Аэрозоли наши друзья и враги

АЭРОЗОЛИ-ДРУЗЬЯ И АЭРОЗОЛИ-ВРАГИ

I. АЭРОЗОЛИ-ДРУЗЬЯ

Н. А. Фукс

Химия и Жизнь №9, 1971 г, с. 44–49

Аэрозоли - это газы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы. Воздух, которым мы дышим,— аэрозоль: в каждом кубическом сантиметре воздуха плавают десятки тысяч взвешенных частиц. Самые крупные из них, большие пылинки размером в несколько микрон, можно видеть невооруженным глазом в пучке солнечных лучей. Но таких больших частиц немного, у остальных же столь малые размеры - от десятых до тысячных долей микрона,- что обнаружить и сосчитать их можно лишь косвенным путем.

Хотя частиц в единице  объема много, весовая концентрация их из-за ничтожно малой массы частиц очень низка: в городах она колеблется между 0,2 и 20 мг/м³, а вдали от городов в безветренную погоду кубический метр воздуха содержит лишь сотые доли миллиграмма взвесей. Даже в атмосферных облаках и туманах концентрация водяных капелек не превышает обычно 1 г/м³. Что ж, концентрация действительно мала, но, несмотря на это, аэрозоли играют в жизни человека и природы весьма важную роль.

Есть разные системы классификации  аэрозолей. Воспользуемся простейшей: аэрозоли могут быть полезными для  людей, а могут быть вредными. Эта статья - о полезных аэрозолях.

Начнем с атмосферных  облаков, ибо они первенствуют среди аэрозолей, ведь именно через них осуществляется круговорот воды в природе. Попытаемся представить себе, что за жизнь была бы на Земле, если бы водяной пар не конденсировался в атмосфере, образуя облака. Тогда вода могла бы возвращаться на Землю единственным путем - конденсируясь прямо на поверхности, иными словами, только через росу. И приземный слой атмосферы неизбежно был бы пересыщен паром.

Но в такой атмосфере  растения не смогли бы испарять влагу, и, значит, стал бы неосуществимым важнейший жизненный процесс - перенос воды от корней к листьям. А так как лишь зеленые растения способны синтезировать из воздуха и минеральных солей органические вещества, стала бы невозможной и жизнь животных на суше; только в воде жизнь была бы возможна.

Значение облаков не исчерпывается круговоротом воды. Они  поглощают длинноволновую радиацию, испускаемую поверхностью Земли, и большую часть полученного тепла возвращают обратно - поэтому облачные ночи всегда теплее ясных. В жарких краях облака защищают живую природу от прямых солнечных лучей и умеряют жару. Таким образом, облака смягчают климат планеты.

Как же образуются облака? Для этого тоже необходимы аэрозоли. Когда аэрозольных частиц нет, водяной  пар конденсируется только при довольно высоком (четырехкратном) пересыщении. В атмосфере такое пересыщение возможно лишь на высоте около 10 км. Возникшие здесь облака состояли бы из ледяных частиц, и жизнь на суше, как и в случае отсутствия облаков, вряд ли была бы возможна. К счастью, в атмосфере достаточно «ядер конденсации» - аэрозольных частиц, на которых водяной пар конденсируется при значительно меньших пересыщениях.

Наиболее активные ядра - капельки растворов: морской соли (мельчайшие брызги морской воды) и  серной кислоты (из сернистого газа, выбрасываемого вулканами, трубами ТЭЦ, металлургических и иных заводов). Эти ядра конденсируют на себе влагу даже при неполном насыщении атмосферы водяным паром, образуя в очень сырую погоду дымку. При малейшем пересыщении на ядрах начинается быстрый рост капелек - так образуются облака или туман.

