WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 3 02;12 Оценка концентрации комплексных отрицательных ионов при радиоактивном загрязнении тропосферы © К.А. Боярчук Институт общей физики РАН, 117942 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 23 октября 1997 г. В окончательной редакции 21 августа 1998 г.) Предложена модель формирования заряженных частиц и отрицательных ионов окислов азота и углерода и оценена возможная концентрация комплексных отрицательных ионов при радиоактивном загрязнении тропосферы.

Под действием ионизирующих излучений, например, тем с положительными ионами. В балансе этих реакций космических лучей или при радиоактивном загрязнении важную роль играют процессы отлипания электронов в атмосфере происходит изменение концентрации заря- от отрицательных ионов в процессе их столкновения женных частиц (ионов и электронов). Вработе [1,2] мы с возбужденными молекулами воздуха [5]. Поэтому провели оценку изменения концентрации элементарных здесь сказывается влияние ультрафиолетового излучения ионов за время 10-7 s, однако она не является полной, Солнца или других источников возбужденных молекул.

так как не было учтено влияние основных атмосферных Формирование отрицательных ионов окислов азота и газов. Естественно, это изменение состава атмосферы углерода протекает по трем основным каналам [6,7] зависит от начальной концентрации атмосферных гаe + O3 зов — окислов азота и углерода, а также паров воды.

O- NO- NO-, (1) Целью данной работы является моделирование изменеO- + O2 3 2 3 ния концентрации ионов типа NO- иCO- в тропосфере, x 2 подверженной воздействию ионизирующего излучения.

e + O2 O- O- CO- NO- NO-, (2) 2 3 3 2 3 Излучение радиоактивных элементов (электромагнитe + O2 O- O- CO- NO-. (3) 2 4 4 3 ное: -, рентгеновское излучение или поток быстрых частиц:,, протонов, нейтронов), проходя через воз- Ион O- можно рассматривать в качестве комплексно4 душную среду, расходует свою энергию на ионизацию го иона O- · O2 (аналогично и ион CO- можно рассма2 и возбуждение молекул; основное воздействие на среду тривать как комплекс O- · CO2 [8]. Реакции образования оказывают возникающие при ионизации вторичные элек- и разрушения иона O-: O- + O2 + M O- · O2 + M 4 2 троны. Энергия этих электронов находится в диапазоне более характерны для верхней стратосферы, причем скоот тепловой энергии до энергии первичных быстрых рость обратной реакции (10-6 cm3·s-1) выше скорости частиц или -квантов. Большая часть вторичных электро- прямой трехчастичной реакции (10-30 cm6 · s-1). Понов имеет энергию меньше энергии ионизации, однако этому рассмотрим упрощенную модель ионизированной они способны возбуждать молекулы, что облегчает дис- тропосферы, учитывающую только два первых канала, социацию молекул или их ионизацию другими частицами как наиболее существенных [9].

и электронами. Процессы ионизации молекул воздуха Наиболее вероятны реакции между электронами и начинаются, очевидно, при энергии электронов, равной ионами, представленные в таблице. Будем считать, что потенциалу ионизации основных компонентов для азота в результате соударения быстрого электрона с нейтральN2 15.576 eV, для кислорода 12.2 eV. С увеличением энер- ной молекулой возникает вторичный электрон и либо гии ионизирующих частиц может происходить диссоциа- молекулярный, либо атомарный положительный ион и тивная ионизация. В результате в первый момент иониза- что эти процессы идут с равными вероятностями как на ции воздуха имеем следующий набор заряженных частиц: молекулах кислорода, так и на молекулах азота. Пусть N+, N+, O+, O+ и электроны. Выход тех или иных ионов W — вероятность появления молекулярного иона в 2 зависит от энергии вторичных электронов [3]. каждом акте ионизации, Q [cm-3·s-1] — скорость рождеТаким образом, под действием радиации в атмосфере ния электронов. В нижних слоях атмосферы происходит образуются положительные ионы и свободные электро- преимущественно прямая ионизация с образованием моны; дальнейшее развитие системы электроны–ионы зави- лекулярного иона азота или кислорода, поэтому будем сит от состава, плотности, влажности, температуры воз- оценивать вероятность появления молекулярного иона духа и характера ионизирующего излучения. Электроны, в акте ионизации как W = 0.75 [3]. Для молекуляру которых энергия близка к тепловой, захватываются по- ных ионов скорости рождения равны Ai = NiQW /NL ложительными ионами, а также молекулами и атомами, и для атомарных ионов Ai = NiQ(1 - W)/NL, где обладающими сродством к электрону [4]. Образующиеся Ni — концентрация соответствующих молекул [cm-3], таким образом отрицательные ионы рекомбинируют за- NL = 2.687 · 1019 cm-3 — постоянная Лошмидта.

