Электрическое состояние атмосферы

Рассмотрение картины взаимодействия газов, паров и аэрозольных частиц будет неполной, если не учитывать электрическое состояние атмосферы и связанные с ней процессы ионизации воздуха и электрической зарядки (разрядки) аэрозолей. И хотя количество аэроионов в воздухе много меньше количества молекул или аэрозольных частиц, наличие в достаточном количе­стве легких отрицательных аэроионов является жизненно необходимым для всех живых существ.

Важнейшей «наблюдаемой» характеристикой аэроионов является их под­вижность в электрическом поле. Чем больше размер аэроиона, чем больше его масса (чем он тяжелее), тем меньше его подвижность. Для получения полной картины аэроионной обстановки (содержания локализованных электрических зарядов) строят спектры распределения аэроионов по подвижности.

Различия в подвижности позволяют разделить аэроионы на разные клас­сы. Наибольшую известность в литературе получило деление аэроионов – на легкие, имеющие подвижность более 0,5см²/(В-с), средние и тяжелые, имеющие подвижность менее 0,1 см²/(В-с).

Заметим, что процесс ионизации природного воздуха происходит под действием целого ряда ионизирующих факторов, из которых главными являются радиоактивность почвы, горных пород, морских и подземных вод, косми­ческие лучи, атмосферные электрические разряды (молнии), разбрызгивание воды (эффект Ленарда) в водопадах, в барашках волн и т.п., ультрафиолето­вое излучение Солнца, пламя лесных пожаров, некоторые ароматические ве­щества и т.д.

Считается, что под влиянием перечисленных факторов то одна, то другая га­зовая молекула воздуха теряет один из своих электронов (элементарный электри­ческий заряд) и превращается вследствие этого в положительный ион молекулярных размеров (молион). Выделившийся свободный электрон тотчас же присоеди­няется в какой-либо нейтральной газовой молекуле (как правило, кислорода), превращая ее в отрицательно заряженный молекулярный ион (молион). Таким обра­зом, в условиях атмосферы при ионизации газовой молекулы всегда образуется пара противоположно заряженных молекулярных ионов {молионов},

Молионы имеют высокую подвижность и могут значительное время су­ществовать только в вакууме. Время жизни молионов в воздухе чрезвычайно мало (порядка долей миллисекунды), поскольку образовавшийся молион либо мгновенно становится центром нуклеации других молекул, либо захватывается аэрозольной частицей.

Образующийся вокруг первичного молекулярного иона (молиона) за счет присоединения к нему группы [по-английски- с!ав1ег- кластер] от 2-3 до 15-30 нейтральных молекул кластер имеет электрический заряд молиона и экспериментально наблюдается как легкий аэроион с подвижностью более 0,5см²/(В-с). Такие аэроионы получили название кластерных аэроионов. [Заметим, что по физической сути других «аэроионов» просто нет!].

Участвуя в тепловом движении, кластерный аэроион сталкивается с другими кластерными аэроионами, аэрозольными частицами, молионами и нейтральными молекулами.

При каждом столкновении кластерного аэроиона с нейтральной молекулой может произойти химическая реакция. Заметим, что заряженные молекулы обладают химическими свойствами, отличающимися от химических свойств нейтральных молекул. Они гораздо активнее и могут образовывать соединения, непривычные в химии нейтральных молекул. Химические реакции с участием ионов (аэроионов) называются ионно-молекулярными реакциями.

Несмотря на существование обширных сведений об ионно-молекулярных реакциях, уверенно сказать, что конкретно происходит с аэроионом в реальном воздухе, на современном уровне знаний невозможно, ибо для этого мы долж­ны знать характеристики всех типов молекул, кластеров или аэрозолей, с кото­рыми аэроион может встретиться в серии из 10¹² столкновений. Для этого мы должны определить все примеси воздуха, удельная концентрация которых не ниже 10^-10 %. В настоящее время это технически невозможно. Заметим, что на таком уровне концентраций реальный воздух может содержать всевозможные экзотические вещества, а его конкретный состав - сильно изменяться в про­странстве и во времени. Поэтому об эволюции и составе кластерных (легких) аэроионов можно высказать лишь некоторые общие соображения.

