Измерение ядер

В последние годы было предложено несколько остроумных схем для изучения свойств ядер конденсации. Ведь большинство ядер настолько мало, что их невозможно увидеть невооруженным глазом, а некоторые - даже при помощи обычного микроскопа.

Нас будут интересовать следующие свойства ядер: размеры, число их в единице объема воздуха и химический состав. Мы уже отмечали, что в атмосфере обнаружены крупинки соли, капли кислоты и частицы почвы. Существует и много других типов частиц, но наиболее важны именно эти три группы.

Любопытно было бы вкратце познакомиться с некоторыми ранее применявшимися методами. В качестве одного из простейших устройств, предназначенных для измерения числа ядер конденсации в единице объема, т. е. их концентрации, можно назвать счетчик ядер Айткена. Он состоит из герметически закрытого сосуда, внутри которого создается давление, превышающее атмосферное. Когда температура в камере становится равной температуре окружающей среды, внезапно открывают клапан. Воздух вырывается из камеры, и давление в ней резко падает. Расширение приводит к столь же резкому понижению температуры, а следовательно, к быстрому возрастанию относительной влажности, поэтому наступает пересыщение, вполне достаточное для того, чтобы вызвать конденсацию фактически на всех частицах, находящихся внутри камеры. Если в камеру направить пучок света, то можно увидеть туман, состоящий из капелек воды. Измеряя ослабление пучка света при его прохождении сквозь туман, можно оценить концентрацию капель, а значит, и концентрацию ядер, так как каждая капля возникает на ядре.

Счетчик Айткена не дает информации о размерах и составе частиц. Зато он позволил установить, что концентрация мельчайших ядер конденсации над сушей примерно в пять раз выше, чем над морем. Следовательно, главные источники их должны находиться на суше, а не в океанах.

Для изучения отдельных ядер надо научиться "ловить" их. Но как улавливать частицы диаметром всего 1 микрон?

Рис. 2. Прибор для улавливания частиц диаметром более 1 микрона

Если имеется фильтр с достаточно маленькими отверстиями, то можно пропустить сквозь него воздух и задержать частицы. Например, Дж. Лодж-младший для улавливания очень мелких частиц применял фильтры с порами размером около 0,3 микрона. В основе метода регистрации ядер лежит принцип соударения частиц с пластинкой, поставленной на их пути. Общая схема такого прибора показана на рис. 2. Воздух под таким давлением прогоняется через сопло, что в его конце создается высокая скорость течения. На небольшом расстоянии от сопла (примерно в 1 мм) располагается предметное стекло микроскопа - маленькая стеклянная или пластмассовая пластинка. Воздух при выходе из сопла обтекает пластинку. Частицы достаточно большого размера не могут настолько отклониться, чтобы избежать контакта с пластинкой: в этом случае они сталкиваются с пластинкой и оседают на ней. Чтобы обеспечить прилипание их, пластинку иногда покрывают клейким веществом. Такое устройство способно эффективно захватывать частицы с диаметром, превышающим 1 микрон. Более мелкие частицы увлекаются струей воздуха и не попадают на стекло.

Техника анализа уловленных частиц довольно остроумна. В качестве клейкого вещества может быть использован специальный желатин, пропитанный химическим соединением, которое реагирует с веществом частиц. Б. Сили (Горно-техногический институт в штате Нью-Мексико, США) изучал частицы, содержащие хлориды, так как его интересовал хлористый натрий, или общеизвестная поваренная соль. Он добавил в желатин так называемый фторосиликат ртути. Когда частица соли попадает в желатин, она сразу же начинает реагировать с этим соединением; в результате образуется пятно, которое при просматривании под микроскопом имеет характерную голубую окраску. Опыты показали, что голубое пятно расплывается до диаметра, который примерно в девять раз больше диаметра первоначальной частицы соли. Это свойство позволяет без труда определять те места, куда попали частицы соли, подсчитывать их количество на пластинке и определять размеры каждой частицы в отдельности.