Оценка концентрации комплексных отрицательных ионов при радиоактивном загрязнении тропосферы Основные ион-молекулярные реакции нижней атмосферы № реакции Реакция an, cm3 · s-1 Литературная ссылка 1 e + O+ O 3.0 · 10-12 [1] 2 e + N+ N 3.0 · 10-12 [1] 3 e + O+ O + O 2.2 · 10-7 [1] 4 e + N+ N + N 2.9 · 10-7 [1] 5 e + NO+ N + O 4.1 · 10-7 [1] 6-1 e + O2 + X O- + X 2.5 · 10-30 [cm6 · s-1] [1] 6-2 e + O2 O- + O 4.8 · 10-14 [1] 7-1 e + O3 O- 10-13 [4] 7-2 e + O3 + O2 O- + O2 10-13 [4] 8 A- + B+ A + B 10-6 [5] 9 O- + O O3 + e 3.0 · 10-10 [6] 10 O- + O O2 + O2 + e 2.0 · 10-10 [6] 2 11 O+ + O2 O+ + O 4.0 · 10-11 [1] 12 O+ + N2 NO+ + N 4.0 · 10-12 [1] 13 N+ + O2 O+ + N 5.0 · 10-10 [1] 14 N+ + O2 NO+ + O 5.0 · 10-10 [1] 15 N+ + O2 O+ + N2 10-11 [1] 2 16 O- + O2 + M O- + M 1.1 · 10-30 (M = N2, O2) [4] 17 O- + O3 O- + O2 6 · 10-10 [7] 2 18-1 O- + NO2 NO- + O2 7 · 10-10 [3] 2 18-2 O- + N2O NO- + NO 2 · 10-14 [3] 2 19 O- + CO2 CO- + O2 5.5 · 10-10 [3] 3 20-1 O- + NO NO- + O2 NO- + O 8 · 10-10 [3] 3 2 20-2 10-11 [3] 21-1 O- + NO2 NO- + O3 NO- + O2 7 · 10-10 [3] 3 2 21-2 2.8 · 10-10 [3] 22 NO- + O3 NO- + O2 1.2 · 10-10 [3] 2 23 NO- + NO2 NO- + NO 2 · 10-13 [7] 2 24 CO- + NO2 NO- + CO2 2.0 · 10-10 [3] 3 Уравнения кинетики заряженных частиц, соглас- считать, что [Nn] [N±]. На рис. 1 представлен но [1,2], можно записать в следующем виде: результат численного решения системы (4) методом Рунге–Кутта в интервале времен до 0.1 s. Естественные d[e] n концентрации нитратов в тропосфере положим следу= Q-[e] aat[Nin] + arec[Ni+] - adet[Nm ], i i i dt ющие: O3 — 5 · 1011 cm-3, NO — 109 cm-3, NO2 — 2 · 1011 cm-3, CO2 —1010 cm-3 [3].

+ d[Nx ]i = AiQ - arec[Ni+][N-] - an[Ni+][Nn], Таким образом, исходя из нашей упрощенной модели i j i j dt под действием ионизирующего излучения в атмосфере d[Nx ]i n должны накапливаться ионы NO-. Следует отметить, = aat[e][Nin] + an[Ni-][Nn] - an[Nl-][Nm] i i j k dt что образование комплексных ионов на основе NO- в n тропосфере Земли может происходить за счет окисления - arec[Ni+][N-] - adet[e][Nm ]. (4) i j i азота при взаимодействии с CO2 и O2 (канал (2)).

Вообще говоря, в воздушной среде двуокись углерода Здесь [Ni±] — концентрации положительных и отрииграет меньшую роль, чем кислород, так как под действицательных ионов; [Nin] — концентрация нейтральных ем ионизирующего излучения в атмосфере появляется молекул; [Ni] — концентрация возбужденных молекул;

значительное количество ионов O- и O- и образование aat, arec, adet, an — скорости реакций прилипания, реком2 NO- идет в основном по каналу (1).

