Способ пассивного пробоотбора аэрозолей в приземном слое воздуха и устройство для его осуществления
METHOD FOR PASSIVE SAMPLING OF AEROSOLS IN THE SURFACE AIR LAYER AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано при мониторинге аэрозольного загрязнения приземной атмосферы.
Известен способ сбора аэрозолей (патент РФ 2314511), выбранный за прототип, включающий осаждение на депонирующем субстрате сухих аэрозолей, перед осаждением создают градиент температур между субстратом и атмосферным воздушным потоком. Осаждение аэрозолей на субстрате осуществляют посредством турбулентной диффузии аэрозольных частиц на поверхность сорбционного субстрата из пограничного слоя, образующегося при движении турбулентных и конвективных потоков над субстратом и удержанием осевших частиц капиллярной конденсацией.
Недостатком известного способа является необходимость наличия триггера для создания градиента температур между субстратом и воздушным потоком, в качестве которого выступают материалы подложки и корпуса устройства, выполненных из материалов с разной теплоемкостью.
Известно устройство для сбора сухих аэрозолей (патент РФ 2314511) в виде контейнера с депонирующим субстратом, выполненного из материала высокой теплоемкости и химически инертного к атмосферным компонентам, верхняя часть контейнера закрыта герметичной крышкой, а к открытой нижней части контейнера прикреплена сетка, на которую помещен субстрат, выполненный в виде формованных тонковолокнистых пластин с микропористой структурой из гидрофильного материала, имеющего более низкую теплоемкость, чем материал, из которого выполнен контейнер.
Недостатком выбранного прототипа устройства является то, что для обеспечения внутренней циркуляции воздушных потоков над поверхностью сорбента материал устройства и материал сорбционного субстрата должны иметь разную теплоемкость. При этом их горизонтальное размещение не позволяет использовать в полной мере термически стратифицированную толщу приземного воздуха, которая возникает в результате температурного градиента, обусловленного суточным ходом температур в деятельном слое воздуха.
Задачей настоящего изобретения является разработка нового способа пассивного пробоотбора аэрозолей в приземном слое воздуха и устройства для его осуществления, обеспечивающие получение осредненной оценки загрязнения приземной атмосферы за одно-, двух- и более годичных периодов, путем размещения устройства в термически стратифицированных слоях приземного воздуха, позволяющего повысить информативность пассивного мониторинга аэрозольного загрязнения поверхности на удаленных и малообжитых территориях.
Известно, что на открытом месте (тундровые, степные, луговые ландшафты) развитие турбулентности в приземном слое воздуха определяется градиентом и суточным ходом температуры в деятельном слое (0.01-0.5 м), которые в 1.5-2.0 раза превышают эти же показатели, но регистрируемые на высоте 2 м. Данное обстоятельство возникает в результате нагрева деятельной поверхности солнечной радиацией (прямой и рассеянной). При контакте воздуха с данной поверхностью возникает термически стратифицированная толща приземного воздуха, градиентная контрастность которой поддерживается суточным ходом температуры деятельной поверхности. В результате в термически стратифицированной толще приземного воздуха возникают условия способствующие развитию в ней конвекции и турбулентности. В то же время в лесу (таежные и широколиственные леса) роль деятельной поверхности переходит к кронам деревьев. При этом нагрев поверхности растений из-за неоднородного распределения солнечной радиации в пологе леса меняется на разных уровнях древостоя. В результате возникает термическая стратификация воздушной толщи внутри полога леса, которая сопровождается формированием воздушных потоков с направленностью как вверх, так и к земной поверхности. Размещая устройство в термически стратифицированной толще воздуха, достигается эффект появления конвекции и турбулентности внутри устройства без необходимости использования материалов с различной теплоемкостью. Установка устройства в толще термически стратифицированного приземного воздуха способствует созданию тяги внутри трубчатого импульвератора, в результате которого аэрозоли с потоком внешнего воздуха увлекаются внутрь устройства, а осаждение аэрозольных частиц на химически инертный субстрат происходит в результате термофореза, который возникает во внутреннем объеме устройства при нагреве стенок устройства внешним источником тепла, например, прямой и рассеянной солнечной радиацией.
