Embed Size (px)
Citation preview
ELEMENTE DE FIZICA AEROSOLULUI51 GENERALITĂŢIRăspacircndirea agenţilor poluanţi se face pe trei căi prin aer apă şi sol Poluarea aeruluirezultă ca urmare a două mecanisme creşterea peste limita normală a concentraţiei unorcomponenţi care sunt prezenţi natural icircn atmosferă şi introducerea de substanţe noi la nivelulatmosferic (icircn toate cele trei forme de agregare) Icircn afara efectelor cunoscute (şi de aşteptat) alepoluării atmosferice poluarea atmosferică are şi efecte de natură meteorologică şi climatică cumsunt ceaţa industrială modificarea ionizării atmosferice reducerea vizibilităţii datorate prezenţeiparticulelor de aerosol icircn atmosferă (icircn afara celei cauzate de ceaţă) reducerea radiaţiei solareincidente ce ajunge la suprafaţa terestră din cauza absorbţiei pe aerosoli scăderea concentraţiei deozon din stratosferă avacircnd ca urmare reducerea absorbţiei radiaţiei UV etcIcircn aer există impurităţi solide şisau lichide aflate icircn suspensie denumite aerosoli Icircn multecazuri prin aerosoli se icircnţelege doar componenta solidă511 Aerosolul solidAerosolul sold este reprezentat de pulberi minerale şi vegetale nisipuri şi argile pulberivuclanice pulberi meteorticie partciule de fum şi cenuşă microorganisme şi altele Concentraţialor variază icircntre limite foarte largi avacircnd un minim de 10 particule m3 (la munte) şi 20 000particulem3 sau mai mult (zone industriale)Sursele aerosolului sunt naturale şi artificiale Aerosolii sunt generaţi ca urmare a- dezintegrării mecanice a unor roci care are ca rezultat praful nisipul- antrenării icircn mişcare a prafului ca urmare a acţiunii vacircnturilor- evaporării oceanului care are ca rezultat sarea marină- dispersiei de materiale la suprafaţa Pămacircntului- erupţiilor vulcanice- arderi de combustibili fosili- reacţiile chimice şi condensarea gazelor şi vaporilor din atmosferă5111 Clasificare tipuri93Aerosolul poate fi primar (emis direct icircn atmosferă)sau secundar (rezultat icircn urma unorreacţii de conversie gaz-particulă) Dimensiunea aerosolului se icircntinde pe un domeniu foarte largcare pleacă de la cacircţiva nm pacircnă la zeci de micrometri Odată ajunse icircn atmosferă particulele de
aerosol icircşi pot schimba atacirct mărimea cacirct şi compoziţia icircn urma condensării a evaporăriicoagulării activare icircn prezenţa vaporilor suprasaturaţi etcParticulele cu diametrul mai mic de 25 μm formează aşa numitul aerosol fin icircn timp cepentru cele cu diametru mai mare se foloseşte termenul de aerosol grosier Icircntre cele două tipuri deaerosol există diferenţe importante icircn ceea ce priveşte sursele mecanismele de icircndepărtarecompoziţia chimice proprietăţile optice (care sunt cele mai interesante din punctul de vedere alfizicii atmosferei) şi efectele biologiceDupă dimensiuni aerosolul solid poate fibull particule (fine) Aitken cu r le 01 μm (ioni) ndash de exemplu noxele evacuate de laautomobile electrocentrale cenuşi ele mai sunt cunoscute şi sub denumirea departicule icircn modul nucleu Icircn general aceste particule se formează ca urmare acondensării vaporilor fierbinţi ce apar icircn procesele de combustie şi din procesele denucleaţie Ele sunt icircndepărtate din atmosferă icircn special prin coagularebull particule mari sau particule icircn modul de acumulare cu 01 le r lt 25 μm care rezultă dincoagularea particulelor din modul nucleu şi din condensarea vaporilor pe particule dejaexistente Timpul de viaţă al acestui tip de particule este cel mai mare dintre cele treidomeniibull particule gigant cu r gt 25 μm ndash de exemplu praf polen sare fragmente de plante caresunt icircn general rezultatul fragmentărilor mecanice a materialelor de natură organică şianorganică de la suprafaţa Pămacircntului Fiind grele acestea sedimentează rapidn(cm-3)100 2000 1 2 3 4diam (μ)n(cm-3)100 2000 005 01 015 020diam (μ)Fig 51 Distribuţia aproximativă a aerosolului icircn funcţie de diametru94Numărul de molecule sau de monomeri dintr-o particulă de aerosol variază icircn funcţie dediametru Cele mici (sub 1 μm) au concentraţii icircntre 10 şi cacircteva zeci de mii particule pe cm-3 icircn
timp ce cele mai mari au concentraţii cu mult mai mici (pacircnă icircn 1 particulecm-3 Icircn funcţie de locul şi originea aerosolului acesta se clasifică icircnbull aerosol urban care este rezultatul emisiilor primare din industrie transport şi sursenaturale secundare mecanism de conversie gaz ndash particulăbull aerosol marin icircn principal particulele de sare de origine marinăbull aerosol continental care au atacirct surse naturale (praf microorganisme pulberi) cacirct şi surseantropogenice dominacircnd particulele fine (003 ndash 7 μm)Aerosolul atmosferic este concentrat icircn troposferă icircnsă o parte ajunge icircn stratosferă undeeste reprezentat de soluţii apoase de acid sulfuric Erupţiile vulcanice majore sunt cele care trimitcantităţi importante de SO2 duce la formarea unui nor de acid sulfuric care rezidă icircn stratosferă untimp icircndelungat (pentru erupţii majore cum ar fi Pinatubo din iunie 1991 nivelul aerosoluluistratosferic a rămas ridicat peste doi ani)Icircn troposferă o mare part din aerosolul existent are origine antropogenică Studiile efectuatearată că icircn zonele neurbane concentraţia de aerosol fin este doar de două ori mai mică decacirct icircnzonele urbane ceea ce arată că timpul de viaţă al aerosolului atmosferic este destul de mare52 DINAMICA AEROSOLULUI521 Mişcarea brownianăDistanţa mare străbătută de o moleculă icircntre ciocniri este definită drum liber mediu (λ)Dacă drumul liber mediu este mai mic decat raza particulei λ lt r ansamblul de particule estetratat ca un continuu Icircn caz contrar dacă λ ge r atunci ansamblul de particule formează un sistemdiscret de N puncte iar fiecare partciculă poate fi analizată individual Altfel spus dacăDp
knrλ 2λ = = rarr 0 mediul este continuu dacă rarrrλinfin acesta este discret iar pentru rarrrλ 1aansamblul se află icircn regim de tranziţieIcircn descrierea mişcării browniene datorate agitaţiei termice se pleacă de la ecuaţia Langevinadică de la ecuaţia dinamicii scrisă pentru unitatea de masă
(t)
dtdv = minusβv + a (51)95unde βv este termenul care reprezintă rezistenţa datorată frecării iar a reprezintă fluctuaţiaacceleraţiei Forţa de frecare este descrisă de legea Stokes F = 6πη r v (se neglijează dependenţade raportul λfraslr) unde η este coeficientul de vacircscozitate al aerului Atunci forţa pe unitatea demasă estemrvmf F6πη = = decimπηrβ = 6 (52)Icircnmulţim ecuaţia (51) scalar cu vectorul r se mediază şi rezultăr sdot v = minusβ r v + r adtdDeoarece
r sdot v = (r v) minus r sdot v = r sdot v minus v2
dtddtddtddtdadicăr v minus v2 = minusβ r sdot v + r sdotadtd Din legea echipartiţiei energiei pe grade de libertate rezultămv2 = 3kTiar din izotropia ciocnirilor rezultă ra = 0 astfel icircncacirct se obţiner vmr v kTdtd sdot minus 3 = minusβ sdotsaumr v r v kT
dtd sdot + β sdot = 3o ecuaţie neomogenă care are ca soluţie96mr sdot v = C sdot eminusβ t + 3kT (53)Parametrulβτ = 1 se numeşte timp de relaxare vacircscoasă care pentru aerosolul atmosfericeste foarte mic Pentru t gtgt τ perturbaţiile vitezei dispar şi decimkTβr sdot v = 3 Folosind definiţia vitezei
( 2 )2r v r r 1 rdtddtsdot = sdot d =mr kTdtdβ2 = 6Icircnlocuind pe β din relaţia (52) se obţinerr kT tπη2 =saurr kT tx y z3 3πη2
