Классификация и повторяемость всплесков образования наночастиц в атмосфере прибрежной зоны оз. Байкал

В работе приведены классификация и статистика повторяемости всплесков образования наночастиц в атмосфере юго-восточного побережья оз. Байкал на научном стационаре «Боярский» ИФМ СО РАН. Измерения концентрации и распределение аэрозольных частиц по размерам в диапазоне от 5 нм до 1 мкм проводились с помощью диффузионного спектрометра аэрозолей ДАС-2702М. Мы проанализировали 257 дней измерений экспедиционных наблюдений на научном «Боярский» за теплый период (апрель-сентябрь) 2020-2023 гг. 

В настоящее время как таковую нуклеацию современными методами зафиксировать сложно, поскольку предел обнаружения аэрозольных частиц большинства конденсационных счетчиков составляет 2-10 нм. На сегодняшний день не существует единого математического критерия или метода для выявления событий всплесков образования наночастиц. Поэтому события образования новых частиц идентифицируются на основе визуального анализа данных, как описано в работе Markku Kulmala [1]. Данная методика получила широкое применение в зарубежных и российских исследованиях.

Согласно методике, мы визуально анализировали полное распределение аэрозоля по размерам за каждые сутки в отдельности. Если в течение нескольких часов (не менее 1 часа) наблюдается преобладание нового типа частиц нуклеационной моды (5-25 нм), появившихся в режиме зарождения, и этот режим демонстрирует явные признаки роста до размеров, характерных для режима Айткена (25-100 нм), то день может быть классифицирован, как день события нуклеационного всплеска. Дни с событием образования наночастиц были разделены на четыре класса:

- Класс 1. Дни, когда скорость роста частиц (GR) и скорость их образования (Jnuc) можно определить с высокой степенью достоверности, режим зарождения четко различим по наблюдаемой эволюции в течение нескольких часов.

- Класс 2. Для события класса 2 характерно образование наночастиц, подобное классу 1, но выражено чуть слабее, при этом признаки образования и дальнейшего роста частиц достаточно хорошо прослеживаются, но продолжаются немного меньше, чем при классе 1.

- Класс 3. Дни, когда определение параметров (GR, Jnuc) было невозможно или точность результатов вызывала сомнения.

- Класс 4. Дни, которые не могут соответствовать критериям класса 1-3, классифицируются как неопределенные, и для них характерно появление некоторых частиц в процессе зарождения, но отсутствие явных признаков продолжительного роста, или наблюдение роста не в режиме зарождения. В этом классе трудно определить, действительно ли произошло событие зарождения или нет.

Для сравнения и анализа изучения причин, приводящих к событиям нуклеационных всплесков, представляют интерес дни, во время которых не наблюдалось образование частиц. Такие дни при анализе классифицируются как случаи отсутствия нуклеации (класс 0).

Анализ данных показал, что наибольшее количество интенсивных процессов зарождения новых частиц (класс 1) наблюдается в апреле и мае, и составляет 41,2% и 15,6%, в то время как наименьшее – в июле (4,8%) и сентябре (4,2%). Выявлено, что события зарождения происходили в течение всего периода наблюдений, и общая частота событий зарождения наночастиц (суммарно классы 1-3) составляет около 58% от всех дней измерений.

1. Kulmala M., Petäjä T., Nieminen T., Sipilä M., Manninen H.E., Lehtipalo K., Dal Maso M., Aalto P.P., Junninen H., Paasonen P. & Riipinen I. 2012. Measurement of the nucleation of atmospheric aerosol particles. Nat. Protoc. 7(9): 1651–1667.