупных частиц. Эти частицы довольно быстро выводятся из атмосферы гравитационной сидиментацией.

Частицы же с r=0.1-3 мкм (аккумулятивная мода) могут иметь достаточно большое время жизни в атмосфере, ограничиваемое сверху эффективностью механизмов стока [5]: 1 неделя в нижней тропосфере (до высоты 1.5 км), 1 – в верхней тропосфере и более года в стратосфере.

При оценке времени жизни частиц аккумулятивной моды сажи важен вопрс о внешнем и внутреннем смешивании частиц аэрозоля. При внешнем смешивании происходит укрупнение аэрозоля за счет рекомбинации однородных частиц элементного углерода (“молодого”). При внутреннем смешивании элементный углерод оказывается в физическом контакте с аэрозольными частицами другого химического состава (“состарившиеся” частицы). Внешнее смешивание приводит к образованию гидрофобного аэрозоля, тогда как внутреннее смешивание, - как правило, - к образованию гигроскопических частиц. В результате механизмы вымывания этих двух видов укрупненного аэрозоля оказываются принципиально различными. Электронно-микроскопические исследования частиц сажи показывают, что “эмбрионные” частицы имеют, как правило, довольно регулярную сферическую форму; часто это агломераты в виде цепочек и скоплений. Удельная поверхность для них составляет около 1000 м2/г.

В зависимости от характера горючего материала, условий протекания пиролиза и свойств среды, в которую поступают частицы сажи, поверхность последних может быть покрыта адсорбированными веществами. Часто это гидрофобные, несгоревшие полностью углеводороды. Однако покрытие может оказаться и гигроскопичным (за счет адсорбции атмосферных газов, склонных к образованию водородных и координационных связей). В чистом виде сажа абсолютно инертна при обычной температуре. Это гидрофобное нерастворимое вещество (она может быть окислена примерно при 6000С или в атмосфере F2, однако в реальной атмосфере такие условия не встречаются). Элементный углерод способен реагировать с радикалами, что существенно с точки зрения протекания химических реакций в загрязненной атмосфере. В частности, наблюдается каталитическая активность сажи в реакциях окисления атмосферного SO2 [5]. Последние могут происходить по двум механизмам: по “сухому” (в присутствии воды) и “мокрому”, когда сажевая частица покрыта водной пленкой. “Мокрый” механизм более эффективен, чем “сухой”.

Распределение по размерам сажевых частиц зависит не только от свойств горючего материала, но и от способа его пиролиза и характеристик окружающей среды, в которую они выбрасываются. При параметризации микроструктуры частиц от городских и лесных пожаров логнормальным распределением rm=0.1 мкм, s =2.0 для города, rm=0.05, s =2.0 - для лесного пожара. При пиролизе пропана получено трехмодальное распределение по размерам, где r 1m»5*10-3 мкм, r11m»5*10-2 мкм, r111m»0.3-0.4 мкм. Представление аккумулятивной моды в виде степенной зависимости дается следующими показателями степени: g = 4.9 ( r<0.25 мкм), g =4.6 (r<=0.35 мкм), g =5.1-5.2 (r>0.4 мкм).