2 = 2 = 2 = = (54)522 Difuzia şi sedimentarea aerosoluluiRolul principal icircn dispersia agenţilor poluanţi icircl au turbulenţele şi circulaţia atmosfericăicircnsă difuzia si sedimentarea sunt comune tuturor tipurilor de aerosol5221 Difuzia particulelor de aerosolFluxul de particule este cantitatea de substanţă care trece icircn unitatea de timp prin unitatea desuprafaţă normală
j sdotnsdot=dS dtdQ97Difuzia este guvernată de legea lui Fick care spune că fluxul de particule este proporţionalcu gradientul densităţii luat cu semn schimbat (difuzia are loc dinspre regiunile cu densitatea mareicircnspre cele cu densitate mică)j = minusDsdotnablaρ (56)Dacă difuzia este unidirecţională de-a lungul axei Ox fluxul de particule este97dxQ = DSt dρ (57)unde D este coeficientul de difuzie dat deD v λ3= 1 Ecuaţia de continuitate este
+ ( sdotnabla) = 0partpartρρ vtŢinacircnd cont că j = ρ sdot v şi de relaţia (56) putem scrie că
( ρ )ρ= nablasdot nablapartpartDtsauD ntn = sdotnabla2
partpart(58)care este legea a ndashII-a a lui FickPentru comparaţie cu mişcarea browniană calculăm lt z2 gt presupunacircnd că nu existădependenţă de x şi y Aceasta icircnseamnă că nablan = partnpartz
Fie Ns numărul de particule de aerosol pe unitatea de suprafaţă normală la OzSN N s = introduse icircntr-un strat dz icircn vecinătatea lui z = 0 Atunci conform lui (58)22 22
z n dz D z n dzt zinfin infinminusinfin minusinfin
part partint = intpart part(59)Folosind regula integrării prin părţi222
D z n dzzinfinminusinfin
partintpartD 2 z nPe de altă parte variaţia densităţii totale a aerosolilor din icircntreaga coloană pe unitatea desuprafaţă este zero980 =2
z2 n dz z n dzt tinfin infinminusinfin minusinfin
part part=
part part int int + z2 n dztinfinminusinfin
partintpart (511)Media unei mărimi oarecare este dată deF F ndxdydz N F ndzinfin infinminusinfin minusinfin
= int int int = int (511)Atunci primul termen din dreapta egalităţii (511) este
int intinfin
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
aerosol icircşi pot schimba atacirct mărimea cacirct şi compoziţia icircn urma condensării a evaporăriicoagulării activare icircn prezenţa vaporilor suprasaturaţi etcParticulele cu diametrul mai mic de 25 μm formează aşa numitul aerosol fin icircn timp cepentru cele cu diametru mai mare se foloseşte termenul de aerosol grosier Icircntre cele două tipuri deaerosol există diferenţe importante icircn ceea ce priveşte sursele mecanismele de icircndepărtarecompoziţia chimice proprietăţile optice (care sunt cele mai interesante din punctul de vedere alfizicii atmosferei) şi efectele biologiceDupă dimensiuni aerosolul solid poate fibull particule (fine) Aitken cu r le 01 μm (ioni) ndash de exemplu noxele evacuate de laautomobile electrocentrale cenuşi ele mai sunt cunoscute şi sub denumirea departicule icircn modul nucleu Icircn general aceste particule se formează ca urmare acondensării vaporilor fierbinţi ce apar icircn procesele de combustie şi din procesele denucleaţie Ele sunt icircndepărtate din atmosferă icircn special prin coagularebull particule mari sau particule icircn modul de acumulare cu 01 le r lt 25 μm care rezultă dincoagularea particulelor din modul nucleu şi din condensarea vaporilor pe particule dejaexistente Timpul de viaţă al acestui tip de particule este cel mai mare dintre cele treidomeniibull particule gigant cu r gt 25 μm ndash de exemplu praf polen sare fragmente de plante caresunt icircn general rezultatul fragmentărilor mecanice a materialelor de natură organică şianorganică de la suprafaţa Pămacircntului Fiind grele acestea sedimentează rapidn(cm-3)100 2000 1 2 3 4diam (μ)n(cm-3)100 2000 005 01 015 020diam (μ)Fig 51 Distribuţia aproximativă a aerosolului icircn funcţie de diametru94Numărul de molecule sau de monomeri dintr-o particulă de aerosol variază icircn funcţie dediametru Cele mici (sub 1 μm) au concentraţii icircntre 10 şi cacircteva zeci de mii particule pe cm-3 icircn
timp ce cele mai mari au concentraţii cu mult mai mici (pacircnă icircn 1 particulecm-3 Icircn funcţie de locul şi originea aerosolului acesta se clasifică icircnbull aerosol urban care este rezultatul emisiilor primare din industrie transport şi sursenaturale secundare mecanism de conversie gaz ndash particulăbull aerosol marin icircn principal particulele de sare de origine marinăbull aerosol continental care au atacirct surse naturale (praf microorganisme pulberi) cacirct şi surseantropogenice dominacircnd particulele fine (003 ndash 7 μm)Aerosolul atmosferic este concentrat icircn troposferă icircnsă o parte ajunge icircn stratosferă undeeste reprezentat de soluţii apoase de acid sulfuric Erupţiile vulcanice majore sunt cele care trimitcantităţi importante de SO2 duce la formarea unui nor de acid sulfuric care rezidă icircn stratosferă untimp icircndelungat (pentru erupţii majore cum ar fi Pinatubo din iunie 1991 nivelul aerosoluluistratosferic a rămas ridicat peste doi ani)Icircn troposferă o mare part din aerosolul existent are origine antropogenică Studiile efectuatearată că icircn zonele neurbane concentraţia de aerosol fin este doar de două ori mai mică decacirct icircnzonele urbane ceea ce arată că timpul de viaţă al aerosolului atmosferic este destul de mare52 DINAMICA AEROSOLULUI521 Mişcarea brownianăDistanţa mare străbătută de o moleculă icircntre ciocniri este definită drum liber mediu (λ)Dacă drumul liber mediu este mai mic decat raza particulei λ lt r ansamblul de particule estetratat ca un continuu Icircn caz contrar dacă λ ge r atunci ansamblul de particule formează un sistemdiscret de N puncte iar fiecare partciculă poate fi analizată individual Altfel spus dacăDp
knrλ 2λ = = rarr 0 mediul este continuu dacă rarrrλinfin acesta este discret iar pentru rarrrλ 1aansamblul se află icircn regim de tranziţieIcircn descrierea mişcării browniene datorate agitaţiei termice se pleacă de la ecuaţia Langevinadică de la ecuaţia dinamicii scrisă pentru unitatea de masă
(t)
dtdv = minusβv + a (51)95unde βv este termenul care reprezintă rezistenţa datorată frecării iar a reprezintă fluctuaţiaacceleraţiei Forţa de frecare este descrisă de legea Stokes F = 6πη r v (se neglijează dependenţade raportul λfraslr) unde η este coeficientul de vacircscozitate al aerului Atunci forţa pe unitatea demasă estemrvmf F6πη = = decimπηrβ = 6 (52)Icircnmulţim ecuaţia (51) scalar cu vectorul r se mediază şi rezultăr sdot v = minusβ r v + r adtdDeoarece
r sdot v = (r v) minus r sdot v = r sdot v minus v2
dtddtddtddtdadicăr v minus v2 = minusβ r sdot v + r sdotadtd Din legea echipartiţiei energiei pe grade de libertate rezultămv2 = 3kTiar din izotropia ciocnirilor rezultă ra = 0 astfel icircncacirct se obţiner vmr v kTdtd sdot minus 3 = minusβ sdotsaumr v r v kT
dtd sdot + β sdot = 3o ecuaţie neomogenă care are ca soluţie96mr sdot v = C sdot eminusβ t + 3kT (53)Parametrulβτ = 1 se numeşte timp de relaxare vacircscoasă care pentru aerosolul atmosfericeste foarte mic Pentru t gtgt τ perturbaţiile vitezei dispar şi decimkTβr sdot v = 3 Folosind definiţia vitezei
( 2 )2r v r r 1 rdtddtsdot = sdot d =mr kTdtdβ2 = 6Icircnlocuind pe β din relaţia (52) se obţinerr kT tπη2 =saurr kT tx y z3 3πη2
2 = 2 = 2 = = (54)522 Difuzia şi sedimentarea aerosoluluiRolul principal icircn dispersia agenţilor poluanţi icircl au turbulenţele şi circulaţia atmosfericăicircnsă difuzia si sedimentarea sunt comune tuturor tipurilor de aerosol5221 Difuzia particulelor de aerosolFluxul de particule este cantitatea de substanţă care trece icircn unitatea de timp prin unitatea desuprafaţă normală