Таким образом технический результат нового способа и устройства основывается на явлении турбулентности и конвекции, возникающей под влиянием температурного градиента в приземном слое воздуха в результате суточного хода температуры и термофореза, который возникает во внутреннем объеме устройства при нагреве стенок устройства внешним источником тепла, например, прямой и рассеянной солнечной радиацией
Технический результат способа заключается в том, что установку трубчатого импульвератора осуществляют в пределах термически стратифицированной толщи воздуха с таким расчетом, чтобы его нижнее приемного отверстие находилось от поверхности почвы на высоте 50-80 см, а верхнее - на уровне не менее 2 м. Установка устройства в толще термически стратифицированного приземного воздуха способствует созданию тяги внутри трубчатого импульвератора, в результате которого аэрозоли с потоком внешнего воздуха увлекаются внутрь устройства, а осаждение аэрозольных частиц на химически инертный субстрат происходит в результате термофореза, который возникает во внутреннем объеме устройства при нагреве стенок устройства внешним источником тепла, например, прямой и рассеянной солнечной радиацией.
Технический результат устройства достигается тем, что химически инертный сорбент размещают в многоуровневом сменном картридже, который прикреплен к верхней крышке устройства подвижно. Сменный картридж, представляет собой шток с нанизанными на него плоскими с невысокими бортами круглыми ложементами, установленные на нескольких уровнях. Шток также может быть снабжен попарными держателями ложементов, установленными на нескольких уровнях.
Устройство поясняется чертежом. На фиг. 1, А и Б представлены трубчатые импульвераторы для пассивного сбора аэрозолей с использованием порошковых сорбентов. Устройство включает внешний корпус в форме полого цилиндра 2, верхняя часть которого закрыта крышкой 1, а нижняя - мелкоячеистой капроновой сеткой 3, которая закрепляется с помощью патрубка 4. Внутрь корпуса помещается сменный картридж 6 с порошковым сорбентом, уложенным на круглые с невысокими бортиками ложементы. Ложементы в картридже фиксируются с помощью штока, верхний конец которого подвижно закреплен к нижней стороне крышки. Картридж 6 может содержать как одиночные ложементы фиг. 1, Б, так и парные фиг. 1, А. Количество закрепленных на штоке ложементов определяется высотой внешнего корпуса и задачами исследования. Устройство снабжено нижней крышкой-заглушкой 5 для защиты сетки при транспортировке устройства.
Пример 1 осуществления способа с применением устройства показан на фотографии фиг. 2. На обсерватории Фоновая в центральной части луга внутри ограждения устанавливаются регулирующиеся по высоте четыре стойки жестко соединенные между собой. К каждой стойке с помощью хомутов крепятся трубчатые импульвераторы с установленными внутри сорбентами из химически инертного материала. Нижний открытый конец трубчатого импульвератора устанавливается над поверхностью луговой растительности, которая непосредственно поглощает солнечную и атмосферную радиацию, таким образом, чтобы нижний конец оказался в зоне турбулентности, которая возникает в приземном слое воздуха при его взаимодействии с деятельной поверхностью. Для этого достаточно чтобы нижний открытый конец трубчатого импульвератора находился от поверхности на высоте 80 см, а верхний, прикрытый перфорированной по краю крышкой - на высоте 2 м. В указанном интервале высот термический режим деятельной поверхности и приконтактного слоя способствует возникновению вертикальной тяги воздуха внутри устройства, обеспечивающего поступление аэрозолей с потоками воздуха внутрь трубчатого импульвератора.
Пример 2 осуществления способа с применением устройства в пологе леса показан на фиг. 3 Трубчатый импульвератор с установленными внутри сорбентами из химически инертного материала фиксируется с помощью нейлоновых стяжек-хомутов к стволу дерева. При этом нижний открытый конец трубчатого импульвератора находится от поверхности почвы на высоте 80 см, а верхний, прикрытый перфорированной по краю крышкой - на высоте 2 м.