Поглощающие свойства сажевых агломератов

Средний размер сажевых агломератов, образующихся в пламени, имеет порядок десятых долей микрометра {Janzen, 1980; Borghesi et al, 1983). Если бы частицы представляли собой сферы такого диаметра, то можно было бы применить теорию Ми.  Максимум фактора интенсивности ослабления для этих частиц приходился бы на видимую часть спектра, а в инфракрасном диапазоне затухание было бы значительно меньше. В плотном дыме частицы могут образовывать агломераты, размеры которых сопоставимы с длиной волны инфракрасного излучения и даже больше нее. Снова применяя теорию Ми, получаем, что затухание в видимом диапазоне должно быть меньше, чем в инфракрасном. Теория Ми, однако, неприменима к агломератам частиц,, в частности к «пушинкам» или цепочечным структурам из сильно поглощающего вещества, такого как сажа. Хотя рассеяние излучения будет происходить почти так же, как и на сплошных частицах с теми же размерами, поглощение изменится очень-сильно. Это объясняется тем, что поглощение определяется не столько массой объекта, сколько площадью его поверхности. Так, для «пушинки» отношение площади поверхности к объему много больше, чем для сферической частицы эквивалентной массы. Благодаря этому поглощение солнечного излучения агломератом может сильно увеличиться, так как каждый сфероид, входящий в агломерат, поглощает радиацию независимо. Далее, площадь контактов между сфероидами весьма мала, поэтому поглощение излучения агломератами сфероидов происходит иначе, чем в случае компактных частиц, размеры которых много меньше длины волны падающего излучения.
Высказанные соображения до некоторой степени подтверждаются экспериментальными данными о поглощающих свойствах дыма, хотя и нуждаются в уточнении. Измерения удельного поглощения для сажевых агломератов, проведенные в лабораторных условиях (Janzen, 1980; Wolff, Klimisch, 1982; Jennings, Pinnick, 1980; Roessler, Faxvong, 1980; см. также работу Gerber, Hlndman, 1982, где подробно рассматриваются различные экспериментальные методики и содержатся данные о контрольных экспериментах), дают согласующиеся друг с другом результаты: удельное поглощение попадает в диапазон от 8 до 10 м2/г независимо от принятой методики измерения или размера агломерата. Это соответствует проведенному выше качественному описанию процессов поглощения. Ли (Lee, 1983) проделал множество измерений удельного поглощения различных углеродистых сажевых агломератов. Параллельно частицы фотографировались с помощью электронного микроскопа.
Результаты Ли показывают, что удельное поглощение не зависит от формы или размера агломератов до тех пор, пока они не становятся очень компактными, т. е. почти сплошными частицами. Даже в этом случае поглощение больше, чем у сплошной сферы того же размера. Результаты измерения спектрального пропускания (ОSullivan, Ghosh, 1973) неоднозначны. В экспериментах, посвященных исследованию коагуляции частиц, было обнаружено небольшое уменьшение оптической плотности дыма при Я = 0,5 мкм (по сравнению с ее значением для Я = 2,2 мкм) через 10 мин от начала процесса коагуляции. Если предположить, что при коагуляции образуются более крупные частицы и к ним применима теория Ми, то этот результат вполне соответствует ожиданиям. С другой стороны, в экспериментах по измерению оптической плотности дыма при различных концентрациях отношение коэффициентов пропускания для К = 0,5 и: 2,2 мкм оставалось неизменным, возможно, из-за того, что не успела произойти коагуляция частиц. Сделать какие-то выводы о зависимости величины поглощения от времени затруднительно, так как в этих экспериментах поглощение и рассеяние раздельно не измерялось. Подобным образом, результаты Бруса и Ричардсона (Bruce, Richardson, 1983) неубедительны. Последние авторы обнаружили, что удельное поглощение сажей излучения с Я = 10 мкм не зависит от наличия или отсутствия крупных агломератов и остается одним и тем же, т. е. поглощение на единицу массы для крупных агломератов имеет такую же величину, как для цепочечных структур небольшого размера. К сожалению, в этом эксперименте недостаточно точно контролировались концентрации крупных и мелких частиц. На основании данных электронной микроскопии авторы сделали вывод, что, возможно, масса крупных частиц была недостаточно велика, чтобы повлиять на отражательную способность экспериментальных образцов. Вероятно, этих частиц было недостаточно и для того, чтобы можно было зарегистрировать изменение величины поглощения.
Теоретические исследования задачи о взаимодействии сф