Но каким образом из облачных капелек размером в сотые доли миллиметра получаются капли дождя размером от 0,1 мм (моросящий дождь) до нескольких миллиметров (ливень)? И здесь основую роль играют аэрозоли. Температура верхней части облаков в холодных и умеренных поясах обычно бывает ниже нуля, и капли находятся в переохлажденном состоянии. Такие облака устойчивы, дождь из них не идет. Однако в атмосфере взвешены небольшие количества частиц некоторых минералов. Их называют ледяными ядрами, потому что соприкосновение их с переохлажденными каплями вызывает замерзание воды. Давление пара льда ниже, чем переохлажденной воды, и поэтому замерзшая частица конденсирует на себе пар, а окружающие ее переохлажденные капельки испаряются. Льдинки растут и начинают падать, они сталкиваются с капельками, захватывают их, а затем, выйдя из холодной зоны, тают и выпадают на землю в виде дождя.

Когда был выяснен механизм образования дождя из переохлажденных облаков, возникла естественная мысль: а нельзя ли стимулировать этот процесс, введя в облака искусственные ледяные ядра? Наиболее активными оказались частицы йодистого серебра. Во многих странах проводились опыты по засеву облаков аэрозолями АgI. Облака удавалось заморозить, а вот вызвать осадки - далеко не всегда.

Заметим, кстати, что подобные опыты непросто истолковать. Предположим, после засева пошел дождь, но пошел ли он благодаря засеву? А может быть, он пошел бы сам по себе! Американский физик Ленгмюр предложил вызывать дождь с помощью АgI после двух удачных опытов, и пресса подняла по этому поводу шум; а многолетняя проверка показала, что результаты довольно скромны: количество осадков удается повысить таким способом примерно на 10%...

Более успешно применение аэрозоля йодистого серебра для борьбы с градом. Градинки также возникают в верхней части грозовых облаков, однако из-за сильных восходящих течений они долго движутся по облаку и успевают вырасти настолько, что при падении на землю не успевают растаять. Если ввести в переохлажденное ядро грозового облака [(а его можно определить при помощи радиолокатора) аэрозоль и таким образом заморозить капельки, то вместо града образуется ледяная «крупа», не приносящая вреда посевам.

Перейдем теперь к биологической части атмосферного аэрозоля, иначе говоря, к аэропланктону. Он содержит всевозможные микроорганизмы, бактерии, грибки, споры, цветочную пыльцу, семена, мелких насекомых и пр. Некоторых обитателей аэропланктона ветер переносит на сотни и даже тысячи километров, и они не гибнут. Этот перенос очень важен для распространения организмов по нашей планете. Он способствует сохранению видов, потому что при изменении биологических условий в одной местности некоторые виды погибают, но они могут развиться в других краях, куда залетели их семена или споры.

Напомним также о ветровом опылении растений, в том числе  столь важных, как злаки. Хотя вероятность  того, что пыльца попадет на пестик цветка, ничтожна, ветроопыляемые растения вырабатывают так много пыльцы, что практически все цветы оказываются опыленными.

Хотя ветровая эрозия почвы - бич сельского хозяйства, однако и она порой приносит человеку пользу. В течение многих веков ветры сносили почву в пустынях Центральной Азии и несли ее на восток. Крупные частицы быстро выпадали из пылевого облака, а тончайшие частицы, пролетев тысячи километров, дошли до северного Китая. Так образовались плодородные лёссовые отложения в бассейне реки Хуанхэ.

Теперь от природных  аэрозолей перейдем к тем, которые создает человек. Среди них первое место по масштабам принадлежит аэрозолям из жидких и твердых топлив. Нефтепродукты распыляются в форсунках и образуют туман, который затем сжигается в топках паровых котлов или камерах двигателей внутреннего сгорания. Уголь сейчас сжигают в виде пыли. Если распылять жидкости, растворы или суспензии и в образовавшийся туман вводить поток горячего газа, то можно быстро высушить капельки; такая «распылительная» сушка нередко применяется для получения сухого молока и других продуктов. Окраска распыленными жидкими материалами давно уже вытесняет малярную кисть. А в последнее время появилась электроокраска: материал распыляют сильным электрическим полем, и электрические силы заставляют осесть заряженный туман на заземленном изделии.