В методе фильтров, разработанном Лоджем-младшим, также используется фторосиликат ртути. Фильтры окунаются в раствор этого реагента, с тем чтобы частицы соли могли прореагировать и оставить характерные голубые пятна.

Итальянский ученый О. Виттори применял в своей работе желатин, пропитанный нитратом серебра. При попадании на желатин частицы хлорида появляется почти идеально круглое пятно. Если пластинку выдержать на свету, то это пятно можно четко увидеть под микроскопом. Сначала оно имеет желтую окраску, а затем постепенно становится коричневым.

Изумительную технику разработал А. Дессан (Франция). Он использовал паутину. Чтобы захватывать очень маленькие частицы при их ударе о поверхность, необходимо либо сообщать этим частицам большие скорости, либо применять очень узкую улавливающую поверхность. Дессан прибег к помощи одной из разновидностей паука, который вырабатывает чрезвычайно однородную нить диаметром около сотой доли микрона. Пауку "предоставили возможность" навить свою паутину на рамку. Через сетку из этой паутины было пропущено определенное количество воздуха, а затем сетку поместили в специальную камеру под микроскоп. При изучении частиц, осевших на паутине, иногда обнаруживались твердые и сухие частицы, но большинство из них оказалось маленькими капельками даже в тех случаях, когда относительная влажность не превышала 50%. По мере уменьшения влажности вода испарялась, пока не оставались миниатюрные белые кубические кристаллы. Как удалось установить, это были кристаллы хлористого натрия. Дессан обнаружил частицы диаметром всего 0,5 микрона.

Для изучения ядер конденсации на больших высотах устройства для улавливания частиц поднимают на самолетах. Подобные исследования были выполнены А. Вудкоком и его сотрудниками из Вудсхоулского океанографического института (США). Они брали стеклянные и серебряные стержни диаметром примерно 0,5 мм и помещали их в струю воздуха за самолетом. Частицы, ударившиеся о стержни, оставались на них. Затем стержни помещали в камеру, в которой можно было регулировать влажность и температуру. При просмотре стержней под микроскопом нетрудно было увидеть, что большинство "частиц" представляло собой мелкие водяные капли. Зная температуру и влажность воздуха в камере, можно по размерам капель определить размеры частиц соли. Поскольку стержни имеют сравнительно большой диаметр, этот метод не позволяет обнаруживать ядра диаметром меньше 1 микрона.

Рис. 3. Каскадный прибор. Воздух проходит через последовательно уменьшающиеся сопла, причем скорость его постепенно возрастает. На каждой пластинке оседают частицы различного диаметра

Существует множество других систем, но все они являются вариантами либо метода фильтра, либо принципа улавливания частиц на те или иные поверхности. В некоторых из них поток воздуха обеспечивает сортировку частиц по их размерам (рис. 3). В других способах сортировка обусловлена тем, что поверхность, о которую ударяются частицы, имеет форму кривой с возрастающей кривизной. Благодаря этому большие частицы ударяются в начале пластинки, а маленькие - ниже.

Рис. 4. Схематический чертеж термоосадителя для улавливания особо мелких частиц

Для захвата особо мелких частиц - диаметром от 0,01 до 0,1 микрона - был разработан так называемый термоосадитель (рис. 4). Две пластинки располагаются строго параллельно друг другу; между ними остается небольшой зазор. Одна пластинка нагревается, вторая охлаждается. Воздух вблизи горячей пластинки, естественно, имеет более высокую температуру. Молекулы теплого воздуха движутся несколько быстрее и, сталкиваясь с мельчайшими частицами, подталкивают их к холодной пластинке. Если на эту пластинку положить предметное стекло микроскопа, то частицы будут прилипать к стеклу. В ряде работ использовались даже предметные стекла электронного микроскопа, благодаря чему частицы рассматривались при увеличении во много тысяч раз.