Микрофизические оптические характеристики и фотофорез атмосферных аэрозолей

• Автор: Кочнева, Луиза Бариевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Глава 1. Методы описания процессов переноса в аэродисперсных системах в поле

направленного электромагнитного излучения

1.1. Общие формулировки задач о движении и теплообмене аэрозольных частиц в поле излучения
1.2. Методы описания взаимодействия электромагнитного излучения с аэрозольной частицей
1.2.1. Классическая теория Ми о рассеянии и поглощении электромагнитного излучения сферической частицей

1.2.2. Другие подходы и методы решения проблемы взаимодействия ЭМИ

с аэрозольными частицами

1.3. Микрофизические оптические характеристики, ответственные за поглощение излучения и динамику аэрозольных частиц

1.4. Существующие классификации глобальных типов атмосферного аэрозоля

1.5. Атмосферные проявления фотофоретического движения частиц

Глава 2. Расчет и анализ микрофизических оптических характеристик, связанных с

поглощением излучения и динамикой аэрозольных частиц
2.1. Алгоритмы расчетов микрофизических оптических характеристик
2.2. Функция ИСТОЧНИКОВ В(г) И интенсивность внутреннего ПОЛЯ 1ауё(г)
2.3. Фактор эффективности поглощения излучения Qabs
2.4. Фактор светового давления Qpr
2.5. Фактор асимметрии поглощения излучения .Д
2.6. Микрофизические оптические характеристики модельных частиц и общие закономерности в их поведении
Глава 3. Фотофоретическое движение атмосферных аэрозолей
3.1. Методология оценок фотофоретического переноса частиц в атмосфере
3.2. Постановка задачи о фотофорезе атмосферных аэрозолей
3.3. Метод решения и определяемые величины
3.4. Фотофорез аэрозолей в поле коротковолнового солнечного излучения
3.5. Фотофорез аэрозолей в поле уходящего теплового излучения Земли
3.6. Сопоставление эффективности радиометрического фотофореза с другими механизмами вертикального переноса аэрозолей в средней атмосфере
Заключение
Список цитируемой литературы

Взаимодействие электромагнитного излучения с аэрозольными частицами и его разнообразные следствия являются предметом исследования многочисленных и взаимосвязанных разделов оптики и механики аэродисперсных сред. Как вполне сложившиеся направления можно рассматривать такие дисциплины как теория поглощения и рассеяния излучения малыми частицами (например, [1-2]) и оптика атмосферного аэрозоля (например, [3-5]). Первое направление, беря начало с классических работ Тиндаля, Рэлея, Лоренца, Ми и Дебая привело, в конечном счете, к созданию многочисленных прецизионных лабораторных методик, базирующихся на свойствах упругого и неупругого рассеяния излучения на индивидуальных частицах [6]. Разнообразнейшие применения в физике, химии, биологии, медицине и материаловедении находят методики оптического пленения и манипуляций с частицами посредством сил светового давления при использовании лазерного излучения [7].
Естественным и очевидным объектом исследований в рассматриваемых областях является атмосферный аэрозоль, взаимодействие которого с прямым и рассеянным солнечным излучением является не только традиционной, но и плодотворно развивающейся задачей оптики и физики атмосферы [4-5].
Традиционно и обоснованно считается, что основными измеряемыми и информативными характеристиками взаимодействия излучения с частицами (как с индивидуальными, так и с аэрозольными образованиями) являются характеристики светорассеяния. Между тем, принципиально важными и в ряде случаев определяющими являются и характеристики поглощенного излучения. Так, уже традиционными являются исследования оптических и тепловых полей внутри частиц [8], которые необходимы при изучении проблем нагрева, испарения и разрушения как воднокапельного, так и твердого аэрозоля под воздействием мощного излучения. Неоднородное по объему поглощение излучения частицами приводит к их фотофоретическому движению [9], которое, как будет показано ниже, является значимым механизмом переноса атмосферных аэрозолей в полях относительно малоинтенсивиых коротковолнового солнечного и длинноволнового уходящего излучения Земли на больших высотах.
Одним из разделов современной атмосферной оптики является нелинейная оптика атмосферного аэрозоля, возникновение которой было мотивировано практическими возможностями воздействия мощного излучения на атмосферный аэрозоль и лазерным мониторингом атмосферы [10-11]. Актуальными задачами данного направления является выяснение закономерностей распространения интенсивных пучков излучения в

аэродисперсных средах для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, а также радиационного просветления облаков и туманов, обусловленного нагревом и испарением воднокапельного аэрозоля. Проведенные исследования позволили достаточно глубоко понять различия (и разделить характерные силовые механизмы действия на частицы) в процессах взаимодействия интенсивного лазерного и слабоинтенсивного солнечного излучения с атмосферным аэрозолем.
Несомненно, что взаимодействие солнечного излучения с частицами аэрозоля оказывает заметное влияние на радиационный режим в атмосфере [12-13]. Он, в свою очередь, влияет на формирование регионального и глобального климата и его быстро протекающие изменения. Не удивительно, что вопросы поглощения излучения атмосферными частицами оказываются как прямо, так и опосредованно связанными с влиянием аэрозоля на климат, выражающемся в попытках корректных оценок радиационного возмущающего воздействия от атмосферного аэрозоля [14-16].
По целому ряду причин наиболее интересными представляются процессы поглощения излучения и последующего теплообмена и движения частиц в средней атмосфере (стратосфере, стратопаузе и мезосфере). Средняя атмосфера представляет собой сложную динамическую многопараметрическую систему с большим числом прямых и обратных связей. Она является проводником солнечно-земных связей между верхней и нижней атмосферами [17]. Циркуляция воздушных масс в средней атмосфере существенно отличается от циркуляции в гораздо более плотной тропосфере, а известное возрастание температуры в стратосфере за счет поглощения излучения озоновым слоем делает ее термически и механически устойчивой. В таких условиях следует ожидать гораздо более выраженного проявления индивидуальных транспортных свойств частиц по сравнению с тропосферой, где такие движения полностью подавляются разномасштабными конвективными процессами переноса.
Не удивительно, что стратосферный и мезосферный аэрозоль, как правило, стратифицирован: в этих областях наблюдается большое количество как относительно устойчивых, так и спорадических аэрозольных слоев и облаков различного химического и дисперсного состава. Их образование вызвано различными процессами метеорологического и техногенного характера, однако устойчивость и времена существования таких аэрозольных образований могут в значительной степени определяться специфическими силами, действующими на индивидуальные частицы. Изучение динамических характеристик стратосферного аэрозоля актуально по целому ряду причин; среди них следует выделить процессы разрушения озона в результате гетерогенных фотохимических реакций на

Рис. 2.13. Интенсивность внутреннего поля /аУ£ в частице сажи: а) А = 0,5 мкм, »7 = 1,82 + 0,74/, р = 0,1; б) А = 10,6 мкм, т = 2,42 +1,02/, р = 0,1.
Рис. 2.14. Интенсивность внутреннего поля /аУ£ в частице сажи: а) А = 0,5 мкм, »7 = 1,82 + 0,74/, р = 100; б) А = 10,6мкм, »7 = 2,42 + 1,02/, р = 85.