j sdotnsdot=dS dtdQ97Difuzia este guvernată de legea lui Fick care spune că fluxul de particule este proporţionalcu gradientul densităţii luat cu semn schimbat (difuzia are loc dinspre regiunile cu densitatea mareicircnspre cele cu densitate mică)j = minusDsdotnablaρ (56)Dacă difuzia este unidirecţională de-a lungul axei Ox fluxul de particule este97dxQ = DSt dρ (57)unde D este coeficientul de difuzie dat deD v λ3= 1 Ecuaţia de continuitate este
+ ( sdotnabla) = 0partpartρρ vtŢinacircnd cont că j = ρ sdot v şi de relaţia (56) putem scrie că
( ρ )ρ= nablasdot nablapartpartDtsauD ntn = sdotnabla2
partpart(58)care este legea a ndashII-a a lui FickPentru comparaţie cu mişcarea browniană calculăm lt z2 gt presupunacircnd că nu existădependenţă de x şi y Aceasta icircnseamnă că nablan = partnpartz
Fie Ns numărul de particule de aerosol pe unitatea de suprafaţă normală la OzSN N s = introduse icircntr-un strat dz icircn vecinătatea lui z = 0 Atunci conform lui (58)22 22
z n dz D z n dzt zinfin infinminusinfin minusinfin
part partint = intpart part(59)Folosind regula integrării prin părţi222
D z n dzzinfinminusinfin
partintpartD 2 z nPe de altă parte variaţia densităţii totale a aerosolilor din icircntreaga coloană pe unitatea desuprafaţă este zero980 =2
z2 n dz z n dzt tinfin infinminusinfin minusinfin
part part=
part part int int + z2 n dztinfinminusinfin
partintpart (511)Media unei mărimi oarecare este dată deF F ndxdydz N F ndzinfin infinminusinfin minusinfin
= int int int = int (511)Atunci primul termen din dreapta egalităţii (511) este
int intinfin
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
timp ce cele mai mari au concentraţii cu mult mai mici (pacircnă icircn 1 particulecm-3 Icircn funcţie de locul şi originea aerosolului acesta se clasifică icircnbull aerosol urban care este rezultatul emisiilor primare din industrie transport şi sursenaturale secundare mecanism de conversie gaz ndash particulăbull aerosol marin icircn principal particulele de sare de origine marinăbull aerosol continental care au atacirct surse naturale (praf microorganisme pulberi) cacirct şi surseantropogenice dominacircnd particulele fine (003 ndash 7 μm)Aerosolul atmosferic este concentrat icircn troposferă icircnsă o parte ajunge icircn stratosferă undeeste reprezentat de soluţii apoase de acid sulfuric Erupţiile vulcanice majore sunt cele care trimitcantităţi importante de SO2 duce la formarea unui nor de acid sulfuric care rezidă icircn stratosferă untimp icircndelungat (pentru erupţii majore cum ar fi Pinatubo din iunie 1991 nivelul aerosoluluistratosferic a rămas ridicat peste doi ani)Icircn troposferă o mare part din aerosolul existent are origine antropogenică Studiile efectuatearată că icircn zonele neurbane concentraţia de aerosol fin este doar de două ori mai mică decacirct icircnzonele urbane ceea ce arată că timpul de viaţă al aerosolului atmosferic este destul de mare52 DINAMICA AEROSOLULUI521 Mişcarea brownianăDistanţa mare străbătută de o moleculă icircntre ciocniri este definită drum liber mediu (λ)Dacă drumul liber mediu este mai mic decat raza particulei λ lt r ansamblul de particule estetratat ca un continuu Icircn caz contrar dacă λ ge r atunci ansamblul de particule formează un sistemdiscret de N puncte iar fiecare partciculă poate fi analizată individual Altfel spus dacăDp
knrλ 2λ = = rarr 0 mediul este continuu dacă rarrrλinfin acesta este discret iar pentru rarrrλ 1aansamblul se află icircn regim de tranziţieIcircn descrierea mişcării browniene datorate agitaţiei termice se pleacă de la ecuaţia Langevinadică de la ecuaţia dinamicii scrisă pentru unitatea de masă
(t)
dtdv = minusβv + a (51)95unde βv este termenul care reprezintă rezistenţa datorată frecării iar a reprezintă fluctuaţiaacceleraţiei Forţa de frecare este descrisă de legea Stokes F = 6πη r v (se neglijează dependenţade raportul λfraslr) unde η este coeficientul de vacircscozitate al aerului Atunci forţa pe unitatea demasă estemrvmf F6πη = = decimπηrβ = 6 (52)Icircnmulţim ecuaţia (51) scalar cu vectorul r se mediază şi rezultăr sdot v = minusβ r v + r adtdDeoarece
r sdot v = (r v) minus r sdot v = r sdot v minus v2
dtddtddtddtdadicăr v minus v2 = minusβ r sdot v + r sdotadtd Din legea echipartiţiei energiei pe grade de libertate rezultămv2 = 3kTiar din izotropia ciocnirilor rezultă ra = 0 astfel icircncacirct se obţiner vmr v kTdtd sdot minus 3 = minusβ sdotsaumr v r v kT
dtd sdot + β sdot = 3o ecuaţie neomogenă care are ca soluţie96mr sdot v = C sdot eminusβ t + 3kT (53)Parametrulβτ = 1 se numeşte timp de relaxare vacircscoasă care pentru aerosolul atmosfericeste foarte mic Pentru t gtgt τ perturbaţiile vitezei dispar şi decimkTβr sdot v = 3 Folosind definiţia vitezei
( 2 )2r v r r 1 rdtddtsdot = sdot d =mr kTdtdβ2 = 6Icircnlocuind pe β din relaţia (52) se obţinerr kT tπη2 =saurr kT tx y z3 3πη2
2 = 2 = 2 = = (54)522 Difuzia şi sedimentarea aerosoluluiRolul principal icircn dispersia agenţilor poluanţi icircl au turbulenţele şi circulaţia atmosfericăicircnsă difuzia si sedimentarea sunt comune tuturor tipurilor de aerosol5221 Difuzia particulelor de aerosolFluxul de particule este cantitatea de substanţă care trece icircn unitatea de timp prin unitatea desuprafaţă normală
j sdotnsdot=dS dtdQ97Difuzia este guvernată de legea lui Fick care spune că fluxul de particule este proporţionalcu gradientul densităţii luat cu semn schimbat (difuzia are loc dinspre regiunile cu densitatea mareicircnspre cele cu densitate mică)j = minusDsdotnablaρ (56)Dacă difuzia este unidirecţională de-a lungul axei Ox fluxul de particule este97dxQ = DSt dρ (57)unde D este coeficientul de difuzie dat deD v λ3= 1 Ecuaţia de continuitate este
+ ( sdotnabla) = 0partpartρρ vtŢinacircnd cont că j = ρ sdot v şi de relaţia (56) putem scrie că
( ρ )ρ= nablasdot nablapartpartDtsauD ntn = sdotnabla2
partpart(58)care este legea a ndashII-a a lui FickPentru comparaţie cu mişcarea browniană calculăm lt z2 gt presupunacircnd că nu existădependenţă de x şi y Aceasta icircnseamnă că nablan = partnpartz
Fie Ns numărul de particule de aerosol pe unitatea de suprafaţă normală la OzSN N s = introduse icircntr-un strat dz icircn vecinătatea lui z = 0 Atunci conform lui (58)22 22
z n dz D z n dzt zinfin infinminusinfin minusinfin
part partint = intpart part(59)Folosind regula integrării prin părţi222
D z n dzzinfinminusinfin
partintpartD 2 z nPe de altă parte variaţia densităţii totale a aerosolilor din icircntreaga coloană pe unitatea desuprafaţă este zero980 =2
z2 n dz z n dzt tinfin infinminusinfin minusinfin
part part=
part part int int + z2 n dztinfinminusinfin
partintpart (511)Media unei mărimi oarecare este dată deF F ndxdydz N F ndzinfin infinminusinfin minusinfin
= int int int = int (511)Atunci primul termen din dreapta egalităţii (511) este
int intinfin
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
dtdv = minusβv + a (51)95unde βv este termenul care reprezintă rezistenţa datorată frecării iar a reprezintă fluctuaţiaacceleraţiei Forţa de frecare este descrisă de legea Stokes F = 6πη r v (se neglijează dependenţade raportul λfraslr) unde η este coeficientul de vacircscozitate al aerului Atunci forţa pe unitatea demasă estemrvmf F6πη = = decimπηrβ = 6 (52)Icircnmulţim ecuaţia (51) scalar cu vectorul r se mediază şi rezultăr sdot v = minusβ r v + r adtdDeoarece
r sdot v = (r v) minus r sdot v = r sdot v minus v2
dtddtddtddtdadicăr v minus v2 = minusβ r sdot v + r sdotadtd Din legea echipartiţiei energiei pe grade de libertate rezultămv2 = 3kTiar din izotropia ciocnirilor rezultă ra = 0 astfel icircncacirct se obţiner vmr v kTdtd sdot minus 3 = minusβ sdotsaumr v r v kT
