Экспериментальные исследования структуры и оптических свойств углеродсодержащих частиц

• Автор: Киселев, Алексей Алексеевич
• Шифр специальности: 04.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 154 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АТМОСФЕРНОЙ САЖИ
1.1 Терминология. Содержание в атмосфере
1.2 Механизм образования и строение первичных частиц сажевого аэрозоля
1.3 Агрегация первичных частиц и образование кластеров
1.4 Фрактальный подход к описанию структуры сажевых агрегатов
1.4.1 Объекты с фрактальной структурой
1.4.2 Особенности физических свойств фрактальных агрегатов
1.4.3 Методы измерения фрактальной размерности
1.5 Оптические свойства атмосферной сажи
1.5.1 Сажевый аэрозоль и радиационный баланс земной атмосферы
1.5.2 Теоретические методы расчета оптических характеристик сажевого аэрозоля с учетом особенностей структуры аэрозольных частиц
1.5.3 Численные методы расчета оптических характеристик агрегатов сажевых частиц
1.5.4 Приближенные методы расчета оптических характеристик сажевого аэрозоля
1.5.5 Основные величины и соотношения, используемые при описании рассеяния и поглощения системами агрегатов малых частиц
1.5.6 Изменчивость свойств атмосферной сажи и постановка задачи
ГЛАВА 2. СПЕКТРАЛЬНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ ЧАСТИЦ САЖИ: ЗАВИСИМОСТЬ ОТ СТРУКТУРЫ АГРЕГАТОВ
2.1 Методика эксперимента и аппаратура
2.1.1 Получение аэрозольных агрегатов сажевых частиц в дуговом разряде68
2.1.2 Изменение структуры кластеров при агрегации
2.1.3 Измерение структурных характеристик изучаемых объектов
2.1.4 Изменение структуры углеродных агрегатов при конденсации паров бензола и воды
2.1.5 Измерение спектральных зависимостей коэффициентов поглощения и рассеяния тонких слоев частиц чисто-углеродной сажи
2.2 Экспериментальные результаты
Выводы к главе
ГЛАВА 3. ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ САЖЕВОГО АЭРОЗОЛЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА СТРУКТУРУ ЧАСТИЦ
3.1 Техника и методика эксперимента
3.1.1 Ацетиленовая горелка с ламинарным диффузионным типом пламени

3.2 Изменение структуры агрегатов ацетиленовой сажи при термическом воздействии
3.2 Изменение оптических характеристик системы сажевых частиц
в результате термического воздействия
3.2.1 Измерения оптических характеристик сажевого аэрозоля в потоке
3.2.2 Изменение угловых характеристик рассеянного излучения
в результате термического воздействия
3.2.3 Результаты измерений интегральных оптических характеристик модифицированного аэрозоля. Обсуждение
Выводы к главе
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САЖЕВОГО АЭРОЗОЛЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ КОНДЕНСАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА
4.1 Механизм взаимодействия сажевого аэрозоля и водной компоненты атмосферы: актуальность проблемы
4.2 Описание установки и экспериментальная методика
4.3 Изменение структуры частиц в результате конденсации
4.4 Изменение оптических характеристик агрегатов сажевых частиц в результате конденсации водяного пара
Выводы К ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Исследование оптических свойств атмосферных аэрозолей является одной из центральных задач оптики атмосферы, что обусловлено ролью, которую аэрозоли играют в формировании оптических свойств атмосферы. Существенный вклад в оптические свойства атмосферного аэрозоля вносят дымы и сажевый аэрозоль, благодаря высокому содержанию элементного углерода, обладающего высоким удельным коэффициентом ослабления (~ 10 м2/г) в широком диапазоне длин волн (от УФ до ближнего ИК). Несмотря на то, что общая доля сажевого аэрозоля составляет менее 1% от общей массы аэрозольного вещества в атмосфере Земли, его вклад в среднюю оптическую толщу атмосферы достигает 20%. Активно участвуя в формировании радиационного баланса планеты, сажевый аэрозоль представляет собой мощный климатообразующий фактор. Значение этого фактора тем более велико, что вклад сажевого аэрозоля в формирование оптических свойств атмосферы не сводится только к взаимодействию с солнечной радиацией: частицы сажевого аэрозоля участвуют во всех атмосферных процессах, связанных с фазовыми переходами воды и гетерогенными реакциями малых газовых и аэрозольных составляющих атмосферы. В частности, присутствие аэрозоля в облачных системах приводит, с одной стороны, к росту общего поглощения излучения, а с другой стороны, к усилению рассеяния на каплях за счет увеличения концентрации облачных капель, образующихся в результате конденсации воды на аэрозольных частицах. Поверхность сажевых частиц проявляет каталитическую активность в фотоиндуцированных реакциях с участием различных атмосферных газов и паров полиароматических соединений, в результате которых образуются или, наоборот, разрушаются оптически и химически активные соединения, такие как Оз, NOx, S02, ОН и т.д. Наконец, так как сажевый аэрозоль в основном имеет антропогенное происхождение (до 50% всего сажевого аэрозоля выбрасывается в атмосферу в результате непосредственной деятельности человека, а остальное - в результате косвенного воздействия на окружающую среду), его суммарное количество в атмосфере постоянно возрастает, а локальные выбросы в отдельных случаях имеют катастрофические последствия (горение нефтяных резервуаров, мощные лесные пожары, и т.д.).
Вместе с тем оптические свойства и структурные характеристики сажевого

фрактального анализа. Оптимальным является случай, когда размер элемента 10 меньше или равен размеру г первичных частиц. Кроме того, число дискретных элементов должно быть достаточно большим (порядка 104), чтобы масштабную инвариантность кластера можно было проверить в широком диапазоне размеров. Яркость элемента изображения несет информацию о том, принадлежит ли он объекту или нет, однако для реальных изображений из-за наличия шумов, неравномерности освещенности и т.д. по яркости пиксела нельзя однозначно сказать принадлежит он кластеру или фону. Поэтому процедура выделения объектов (бинаризация изображения) предполагает предварительную обработку кадра - фильтрацию, выравнивание фона и включает в себя некоторые эвристические алгоритмы. Естественно, что полученное в результате всех этих процессов множество является математическим представлением исходного кластера, и как всякая идеализация не совсем точно отражает структуру реального объекта. В-третьих, методика определения фрактальной размерности для оцифрованных изображений предполагает применение вместо формул (1.3)- (1.5) соответствующих им дискретных аналогов, что так же может вносить погрешность в определяемые параметры. В-четвертых, метод ПЭМ непосредственно имеет дело с двумерными объектами - проекциями трехмерного кластера на плоскость изображения. Естественно, что структурные параметры изображения связаны со структурными параметрами исходного кластера, но напрямую интерпретировать данные полученные из анализа двумерного изображения, как характеристики трехмерного объекта, нельзя. В последнее время вопросу восстановления размерности трехмерного агрегата по данным ПЭМ уделяется большое внимание, в частности в работе [Меакт е1 а1 (1989), Смирнов, 1991] указывается, что для оптически прозрачных кластеров (Р<2) фрактальную размерность изображения можно считать практически равной фрактальной размерности самого агрегата. Для более точного учета проекционных искажений обычно вводится поправочный коэффициент, величина которого зависит от структуры агрегата и определяется по результатам численного моделирования фрактальных кластеров.
Для определения фрактальной размерности кластеров по их двумерному изображению на практике используется несколько методов основанных на дискретных алгоритмах фрактального анализа двумерных объектов.