Кто вы, мистер Аэрозоль?

Каждый раз, когда мы делаем вдох, в лёгкие попадает не только кислород и азот. Вместе с воздухом мы вдыхаем невидимый коктейль микроскопических частиц. Они влияют на наше здоровье, окрашивают закаты, помогают рождаться облакам и медленно, но верно формируют климат будущего. Их миллиарды в каждом кубометре

Знакомьтесь — атмосферный аэрозоль. Если бы у воздуха был свой скрытый персонаж, тот самый второстепенный герой, без которого не случается ни один сюжет, это был бы он.

В этой статье мы разберёмся, что это за частицы, откуда они берутся, чем природные отличаются от тех, что создаёт человек, как они распределены по размерам и высоте и почему без них невозможно понять ни погоду, ни климат.

О себе и канале «Иду на грозу: экспедиции, наука и жизнь» я рассказала вот здесь, в рубрике «Наука на коленках» делюсь личными историями о работе на морских судах и на борту самолёта-лаборатории, а это введение в рубрику «Кто вы, мистер Аэрозоль?".

Что такое аэрозоль? Не просто «пылинки»

Атмосфера — это не пустое пространство, а гигантский, вечно бурлящий коктейль. Основу его составляют азот и кислород, а «градус» тепла поддерживают парниковые газы. Но есть в этом составе и нечто осязаемое. Между молекул газов постоянно кружат миллиарды микроскопических частиц, твердых пылинок и капель жидкости. Ученые называют их атмосферным аэрозолем, и именно они превращают воздух из простого набора газов в сложную живую систему.

С научной точки зрения, атмосферный аэрозоль — это мельчайшие твёрдые или жидкие частицы, устойчиво взвешенные в воздухе. В отличие от домашней пыли, которая быстро оседает на мебель, атмосферный аэрозоль может «парить» в воздухе дни и недели, а иногда и месяцы, путешествуя между континентами.

Что мы вдыхаем вместе с воздухом: пыльца и споры под электронным микроскопом. На снимках, сделанных электронным микроскоп, видны: (а) амброзия; (b) вьюнок; (с) растение из семейства астровых; (d) посевной каштан; (e) лилия; (f) спора гриба-головни. Фото: из книги Tomasi C., Lupi A. Primary and Secondary Sources of Atmospheric Aerosol

Размер этих частиц варьируется от нескольких нанометров (в тысячи раз тоньше человеческого волоса) до сотен микрон. Человеческий глаз способен разглядеть частицы размером 40 микрон и более. Несмотря на микроскопичность, они — оптически активные игроки: рассеивают и поглощают свет от ультрафиолета до инфракрасного диапазона. Небо было бы другим, закаты менее драматичными, а радиационный баланс планеты совсем иным, если бы не эти невидимые частицы.

Толщина человеческого волоса в сравнении с аэрозольными частицами

Два пути рождения: первичные и вторичные аэрозоли

Прежде чем разбираться с конкретными источниками, важно понять главное: аэрозоли появляются в атмосфере двумя принципиально разными способами.

Представьте строительную площадку. Можно привозить уже готовые элементы (блоки, панели, арматуру) и сразу монтировать их. Это один путь. А можно завозить сырьё (песок, цемент, воду, химические добавки) и прямо на площадке, в процессе смешивания и реакции с окружающей средой, из них постепенно «выращивать» новые конструкции. Это другой путь.

В мире аэрозолей работает то же самое:

• Первичные аэрозоли — частицы, которые попадают в атмосферу уже в твёрдом или жидком виде. Это пыль, поднятая ветром, морская соль, вулканический пепел, сажа из труб и выхлопных систем. Грубо говоря, природа или человек «выбрасывают» готовые частички прямо в воздух.
• Вторичные аэрозоли — частицы, которые рождаются прямо в атмосфере. Газовые молекулы (например, диоксид серы, оксиды азота или летучие органические соединения) вступают в химические и фотохимические реакции и превращаются в твёрдые или жидкие частицы. Так появляются сульфаты, нитраты и вторичные органические аэрозоли.

Вторичные аэрозоли — важнейшая часть атмосферного коктейля: по массе они могут составлять до половины всего аэрозольного вещества в воздухе.

Природные источники: как работает природа

Большая часть аэрозолей появляется без нашего участия. Вот основные природные «фабрики» частиц.

1. Моря и океаны: солёное дыхание планеты

Поверхность морей и океанов — один из мощнейших первичных источников аэрозоля. Частицы морской соли рождаются двумя главными механизмами:

• когда ветер сдувает брызги с гребней разбивающихся волн;
• когда лопаются пузырьки на поверхности воды, выбрасывая наверх микроскопические капли.