dtd sdot + β sdot = 3o ecuaţie neomogenă care are ca soluţie96mr sdot v = C sdot eminusβ t + 3kT (53)Parametrulβτ = 1 se numeşte timp de relaxare vacircscoasă care pentru aerosolul atmosfericeste foarte mic Pentru t gtgt τ perturbaţiile vitezei dispar şi decimkTβr sdot v = 3 Folosind definiţia vitezei
( 2 )2r v r r 1 rdtddtsdot = sdot d =mr kTdtdβ2 = 6Icircnlocuind pe β din relaţia (52) se obţinerr kT tπη2 =saurr kT tx y z3 3πη2
2 = 2 = 2 = = (54)522 Difuzia şi sedimentarea aerosoluluiRolul principal icircn dispersia agenţilor poluanţi icircl au turbulenţele şi circulaţia atmosfericăicircnsă difuzia si sedimentarea sunt comune tuturor tipurilor de aerosol5221 Difuzia particulelor de aerosolFluxul de particule este cantitatea de substanţă care trece icircn unitatea de timp prin unitatea desuprafaţă normală
j sdotnsdot=dS dtdQ97Difuzia este guvernată de legea lui Fick care spune că fluxul de particule este proporţionalcu gradientul densităţii luat cu semn schimbat (difuzia are loc dinspre regiunile cu densitatea mareicircnspre cele cu densitate mică)j = minusDsdotnablaρ (56)Dacă difuzia este unidirecţională de-a lungul axei Ox fluxul de particule este97dxQ = DSt dρ (57)unde D este coeficientul de difuzie dat deD v λ3= 1 Ecuaţia de continuitate este
+ ( sdotnabla) = 0partpartρρ vtŢinacircnd cont că j = ρ sdot v şi de relaţia (56) putem scrie că
( ρ )ρ= nablasdot nablapartpartDtsauD ntn = sdotnabla2
partpart(58)care este legea a ndashII-a a lui FickPentru comparaţie cu mişcarea browniană calculăm lt z2 gt presupunacircnd că nu existădependenţă de x şi y Aceasta icircnseamnă că nablan = partnpartz
Fie Ns numărul de particule de aerosol pe unitatea de suprafaţă normală la OzSN N s = introduse icircntr-un strat dz icircn vecinătatea lui z = 0 Atunci conform lui (58)22 22
z n dz D z n dzt zinfin infinminusinfin minusinfin
part partint = intpart part(59)Folosind regula integrării prin părţi222
D z n dzzinfinminusinfin
partintpartD 2 z nPe de altă parte variaţia densităţii totale a aerosolilor din icircntreaga coloană pe unitatea desuprafaţă este zero980 =2
z2 n dz z n dzt tinfin infinminusinfin minusinfin
part part=
part part int int + z2 n dztinfinminusinfin
partintpart (511)Media unei mărimi oarecare este dată deF F ndxdydz N F ndzinfin infinminusinfin minusinfin
= int int int = int (511)Atunci primul termen din dreapta egalităţii (511) este
int intinfin
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
dtd sdot + β sdot = 3o ecuaţie neomogenă care are ca soluţie96mr sdot v = C sdot eminusβ t + 3kT (53)Parametrulβτ = 1 se numeşte timp de relaxare vacircscoasă care pentru aerosolul atmosfericeste foarte mic Pentru t gtgt τ perturbaţiile vitezei dispar şi decimkTβr sdot v = 3 Folosind definiţia vitezei
( 2 )2r v r r 1 rdtddtsdot = sdot d =mr kTdtdβ2 = 6Icircnlocuind pe β din relaţia (52) se obţinerr kT tπη2 =saurr kT tx y z3 3πη2
2 = 2 = 2 = = (54)522 Difuzia şi sedimentarea aerosoluluiRolul principal icircn dispersia agenţilor poluanţi icircl au turbulenţele şi circulaţia atmosfericăicircnsă difuzia si sedimentarea sunt comune tuturor tipurilor de aerosol5221 Difuzia particulelor de aerosolFluxul de particule este cantitatea de substanţă care trece icircn unitatea de timp prin unitatea desuprafaţă normală
j sdotnsdot=dS dtdQ97Difuzia este guvernată de legea lui Fick care spune că fluxul de particule este proporţionalcu gradientul densităţii luat cu semn schimbat (difuzia are loc dinspre regiunile cu densitatea mareicircnspre cele cu densitate mică)j = minusDsdotnablaρ (56)Dacă difuzia este unidirecţională de-a lungul axei Ox fluxul de particule este97dxQ = DSt dρ (57)unde D este coeficientul de difuzie dat deD v λ3= 1 Ecuaţia de continuitate este
+ ( sdotnabla) = 0partpartρρ vtŢinacircnd cont că j = ρ sdot v şi de relaţia (56) putem scrie că
( ρ )ρ= nablasdot nablapartpartDtsauD ntn = sdotnabla2
partpart(58)care este legea a ndashII-a a lui FickPentru comparaţie cu mişcarea browniană calculăm lt z2 gt presupunacircnd că nu existădependenţă de x şi y Aceasta icircnseamnă că nablan = partnpartz
Fie Ns numărul de particule de aerosol pe unitatea de suprafaţă normală la OzSN N s = introduse icircntr-un strat dz icircn vecinătatea lui z = 0 Atunci conform lui (58)22 22
z n dz D z n dzt zinfin infinminusinfin minusinfin
part partint = intpart part(59)Folosind regula integrării prin părţi222
D z n dzzinfinminusinfin
partintpartD 2 z nPe de altă parte variaţia densităţii totale a aerosolilor din icircntreaga coloană pe unitatea desuprafaţă este zero980 =2
z2 n dz z n dzt tinfin infinminusinfin minusinfin
part part=
part part int int + z2 n dztinfinminusinfin
partintpart (511)Media unei mărimi oarecare este dată deF F ndxdydz N F ndzinfin infinminusinfin minusinfin
= int int int = int (511)Atunci primul termen din dreapta egalităţii (511) este
int intinfin
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
j sdotnsdot=dS dtdQ97Difuzia este guvernată de legea lui Fick care spune că fluxul de particule este proporţionalcu gradientul densităţii luat cu semn schimbat (difuzia are loc dinspre regiunile cu densitatea mareicircnspre cele cu densitate mică)j = minusDsdotnablaρ (56)Dacă difuzia este unidirecţională de-a lungul axei Ox fluxul de particule este97dxQ = DSt dρ (57)unde D este coeficientul de difuzie dat deD v λ3= 1 Ecuaţia de continuitate este
+ ( sdotnabla) = 0partpartρρ vtŢinacircnd cont că j = ρ sdot v şi de relaţia (56) putem scrie că
( ρ )ρ= nablasdot nablapartpartDtsauD ntn = sdotnabla2
partpart(58)care este legea a ndashII-a a lui FickPentru comparaţie cu mişcarea browniană calculăm lt z2 gt presupunacircnd că nu existădependenţă de x şi y Aceasta icircnseamnă că nablan = partnpartz
Fie Ns numărul de particule de aerosol pe unitatea de suprafaţă normală la OzSN N s = introduse icircntr-un strat dz icircn vecinătatea lui z = 0 Atunci conform lui (58)22 22
z n dz D z n dzt zinfin infinminusinfin minusinfin
part partint = intpart part(59)Folosind regula integrării prin părţi222
D z n dzzinfinminusinfin
partintpartD 2 z nPe de altă parte variaţia densităţii totale a aerosolilor din icircntreaga coloană pe unitatea desuprafaţă este zero980 =2
z2 n dz z n dzt tinfin infinminusinfin minusinfin
part part=
part part int int + z2 n dztinfinminusinfin
partintpart (511)Media unei mărimi oarecare este dată deF F ndxdydz N F ndzinfin infinminusinfin minusinfin
= int int int = int (511)Atunci primul termen din dreapta egalităţii (511) este
int intinfin
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
Fie Ns numărul de particule de aerosol pe unitatea de suprafaţă normală la OzSN N s = introduse icircntr-un strat dz icircn vecinătatea lui z = 0 Atunci conform lui (58)22 22
z n dz D z n dzt zinfin infinminusinfin minusinfin
part partint = intpart part(59)Folosind regula integrării prin părţi222
D z n dzzinfinminusinfin
partintpartD 2 z nPe de altă parte variaţia densităţii totale a aerosolilor din icircntreaga coloană pe unitatea desuprafaţă este zero980 =2
z2 n dz z n dzt tinfin infinminusinfin minusinfin
part part=
part part int int + z2 n dztinfinminusinfin
partintpart (511)Media unei mărimi oarecare este dată deF F ndxdydz N F ndzinfin infinminusinfin minusinfin
= int int int = int (511)Atunci primul termen din dreapta egalităţii (511) este
int intinfin
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
infininfin
infin partpart=partpart=partpartsdottzz NtzNz Nntn z2 2
d 1 d2
şi aplicacircnd (510) şi (511) rezultăDtz22
