Образование дыма

Дым образуется при сгорании органических соединений. Обычно различаются два вида горения: высокотемпературное горение, при котором образуется дым с высоким содержанием сажи, и тлеющее горение, которое происходит при более низких температурах и сопровождается выделением главным образом углеводородов. Для процессов распространения излучения в атмосфере более важен насыщенный сажей дым, так как он очень эффективно поглощает солнечный свет. С другой стороны, аэрозоли, формирующиеся при тлеющем горении, в большей степени рассеивают, нежели поглощают излучение. Температура пламени достаточно высока, поэтому органические молекулы разлагаются с образованием ионов и радикалов с высоким отношением С/Н. Высвобождающийся водород либо окисляется, либо рассеивается в атмосфере. Зародыши сажевых частиц конденсируются в виде гексагональных кристаллитов размером порядка 1—5 нм, которые по мере своего роста приобретают сфероидальную форму. Размер сфероидов лежит в пределах от нескольких десятков до 100 нм, а среднее отношение С/Н в них порядка 10:1. Если эти частицы выносятся из пламени, то в дальнейшем их окисления не происходит, так как для него требуются температуры более 1500 К (Gaydon, Wolf hard, 1970; Wagner, 1980). Вне пламени из сажевых сфероидов формируются цепочечные структуры, иногда всего из нескольких частиц, иногда «пушинки» размером до 100 мкм (Russell, 1979; Day et al, 1979; Bigg, 1985). Однако отношение площади поверхности к массе при увеличении размеров частиц остается примерно постоянным.
В реальных пожарах сгорание редко бывает полным, поэтому частицы дыма и сажи, выброшенные в атмосферу, содержат заметную долю несгоревшей органики. Сажа, таким образом, является сложной смесью аморфного элементарного углерода и тяжелых углеводородов. Как правило, чем выше содержание элементарного углерода в дыме, тем более черным он кажется.
Выход дыма (определяемый как масса дыма, образующегося на единицу массы горючего) и доля элементарного углерода в нем сильно зависят от вида топлива и режима горения. При сгорании дерева (например, горючих материалов в лесах и дерева, используемого в строительстве) образуется гораздо меньше элементарного углерода, чем при сгорании нефтепродуктов и пластмасс. При тлеющем горении температуры недостаточно высоки для пиролиза, поэтому в таком режиме горения элементарный углерод практически не образуется. В последующих разделах приведены оценки выхода дыма и образования элементарного углерода для различных горючих материалов.