Основу кластерного аэроиона составляет молекула какого-то активного вещества. В случае отрицательных аэроионов активность веществ зависит от сродства к электрону. Наивысшие сродства к электрону характерны для циана, галоидов и их соединений. Активно участвуют в химии отрицательных аэроио­нов также окислы азота и серы. Активность веществ в реакциях с положитель­ными аэроионами коррелированна с потенциалом ионизации. Основой поло­жительного аэроиона могут быть, в частности,

аммиак и сернистый водород. Наиболее активными веществами (относительно' реакции с положительными аэроионами) являются щелочные металлы (литий, калий, натрий).

Кроме молекулы активного вещества, которая составляет основу аэроио­на, легкий аэроион содержит еще несколько добавочных молекул, «прилип­ших» к основной молекуле и удерживаемых как электрическими,

так и молеку­лярными силами. Число таких молекул может меняться от столкновения к столкновению и обычно не превышает десяти. В течение своей жизни кластер­ный (легкий) аэроион участвует в огромном количестве столкновений и хими­ческих превращений. При этом, чем старше кластерный аэроион, тем более редкие примеси могут определять его состав.

Если воздух не содержит каких-то специальных примесей, то к основной молекуле кластера (молиону) прилипают молекулы воды. Наиболее подвижные реально существующие в доступных для наблюдения количествах кластерные аэроионы представляют собой «отрицательно ионизированную молекулу кисло­рода и две молекулы воды» с расчетной подвижностью 2,2 см²/(В-с).

При естественном уровне ионизации кластерный (легкий) аэроион живет около одной минуты, причем примерно 5% легких аэроионов заканчивают свою жизнь рекомбинацией с легким аэроионом противоположной полярно­сти, а 95% легких аэроионов погибают при встрече с нейтральными или проти­воположно заряженными аэрозольными частицами.

Легкие (кластерные) ионы и молионы могут оседать на различные аэро­зольные частицы, постоянно находящиеся в воздухе (так называемые ядра конденсации), в результате чего образуются более тяжелые заряженные части­цы (условно называемые ионами) с малой подвижностью. С позиции измере­ния подвижностей это «тяжелые ионы», а с позиции ионно-молекулярных ре­акций - «вторичные» ионы. Однако по своей физической сути эти образования не являются «ионами», а являются заряженными аэрозольными частицами.

Аэрозольные частицы могут «приобрести» заряд и другим способом. Все электрозаряженные аэрозольные частицы фиксируются при изменении под­вижностей как тяжелые аэроионы. Поэтому в рамках одного исторически сложившегося названия «аэроион» следует различать три физически различных объекта, Во-первых, молион. Во-вторых, кластерный (легкий) аэроион. В-третьих, аэрозольный (тяжелый) «аэроион».

Количество аэроионов в воздухе сравнительно невелико, поскольку одно­временно с процессами их непрерывного образования происходят непрерыв­ные процессы их взаимоуничтожения за счет рекомбинации, когда ионы про­тивоположного знака притягиваются друг к другу и, воссоединяясь, образуют нейтральные системы.

В целом аэроионный режим (аэроионная обстановка) – величина очень переменчивая и зависит от очень и очень многих физических и химических факторов.

Считается, что в 1 куб. см чистого природного воздуха в среднем находит­ся около 500 положительных и 450 отрицательных ионов.

Заметим, что для характеристики ионного режима кроме абсолютного со­держания количество ионов в воздухе большое значение имеет соотношение положительных и отрицательных ионов (п+/п-), которое носит название коэф­фициента униполярности. В целом для природного атмосферного воздуха этот коэффициент, как правило, несколько больше единицы и равен 1,10-1,20.

Считается, что на высоких горах и в пещерах преобладают положитель­ные аэроионы. Наоборот, на морском берегу (непосредственно у кромки воды) обычно преобладают отрицательно заряженные аэроионы. Таким является чистый природный воздух девственной природы, последние уголки которой испытывают ежесекундный пресс антропогенного воздействия.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 66; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!