Этапы образования морских аэрозолей при разрыве пузырька воздуха на поверхности воды: (a–c) Пузырек воздуха всплывает на поверхность, и его тончайшая стенка начинает лопаться. (d, e) Тонкая пленка пузырька разлетается на тысячи мельчайших капелек. Вода в них быстро испаряется, и в воздухе остаются парить крупинки морской соли. (f) В момент схлопывания пузырька из его центра, словно из мини-пушки, выстреливают несколько капель покрупнее. Весь этот процесс происходит мгновенно — всего за 2 миллисекунды (это в сто раз быстрее, чем мы успеваем моргнуть).

Высохнув, эти капли превращаются в солевые частицы, по химическому составу близкие к сухому остатку морской воды: в основном хлориды и сульфаты. Эти частицы — активные ядра конденсации, те самые «крючки», за которые цепляется водяной пар, чтобы стать каплями облаков.

2. Поверхность суши: пыль, поднятая ветром

Следующий важный источник — суша. Здесь работает механическая эрозия: ветер поднимает в воздух мельчайшие частицы почвы и горных пород. В составе такого минерального аэрозоля много кварца, соединений кремния, глин, карбонатов и оксидов железа — по сути, это «перемолотая» земная кора.

Схема, демонстрирующая эффект «прыгающего песка» — механизма, который ученые называют сальтацией: (a) Сильный порыв ветра поднимает в воздух крупную песчинку. (b) Пролетев небольшое расстояние, она с силой ударяется о землю. (c) От удара, как от взрыва, в воздух взлетает целое облако мелкой пыли. Именно так начинаются масштабные пыльные бури. Одна тяжелая песчинка выбивает из земли тысячи легких частиц, которые ветер уносит на огромные расстояния.

Эта пыль способна путешествовать на тысячи километров. Песок из Сахары долетает до Амазонии и удобряет её леса, а азиатская пыль доходит до Северной Америки.

3. Вулканы: эпизодические, но мощные

Извержения происходят не каждый день, но их вклад в атмосферу и климат огромен. Вулканы выбрасывают в воздух колоссальное количество пепла и газов. Пепел и высокодисперсные частицы поднимаются на высоты до 20–30 км, а сернистый газ, попав в стратосферу, постепенно превращается в сульфатные частицы.

Извержение вулкана Пинатубо (1991 г.) после 600 лет сна. Мощнейший выброс в 6 баллов по шкале VEI привел к глобальному похолоданию на полградуса в течение года.

Такие частицы могут находиться в стратосфере годами, отражать солнечный свет и заметно охлаждать климат целых регионов и даже планеты. После крупных извержений в течение нескольких лет регистрируют пониженную температуру у поверхности и характерные «огненные» закаты.

4. Лесные пожары: дым над континентами

Лесные и степные пожары — ещё один мощный источник аэрозолей. Они могут быть как естественными (от молний), так и вызванными человеком. Дым, сажа и зольные частицы от пожаров поглощают заметную долю солнечного излучения и влияют на радиационный баланс огромных территорий. Дымовой шлейф от крупного пожара может накрывать целые страны.

Вид на дымовые шлейфы из космоса. Фото: «Роскосмос»

5. Биогенные частицы: живая пыль

В атмосферу постоянно попадает «живая» пыль: вирусы, споры грибов, бактерии, пыльца растений и другие микроорганизмы. Их размеры варьируются от тысячных долей микрона до десятков и сотен микрон. Многие из них попадают в воздух непосредственно из растительного покрова и составляют часть грубодисперсного аэрозоля (крупнее примерно 0,5 мкм). Часть органических аэрозолей образуется вторично — из газов биогенного происхождения.

Антропогенные источники: когда вмешивается человек

С развитием промышленности и транспорта к природным источникам добавились мощные антропогенные.

Основные из них:

• Сжигание угля, нефти и газа на электростанциях и заводах.
• Выхлопы автомобилей, особенно дизельных.
• Сжигание биомассы — расчистка полей, отопление дровами, намеренные палы, лесные пожары, вызванные человеком.
• Промышленная пыль — от добычи полезных ископаемых, строительства, производства цемента и металлов.

Как рождается угольный аэрозоль: этапы превращения топлива в пыль при горении В камере сгорания уголь проходит через цепочку сложных превращений: частицы раздуваются, сжимаются, дробятся на осколки и испаряются. В процессе горения они могут застывать (закалка), сталкиваться и слипаться (коагуляция) или, наоборот, распадаться на мельчайшие фрагменты. В итоге из одного кусочка угля рождается целое «семейство» разных по форме и составу частиц.

