Введение к работе
Актуальность темы исследования. Атмосферные аэрозоли играют решающую роль во многих атмосферных процессах и оказывают существенное влияние на состояние атмосферы и климат. Кроме того, атмосферные загрязнения как наиболее динамичные представляют собой непосредственную угрозу здоровью человека и окружающей среде. Поэтому особый интерес представляет изучение процессов их распространения.
Значительный вклад в развитие учения об аэрозолях внесли российские и зарубежные ученые Н.А. Фукс, И.В. Петрянов, X. Грин, В. Лейн, X. Юнге, Т. Мерсер, А. Штерн, М.Е. Берлянд, К. Спурный, КЛ. Кондратьев, К.П. Куценогий и др.
Свойства атмосферных аэрозолей определяются химическим составом, размером, формой аэрозольных частиц и их концентрацией. Многие атмосферные явления (туманы, осадки, различные типы облаков, дымы от лесных пожаров и промышленных предприятий), в которых визуально обнаруживается присутствие частиц, дают представление о многообразии их форм и физико-химических свойств. Широкий диапазон концентраций атмосферных частиц и их размеров придает особую значимость задаче определения основных микрофизических свойств атмосферного аэрозоля, к которым относят счетную и массовую концентрации и дисперсный состав. Определение счетной концентрации не представляет принципиальных затруднений, что касается дисперсного состава, то этот вопрос более сложный и требует дополнительных исследований. В случае однородных по составу изоморфных частиц дисперсный состав характеризуется так называемой функцией распределения частиц по размерам (например, логарифмически нормальной), при неоднородном составе или разной форме частиц понятие распределения частиц по размерам становится неоднозначным.
Необходимо отметить, что счетная концентрация атмосферных аэрозолей представлена субмикронной фракцией, а массовая концентрация, в силу того,
что масса частицы зависит от размера, как куб ее диаметра, в основном связана с грубодисперсной фракцией, которая характеризуется сложной и крайне разнообразной формой частиц.
Поэтому сведения о дисперсном составе грубодисперсной фракции атмосферных аэрозолей неточны и во многих случаях носят полуколичественный характер. При этом свойства атмосферных аэрозолей, особенно оптические и химические, существенно зависят от формы частиц, для определения которой эффективно применение цифровых изображений. В связи с этим исследование свойств грубодисперсной фракции атмосферных аэрозолей является актуальным.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в исследовании свойств грубодисперсной фракции атмосферных аэрозолей, а именно, формы частиц и дисперсного состава, с применением цифровых изображений.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
проанализированы существующие методы определения морфометриче-ских характеристик аэрозольных частиц, выявлена необходимость уточнения морфологии частиц грубодисперсной фракции, отличающихся сложной формой;
разработан метод оценки формы частиц и дисперсного состава грубодисперсной фракции атмосферных аэрозолей с применением цифровых изображений;
исследованы свойства частиц атмосферных аэрозолей от разных источников в разных регионах.
Объект и предмет исследования. Объект исследования - пробы частиц атмосферного аэрозоля различного происхождения. Предмет исследования — выявление реальных свойств грубодисперсной фракции с применением цифровых изображений.
Методы исследования. Исследования основаны на комплексном использовании методов цифровой обработки изображений, математического моделирования, вычислительной математики и математической статистики. 4.
Достоверность теоретических разработок подтверждается результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна проведенных исследований заключается в разработке метода оценки формы частиц и дисперсного состава грубодисперсной фракции, отличающейся неоднородностью химического состава и неизоморфностью форм. Выявлена связь форм частиц с соотношением эквивалентных диаметров, вычисляемых по морфометрическим характеристикам частиц, измеренных по материалам микросъемки. Получены новые объективные сведения о формах аэрозольных частиц различного происхождения, важные при создании математических моделей, учитывающих влияние атмосферных аэрозолей на природные процессы в атмосфере, а также на изменения, вызываемые антропогенными воздействиями.
На защиту выносятся:
методика определения эквивалентного диаметра для частиц несферической формы, с применением цифровых изображений;
метод оценки формы частиц и дисперсного состава грубодисперсной фракции атмосферных аэрозолей, позволяющий объективно выявлять их реальные свойства.
Практическая значимость результатов. Предложенный метод эффективен для количественного описания дисперсного состава проб атмосферных аэрозолей от разных источников, что имеет существенное значение для мониторинга атмосферных аэрозолей.
Результаты исследований внедрены в научно-исследовательскую работу Института химической кинетики и горения СО РАН, а также в учебный процесс Сибирской государственной геодезической академии.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении следующих НИР:
- «Разработка теоретических основ и методов информационного обес
печения геоэкологического мониторинга экосистем» (госбюджетная тема, но
мер государственной регистрации 012004.06780);
«Аэрозоли Сибири-2. Гетерогенная химия и физика атмосферы. Влияние атмосферных аэрозолей на биогеохимические циклы» (интеграционный проект СО РАН № 169);
«Search of effective fire suppressants and development of a model for fire Extinguishing» (Исследование эффективности пожаротушителей и разработка моделей пожаротушения, INTAS Ref. №: 03-51-4724).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований представлены широкому кругу специалистов на следующих совещаниях, научно-технических конференциях, симпозиумах: X, XII заседаниях Рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2003, 2005); Научно-технической конференции «СПАССИБ-СИББЕЗОПАСНОСТЬ-2004» (Новосибирск, 2004); Seventh Workshop on Land Ocean Interactions in the Russian Arctic, LOIRA project (Москва, 2004); XVI Международной научной школе по морской геологии «Геология морей и океанов» (Москва, 2005); 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006); Всероссийской конференции с международным участием «Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России» (Архангельск, 2006); Научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск, 2005, 2006); научно-технических конференциях СГГА (Новосибирск, 2003 - 2006).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 17 научных работах (из них 6 статей, 1 отчет о НИР).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 145 наименований, содержит 15 таблиц, 26 рисунков, 7 приложений, изложена на 123 страницах.
