Влияние антропогенного загрязнения атмосферы сказывается, в частности, на появлении туманов при влажности менее 100%, что свидетельствует о наличии в урбанизированных районах активных ядер конденсации, в значительной степени понижающих парциальное давление насыщенного водяного пара. Установлено, что городские туманы намного плотнее, т. е. имеют повышенную концентрацию капель, и более устойчивы, чем туманы в условиях незагрязненной атмосферы. Это явление можно объяснить более высокой концентрацией ядер конденсации в городской атмосфере. Высокие концентрации ядер конденсации чаще обусловливают наличие капель меньших размеров, поскольку данное количество влаги должно быть в этом случае распределено по большому числу ядер. Мономолекулярные пленки органических веществ, покрывающих каплю, препятствуют конденсационному росту капель за счет столкновений друг с другом, что делает туманы в городской атмосфере колоидально устойчивыми .

1.2.2. ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВОДЫ В

ЗАГРЯЗНЕННОЙ АТМОСФЕРЕ

Особенности фазовых переходов воды в сильно загрязненной атмосфере урбанизированных районов имеют принципиальные отличия от микрофизических процессов, протекающих в незагрязненной атмосфере. Одной из причин, влияющих на фазовые переходы воды, является присутствие в городской атмосфере вторичных аэрозолей органического происхождения, для которых нельзя рассчитывать равновесное давление водяного пара на основании уравнения Рауля и необходимо учитывать целый ряд факторов (гидратационные эффекты, характер адсорбций примесей на поверхности аэрозоей и т. д.) [11]. Одним из важных результатов исследований работ Морачевского В. Г., Головиной Е. Г., Цветковой А. В. следует считать изучение эффекта понижения давления насыщенного пара над водными растворами органических соединений, вызванного общим усилением гидрофобных взаимодействий в растворах, причиной которых являются микроструктурные особенности воды. Установлено, что мономолекулярные пленки органических соединений способствуют возникновению сильных взаимодействий в поверхностном слое, что приводит к усилению конденсационного роста капель. Обнаружено также повышение температуры кристаллизации растворов органических соединений, вероятно, обусловленное нарушением условий теплообмена по поверхности вторичных аэрозолей.

Несмотря на то что органические вещества находятся в атмосфере в следовых количествах и состав их непостоянен, лабораторные исследования показывают, что при определенных условиях они могут играть важную роль в изменении процессов образования туманов, облаков и осадков.

Если органические вещества полярны, обладают поверхностной активностью и нелетучи, то они адсорбиурются на льдообразующих ядрах и облачных ядрах конденсации, а также на поверхности раздела фаз гидрометеоров. Такие соединения могут в значительной степени изменить атмосферные физико-химические процессы. Линейные парафиновые углеводороды (п-алканы) неохотно вступают в реакции окисления и в меньшей степени участвуют в поверхностных явлениях и процессах образования аэрозолей.

Реакционная способность углеводородов [2] в присутствии ультрафиолетовой радиации и окислителей возрастает в следующем порядке: н - парафины < разветвленные парафины < ароматические соединения < олефины.

В последнюю категорию углеводородов входит и крайне реакционноспособый класс терпеновых соединений.

Углеводороды, наоборот, играют незначительную роль в микрофизике облаков, поскольку они в своем большинстве являются неполярными соединениями и имеют малое сродство к воде.

С другой стороны, будучи окисленными или полимеризованными в результате фотокаталитических процессов, углеводороды превращаются в полярные частицы [2], имеющие большое сродство к границам раздела фаз. Однако эффективно влиять на процессы облакообразования могут лишь немногие органические соединения определенной химической структуры. так, например, замедление скорости роста и испарения капель поверхностной пленкой органического вещества эффективно лишь в случае строго линейной структуры сильнополярных жирных кислот, высших спиртов и эфиров.

Замедление скорости испарения капель. Ряд теоретических и прикладных работ был посвящен проблеме снижения испарения с плоской водной поверхности из-за образования поверхностных мономолекулярных пленок.

Известны исследования сопротивляемости монослоя из нормальных спиртов к переносу водяного пара через поверхность рвздела фаз. Для обеспечения наибольшего эффекта в целях образования плотной пленки, устойчивой к давлению в горизонтальной плоскости, монослой должен быть линейным, образующим физический барьер для переноса молекул воды. Это применимо и к каплям воды в атмосфере. Органическая пленка, адсорбированная на поверхности капли, должна иметь максимально плотную упаковку и строгую ориентацию молекул, пока капля испаряется, а ее поверхность сокращается .

Исследования испарения капель воды, покрытых монослоем, были ограничены опытами с нормальными спиртами (в особенности высшими спиртами), которые имеют неразветвленную структуру и обладают способностью образовывать необходимую структуру монослоя при поверхностном сжатии в капле. Это свойство поверхностных пленок рассматривается некоторыми исследователями как одно из подтверждений гипотезы о стабилизации морских туманов и дымок поверхностно-активными органическими веществами посредством образования тонких пленок на поверхности капель.

Интенсивное введение некоторых пленкообразующих соединений в туманы и облака может привести к заметным изменениям микроклимата. Исследования скорости испарения капель, загрязненных выхлопными газами бензинового двигателя, показало, что скорость испарения капель снижается до тех пор, пока при некотором конечном радиусе полностью не прекращалось.

Формирование ядер кристаллизации. Химическая природа ядер кристаллизации, характеризуемая типом химических связей на их поверхности, влияет на удельную свободную энергию границы раздела фаз. В силу того что решетка льда скреплена водородными связями, ядра кристаллизации должны иметь на поверхности Н-связи с той же степенью прочности и, следовательно, полярностью, что и между молекулами воды во льду. Важно при этом чтобы молекулы, образующие на поверхности ядер кристаллизации водородные связи, имели вращательную симметрию. Несимметричные молекулы стремятся направить свои активные водородные группы внутрь для достижиния минимальной свободной энергии образующегося кристалла, а молекулы с вращательной симметрией направляют свои Н-связывающие группы к поверхности. Поэтому некоторые органические молекулы, имеющие вращательную симметрию, могут являться высокоэффективными ядрами конденсации.

Замедление конденсации. Конденсационный рост капель в значительной степени может замедляться, когда капли покрыты мономолекулярной пленкой из неразветвленных спиртов. Возможно это объясняет улучшение видимости в естественных туманах при искусственном влиянии на конденсационный рост капель. В этом случае добавочное давление водяного пара будет приложено к молекулам, не имеющим мономолекулярной пленки, и чистые капли будут расти быстрее, что приведет к более быстрому их выпадению и улучшению видимости. Адсорбированные пленки из предельных спиртов снижают конденсацию гигроскопических чстиц из NaCl и NH4Cl при влажности 100-100.7%. В то же время несмотря на снижение скорости испарения капель пленкой неразветвленных алкильных соединений, влияние на скорость конденсации капель 5% NaCl не наблюдается.