Промышленный аэрозоль содержит значительную долю тонкодисперсных частиц — мельчайшей фракции, которая хорошо поглощает свет. В его составе часто встречаются сажа, соединения железа, смолы, соединения цинка, свинца и других металлов. Эти частицы особенно важны для оценки влияния на здоровье и климат.

Органический аэрозоль: особый гость

Отдельного внимания заслуживает органический аэрозоль. Он включает две принципиально разные группы:

• Крупные частицы (больше 0,5 мкм) — вирусы, споры растений, бактерии, фрагменты органического вещества, которые выделяются непосредственно растительным покровом и почвой.
• Субмикронные частицы (мельче 1 мкм) — образуются в результате превращения паров органических соединений прямо в воздухе: продукты окисления выбросов растительности, пожаров и антропогенных источников.

По оценкам, органический аэрозоль может давать до пятой части массы вторичных частиц. Для климата он важен тем, что часть органики рассеивает свет, а часть — поглощает.

Где живут аэрозоли: путешествие по высоте

Аэрозольные частицы встречаются на всех высотах атмосферы от поверхности Земли до верхних слоёв, где уже почти космос. Но их количество, происхождение и роль сильно зависят от высоты.

Атмосфера Земли состоит из пяти слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы.

Тропосферный аэрозоль: главная кухня погоды

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, от поверхности до высоты примерно 10–15 км. Здесь сосредоточено более 80% всех аэрозольных частиц. В тропосфере:

• находятся почти все основные источники аэрозоля (почва, океан, растительность, промышленность, транспорт, пожары);
• происходят главные физико-химические процессы трансформации частиц;
• формируется погода, которую мы ощущаем каждый день.

Особенно бурная жизнь в нижней тропосфере (до 3–5 км). Здесь характеристики аэрозоля могут меняться за часы под влиянием ветра, осадков, смены дня и ночи, локальных выбросов. Этот слой сильнее всего связан с поверхностью и нашими городами.

Стратосферный аэрозоль: высокий и долгоживущий

Стратосфера начинается примерно с 10–15 км и простирается до высот около 50 км. Здесь аэрозоль живёт гораздо дольше, чем в тропосфере: осадков почти нет, а турбулентность слабее.

Основные источники стратосферного аэрозоля:

• Вулканы — главный и самый заметный поставщик. Мощные извержения забрасывают сернистый газ и пепел на высоту до 20–30 км. Сернистый газ окисляется и превращается в сернокислотные и сульфатные частицы, которые могут находиться в стратосфере годами, отражая солнечный свет и временно охлаждая климат.
• Конвективный подъём из тропиков. В тропических широтах мощные восходящие потоки могут «проталкивать» часть тропосферных частиц вверх, в нижнюю стратосферу (примерно 14–20 км).
• Космическая пыль. Каждый год в атмосферу попадает несколько миллионов тонн метеорного вещества. Его вклад в рассеяние света невелик, но эти частицы участвуют в химии верхней атмосферы и служат ядрами для образования особых высоких облаков.
• Антропогенные источники — продукты сгорания авиационного и ракетного топлива, частицы сажи и оксида алюминия, космический мусор. По мере роста авиации и космической активности их роль постепенно увеличивается.

Стратосферный аэрозоль играет особую роль не только в радиационном балансе, но и в химии атмосферы: он участвует в гетерогенных реакциях с озоном и другими малоконцентрированными газами.

Мезосферный аэрозоль: почти космос

Мезосфера — слой примерно от 50 до 80–85 км. Здесь тоже встречаются аэрозольные частицы, хотя их концентрации крайне малы. Самое известное проявление мезосферного аэрозоля — серебристые облака, самые высокие облака на Земле. Их частицы состоят изо льда и метеорной пыли и видны только в глубоких сумерках.

Серебристые облака. Фото: mygeos.com

Для климата у поверхности мезосферный аэрозоль играет гораздо меньшую роль, чем тропосферный и стратосферный. Но для общей картины атмосферы и красоты ночного неба он незаменим.

Если обобщить, то по происхождению аэрозоли делят на первичные (образуются как частицы сразу — пыль, соль, сажа) и вторичные (рождаются в атмосфере из газов — сульфаты, нитраты, вторичные органические аэрозоли). По химическому составу выделяют неорганические частицы (минеральная пыль, морская соль, сульфаты, нитраты) и органические (часть дымового аэрозоля, продукты окисления органических газов). Именно сочетание происхождения и химии определяет, будут ли эти частицы скорее охлаждать атмосферу или усиливать её нагрев.