Для борьбы с вредителями  и болезнями культурные растения опрыскивают жидкими ядохимикатами. Ту же технику используют для дезинфекции и дезинсекции помещений. Туманы из растворов гипохлорита, гликолей, резорцина оказались превосходными средствами для стерилизации воздуха в операционных. Вдыхание туманов из лекарственных препаратов (аэрозолетерапия) - эффективный метод лечения болезней дыхательных путей. Обнадеживающие результаты дает и аэрозольная иммунизация людей и животных.

Очень удобными для использования оказались аэрозоли, полученные из аэрозольных баллончиков. В баллончики под давлением помещают фреоновые растворы лаков, инсектицидов, лекарственных препаратов, косметических и прочих средств. Как только открывается клапан, раствор вытесняется парами фреона через сопло. При атмосферном давлении фреон бурно вскипает, разрывает раствор на мелкие капельки и быстро испаряется; в воздухе остается струя аэрозоля.

В последние годы началась разработка аэрозольных ракетных двигателей. Нелетучую жидкость распыляют в сильном электрическом поле. Полученный заряженный туман пропускают через линейный ускоритель, в котором капельки разгоняются электрическим полем до скорости в несколько километров в секунду и выбрасываются из ракеты. Такой двигатель может работать лишь в вакууме, то есть на очень большой высоте.

Больше всего распыляют  самую дешевую жидкость - воду. Примеров применения можно привести множество. Важнейшие из них: тушение пожаров, орошение посевов, охлаждение стенок реакторов, охлаждение, увлажнение и очистка промышленных газов от пыли и газообразных примесей, борьба с пылью в шахтах.

Многие технические материалы  получают в виде аэрозолей, которые затем осаждают. Так, при неполном сгорании газообразных углеводородов образуется сажевый аэрозоль, при сжигании паров SiCl₄ - аэрозоль высокодисперсного кремнезема («белая сажа»), а паров АlСl₃ - аэрозоль окиси алюминия. Сжиганием цинка получают аэрозоль ZnО (цинковые белила). Когда выплавляют цинк, часть его паров конденсируется, образуя цинковую пыль - важный материал для органического синтеза. Так же при выплавке серы получают аэрозоль серы и серный цвет, необходимый для борьбы с болезнями растений.

Искусственные туманы широко применялись в мировых войнах для маскировки. Дымом, образующимся при горении влажного хвороста, с незапамятных времен защищали сады от заморозков. Еще одно старинное применение аэрозолей - воздушная сортировка порошков и сыпучих тел, основанная на том, что мелкие аэрозольные частицы падают в воздухе медленнее, чем крупные, а чешуйчатые - медленнее, чем округленные. Пример такой сортировки - отвеивание зерна от половы.

Аэрозоли из песка и  других твердых материалов создаются  в пескоструйных аппаратах; с  помощью узкой струйки корундового порошка становится возможной тонкая обработка хрупких материалов. Еще одно применение аэрозолей - для копчения: вкус копченостям придают частицы дыма...

Эта статья должна была убедить  читателя в том, что у человека много аэрозолей-друзей. Однако аэрозолей-врагов у него еще больше. Но это - тема другой статьи.

Для образования  облаков необходимы аэрозоли. Пар конденсируется на мельчайших ядрах конденсации - гигроскопических частицах. Там, где температура ниже нуля, образуются переохлажденные облачные капли размером в сотые доли миллиметра. Облако устойчиво, дождь из него не идет.

Но в атмосфере есть также  ледяные ядра, твердые аэрозольные частицы, способные вызвать замерзание переохлажденных капелек. На этих льдинках конденсируется пар, льдинки растут, тяжелеют и опускаются ниже. Попав в теплую зону, где температура выше нуля, льдинки тают и падают на землю каплями раз-

мером   до   нескольких   миллиметров. Идет дождь...

А в нижней части вклейки изображен еще один аэрозоль - пыльца растений. Без аэрозолей было бы немыслимым ветровое опыление, так. часто встречающееся в природе