Как запах леса формирует частицы аэрозоля и позволяет облакам расти

Hyytiälä

Hyytiälä – исследовательская станция в лесу, Финляндия. Здесь ученые из группы исследования аэрозоля Хельсинского Университета, Aerosol research group, изучающие атмосферу в сотрудничестве со многими другими учеными, пробуют понять, как частицы аэрозоля формируются и какую роль они играют в формировании облаков.

Утром, когда солнце поднимается, повышается биологическая активность деревьев в лесу. Они выпускают в атмосферу много химических веществ таких, как изопрен или монотерпены. Такие органические соединения воздуху в лесу придают типичный аромат.

Окисление и формирование частиц аэрозоля

Органические соединения окисляются в воздухе, например, ОH-радикалами. Часто окисленные вещества имеют более низкое давление паров, чем газы, первоначально эмитируемые растениями, и имеют тенденцию к конденсации.

Такие соединения c небольшой летучестью могут или прилипать к поверхностям частиц, или держаться друг друга в воздухе, формируя кластеры и расти от нескольких молекул до величины частиц аэрозоля. Мы называем это нуклеацией. Несколько кластеров могут соединиться друг с другом и формировать большие частицы. Этот процесс называется коагуляцией. С таких частиц молекулы могут испаряться, другие молекулы могут, наоборот, конденсироваться на них.

Сравнивая размеры частиц, трудно вообразить, что такие небольшие частицы могут быть обнаружены вообще. Чтобы отделить частицы по размерам, ученые используют оборудование, с помощью которого заряженные частицы отклоняются в электрическом поле. Чем меньше частицы, тем более мобильными они являются и более легко отклоняются. На выходе так называемого “дифференциального анализатора мобильности” (DMA), на мелкие частицы конденсируются пары, и они увеличиваются до обнаруживаемого размера. И так, в анализаторе обнаружение очень маленьких частиц происходит в три этапа: 1) электрическая зарядка частиц 2) разделение по их мобильности 3) рост + обнаружение.

5. Анализатор частиц аэрозоля: частицы заряжены, разделены и подсчитаны (CPC – счетчик ядер конденсации). На схеме показано, как разделяются частицы трех разных размеров (красный цвет) при изменении напряжения электрического поля (увеличение от А до C).
Схема: Элмар Ухерек. Нажмите для увеличения (50 KB)
 

По сравнению с большими органическими молекулами, или солями, чистая вода – очень изменчивое соединение. Молекулы воды не могут в воздухе формироваться в кластеры, соединяться между собой и формировать капельки облаков. Если водяной кластер и сформируется, то тут же испарится. Вода конденсируется на мелких частицах аэрозоля, которые всегда имеются в воздухе. Так все больше и больше молекул воды конденсируется на них – и капелька сформирована. Процесс конденсации сильно зависит от того, являются ли частицы водяными или нет, т. е. от их химического состава.
 

6. Процесс роста частиц аэрозоля. Схема: Ари Асми.

Частицы состоят из отдельных молекул с определенными химическими свойствами. Химический состав самых мелких частиц может изменяться: частицы серной кислоты и сульфата аммония находятся почти повсюду в воздухе и легко притягивают воду. Они также найдены и в очень чистом воздухе над океаном. Поэтому, мы думаем, что облака над океаном могут формироваться, главным образом, при конденсации воды на молекулах серной кислоты. Над сушей процесс образования крупных органических молекул гораздо интенсивнее, например, от молекул “запаха” леса. Как показано на рисунке выше, такие органические частицы могут или конденсироваться на серной кислоте и сульфате аммония или, возможно, конденсироваться между собой.

В настоящее время, частицы размером менее 1 нм могут быть обнаружены, и поэтому могут наблюдаться эпизоды нуклеации. Биологическая активность леса играет большую роль. Как было показано выше, высокие концентрации мельчайших частиц измерены анализатором частиц в утренние часы в лесу Hyytiälä. Большая часть количества вещества поступает от деревьев, и это может иметь влияние на виды облаков, сформированных в этот весенний день 2003 г.

9. Измерительная башня для проведения анализа воздуха леса на различных высотах в Hyytiälä. Источник: ISAS Дортмунд SMEAR II экспедиция. Нажмите для увеличения! (65 KB)

Автор: Элмар Ухерек, Институт Химии Макса Планка, Майнц

Английская версия: Марк Джакоб, Университет Лестера

Благодарность: спасибо за поддержку этой статьи Асбьерну Аарфлоту, Борису Бонну, Ари Асми и другим коллегам в группе исследования профессора Маркку Кулмала в Хельсинки.

Последнее обновление: 2005-06-13