Особенности механизма фракционирования аэрозольного вещества в твердых гидрометеорах

Тентюков Михаил Пантелеймонович ORCID: 0000-0001-8462-4408 доктор геолого-минералогических наук, кандидат географических наук профессор, кафедра экологии и геологии, Сыктывкарский государственный университет им. Питирима Сорокина; Институт естественных наук 167001, Россия, республика Коми, г. Сыктывкар, ул. Петрозаводская, 12, каб. 225 Tentyukov Mikhail Panteleimonovich Professor, Department of Ecology and Geology, Syktyvkar State University named after Pitirim Sorokin 167001, Russia, Komi Republic, Syktyvkar, Petrozavodskaya str., 12, room 225 tentukov@yandex.ru Васильчук Юрий Кириллович ORCID: 0000-0001-5847-5568 доктор геолого-минералогических наук профессор, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; географический факультет 119991, Россия, Москва область, г. Ленинские Горы, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2009 Vasil'chuk Yurij Kirillovich Doctor of Geology and Mineralogy Professor, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow region, Leninskie Gory, Leninskie Gory str., 1, of. 2009 vasilch_geo@mail.ru Михайлов Василий Игоревич кандидат химических наук старший научный сотрудник, Институт химии ФИЦ Коми НЦ Уральского отделения РАН 167000, Россия, республика Коми, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, 48 Mikhailov Vasilii Igorevich PhD in Chemistry Senior Researcher, Institute of Chemistry, Federal Research Center, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences 167000, Russia, Syktyvkar, Pervomayskaya str., 48 system14@rambler.ru Симоненков Денис Валентинович кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник, Институт оптики атмосферы Сибирского отделения РАН 634055, Россия, г. Томск, ул. Площадь Академика Зуева, 1 Simonenkov Denis Valentinovich PhD in Physics and Mathematics Senior Researcher, Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 634055, Russia, Tomsk, ul. Akademika Zueva Square, 1 simon@iao.ru

Гаврилов Роман Юрьевич кандидат геолого-минералогических наук доцент, кафедра геологии и разведки полезных ископаемых, Томский политехнический университет; Отделение геологии Инженерной школы природных ресурсов 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30 Gavrilov Roman Yur'evich PhD in Geology and Mineralogy Associate Professor, Department of Geology and Exploration of Mineral Resources, Tomsk Polytechnic University; Department of Geology, School of Natural Resources Engineering 634050, Russia, Tomsk, Lenin Ave., 30 gavrilovroman9@mail.ru

Исследование проводилось в рамках государственного задания Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН и при финансовой поддержке Российского Научного фонда (грант № 23-17-00082, геокриологический и гляциологический анализ).

Введение

В настоящее время фиксируется все нарастающий объем пыле-аэрозольной массы в тропосфере, которая за последнее столетие возросла более чем вдвое ^[1]. Положение усложняется тем, что развитие производственной деятельности сопровождается появлением новых неприродных источников аэрозоля. И если на долю антропогенного аэрозоля приходится более 10 % всех аэрозольных частиц ^[2], то в промышленных центрах она возрастает уже до 45 %. Отмечается также, что для антропогенного аэрозоля присуще значительная изменчивость и неоднородность как в химическом ^[3], так и дисперсном составе ^{[4, 5]}. Аэрозольные частицы длительное время могут находится в атмосфере и переноситься на значительные расстояния. Определенную роль в этом процессе играют субмикронные атмосферные частицы диаметром 0,001–10,0 мкм. В этот интервал попадают частицы, представляющие наибольшую гигиеническую опасность (до 0.3 мкм) ^[6]. Для них характерно то, что они практически не захватываются дождевыми каплями (цит. По ^[7], с. 6). В этой связи представляет интерес изучение гранулометрического состава аэрозольного вещества.

В современной практике анализа соотношения размеров частиц в мелкодисперсных средах в нано-, микрометрическом диапазоне широко используется метод динамического рассеяния света (ДРС). Физическая сущность метода ДРС заключается в регистрации временных флуктуаций интенсивности рассеяния лазерного луча в дисперсной среде. В ней из-за броуновского движения частиц возникают флуктуации локальных концентраций частиц и связанные с ними локальные изменения оптической плотности дисперсной среды, а также приуроченные к ним изменения показателей преломления света. Последнее обусловлено тем, что при прохождении лазерного луча через локальные концентрации частиц происходит рассеяние света. Установлено, что числовые параметры рассеяния света зависят от размера частиц, скорости диффузии частиц и вязкости жидкости ^[8]. ДРС относится к неразрушающим методам исследований, к тому же не требует предварительной калибровки. Он одинаково эффективен как при низких концентрациях частиц, так и при наличии их агрегатов. Измеряемый размер частиц колеблется от 0,5 нм до нескольких микрон. Метод позволяет очень быстро проводить анализ. Для него характерны невысокая себестоимость измерений и низкая погрешность.

Гранулометрические измерения дисперсного вещества хорошо представлены в материаловедении^[9], в инженерно-строительной практике при разработке композитных смесей ^[0], а также при промышленном контроле микро-, нанопорошков и суспензий ^[1] и в фармацевтике при получении лекарственных субстанций^[12]. В снеговедении же лазерная гранулометрия представлена мало. Известно применение метода ДРС при изучении вещественного состава свежевыпавшего снега в пределах урбанизированных территорий ^{[13, 14]}, иногда метод выступает дополнительным элементом при обследовании снежного покрова фоновых таежных ландшафтов ^[15]. Общим для всех этих исследований является то, что все они связаны с изучением только снежных осадков. Публикаций по гранулометрии аэрозольного вещества в поверхностной изморози установить не удалось.

