Атмосферный аэрозоль — совокупность твёрдых и жидких частиц, взвешенных в атмосферном воздухе и сохраняющих самостоятельную фазу в течение времени, достаточного для переноса и превращений. Частицы различаются размером от нанометров до десятков и сотен микрометров, составом, формой, влагосодержанием и происхождением. Несущей средой служит воздух; облачные капли обычно рассматривают отдельно как гидрометеоры.
Размерное распределение
Аэрозоль не имеет одного «среднего размера»: распределение часто состоит из нескольких мод. Нуклеационная мода включает недавно образовавшиеся частицы порядка нескольких нанометров и десятков нанометров. Они многочисленны, но дают малую долю массы и быстро растут либо коагулируют. Граница мод зависит от прибора и исследовательской задачи.
Аккумуляционная мода примерно от 0,1 до 1–2 мкм возникает при конденсации паров и росте частиц. Такие частицы слишком крупны для быстрого броуновского поглощения и слишком малы для быстрого оседания, поэтому живут сравнительно долго и переносятся далеко. Крупнодисперсная мода — морская соль, минеральная пыль, пыльца и механические частицы — быстрее выпадает под действием тяжести.
Природные источники
Морской аэрозоль образуется при разрыве пузырьков и распылении волн; после испарения воды остаются частицы солей с органическими компонентами. Минеральная пыль поднимается при ветровой эрозии засушливых почв и переносится между континентами. Вулканы дают пепел и газы — предшественники сульфатного аэрозоля. Пожары выделяют сажу, органический углерод и минеральную золу.
Биогенный аэрозоль включает пыльцу, споры, бактерии, фрагменты растений и органические частицы. Растения и океан также выделяют газы, из которых образуется вторичный аэрозоль. Естественное происхождение не означает отсутствия воздействия: пыль, дым или пыльца способны ухудшать видимость, качество воздуха и здоровье.
Антропогенные источники
Первичные частицы поступают при сжигании топлива, металлургии, производстве цемента, строительстве, добыче сырья, износе тормозов и шин, обработке почв и обращении с сыпучими материалами. Сажа образуется при неполном горении. Промышленная пыль может содержать металлы и другие технологические компоненты.
Антропогенные газы — SO₂, NOx, NH₃ и летучие органические соединения — после окисления дают сульфаты, нитраты, аммоний и вторичное органическое вещество. Доля вторичного аэрозоля бывает велика далеко от источника, поэтому измеренная частица не всегда позволяет напрямую указать одну трубу или дорогу.
Первичное и вторичное образование
Первичный аэрозоль выбрасывается сразу в частичной фазе. Вторичный возникает при газо-частичном превращении: малолетучие продукты образуют новые зародыши или конденсируются на существующей поверхности. Равновесие нитратов и органики зависит от температуры, влажности и кислотности частиц.
Нуклеация создаёт новые частицы, конденсация увеличивает их массу без обязательного изменения числа, коагуляция объединяет сталкивающиеся частицы и уменьшает их численную концентрацию. Гигроскопические частицы поглощают воду при росте относительной влажности; поэтому их оптический и аэродинамический размер меняется без добавления сухого вещества.
Удаление и время жизни
Крупные частицы оседают и ударяются о поверхность; мелкие диффундируют к ней. Совокупность процессов без осадков называют сухим выпадением. Влажное удаление включает активацию частиц в облачные капли и кристаллы, захват внутри облака и вымывание падающими осадками.
Время жизни в тропосфере варьирует от часов для очень крупных частиц до дней и недель для аккумуляционной моды. Оно зависит от высоты выброса, осадков и циркуляции. Стратосферный сульфат после крупного извержения может сохраняться гораздо дольше из-за слабого вертикального обмена и отсутствия дождя.
Оптические свойства
Частицы рассеивают и поглощают солнечное и земное излучение. Эффект определяется размером относительно длины волны, комплексным показателем преломления, формой и смешением компонентов. Сульфаты и многие органические частицы преимущественно рассеивают свет, чёрный углерод сильно поглощает, минеральная пыль сочетает оба процесса.
Аэрозольная оптическая толщина (AOD) — безразмерная мера ослабления прямого луча всем аэрозольным столбом на заданной длине волны. Это не приземная массовая концентрация и не содержание PM2.5. Одинаковая AOD может соответствовать разным вертикальным профилям, размерам и составу.
Облака и климат
Часть частиц при заданном пересыщении действует как облачные ядра конденсации, некоторые — как ледообразующие частицы. Изменяя число и размер капель, аэрозоль влияет на яркость, продолжительность жизни и осадки из облака. Связи нелинейны и зависят от динамики, поэтому больше частиц не означает автоматически меньше осадков.
Прямое радиационное воздействие может охлаждать или нагревать систему в зависимости от поглощения и поверхности. Осаждение тёмных частиц на снег снижает альбедо. Аэрозольные эффекты остаются одним из значимых источников неопределённости климатических оценок; суммарный результат нельзя переносить на каждую частицу.
Качество воздуха и экосистемы
Мелкие частицы влияют на здоровье в зависимости от размера, состава и экспозиции. Атмосферный перенос доставляет серу, азот, железо, фосфор, токсичные металлы и органические загрязнители в почвы и воды. Это может снабжать экосистемы питательными элементами либо вызывать закисление, эвтрофирование и токсическое воздействие.
Не весь аэрозоль является загрязнением: морская соль и природная пыль — нормальные компоненты атмосферы. Правовая оценка требует конкретного вещества, концентрации и норматива. Даже природный эпизод может создавать опасное качество воздуха, но происхождение важно для управления.
Контактные методы измерения
Фильтровый отбор с гравиметрией даёт массу за интервал; химический анализ определяет ионы, углерод, металлы и органические маркеры. Счётчики конденсационных ядер измеряют число малых частиц, оптические спектрометры — распределение по оптическому размеру, аэродинамические классификаторы — по подвижности или времени пролёта. Нефелометры измеряют рассеяние, абсорбционные фотометры — поглощение.
Результаты зависят от входного устройства, высушивания, летучести и принятой плотности. Оптический диаметр не равен аэродинамическому, а массовая концентрация не заменяет численную. Калибровка сферическими частицами может быть смещена для пыли и сажи.
Дистанционное зондирование
Солнечные фотометры сети AERONET получают AOD и параметры размера по спектральному ослаблению. Лидары дают вертикальный профиль обратного рассеяния и иногда оценку типа частиц. Спутники восстанавливают AOD по отражённому излучению над большими территориями.
Облачность закрывает поверхность, яркая суша и снег усложняют алгоритм, а вертикальный профиль приходится предполагать. Спутник измеряет столб и не заменяет наземный мониторинг PM. Надёжная оценка объединяет контактные приборы, фотометры, лидары, спутники и модели.
Разграничение понятий
Аэрозоль в физике — дисперсная система частиц в газе; атмосферный аэрозоль ограничен воздушной оболочкой Земли. Атмосферная пыль — преимущественно механически образованные твёрдые частицы и только часть аэрозоля. PM10 и PM2.5 — стандартизованные массовые размерные фракции, включающие пыль, сажу, соли и капли. Аэрозольное загрязнение — вредное или нормативно значимое повышение частичной примеси, а не вся природная взвесь.
Кратко
Атмосферный аэрозоль объединяет твёрдые и жидкие частицы природного и антропогенного происхождения. Размер, состав и влажность управляют переносом, выпадением, оптикой и взаимодействием с облаками. Его измеряют несколькими взаимодополняющими методами; AOD и PM не взаимозаменяемы.