=partpartrArr z 2 = 2Dt (512)Icircn mişcarea brownianărz kTt3πη2 = Comparacircnd cele două expresii se găseşte coeficientulde difuzierD kT6πη= (relaţia Stokes-Einstein) (513)Pentru particule foarte mici trebuie considerată corecţia lui Knudsen găsită experimentaladică⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛ +r r
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
D kTλαπη16(514)cu ⎟⎠⎞⎜⎝= ⎛λα f r avacircnd expresia α λr
e11
125 04minus
= + Se observă că pentru raze mari ale particulelorr rarr infin α rarr 1 şi C rarr 1 Se observă că pentru particule foarte mici coeficientul de difuzievariază invers proporţional cu diametrul moleculei la pătrat5222 Sedimentarea99Aerosolul solid are tendinţă de sedimentare datorită greutăţii Pentru o particulă sfericăaflată icircn cădere (staţionară) prin aer greutatea este echilibrată de forţa arhimedică şi de cea defrecare cu aerulG = Fa + Fs
saur r ηrva 3 6 π4 π 334 π 3 ρ = ρ + astfel icircncacirct viteza de cădere este2
9 0
02 2C rgrv = sdotminus=⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛η
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
ρ ρ(55)Coeficientul C0 depinde de temperatură princoeficientul de vacircscozitatea aşadar şi viteza decădere depinde de temperatură Un fluid poate fi icircn curgere laminară sau turbulentăCurgerea laminară este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mici1048707 liniile de curent nu se intersectează1048707 straturile de curgere sunt paralele1048707 curgerea este staţionară (viteza este funcţie de poziţie nu de timp)1048707 forţele de frecare sunt tip Stokes adică sunt proporţionale cu vitezaCurgerea turbulentă este caracterizată de următoarele elemente1048707 are loc la viteze mari1048707 liniile de curent dispar1048707 se formează vacircrtejuri1048707 curgerea este nestaţionară viteza depinde de timp şi are fluctuaţii icircn jurul unei valori mediiforţele de frecare proporţionale cu pătratul vitezei Ffs prop v2
5223 Sedimentarea aerosolului şi distribuţia verticalăEcuaţia de mişcare a particulei de aerosol icircn mişcare laminară estedd rez A mtv =G + F + FPentru un aerosol de rază mare forţa arhimedică este mult mai mică decacirct greutatea şi poatefi neglijată100d 6dm m rtv = g minus πη vPentru un fluid a cărui deplasare se face cu viteza ud 6 ( )dm m rtv = g + πη u minus vDacă este vorba despre aerosol mic acţionează şi FA astfel icircncacirct0
d 6dm m V rtv = g minus ρ g minus πη vIcircn stare staţionară viteza nu variază astfel icircncacirct viteza atinsă de particule este
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +minus= sdotrv r g se
λαηρ ρ192 2 0
dim (515)unde ρ este densitatea aerosolului ρ0 densitate fluidului iar Cr+ =λ1 α reprezintă factorul decorecţie pentru forţa de rezistenţă din partea aerului FStokesDupă cum s-a arătat densitatea aerului scade destul de repede cu altitudinea astfel icircncacirctsedimentarea are loc mai repede la altitudini mai mariEcuaţia de mişcare se mai scrie (icircn absenţa FA)τ sdot v =τg minus vdtd (516)unde cr= m sdotπητ6se numeşte timp de relaxare caracteristic Se presupune că fluidul este icircnrepaus u = 0 şi se că viteza aerosolului are componentă doar pe direcţie verticală v = (vx vy vz)(fără vacircnt) şi viteza iniţială nulă Atunci proiectacircnd ecuaţia (516) pe direcţia Oz se obţine ecuaţianeomogenăg vdtdv z + z =τ(517)a cărei soluţie obţinută după rezolvarea ecuaţiei omogene va fi de forma101⎟⎠
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
⎞⎜⎝= + ⎛minusτv gτ C t z part exp (518)Pentru aflarea constantei C se ţine cont că vz(0) = 0 de unde rezultă C= - gτ şi deci⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝= minus ⎛minusτv gτ t z 1 exp (519)Pentru timpi mult mai mari decacirct timpul de relaxare viteza de sedimentare atinge valoareastaţionarăvsedim=τ g (520)Practic timpul de relaxare este timpul necesar particulei pentru a atinge vitezastaţionară este aproximativ 4middot10-8 s pentru o praticulă cu diametrul d = 005 μm 36middot10-6s pentruuna cu diametrul de 1 μm şi 77middot10-3 pentru particulele mari de 50 μm Pentru un fluid aflat icircnmişcare τ reprezintă timpul necesar unei particule care intră icircntr-un jet pentru a atinge vitezaacestuia Intuitiv particulele de dimensiuni mici sedimentează mai lent avacircnd viteze desedimentare de cacircţiva cmh icircn timp ce particulele de dimensiuni mari ajung la viteze de 10 mhsau mai mult5224 Sedimentarea icircn regim turbulentPentru particulele mari sau pentru mişcări turbulente pentru care Re gt 01 forţa derezistenţă este22 0
F 1 K A v rez = sdot sdotρ (521)unde A este aria proiecţiei secţiunii normale a particulei la direcţia de icircnaintare Numărul luiReynoldsηρ vrRe
0 2 = reprezintă raportul dintre forţele inerţiale şi cele vacircscoase Pentru o sferăsecţiunea normală la direcţia de mişcare este un cerc deci A = π d 2 4
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
Atunci ecuaţia de mişcare va fi2
022mg K r vdtdvzm = minus π sdot sdot sdotρ sdot (522)102unde icircn generalReK = 24 Pentru Re lt 01 forţa de rezistenţă devine de tip Stokes Expresiile luiK pentru diferite valori ale numărului Reynolds sunt date icircn tabelul de mai jos La racircndul săunumărul lui Reynolds variază şi icircn funcţie de diametrul particulei iar cacircteva valori sunt date icircntabelul de mai josTabel 51 Expresiile coeficientului K icircn funcţie de numărul lui ReynoldsRe K01 lt Re lt 2
( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= + Re + Re ReRe K ln 216091624 1 3
2 lt Re lt 500 24 (1 015 0687 ) R e K R e
= + sdot500 lt Re lt 2middot105 K = 044Tabel 52 Valori ale numărului Re pentru diferite dimensiuni ale aerosoluluidiametru (μm) Re
01 7 middot 10-9
28 middot 10-6 125 middot 10-3 1020 00260 04100 2300 20Icircn stare staţionară viteza de sedimentare este2102120320
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
382342⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛=⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎛sdot sdot= =ρρρππρρπ rKgCrCKr grCKv mg z
Dar K=f(Re) şi Re=f(vz) şi putem scrie
( ) z
z K vv gCr 138 210
sdot ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
⎛= sdotρρ103ReKsdotRe2
Fig52 Dependenţa factorului KRe2 de Re pentru o sferăAtunci22 2 2
2 4 0
ηρ v rK R K e sdot = sdotsau320022 22 0
33234 8 rgCrKr gCK R K e sdot = sdot sdot sdot sdot = sdot sdotηρ ρρρηρ(523)Se află KRe
2 din relaţia (7) şi apoi se află Re din graficul din figura 52 ﾎ n final viteza desedimentare se determină dinrRv e
0 2ρη= 53 PROCEDEE DE IcircNDEPĂRTARE A AEROSOLULUI532 Procedee de icircndepărtare uscată a aerosoluluiProcesele de 絜 depărtare uscată sunt procese de transport ale aerosolului care au loc 絜 lipsa
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