Целью данной работы является изучение с помощью метода динамического рассеяния света особенностей распределения субмикронных фракций аэрозольного вещества в твердых гидрометеорах, различающихся по условиям формирования (в свежевыпавшем снеге и поверхностной изморози, образующейся в перерывах между снегопадами).

Материалы и методы

Пробы твердых гидрометеоров (снега и поверхностной изморози) отбирали на ключевом участке в пределах Ботанического сада Сыктывкарского государственного университета («Ботсад СГУ»), расположенного в зеленой зоне в трех км к западу от Сыктывкара, в два периода. Первый охватывал время с 26.02.2020 по 06.03.2020 г., а второй – с 23.03 по 26.03.2020 г. В первый период было зафиксировано два эпизода образования поверхностной изморози, тогда как во второй – три. Время снегопадов показано в таблице. Состояние погоды в периоды наблюдений приведено для метеостанции «Сыктывкар» по данным, находящимся в открытом доступе (https://rp5.ru) (табл. 1).

Таблица 1.

Состояние погоды в феврале-марте 2020 г. на ключевом участке «Ботсад СГУ»

*Температура воздуха

**Относительная влажность воздуха в %.

***Приведены значения водного эквивалента слоя выпавшего снега.

Отбор проб верхнего слоя снега и поверхностной изморози выполняли с помощью специального пробоотборника. Схема устройства (снегоугольника) и пример его использования при отборе проб поверхностной изморози показан на рис. 1. Оно выполнено в виде угольника (рис. 1, а), состоящего из большой горизонтальной (1) и малой вертикальной (3) прямоугольных пластин, перпендикулярно скрепленных по большему краю. Жесткость креплений обеспечивают две треугольные пластины (2). На нижней стороне горизонтальной пластины (1) снегоугольника имеются две направляющие в виде паза (4) для нож-лотка. Нож-лоток (рис. 1, б) выполнен в виде прямоугольного ящика без передней стенки, с заостренным наружным краем основания, в верхней части на внешней стороне боковых стенок выполнены две направляющие в виде выступов (5). Нож-лоток снабжен ручкой (6), закрепленной на задней стенке.

Для отбора пробы верхнего слоя снега или поверхностной изморози снегоугольник погружается в снег до тех пор, пока его горизонтальная пластина не достигнет поверхности снега, не касаясь его. Затем вдоль лицевого края снегоугольника отрывается неглубокий снежный шурф, одна стенка которого совпадает с лицевым краем горизонтальной пластины снегоугольника. После этого в направляющие горизонтальной пластины вставляют нож-лоток (с высотой бортиков 18 мм при ширине 27 см и длине 36) и вдвигают его в снежную стенку шурфа (рис. 1, в). Полученный таким способом снежный брикет объемом 1750 см3 помещали в пластиковый мешок, в котором пробу и оттаивали при комнатной температуре.

Рис. 1. Устройство (снегоугольник) для отбора поверхностных проб снега и поверхностной изморози (а – угольник, б – нож-лоток) и пример его использования (в): а) 1, 2, 3 – пластины снегоугольника, 4 – пазы направляющие для нож-лотка; б) 5 – направляющие в виде выступов для подвижной фиксации нож-лотка с верхней пластиной снегоугольника, 6 – ручка нож-лотка

Figure 1. A device (a snow angle) for surface snow sampling (a - an angle, b - a knife-tray) and an example of its use (c). Legend: a) 1, 2, 3 - plates of angle, 4 - guide grooves for the knife-tray; b) 5 - guides in the form of protrusions for the knife-tray movable fixation with the upper plate of the angle, 6 - a knife-tray handle

Необходимо заметить, что плотность поверхностной изморози очень низка и колеблется от 0,02 до 0,04 г/см³. Поэтому чтобы набрать нужный объем для одной пробы достаточной, например, для гидрохимического анализа, следует операцию повторить 11 раз. На рис. 2 показана площадка, на которой выполняется пробоотбор поверхностной изморози для последующего определения в ней полициклических ароматических углеводородов.

Рис. 2. Отбор проб поверхностной изморози для гидрохимического анализа (пояснение в тексте)

Figure 2. Sampling of surface frost for hydrochemical analysis (explanation in the text)

Между тем, для выполнения гранулометрического анализа нужный объем снеговой воды составил всего 50 мл. Для характеристики размеров частиц в пробах использовали лазерный анализатор ZetaSizer Nano ZS (Malvern Рanalytical, Великобритания). Диапазон измерения размеров частиц составляет от 1 до 10000 нм. По каждой пробе проводилось шесть измерений среднего объемного диаметра частиц (D_ср., нм) (среднего диаметра по объемному распределению частиц). По каждому измерению оптимальное время накопления корреляционной функции определялось программным обеспечением прибора автоматически. После проводилось их усреднение. Соотношение размеров частиц показано в виде гистограмм распределения (рис. 3), имеющих ряд максимумов, каждый из которых отражает объемное содержание фракций частиц. Объемное содержание фракций частиц в образцах рассчитано интегральн