Размер — главный секрет

В мире аэрозолей размер определяет все. От него зависит, как долго частица проживет в атмосфере, насколько сильно будет влиять на климат и попадет ли она в наши легкие.

Как правило, тонкие субмикронные частицы чаще возникают из газов (фотохимические процессы в городах, сульфаты и органика), а крупные — при механическом разрушении вещества (минеральная пыль, морские брызги).

Диапазон размеров огромен:

• Молекулярные кластеры — единицы нанометров (нм).
• Частицы дыма и сажи — от 10 до 100 нм.
• Пыльца и споры — десятки микрон (мкм).
• Капли дождя — уже миллиметры. И пока они летят в воздухе, их тоже можно считать частью аэрозольной системы..

Различные типы аэрозольных частиц и их характерные размеры

Где же проходит граница? Вопрос непростой. Традиционно считается, что частицы крупнее 10 мкм быстро оседают под действием силы тяжести. Но если поднялся сильный ветер или произошло извержение вулкана, в воздухе могут оставаться и частицы размером до 100 мкм — а во время дождя и до нескольких миллиметров.

Для удобства ученые делят все аэрозоли на три фракции:

1. Частицы Айткена — «невидимые химики» (меньше 0,1 мкм)

Это самые мелкие из аэрозолей. Они настолько малы, что участвуют в фотохимических реакциях — превращают газы в твёрдые частицы прямо в воздухе. Представьте себе невидимых строителей, которые создают новые частицы из ничего. Они же становятся ядрами конденсации для облаков

2. Субмикронные частицы — «дирижёры света» (0,1–1 мкм)

Золотая середина. Именно эти частицы вносят основной вклад в рассеяние и поглощение солнечного света. Они определяют, насколько ярким будет день, насколько красным — закат.

Кроме того, они служат ядрами конденсации, теми самыми «крючками», за которые цепляется водяной пар, превращаясь в капли облаков. Без субмикронных частиц облаков было бы гораздо меньше.

3. Грубодисперсные частицы — «тяжеловесы» (больше 1 мкм)

Крупные пылинки, морские капли, продукты пылевых бурь. Они тяжелее, поэтому быстрее оседают на землю. Но пока висят в воздухе, сильно влияют на радиационный баланс и участвуют в формировании туманов и осадков.

Классификация частиц и их основная роль в атмосферных процессах

По форме аэрозольные частицы тоже различаются: жидкие капли обычно близки к сферам, а твёрдые пылинки и сажа — неправильные, иногда игольчатые, пластинчатые или волокнистые. От этого зависит, как именно они рассеивают свет. Но об этом я расскажу в другой статье более подробно.

Коротко о главном

Мы с вами совершили путешествие в невидимый мир, который находится прямо у нас перед носом:

• Аэрозоль — это не просто «пыль», а сложная дисперсная система, играющая ключевую роль в физике атмосферы.
• Частицы бывают природными (пыль, соль, вулканы, пожары) и антропогенными (промышленность, транспорт, сжигание топлива).
• Размер частицы — главный параметр: от него зависит, как долго она проживет в атмосфере и как будет взаимодействовать со светом.

Аэрозоли невидимы, но от этого они не становятся менее реальными. Они формируют климат, влияют на наше здоровье и даже на цвет закатов, которые мы так любим фотографировать. Понимание их природы — это шаг к пониманию того, как устроен мир, в котором мы живем.

Теперь мы знаем, кто такие аэрозоли — по размеру и происхождению. Но чтобы понять, как они управляют светом и климатом, нужно заглянуть глубже. В следующей статье мы разберём, как форма и химический состав частиц определяют их "оптический почерк"»

⇐ Введение О канале

Литературу, которую можно почитать по этой теме

1. Tomasi C., Lupi A. Primary and Secondary Sources of Atmospheric Aerosol // Atmospheric Aerosols / eds. C. Tomasi, S. Fuzzi, A. Kokhanovsky. Chichester: John Wiley & Sons, 2017. P. 1–45.
2. Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. – Л. : Изд-во ЛГУ, 1982. – 368 с.
3. Аэрозоль и климат / под ред. К.Я. Кондратьева. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991. — 542 с.
4. Кабанов М.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн дисперсными средами. Ч. III. Атмосферный аэрозоль. Томск: Изд-во ТФ СО АH СССР, 1984. 189 с.
5. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию / П. Райст, Б. Ф. Садовский . – М. : Мир, 1987 . – 278 с.