precipitaţiilor Dintre acestea cele mai importante sunt procesele de depunere uscată carereprezintă transferul aerodinamic al gazelor şi particulelor de aerosol din atmosferă către suprafaţaterestră precum şi cele de sedimentare gravitaţională ﾎ n general depunerea uscată este descrisăcantitativ prin viteza de depunere care depinde de specia aerosolului de parametrii meteorologici104şi de natura suprafeţei Ea reprezintă procesul de curăţare a atmosferei av穗 d drept consecinţăimpurificarea ecosistemelor terestre şi acvaticeUn proces de depunere uscată constă din trei etape1 Transportul aerodinamic p 穗 ă la stratul limită care are loc 絜 general prin difuzieturbulentă care este acelaşi pentru gaze sau aerosoli2 Transferul gazelor (prin difuzie) şi a particulelor fine (prin mişcare browniană) 絜direcţia suprafeţei Păm 穗 tului Deoarece stratul limită este extrem de 絜gustaceste procese au loc 絜 regim laminar sau cvasilaminar3 Fenomenele prin care gazele sau particulele sunt preluate de suprafaţa terestrăaderenţa particulelor la sol sau absorbţia gazelor 絜 sol Aceasta din urmă esteinfluenţată mult de umiditatePentru particulele mari este decisivă sedimentarea gravitaţională Din expresia vitezei desedimentare se observă că ea creşte repede cu 絜 ălţimea (scade ρ) Procesele de depunere suntimportante pentru particulele gigant Particulele mici Aitken sunt 絜depărtate prin alte procesecare sunt prezentate mai jos5322 Coagularea brownianăCoagularea browniană reprezintă procesul de ciocnire şi alipire a particulelor aflate 絜mişcare browniană Ea se mai numeşte şi coagulare termică Explicarea procesului de coagulare seface pe baza studierii mişcării browniene a particulelor Pentru două ansambluri de particule (1) şi(2) av 穗 d razele r1 şi r2 aflate 絜 concentraţii n1 şi n2 se poate arăta că rata de ciocnire pentru ostare staţionară este dată de inversul timpului parcurs 絜 tre ciocniri12 2 1 1 21
12 τ minus = 4πD (r + r )n n (524)Ser observă că rata de ciocnire este direct proporţională cu razele particulelor concentraţiileparticulelor care difuzează şi de difuzivitatea lor relativă D12 = D1 + D2 Dacă r1 ltlt r2 relaţia de
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
mai sus arată că timpul mediu de viaţă al ansamblului de particule mici care coagulează peparticule mari este cu at 穰 mai mic cu c 穰 acestea din urmă sunt mai dese şi sau mai mariEficienţa de coagulare depinde de forma aerosolului de condiţiile de suprafaţă deumiditatea atmosferică de dinamica etcŢin 穗 d cont că⎟ ⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= +j j
j r rD kT απη16104timpul de icircnjumătăţire este
D r n kTn ( αN)ηπτ+= =4 13812 1 2 2 2
1 Se observă că odată cu trecerea timpului particulele Aitken dispar iar maximulconcentraţiei se deplasează către particulele mari care apoi sedimentează Acest fenomene are odurată medie de cacircteva zile Studiile privind modificările de concentraţii de aerosoli au arătat căschimbarea distribuţiei dimensionale datorate coagulării browniene este eficientă pentru particuleleAitken Determinările experimentale au arătat că particulele mici nu dispar complet ci icircntr-odistribuţie a concentraţiei funcţie de raza particulei formează un al doilea maxim pentru razefoarte mici de ordinul 0001 μm Existenţa acestui maxim ar putea fi rezultatul conversiei gazparticulă
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
care generează aerosol primar AitkenCoagularea icircn regim laminar are loc dacă fluidul icircn care are loc fenomenul se află icircn curgereStokes şi dacă particulele mici din apropierea uneia mari se mişcă icircntr-un curent determinat decurgerea aerului din jurul unei particule mari izolateIcircntr-un fluid aflat icircn curgere laminară pentru care gradientul vitezei icircn direcţie normală ladirecţia curgerii este Γ rata de coagulare depinde direct proporţional de acesta după relaţia
( ) 1 2
31 21
6d + d n nΓτ minus =Pentru curgerea turbulentă expresia este asemănătoare__celei de mai sus icircnsă trebuie ţinutcont de vacircscozitate5311 Coagularea gravitaţionalăCoagularea gravitaţională este procesul de alipire a particulelor mici la cele mai mari careare loc icircn timpul sau icircn urma sedimentării sub acţiunea gravitaţiei Ea poate avea loc icircn regimlaminar sau icircn regim turbulent Particulele mari sedimentează repede le ajung din urmă pe celemici se ciocnesc şi rezultă coagularea (intercepţie directă) Notacircnd cu d1 şi d2 diametrulparticulelor mari respectiv al celor mici coeficientul de coagulare este
( ) ( )4 1 2 1 221
12 K = d v minus v E d dπ105532 Procese de icircndepărtare umedăProcesele de icircndepărtare umedă a aerosolului sunt procesele naturale de colectare aaerosolului din atmosferă şi colectarea lui icircntr-un volum redus de apă Aceste procese care constauicircn interacţiunea particulelor de aerosol cu particule de nor de cristale de gheaţă şi cu precipitaţiisolide şi lichide Particulele de aerosol se vor ataşa sau vor fi captate de hidrometeorii atmosfericişi vor cădea sub formă de precipitaţii la sol Icircndepărtarea umedă a aerosolului este un mecanismnatural de colectare a aerosolului poluant sau nepoluant şi concentrarea acestuia icircntr-un volum
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
redus de apă Cel mai important proces umed este icircndepărtarea poluanţilor de către precipitaţiiPrecipitarea este eficientă pentru că substanţele poluante sunt concentrate icircntr-un volum mic delichidIcircndepărtarea umedă a aerosolului poate avea loc1048707 prin precipitaţii lichide (curăţare sub nor)1048707 prin intercepţie noroasă (impactul particulelor de nor asupra aerosolului ndash curăţareicircn nor)1048707 cu ajutorul picăturilor de ceaţă1048707 prin căderi de zăpadă5321 Formarea nucleelor deFormarea nucleelor de condensare (NC)Orice particulă de aerosol poate deveni NC şi atunci ea se numeşte particulă activatăPrintre nucleele de condensare cele mai icircntacirclnite sunt praful sarea marină aerosolii de naturăvulcanică aerosoli de natură antropogenică Practic fără aerosoli norii s-ar forma la valori aleumidităţii mult peste 100 Icircn prezenţa aerosolilor norii se formează la valori ale suprasaturaţieide 1 pentru norii de apă şi la valori de 30-80 pentru cei de gheaţăTeoretic activarea ar trebui să aibă loc la valori foarte mari ale umidităţii relative astfelicircncacirct ţinacircnd cont că umiditatea are icircn general valori sub 100 doar particulele marigigant artrebui să fie active ceea ce nu s-a verificat experimental Conţinutul particulei de aerosol este icircngeneral mixt fiind un amestec de materiale solubile şi insolubile al căror procent variază funcţiede loc sursă de aerosol etc Dimensiunea particulei de aerosol variază cu umiditatea relativă iaraceastă variaţie depinde de raportul dintre substanţa solubilă şi apă ρ s ρ apa =ε şi de umiditateala care fracţiunea solubilă formează o soluţie saturatăIcircn timpul formării norilor aerosolii cu rol de NC se activează şi cresc liber ca urmare adifuziei vaporilor de apă Particula de aerosol creşte pacircnă la dimensiunea pentru caresuprasaturaţia critică este mai mică decacirct umiditatea relativă Ea devine activată şi creşte liber şirapid prin condensarea vaporilor de apă rezultacircnd picătura de nor (ceaţă) Gazele solubile sedizolvă icircn particulele de apă şi astfel are loc un tip de spălare (atacirct icircn nor cacirct şi sub nor) Astfel are106loc de exemplu icircndepărtarea compuşilor de sulf din atmosferă Faza apoasă devine mediu de
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
