Поглощение и рассеяние света частицами дыма

Все предыдущее рассмотрение относилось лишь к однородным частицам. В пожарах, однако, образуются частицы, состоящие из веществ с различными оптическими свойствами. Для определения оптических свойств композитных частиц было предложено несколько подходов. Простейший из них состоит в следующем: предполагается, что оптические свойства композита представляют собой взвешенное среднее оптических свойств компонентов, причем вес определяется массой частиц. Применительно к дыму такой подход выглядит особенно привлекательным, так как можно ожидать, что дым состоит из аморфного элементарного углерода, обусловливающего поглощение, и всех остальных веществ, которые только рассеивают излучение. (Если взять взвешенное среднее показателей преломления различных компонентов и вычислить по нему удельное поглощение смеси, то получится другой результат. С высокой степенью уверенности можно утверждать, что для смеси сильно- и слабопоглощающих веществ такой подход является некорректным.)
Как отмечалось выше, характерная величина удельного поглощения для элементарного углерода имеет порядок 10 м2/г_ В ряде работ (например, Waggoner et ai, 1981; Tangren, 1982) принималось, что величина удельного рассеяния ss на субмикронных частицах в диапазоне длин волн от 0,5 до 0,6 мкм составляет 3,5 м2/г. Таким образом, удельное рассеяние и поглощение можно аппроксимировать выражениями
ss=3,5 м2/г дыма, 
sa = 10 fес м2/г дыма, 
где fеc — массовая доля элементарного углерода. Если задана полная масса дыма, выброшенного в атмосферу, массовая доля элементарного углерода и площадь территории, закрытой дымом, то при помощи выражений,  можно вычислить оптическую толщину дыма и коэффициент ослабления солнечного излучения, падающего на верхнюю границу дымового облака.
Выражения  аппроксимируют экспериментальные данные, полученные главным образом для субмикронных аэрозолей. Экспериментальные данные, относящиеся к лесным пожарам (например, Radke et at, 1978; Tangren, 1982; Vines et ai, 1971; Patterson, McMahon, 1984), к небольшим факелам пламени в лабораторных условиях (например, Bankston et at., 1981) и к факелам мощных (1000 МВт) искусственных источников тепла (Radke et at., 1980а), показывают, что во всех случаях в основном образуются частицы дыма размером меньше 1 мкм. Сообщалось, однако, и о наличии крупных частиц в дымовых факелах. Недавно Хоббс и др, (Hobbs et ai, 1984) обнаружили, что в дыме, образующемся при контролируемом сжигании лесных материалов, значительную долю по массе составляют частицы радиусом более 1 мкм. Однако максимальную величину имела концентрация частиц радиусом 0,1 мкм. Данные наблюдений, свидетельствующие об образовании крупных частиц дыма в лесных пожарах, приводятся также в работе Бигга (Bigg, 1985). Крупные сажевые агломераты могут образовываться при горении разлившейся нефти (Day et ai, 1979); они наблюдались также в дыме городских пожаров (Russel, 1979). Во время горения полимеров могут образовываться большие (больше 1 мкм) разветвленные сажевые структуры (Wotley, Snell, частное сообщение). Как обсуждалось в предыдущем разделе, соотношение может оказаться применимым и в этом случае к состоящим практически из одной сажи агломератам, если отношение площади поверхности этих частиц к их объему велико. Применимость выражения (3.3а) для частиц, размером более 1 мкм установлена менее надежно.
Оптические свойства однородных и композитных частиц отличаются друг от друга, хотя причины различия до конца не ясны. Частицы дыма могут состоять из твердого ядра, покрытого пленкой нефти или воды (последнее типично для дыма, образующегося при сгорании дерева). Силы поверхностного натяжения, вероятно, могут сжать «пушинку» в более компактную частицу примерно сферической формы. Вычисления показывают, что удельное поглощение на единицу массы ядра композитной частицы, состоящей из поглощающего ядра и непоглощающей концентрической оболочки, по сравнению с гомогенной частицей возрастает в 2—3 раза; величина отношения зависит от относительных размеров ядра и оболочки (Ackerman, Toon, 1981). Возможно также, что агломерат распадется на составляющие его сфероиды, которые более или менее равномерно распределятся в слабопоглощающей жидкости. Расчеты показывают, что в этом случае происходит еще более значительное увеличение удельного поглощения. (Chylek et al., 1984). ,
Не вполне ясно, какая из этих моделей корректна как на ранних стадиях эволюции дыма (в дымовом факе