Атмосферный аэрозоль вдали от мощных источников, как естественных (извержений вулканов, пыльных бурь, лесных пожаров), так и антропогенных (промышленных центров) принято называть фоновым. Можно выделить три основных компонента фонового аэрозоля.
Первый называют континентальным. Это частицы горных пород, почвы, мельчайшие песчинки, сдуваемые ветром. Они имеют размер от нескольких микрон до десятков микрон и всегда содержат кремний и алюминий, что позволяет сделать вывод об их происхождении.
Другой важнейший компонент – морской, который поставляет в фоновый аэрозоль частицы морской соли. Именно эти частицы играют роль ядер конденсации, на которых образуются облачные капли. При волнении моря поверхность воды покрывается пузырьками пены, которые при разрушении оболочки пузырька превращаются примерно в 2000 капелек морской воды диаметром около микрона. При высыхании этих капелек остаются частицы морской соли радиусом менее 0,1 мкм, которые и образуют ядра конденсации.
Для морских аэрозолей характерно содержание элементов, входящих в состав морской соли. Это, в первую очередь, натрий, магний, хлор, бром в определенных соотношениях.
Третий компонент фонового аэрозоля образуется в результате химических и фотохимических реакций веществ, выделяемых растениями с некоторыми компонентами атмосферного воздуха, в первую очередь, с оксидами азота, возникающими при грозовых разрядах. Голубая дымка над вершинами деревьев в тихую солнечную погоду представляет собой естественный фотохимический смог – аэрозоль, образованный в результате конденсации продуктов химических реакций, выделяемых растениями летучих веществ, например, терпинолов и α-пиненов, содержащих в своем составе двойные С = С-связи с оксидами азота:
В результате этих процессов образуются предельные и непредельные кислородосодержащие соединения, которые являются центром появления аэрозольных частиц.
По схожему механизму протекает окисление углеводородов, попадающих в окружающую среду в результате деятельности человека (выхлопы автомобилей, остатки от сгорания топлива и др.):
При этом образуются альдегиды (ацетальдегид, формальдегид и др.), которые характерны для фотохимического смога.
Частицы естественных смогов определяют прозрачность атмосферы в наименее загрязненных районах планеты. Они имеют размер до 0,1 мкм. Несколько более крупные частицы образуются при лесных пожарах. Поэтому аэрозоли лесных пожаров тоже можно считать постоянным компонентом атмосферы. Их влияние на оптику атмосферы может быть очень значительным, поскольку частицы продуктов горения дерева состоят в значительной мере из сажи, обладающей способностью сильно поглощать видимое излучение.
Извержения вулканов могут быть весьма существенным источником атмосферного аэрозоля. Одно большое извержение вулкана может выбросить в атмосферу 10 9 т аэрозолей. При извержении вулканов из кратера выбрасывается громадное количество пылевидного вещества. Этот «вулканический пепел « образуется в результате застывания мельчайших брызг расплавленной магмы, уносимых вырывающимися из кратера газами.
Помимо аэрозолей вулкан выбрасывает большое количество газов, способных к химическим превращениям с образованием конденсирующихся продуктов, в первую очередь, диоксида серы (SO2). Он может растворяться в капельках воды, образуя серную кислоту (H2SO4). Кроме того, сухие аэрозольные частицы могут катализировать окисление SO2 в SO3 с последующей гидратацией в серную кислоту.
Эти процессы можно представить следующей схемой:
Существует и другой механизм превращения SO2 в серную кислоту, который протекает под воздействием солнечного излучения. Начинается этот процесс с фотолиза диоксида азота (NO2), постоянно присутствующего в атмосфере:
Окисление SO2 в SO3 протекает в присутствии соответствующего катализатора, в качестве которого выступают ионы тяжелых металлов. Поэтому вулканические извержения образуют аэрозоли серной кислоты. Однако в большинстве своем эти капельки серной кислоты превращаются в частицы сульфата аммония, поскольку в атмосфере всегда есть аммиак, возникающий в результате разложения органических веществ:
Важным источником поступления аэрозолей в верхнюю атмосферу (астрозоли) являются метеориты и межпланетная пыль. Метеориты сгорают или испаряются на высотах ниже 100 км, благодаря чему образуется конденсационный аэрозоль, содержащий оксиды железа, никеля, кремния и другие соединения. Общее поступление метеоритной пыли в атмосферу оценивается в 104 – 108 т/год.
Главным источником антропогенных аэрозолей является процесс горения, при этом образуются первичные и вторичные аэрозоли, т.е. образующиеся непосредственно
в пламени или уже в атмосфере в результате конденсации продуктов химических превращений газообразных веществ, выделяющихся при горении.
Первичные аэрозоли – это сажа и частицы летучей золы. Зола содержит почти все элементы таблицы Менделеева.
Автомобильный транспорт генерирует еще один вид аэрозолей с не очень большим выходом по массе, но крайне опасным по воздействию на человеческий организм. Дело в том, что для повышения возможной степени использования топлива в бензин добавляют антидетонационную добавку – тетраэтилсвинец (С2Н5)4Рb. При горении топлива это вещество превращается в диоксид свинца (PbO2), образующий аэрозольные частицы, вылетающие из выхлопных труб автомобилей. Свинец очень токсичен, а автомобильный транспорт в крупных городах выбрасывает десятки, а то и сотни тонн свинцового аэрозоля ежесуточно.
Энергетика и транспорт дают 2/3 общего количества первичных антропогенных аэрозолей. Хотя это количество и мало по сравнению с поступающими из природных источников, антропогенные аэрозоли образуют концентрированные облака над промышленными центрами.
Первичные аэрозоли выбрасывают металлургические предприятия – они образуются при обжиге руды и плавке металлов и состоят из оксидов металлов, в том числе и тяжелых.
Генерация вторичных аэрозолей является результатом технологической деятельности человека. Любое топливо в большей или меньшей степени содержит серу, значит, при горении образуется диоксид серы. Горение всегда сопровождается частичным вовлечением в процесс окисления атмосферного азота, в результате чего образуются оксид и диоксид азота. Естественно, образуются и оксиды углерода. Кроме того, в атмосферу поступают продукты неполного сгорания топлива, в частности углеводороды, являющиеся составными частями бензина. Реакции между этими веществами ведут к образованию аэрозолей серной и азотной кислот, или аммиачных солей этих кислот.