Поверхностное натяжение и нестабильность дождевых капель. Экспериментально изучалось влияние поверхностного натяжения на динамику больших капель воды в воздухе (диаметром до 9 мм). Поверхностно-активные органические фторпроизводные использовались для снижения поверхностного натяжения водяных капель. Размер, при котором капли разрушаются на мелкие фрагменты во время свободного падения, является функцией поверхностного натяжения, причем диаметр разрушающихся капель изменялся от 9 мм для чистой воды (72 дин/см) до 4.5 мм, когда поверхностное натяжение снижалось до 17 дин/см. Разрушение капель одинаковых по массе увеличивает время свободного падения по мере снижения поверхностного натяжения.

Коалесценция капель. На эффективность коалесценции водяных капель в воздухе влияет множество факторов. Среди них - скорость столкновения, угол атаки, поверхностное натяжение и присутствие пленок органического вещества.

Исследования влияния органических соединений на процессы соударения включают изучение столкновения мелких капель с плоской водной поверхностью или с большими висящими каплями. Так, катионные, анионные и неионные ПАВ образуют пленки на плоской водной поверхности, которые практически полностью ингибрируют коалесценцию капель радиусом 300 мкм. Эффективность коалесценции увеличивается по мере уменьшения поверхностного натяжения. Не установлено, что именно поверхностное натяжение, или заряд капли, или какой-либо другой параметр ответствен за повышение эффективности коалесценции.

Изменение погодных условий: полевые и лабораторные эксперименты. Полевыми экспериментами установлено, что динамика облаков может изменяться под влиянием органических веществ, которые вызывают неравномерность распределения капель по размерам и изменяют тепловую структуру внутри облаков.

Эксперименты, направленные на предупреждение возникновения тумана, были проделаны Биггом. Было установлено, что присутствие линейных молекул нормальных спиртов на периферии тумана замедляет скорость роста некоторых капель, приводя к более быстрому росту оставшихся капель. В таких нестабильных условиях должно происходить предотвращение возникновения плотного тумана. В полевых экспериментах использовался тонко-дисперсный аэрозоль смеси гексадеканола и октадеканола, который вводился в атмосферу долины, где предсказывалось появление тумана. Результаты, полученные в эксперименте, свидетельствовали о том, что в действительности предотвращение тумана имело место, но сказать с точностью, что это происходило под влиянием органических веществ, а не в результате естественных процессов, не представляется возможным.

Некоторые вопросы, касающиеся воэможного влияния органических пленок на процессы облакообразования, были разрешены после исследований, проведенных в камере объемом 600 м3 . Получаемый туман обрабатывается аэрозолями различных органических соединений, образующих мономолекулярные пленки на поверхности раздела капель. Туманы несколько раз подвергались медленному сжатию или расширению, чтобы капли равномерно покрывались поверхностными пленками и для обеспечения нуклеации на аэрозолях ПАВ, диспергированных в камере. Показатели видимости и распределения капель по размерам были получены в ходе эксперимента как для обработанных аэрозолями, так и для контролных туманов.

В результате этих экспериментов были получены следующие данные: 1-гексадеканол в значительной степени стабилизировал туман, благодаря замедлению скорости испарения как во время сжатия, так и при постоянном давлении. 1-гексадеканол является линейной молекулой, образующей плотный поверхностный слой, ингибирующий перенос молекул воды через поверхность раздела. Олеиновый спирт (9-октадецен-1-ол, цис-изомер) является нелинейной молекулой, образующей рыхлые поверхностные пленки, и, таким образом, не в состоянии в значительной степени изменять как скорость испарения капель, так и видимость в тумане.

Предложено много различных механизмов, объясняющих, каким образом органические поверхностно-активные вещества вызывают изменение динамики облаков, туманов и осадков. Капли могут расти более медленно, сопротивляться коалесценции, осциллировать, распадаться, испаряться медленнее или даже быстрее, чем чистая воды, и т. д.

Для того чтобы органическое вещество эффективно влияло на свойства поверхности раздела, оно должно обладать определенными особенностями химической структуры. Во-первых, это должно быть полярное соединение для достаточной адсорбции на границе раздела. Соединение должно иметь гидрофильную группу (обычно это кислородосодержащая функциональная группа, хотя в природе встречаются и азот-, фосфор- и серосодержащие функциональные группы), а также и гидрофобную часть (обычно углеводородная цепь). Во-вторых, баланс между гидрофобной и гидрофильной группой, а также степень ионизации молекулы в воде должны быть такими, чтобы органическое вещество было нерастворимо в воде и, следовательно, имело достаточное время жизни на поверхности раздела фаз. Конфигурация молекулы, определяемая ее химической структурой, влияет на физические свойства пленок, т. е. на характеристики текучести и газопроницаемости.

Относительная доля нейтральных, кислотной и основной фракции в атмосферном аэрозоле довольно постоянна для морских, континентальных и промышленных аэрозолей. Кислотная фракция содержит некоторое количество предельных кислот, которые могут влиять на процессы испарения или конденсации. Количество их колеблется в пределах 14-36% от общего органического вещества, зарегистрированного эфиром из собранных образцов. Соединения, идентифицированные в других фракциях, были либо неполярны, либо относительно велики, как, например, ароматические соединения, которые не способны к образованию стабильных, плотных пленок на поверхности воды.

Поэтому природные органические вещества в той концентрации, в которой они присутствуют в незагрязненной атмосфере, по-видимому, не должны в заметной степени влиять на процессы нуклеации, конденсационного роста, испарения капель в облаках, туманах и осадков.

Концентрация антропогенных органических соединений, так же как и возможности для формирования вторичных аэрозолей в загрязненной атмосфере, достаточно велики, и, следовательно, такую атмосферу можно рассматривать как систему, влияющую на протекание ряда физических климатообразующих процессов в нижних слоях атмосферы.

2. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ АЭРОЗОЛЯ

Анализ современного состояния теории климата, а также результатов работ, посвященных оценке роли аэрозольно-радиационых эффектов. Вместе с тем создание теории формирования глобального аэрозоля все еще остается делом будущего, что и определяет сложность задачи параметризации воздействия аэрозоля на климат. Разработка методик параметризации эффектов аэрозоля возможна лишь на основе получения значительно более полной информации о поле концентрации, микрофизических и оптических свойствах глобального аэрозоля.