Физические свойства упорядоченного водного аэрозоля - капельного кластера

• Автор: Джуманджи, Варвара Анатольевна
• Шифр специальности: 25.00.30
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Тюмень
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Параметры и источники неводных атмосферных аэрозолей
1.2. Размеры частиц в атмосферных аэрозолях
1.3. Аэрозольные частицы - ядра конденсации воды и льда
1.4. Теоретические представления о зародышеобразовании воды
и льда
1.5. Конденсационный рост водных частиц
1.6. Коагуляционный рост капель воды
1.7. Образование облаков
1.8. Влияние аэрозолей на атмосферные процессы
1.9. Открытие пространственно упорядоченного кластера
из капель воды
1.10. Механизмы межкапельного взаимодействия в кластере
1.11. Выводы
Глава 2. Экспериментальная установка и методики измерений
2.1. Блок-схема экспериментальной установки
2.2. Методика получения кластера
2.3. Конструкция нагревателя
2.4. Методика регистрации температуры
2.5. Методика создания подсветки кластера
2.6. Методика создания электрического поля в области
локализации кластера
2.7. Методика измерения межфазного электрического тока
и потенциала при испарении воды
2.8. Методика регистрации изображений и измерения линейных размеров капель

2.9. Выводы
Глава 3. Структура и геометрические параметры капельного кластера
3.1 Экспериментальные результаты
3.2 Гравитационно-стоксовский механизм левитации капель
3.3. Выводы
Глава 4. Электрические свойства капель воды в капельном кластере
4.1. Результаты электрических опытов
4.2. Межфазные электрические потенциал и ток при испарении

4.3. Обсуждение результатов
4.3.1. Экранирование поля плоского заряда движущейся плазмой
» 4.3.2. Расчет заряда капель в капельном кластере
4.3.3. Обсуждение второго типа поведения капель кластера
4.3.4. Механизм межкапельного взаимодействия
4.3.5. Оценка заряда капли при испарении и конденсации
4.4. Выводы
Глава 5. Существование пространственно упорядоченных
капельных структур в естественной атмосфере
5.1. Численная оценка возможности существования капельных структур в облаках и туманах
5.2. Поверхностное натяжение облака
5.3. Механизм влияния капельных структур на тепломассоперенос
в атмосфере
5.4. Примеры наблюдения упорядоченных капельных структур
в атмосфере
5.5. Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
Водные аэрозоли представляют собой взвеси микроскопических капель воды размером от долей до десятков и сотен микрон в атмосферном воздухе. Они широко распространены в виде дымки, туманов и облаков в слое, простирающемся от поверхности земли на высоту до десятков километров. Водные аэрозоли играют чрезвычайно важную роль в формировании погоды и климата всей Земли. Действительно, с одной стороны, аэрозоли управляют величиной альбедо системы «земная поверхность - атмосфера» и поддерживают его значение в пределах 0,3-0,4. В результате, часть коротковолновой солнечной радиации отражается от земной поверхности в космос и температура поверхности снижается. С другой стороны, водные аэрозоли захватывают значительную часть длинноволнового излучения земной поверхности и направляют его назад к поверхности, приводя к росту температуры (парниковый эффект). С третей стороны, фазовые переходы воды в атмосфере и на поверхности земли также влияют на энергетический баланс между поверхностью земли, атмосферой и космосом.
До недавних пор считалось, что капли воды в водных аэрозолях взаимодействуют друг с другом путем столкновений, а дальнодействующее взаимодействие между каплями на расстояниях, превышающих сумму радиусов капель, отсутствует. Но в 2004 году появилось первое сообщение о том, что капли воды в водном аэрозоле в лабораторных условиях могут образовывать пространственно упорядоченную структуру - капельный кластер [1] (с межкапельным расстоянием около 3-6 радиусов капель), подобно способности частиц пыли образовывать пылевой кристалл в комплексной плазме или способности пространственного упорядочения коллоидных частиц в растворах. В работе [2] было показано, что капельные кластеры обладают поверхностным натяжением и вязкостью, которая при низкой турбулентности среды может на порядок превышать вязкость чистого воздуха. В связи с этим возникает

Одномерные модели описывают динамику облака довольно грубо, так как рассматриваются движения только по вертикали. Более полное описание динамики облака возможно в рамках двухмерных и трехмерных моделей. Они позволяют учесть влияние сдвига ветра с высотой на развитие облака и тот факт, что в реальных облаках восходящий поток смещен по горизонтали относительно нисходящего потока из-за влияния сдвига ветра на траектории частиц осадков. В результате реализации этих моделей можно получить более реалистичную картину полей водности и дождя в облаке, более точно исследовать их взаимосвязь и оценить роль различных процессов в формировании осадков. Расчет подобных моделей представляет собой сложную техническую задачу.
1.8. Влияние аэрозолей на атмосферные процессы
Атмосферные водные аэрозоли, являющиеся продуктом сложной совокупности физических и химических процессов в окружающей среде относятся к числу важнейших факторов, определяющих изменение климата на Земле. Можно выделить два механизма воздействия водных аэрозолей на климат [3]:
1. Прямое влияние аэрозолей на радиационный баланс системы «земная поверхность — атмосфера» посредством перераспределения коротковолнового солнечного и теплового излучений в этой системе за счет рассеяния и поглощения на аэрозольных частицах, неравномерно распределенных в земной атмосфере;
2. Фазовые переходы воды в атмосферных аэрозолях, в частности при облако- и осадкообразовании, имеют для энергетики системы «земная поверхность — атмосфера» важное значение, еще более важное, чем первый фактор.
Климатообразующие процессы в атмосфере тесно связаны между собой в единую цепь с положительными и отрицательными обратными связями. При этом в некоторых ситуациях, при неустойчивом равновесии между звеньями, энергетически малозначимое вмешательство в одно из звеньев влечет за собой