reacţie favorabil pentru transformarea compuşilor S(IV) icircn S(V) aceştia din urmă nefiind volatilişi fiind transportaţi icircn solDacă aerosolii sunt icircn formă lichidă nucleaţia este omogenă şi are loc numai icircn norii degheaţă iar dacă aerosolii sunt ăn stare solidă nucleaţia este eterogenă şi poate avea loc icircn ambeletipuri de nori Precipitaţiile sunt generate atunci cacircnd picăturile sunt suficient de mari (raze de cca1 mm) Creşterea picăturilor are loc prin coalescenţă condensare şi procese icircn gheaţăCondensarea este mecanismul principal prin care picăturile de apă cresc rapid de la dimensiuniiniţiale de zecimi de μm pacircnă la 10 μmsubstanţăinsolubilăsubstanţăsolubilăsoluţieapoasăUmiditatea creşteFig 52 Fazele formării nucleului de condensarePentru dimensiuni mai mari procesul este mult icircncetinit icircn condiţii de suprasaturare opicătură ajunge abia la cca 01 din cantitatea de apă pe care o are o picătură de apă de ploaie dedimensiuni medii după o oră Icircn interiorul norilor picăturile mari colectează pe cele mici icircn timpulcăderii sub acţiunea gravitaţiei Evident particulele mari cad mai repede astfel icircncacirct după un timpparticulele mici dispar fie prin coalescenţă fie prin evaporare iar norul devine purtător deprecipitaţii Pentru iniţiere precipitaţiilor se consideră că raportul dintre numărul de picături şivolumul de aer trebuie să fie de 1 particulă la 1 litru de aer (10-6 picm3) 5322 Formarea NI (nucleelor de icircngheţare)Observaţiile experimentale au arătat că există nori de apă la temperaturi sub 0degC adică apăsuprarăcită Temperaturile pot ajunge pacircnă la ndash20degCFormarea nucleelor de icircngheţare este un proces mai complicat decacirct cel a formării NC Pede o parte cristalele au o structură complexă iar pe de alta există mai multe moduri icircn care oparticulă de aerosol se poate transforma icircntr-un NIO posibilitatea este ca apa să fie absorbită direct de la faza de vapori pe suprafaţa nucleuluisolid al particulei de aerosol unde dacă temperatura este suficient de coboracirctă vaporii sunttransformaţi icircn gheaţă Acest proces se numeşte modul de depunere Un al doilea mod numit mod107
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
de icircngheţare presupune ca faza de gheaţă este iniţiată din interiorul unei picături de apăsuprarăcită de către NI Icircn sfacircrşit icircn al treilea mod numit de contact nucleele de icircngheţare iniţiazăfaza de gheaţă atunci cacircnd are loc contactul cu picătura de apăToate cele trei moduri de acţiune enunţate depind de temperatură iar modul de depuneredepinde icircn plus de umiditate icircn sensul că la o temperatură dată concentraţia de NI creşte odată cuumiditatea relativăMăsurătorile de pacircnă acum arată că valoarea medie a concentraţiei de NI depinde de loculgeografic şi pentru acelaşi loc există variaţii temporale importante ale nucleelor de icircngheţareTotodată numărul de NI creşte exponenţial cu descreşterea temperaturiiNucleele de icircngheţare sunt insolubile icircn apă lucru observat din anticorelaţia dintreconcentraţia de nuclee de icircngheţare şi cea a particulelor de aerosol formate din sare marină Dinpunctul de vedere al dimensiunii aerosolului care poate deveni nucleu de icircngheţare particulelemari sunt mult mai eficiente decacirct particulele mici (Aitken) Se pare totuşi că acest lucru este legatşi de compoziţia chimică a aerosolului mic Icircn sfacircrşit există şi alte limitări ale transformăriiaerosolului icircn NI determinate de diferenţele de structură cristalografică dintre gheaţă şi substratulde aerosol5323 EfecEfectele globale ale diferitelor tipuri de spălareIcircndepărtarea umedă a aerosolului lichid sau solid are loc prin procese de concentrare adicăprin nucleaţie şi evaporare şi prin procese de colectare adică de coalescenţă acreţie sausedimentare Pentru gaze icircndepărtarea umedă are loc prin dizolvare disociere oxidare sau reacţiila contactul cu aerosolul Poluanţii gazoşi care sunt solubili icircn apă sunt absorbiţi icircn picăturile deapă din nor şi eliminate odată cu căderea precipitaţiilor Icircn acelaşi timp precipitaţiile antrenează şiaerosolul din atmosferă Procesul de icircndepărtare umedă este deci foarte eficient pentru atmosferăicircnsă are dezavantajul că transferă poluantul către solDin punct de vedere global procesul de icircndepărtare uscată este continuu icircnsă mai puţineficient decacirct procesul global de icircndepărtare umedă ce are loc icircn nori şi sub nori prin precipitaţiiFigura de mai jos prezintă o estimare a contribuţiilor depunerilor uscate ţi umede funcţie de timpulde viaţă al aerosolului exprimat icircn zile108
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
0 5 10 15 20timp (zile)Distribuţia statistică0 010 020DepunereuscatăDepunereumedăFig 53 Distribuţia statistică a depunerilor uscate şi umede icircn funcţie de timpIcircndepărtarea (spălarea) particulelor de aerosol are loc1048707 icircn nor ndash particulele de aerosol sunt captate de particulele de nor şi de cristalele degheaţă1048707 sub nor ndash particulele de aerosol sunt captate de precipitaţiile icircn cădereGlobal un proces de icircndepărtare umedă din nor parcurge următoarele etapeI) o fracţiune mare de aerosoli mici (r lt 1 μm) este transferată icircn apa din nor prin difuziabrowniană turbulenţă fenomene foreticeII) apa bdquopoluatărdquo este icircndepărtată prin precipitare icircn picături de ploaie (acreţie ndash creştereaparticulei prin adăugare de alte particule)S-a arătat că procesul global de icircndepărtare umedă are un minim de eficienţă pentruparticulele cu raze icircn jurul valorii de 01 μm care se explică ţinacircnd cont că difuzia brownianădomină captarea particulelor cu raze mici icircn timp ce impactul inerţial sau coagulareagravitaţională umedă este eficient pentru particule mariEfecte foreticeIcircn afara celor prezentate mai sus aerosolul este supus şi unor procese induse de alte forţedecacirct cele gravitaţionaleTermoforeza este procesul de deplasare a particulelor determinată de o forţă indusă termicce apare ca urmare a gradienţilor termici datoraţi icircncălzirii neuniforme a ansamblului de particuleS-a observat că lacircngă un corp cu tempertură mult ridicată faţă de cea a mediului aerul este practiclipsit de aerosoli Acest fenomen depinde de numărul Knudsen al particulelor Dacă Kngtgt1 adicăpentru particule mici moleculele de gaz din partea mai caldă au energie cinetică mai mare şi deciimpulsul lor net este mai mare icircn partea mai caldă decacirct icircn cea rece dirijacircnd astfel particulele spredirecţia temperaturilor coboracircte Dacă Knltlt1 deci pentru particule mari mecanismul de109declanşare a termoforezei este mai complicat pentru că suprafaţa particulei şi stratul care o
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
icircnconjoară au gradienţii lor proprii Icircn esenţă icircnsă se induce tot o mişcare ce are loc icircn sens opusgradientului de temperatură din gaz Viteza de deplasare termoforetică este dată de o relaţiecomplicată care poate fi găsită icircn literatura de specialitate icircnsă este bine de ştiut că ea esteproporţională cu fluxul de căldură şi invers proporţională cu Kn fiind nulă pentru particule foartemici al căror număr Kn rarr infin Comparacircnd viteza termoforetică cu cea de sedimentare de exempluse ajunge la concluzia că efectul termoforetic ar trebui luat icircn considerare doar dacă gradientultermic este foarte mareDifuzioforeza este procesul de deplasare a particulelor de aerosol indusă de gradienţii deconcentraţie dintr-un amestec gazos Ea are loc icircntr-un gaz icircn care există un gradient deconcentraţia aşa cum este o incintă icircn care are loc evaporarea apei Cu cacirct distanţa faţă desuprafaţa de evaporare este mai mare cu atacirct concentraţia moleculelor de apă (deci a vaporilor)este mai mică Moleculele de aer se icircndreaptă icircn jos pentru a icircnlocui moleculele de apă care au omişcare ascensională Aerosolii vor fi icircmpinşi icircn sus de apă şi icircn jos de aer astfel icircncacirct ca urmare afaptului că moleculele de aer sunt mai grele va rezulta o mişcare netă a icircn jos Viteza de deplasaredifuzioforetică (dată iar de o formulă relativ complicată) depinde de gradientul molar al gazuluicare difuzează şi de masa molară a celor două gaze (cel care difuzează şi cel care există icircn mediu)Ca şi icircn cazul efectului termoforetic efectul difuzioforetic devine important doar icircn prezenţa unuigradient foarte mare de densitateFotoforeza este procesul de deplasare a aerosolilor asupra cărora se exercită un fasciculputernic de lumină Fotoforeza se poate explica ţinacircnd cont că pe de o parte o fracţiune aparticulei de aerosol primeşte o cantitate mai mare de energie electromagnetică iar pe de altamoleculele din jur se icircncălzesc diferit Fotoforeza poate fi pozitivă atunci cacircnd fluxul net departicule are loc dinspre sursa de lumină şi negativă atunci cacircnd particulele se icircndreaptă cătresursă Direcţia deplasării depinde de caracteristicile optice de absorbţie ale particulei Atacirctstudiile teoretice cacirct şi măsurătorile au arătat că icircn condiţii atmosferice normale fotoforeza esteneglijabilă icircn atmosferă Icircn concluzie efectele foretice pot fi neglijatneglijate icircn general icircn comparaţie cu
