Использование аэрозольного генератора с регулированием дисперсного состава для моделирования пространственно-временной изменчивости оптических характеристик аэрозольных эмиссий и Туманов в приземном слое атмосферы Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 551.52

К.П. Куценогий, В.И. Макаров, Ю.Н. Самсонов Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Л.К. Трубина СГГА, Новосибирск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЭРОЗОЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОЗОЛЬНЫХ ЭМИССИЙ И ТУМАНОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

K.P. Koutzenogii, V.I. Makarov, Yu.N. Samsonov

Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, Novosibirsk

L.K. Trubina

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

AEROSOL GENERATOR WITH OPERATED PARTICLE SIZE DISTRIBUTION USED TO MODEL SPATIAL-TEMPORAL VARIABILITY OF THE OPTIC CHARACTERISTICS OF AEROSOL EMISSION AND FOGS IN A ATMOSPHERIC SURFACE LAYER

Optical characteristics of atmospheric aerosols and fogs are determined by particle size distribution, concentration and a geometrical shape of clouds. However, in a real atmosphere, it is difficult, in most of the cases, to measure these characteristics simultaneously, because they strongly vary in time and space. In the 80-90-s, researchers of the Institute of Chemical Kinetics and Combustion, SB RAS, developed and produced movable aerosol generators of operated particle size distribution in (GCD) in range from about 0,5 to 30 mkm and with a power up to 30 1/min of liquid solution. Initial height of aerosol emission of 2 to 12 m for a movable generator (modeled linear source) and up to 30-50 m for an immovable generator (point source). A digital stereophotogrammetry technology has been developed to describe the dispertion aerosol cloud produced by GRD. The stereophotogrammetry data can be used both to determine diffusion characteristics and to describe the geometry of a trajectory of aerosol cloud motion caused by slower variations in wind velocity and direction in atmospheric surface and boundary atmospheric layers. Examples are presented of both real field experiments of the spatial-temporal variability of geometrical dimensions of an aerosol cloud and of the optical characteristics of an aerosol cloud at X = 0,638 and X = 12 mkm using laser sounding.

Оптические характеристики атмосферных аэрозолей и туманов определяются спектром размеров частиц, их концентрацией и геометрической формой облаков. Однако в реальной атмосфере в большинстве случаев эти характеристики одновременно измерить очень трудно, так как они сильно изменяются и во времени и в пространстве. Пространственно-временная изменчивость траектории движения и форма аэрозольного облака зависят от метеорологических условий, характеристик подстилающей поверхности (динамическая и термическая неоднородности), типа источника (точечный или линейный) и физико-химических процессов при образовании аэрозольного облака (термоконденсационный или пневматический режимы).

В 80-90-е годы в ИХКГ СО РАН были разработаны и изготовлены мобильные аэрозольные генераторы с регулируемой дисперсностью (ГРД) в

диапазоне регулирования размеров от ~ 0,5 до 30 мкм, с мощностью до 30 л/мин жидкого раствора, с начальной высотой выброса аэрозолей от 2-х до 12 м для движущегося генератора (линейно-протяженный аэрозольный источник) и до 30-50 м для неподвижного агрегата (точечный источник). На рис. 1 показан пример моделирования пространственно-временной изменчивости аэрозольного облака с помощью ГРД.

Рис. 1. Пример моделирования пространственно-временной изменчивости

аэрозольного облака с помощью ГРД

Фотоснимки аэрозольных облаков разного дисперсного состава: субмикронного (ё~0,5 мкм) и грубодисперсного размера (ё~20 мкм) при различных метеорологических условиях: в утреннее и вечернее (нейтральная стратификация в приземном и пограничном слоях атмосферы) приведены на рис. 2.

Рис. 2. Распространение дымового аэрозольного облака от ГРД в разных

метеофизических условиях

На снимках видны различия в форме и плотности аэрозольных облаков, что объясняется разным размером составляющих их частиц. В частности, аэрозольное облако субмикронных частиц генерируется при термоконденсационном режиме, и поэтому его начальная температура несколько выше, чем при создании облака грубодисперсных аэрозольных частиц.

В период с 2001 по 2004 год для фиксирования динамики распространения генерируемого облака разработана методика цифровой стереофотосъемки, позволяющая получать цифровые трёхмерные модели характеристики подстилающей поверхности и формы и траектории движения аэрозольного облака.

Основные процессы технологии наземной стереосъемки:

Выбор положения и маркировка точек опорной сети и их маркировка с учетом размещения ГРД и розы ветров на момент съемки;

- Синхронная стереосъемка генерируемых аэрозольных облаков двумя цифровыми камерами;

- Геодезическое обеспечение;

- Цифровая обработка полученных стереопар;

- Вычисление параметров, характеризующих динамику распространения аэрозольного облака.

Примеры использования этой методики представлены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты определения формы распространения аэрозольного облака по

материалам наземной фотосъемки

Материалы наземной стереосъёмки позволяют, наряду с определением диффузионных характеристик, описать геометрию сложной траектории движения дымовой струи, обусловленной более медленными изменениями скорости и направления ветра в приземном и пограничном слое атмосферы [15].

На рис. 4 приведены примеры изменения оптического ослабления аэрозольного облака различного дисперсного состава с использованием лазерного зондирования излучением гелий-неонового (X = 0.638 мкм) и С02 лазеров (X = 10.6 мкм).

I

Л"«Ч л» 1 • = 0.63 мкм 1 1 1

ьо

1 |.|||

= 10.6 мкм . , 1

"'о

I

_ * ч; о о ¥ ь "X =0.63 мкм

ьо 90

• *» я* ^ * Л = 10.6 мкм

1 1 1__1- 1. • к. 1.

V я 0.63 мкм

50 90

- V ■ч. —1_1_1_1__.. % =» 10.6 мкм 1 1 1

Прозрачность Прозрачность Прозрачность

аэрозольного облака. аэрозольного облака. аэрозольного облака.

Термомеханический Пневматический Пневматический

источник, ёт = 0,68 мкм режим, ёт = 8,9 мкм аё режим, ёт = 19 мкм аё

аё = 1,62 = 2 = 2,3

Рис. 4. Измерение оптической прозрачности аэрозольного облакаот ГРД с использованием лазерного зондирования

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Куценогий К.П., Макаров В.И., Самсонов Ю.Н. и др. Экспериментальное исследование поведения аэрозольного облака в условиях динамической неоднородности. Тр. Международной конференции RDAMA-2001. Т. 6, 4.2, Спецвыпуск. - Новосибирск, 2001. -С. 255-260.

2. Куценогий К.П., Макаров В.И., Трубина Л.К. Определение геометрии дымового шлейфа от аэрозольного генератора методом цифровой стереофотограмметрии // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17. - № 4. - С. 339-344.

3. Трубина Л.К., Куценогий К.П. Использование цифровой стереофотограмметрии и ГИС-технологий для описания динамической неоднородности подстилающей поверхности // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15. - № 5-6. - С. 511-514.

4. Трубина Л.К., Куценогий К.П. Цифровая стереофотограмметрия и ГИС-технологии в исследовании атмосферных аэрозолей // География и природные ресурсы. Специальный выпуск. - 2004. - С. 39-43.

5. Куценогий К.П., Трубина Л.К. Цифровые фотограмметрические технологии в системе геоэкологического мониторинга. В кн.: Аэрозоли Сибири, Интеграционные проекты. Вып. 9, ч. 4. - Новосибирск, 2006. - С. 489-508.

© К.П. Куценогий, В.И. Макаров, Ю.Н. Самсонов, Л.К. Трубина, 2009