Нуклеация-образование капель воды или кристаллов льда

Нуклеацией называют процесс, в ходе которого перенасыщенный водяной пар конденсируется на поверхности аэрозольных частиц с образованием капель воды или кристаллов льда. Для фоновых гигроскопичных аэрозолей нуклеация, возможно, является основным механизмом, приводящим к удалению частиц из атмосферы (Pruppacher, Klett, 1980; Twotney, 1977). С другой стороны, экспериментальные исследования пожаров показывают, что конденсация на частицах дыма, в особенности насыщенного сажей, а следовательно, и их вымывание идет менее эффективно.
В типичных конвективных облаках из-за обилия ядер конденсации перенасыщение водяного пара редко превосходит 1% (Pruppacher, Klett, 1980). Ядрами конденсации по определению называются те частицы, вокруг которых при перенасыщении, лежащем в пределах от долей процента до нескольких процентов, может образоваться капля воды. Теория утверждает, что чем сильнее конвекция, тем большее перенасыщение может быть достигнуто. В конвективной колонке пожара скорость подъема воздуха весьма велика, но велика и концентрация пыли, пепла и прочих продуктов сгорания. Поэтому из-за большого числа ядер конденсации перенасыщение может оставаться в обычных пределах.
В лесных пожарах, возможно, образуется очень много ядер конденсации. Иген и др. (Eagan et ai, 1974) наблюдали при таком пожаре образование 6-1010 ядер конденсации на 1 г горючего при перенасыщении 0,5%. Такая интенсивность процессов конденсации объясняется, возможно, химическим составом частиц дыма. По данным экспериментов частицы представляли собой смесь сложных органических веществ и малого количества элементарного углерода, или сажи. Другие наблюдения (Bigg, 1985) показали, что в лесных пожарах при перенасыщении, составляющем 1 и 0,25%, ядрами конденсации служат соответственно 5 и 0,5% частиц. Более того, доля активных частиц не уменьшалась со временем. Данные Игена и др. (Eagan et at., 1974) и Бигга (Bigg, 1985) в общем согласуются, если принять в соответствии с наблюдениями, что коэффициент генерации дыма равен 0,01, а средний размер частиц составляет 0,1 мкм.
Если предположить, что при сгорании целлюлозосодержа-щих материалов в городах на 1 г горючего будет образовываться 6-1010 ядер конденсации, то при реализации сценариев, приведенных в работах NRC, 1985, и Crutzen et at., 1984, может образоваться 4-Ю26 ядер, конденсация на которых будет происходить при перенасыщении 0,5%. По порядку эта величина совпадает с фоновым содержанием ядер конденсации во всей атмосфере (Pruppacher, Klett, 1980). Частицы сажи, вообще говоря, гидрофобны (т. е. не смачиваются водой), особенно сразу после образования (с течением времени частицы сажи из-за взаимодействия с другими аэрозолями покрываются слоем гигроскопических веществ). Наблюдения (Ogren, Charlson, 1984) показали, что в типичной для Западной Европы метеорологической обстановке в первые несколько дней после выброса сажа вымывается медленнее, чем сульфатные аэрозоли. Радке и др. (Radke et at., 1980а) измеряли количество ядер конденсации в насыщенном сажей дыме, образующемся при работе метеотрона. Было обнаружено, что концентрация ядер близка к фоновой (от 500 до 1200 см-3 при перенасыщениях, составляющих соответственно от 0,5 до 1%). В то же время концентрация частиц дыма превышала 104 см-3. Это означает, что доля частиц сажи, которые могут служить ядрами конденсации, очень мала. В настоящее время проводятся тщательно продуманные лабораторные эксперименты по исследованию свойств частиц сажи (Hallett, частное сообщение). В них также было обнаружено, что некоторые частицы сажи при перенасыщениях около 1% могут служить ядрами конденсации. Их доля в сравнении с общим количеством сажи обычно очень мала. Измерения производились как непосредственно после образования частиц, так и по прошествии определенного времени.
О процессах образования кристаллов льда на частицах дыма и сажи известно мало. По-видимому, образование льда на таких частицах идет неэффективно (Pruppacher, Klett, 1980). Сообщалось (Bigg, 1985), что в образцах воздуха, отобранных из конвективных колонок лесных пожаров, концентрация ядер, на которых образовывался лед, составляла 0,01 см~3 (это примерно в 100 раз больше фоновой концентрации, но, очевидно, во много раз меньше общей концентрации частиц дыма). Высокая концентрация ядер, на которых происходит образование льда, может повлиять на микрофизическую эволюцию сконденсировавшихся во время пожара облаков. Необходимы дополнительные исследования этого вопроса.
Скорость конденсации в дымовом облаке может увеличиваться за. счет различных
факторов. Конденсация на крупных агрегатах из частиц сажи или дыма может проходить более эффективна, чем на высокодисперсных ядрах (например, в ходе обсуждавшихся выше экспериментов). Изменение химического состава поверхности (например, образование слоя сульфатов при горении веществ, содержащих серу) также может приводить к более эффективной конденсации. Кроме того, за счет турбулентности в восходящем потоке воздуха могут возникать области значительного перенасыщения.
С другой стороны, в факелах сильных пожаров, которые характеризуются интенсивной конвекцией, частицы попадают в слой воздуха, где они могут служить ядрами конденсации, в течение времени порядка одной минуты. По-видимому, этого времени недостаточно для того, чтобы произошли заметные изменения химического состава частиц или агломерация. Более того, как уже отмечалось, высокий уровень перенасыщения в конвективной колонке может не достигаться из-за большого количества крупных частиц пепла, пыли и т. п., поднятых ветром.
Предположим, что количество частиц дыма имеет порядок 104—105 см-3, а конденсация произойдет на большей их части. При этом, возможно, образуется облако, состоящее из чрезвычайно мелких капель воды. Поскольку слияние мелких капель происходит менее эффективно (Twomey, 1977), маловероятно, что выпадут осадки. Тем не менее капли достаточно большого размера могут образовываться на сверхгигантских ядрах конденсации, поднятых ветром с поверхности Земли. Падая, эти капли могут захватывать более мелкие частицы дыма и сажи и вымывать их (Hobbs et at., 1984). Наиболее эффективно вымывание происходит, когда частицы дыма абсорбируют воду и достигают размера нескольких микрометров. Инерционная коагуляция таких частиц и больших капель воды происходит сравнительно эффективно, разумеется, при наличии достаточного числа сверхгигантских ядер конденсации, на которых могут сконденсироваться капли.
Данные наблюдений свидетельствуют, что число частиц, которые могут служить ядрами конденсации, весьма мало в сравнении с их общим количеством. Поэтому лишь небольшая часть дыма захватывается каплями воды. Другие процессы, приводящие к вымыванию большей части аэрозоля, обсуждаются ниже.