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
alte procese ce au ca efect icircndepărtarea aerosolului din atmosferă5325 Depunerile acideCa urmare a reacţiilor de oxidare a diferiţilor compuşi emişi icircn atmosferă icircn atmosferă existăaci zi icircn fază gazoasă (HCL HNO3) solidă (aerosoli-sulfaţi nitraţi) sau lichidă (dizolvaţi) Prinprocesele de icircndepărtare uscată şi umedă ele sunt depuse pe suprafaţa terestră proces denumitdepunere umedă Ploaia acidă este procesul de icircndepărtare a compuşilor acizi prin ploaie şi deci110depunerea acidă cuprinde ploaia acidă ceaţă acidă alte forme de depunere uscată interceoţianortoasă acidă etc)Sursa emisiilorNOx
SO2 H2SO4
HNO3
2H+ + SO42-
H+ + NO3-
NH3 + H+ = NH4+
NH4
+ NO3
- SO4
Depunere uscată 2-
Dizolvarespălare icircn norDepunere umedănaturalSOL+H2OFig 54 Depuneri acide pe sol ca urmare a spălărilor icircn nor sau sub nor din atmosferăIcircntr-o atmosferă curată o picătură de apa nu are un pH neutru aşa cum s-ar putea crede ciun pH de 56 cauzat de dizolvarea CO2 Dacă există şi oxizi de sulf sau azot aceştia se transformăicircn acizi sulfuric şi azotic şi se dizolvă icircn apa din atmosferă astfel icircncacirct pH-ul picăturii de apă scadeşi mai mult devenind acidă Efectele ploilor acidă există de mult timp icircncă din secolul XVIII iartermenul de bdquoploaie acidărdquo a fost introdus icircn 1872 de un chimist englez Robert Smith Adevăratadimensiune a problemei a fost recunoscută spre 1970 cacircnd s-a ajuns la concluzia că fenomenuldepunerilor acide este unul regional şi global că transportul poluanţilor icircn atmosferă are loc icircntrecontinente nu numai icircntre ţări şi că efectele depunerilor acide pot fi dezastruoase mai ales pentru
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
viitorObservaţiile arată că la nivel global ploaia are un pH cuprins icircntre 36 şi 63 interval aflatsub valoarea 7 corespunzătoare teoretic apei naturale Deoarece apa de ploaie NU poate avea acestpH icircn mod natural se consideră că un pH aflat puţin sub 56 nu este indicator al acidităţii denatură antropogenică Multe din observaţiile făcute deasupra oceanelor unde nu există surse deplouare au arătat că apa de ploaie are deseori un pH de 5 sau chiar 4 aşadar este foarte greacuantificarea exactă a procentului de aciditate datorat activităţii umaneDepunerea acidă este rezultatul a două procese fie cel de emisie a acidului clorhidric directicircn atmosferă fie ca urmare a poluanţilor secundari (acid sulfuric sau acid azotic)care rezultă icircnurma dizolvării icircn apa din atmosferă a oxizilor de azot sau sulf Depunerile acide pot ave aloc şiatunci cacircnd poluanţii reacţionează cu apa (roua bruma) la nivelul solului Se estimează că 60-70din depunerile acide la nivel global sunt rezultatul emisiilor de SO2 care rezultă din arderi decărbune obţinerea metalelor pure din minereuri erupţii vulcanice procese organice Dintre111acestea mai mult de 90 sunt de origine antoropogenică Icircn ce priveşte oxidul de azot acestaprovine din arderile de cărbune petrol acţiuni ale unor bacterii icircn sol incendii forestiere erupţiivulcanice din care se pare că 95 provin totuşi din acţiuni ale omului Chiar dacă principalulresponsabil pentru existenţa ploilor acide este CO2 efectul acestuia este mai puţin important decacirctceilalţi doi compuşi (NOx şi SO2) deoarece aceştia din urmă sunt mult mai solubili icircn apă şi deciefectul lor asupra precipitaţiilor este semnificativ2 Aerosolul şi climatulDatorită proprietăţilor sale aerosolul poate avea efecte importante asupra climatului icircn modspecial la scală locală şi regională icircnsă la diferite scale temporale Principalul efect al aerosoluluieste cel radiativ Efectele aerosolului pot fi clasificate icircn- efecte directe cum sunt cele datorate icircmprăştierii şi absorbţiei radiaţiei solareincidente şi reflectate precum şi a radiaţiei terestre- indirecte ndash efectul asupra norilorEfectul indirect este poate chiar mai important decacirct cel direct deoarece cea mai mareincertitudine icircn modelele climatice este legată de răspunsul norilor la creşterile concentraţiilor
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
gazelor cu efect de seră ş de efectul cumulativ al acestora asupra climatului Norii icircnalţi au efectpozitivi (icircncălzesc Pămacircntul prin efect de seră) icircn timp ce norii joşi au efect negativ pentru căreflectă radiaţia solară icircnapoi icircn spaţiu Efectul cumulativ al norilor este de scăderea a radiaţieiincidente deci de răcire globală Ambele efecte cumulate duc la efecte de răcire şi icircncălzire carenu sunt independente şi icircntre care există relaţii de feed-back multe dintre ele icircncă necunoscuteRevenind la efectul direct al aerosolului măsurători ale temperaturilor icircn urma icircmprăştieriiradiaţiei pe particule fine au arătat că icircn astfel de cazuri extincţia radiaţiei are ca rezultat o scăderea temperaturii Este favorizată reflexia radiaţiei primite către spaţiu cu efect de răcire a atmosfereiEnergia reflectată este aproximativ proporţională cu masa columnară măsurată icircn gcm2 Lalatitudini mari răcirea indusă de aerosoli are acelaşi efect icircn valoare absolută dar opusă ca semn114ca icircncălzirea suprafeţei prin efect de seră datorată dublării concentraţiei actuale de CO2 (modelareteoretică a bilanţului energetic) Dacă se iau icircn considerare efectele combinate ale norilor şiaerosolului şi albedoul suprafeţei rezultă că suprafeţele tip deşert gheaţă sau iarbă uscată seicircncălzesc Icircncălzirea devine importantă pentru zone icircn care la altitudini stratosferice se află vaporide apăUn alt efect direct uşor observabil este scăderea vizibilităţii icircn zonele icircn care existăconcentraţii ridicate de aerosol icircn primul racircnd datorită difuziei luminii icircn toate direcţiile de cătreaceştia Efectul indirect este urmarea activării aerosolilor şi transformarea lor icircn NC pentru ceaţăCele mai bune observaţii şi studii icircn legătură cu efectul aerosolilor asupra climatului au fostfăcute icircn timpul şi după erupţiile vulcanice Cantitatea de praf introdusă icircn atmosferă după oerupţie importantă poate fi foarte mare Cenuşile vulcanice rămacircn suspendate icircn atmosferă 1-2 aniiar efectele lor asupra climatului şi nu numai sunt dramatice aşa cum s-a icircntacircmplat de exempluicircn 1883 cacircnd erupţia vulcanului Krakatoa a produs scăderea medie a temperaturii globale cu 05degCtimp de aproximativ 12 luni icircn timp ce măsurătorile intensităţii luminii solare efectuate la sol auarătat o scădere a acesteia cu 10