бинации, отлипания электронов, разрушения отрицатель- x ных ионов и скорость взаимодействия с нейтральными Так как в тропосфере Земли содержится огромное молекулами соответственно. Нетрудно убедиться, что количество молекул водяного пара (1017 cm-3), облаэта система удовлетворяет закону сохранения электри- дающего заметным дипольным моментом pH2O = 1.87 D, ческого заряда в системе [e] + [Ni-] = [N+]. то довольно быстро происходят гидратация элеменj Рассмотрим решение этой системы для случая тарных ионов и образование ионных комплексов типа Q = 108 cm-3·s-1 (что соответствует уровню аварийного NO- · (H2O)n, для тропосферы характерны значения выброса из вентиляционной трубы АЭС [10]). Будем n = 2-3 [3]. При рассматриваемых уровнях ионизации Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 76 К.А. Боярчук Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, проект № 96-02-16540.

Список литературы [1] Боярчук К.А., Свирко Ю.П. // Письма в ЖТФ. Т. 22.

Вып. 14. С. 47–52.

[2] Боярчук К.А. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана.

1997. № 2.

[3] Смирнов В.В. Ионизация в тропосфере. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 312 с.

[4] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Изд-е 2. М.: Наука, Рис. 1. Зависимость изменения концентрации ионов N (cm-3) 1992. 536 с.

от времени (1 —O-, 2—O-, 3—NO-, 4—NO-, 5—CO-) 2 3 2 3 [5] Пшежецкий С.Я., Дмитриев М.Т. Радиационные физикодля случая естественной концентрации нитратов в тропосфере химические процессы в воздушной среде. М.: Атомиздат, ([NO] 109 cm-3, [NO2] 2 · 1011 cm-3).

1978. 182 с.

[6] Kawamoto H., Ogawa T. // Planet. Space Sci. 1986. Vol. 34.

N 12. P. 1229–1236.

[7] Ferguson E.E. // NATO Advanced Study Institutes Series. Ser.

B. Physics. Vol. 40. Kinetics of Ion-Molecule Reactions / Ed.

by P. Ausloos. New York: Plenum Press, 1979. P. 377–401.

[8] Месси Г. Отрицательные ионы. М.: Мир, 1979. 754 с.

[9] Arijs E. // Planet. Space. Sci. 1992. Vol. 40. N 2/3. P. 255–270.

[10] Boyarchuk K.A., Lyakhov G.A., Svirko Yu.P. et al. // Bull.

Russ. Acad. Sci. Physics. Suppl. Phys. of Vibrations. 1995.

Vol. 59. N 4. P. 222–236.

[11] Сальм Я.Й., Лутс А.М. // Ученые записки Тартусского гос. ун-та. 1988. Т. 809. С. 64–70.

Рис. 2. Зависимость изменения концентрации ионов N (cm-3) от времени (1 —O-, 2—O-, 3—NO-, 4—NO-, 5—CO-) 2 3 2 3 для случая пониженной концентрации нитратов в тропосфере ([NO] 108 cm-3, [NO2] 2 · 1010 cm-3).

атмосферы концентрации элементарных ионов мала по сравнению с концентрацией молекул водяного, поэтому с достаточной точностью можно считать, что все отрицательные элементарные ионы будут гидратированы.

Следовательно, результат расчета концентраций ионов NO- иCO-, представленный на рис. 1 и 2, соответствует 3 концентрации комплексных ионов типа NO- · (H2O)n и CO- · (H2O)n.

Предложенная упрощенная модель чувствительна к начальной концентрации CO2 и NOx в атмосфере. Если концентрация NOx в воздухе на порядок меньше, чем их естественное содержание, а содержание CO2 выше, то начинают преобладать ионы CO-·(H2O)n, а образование NO- · (H2O)n замедляется. Этот результат согласуется с расчетом [11], но наработка основных ионов в нашей модели происходит более медленно. На рис. представлен результат численного решения системы (4) при концентрациях нитратов на порядок меньше: NO — 108 cm-3, NO2 — 2 · 1010 cm-3. Здесь же заметно менее быстрое уменьшение концентрации ионов озона, а концентрация ионов CO- становится сравнимой с концентрацией ионов NO-. Отсюда следует, что данный механизм при определенных условиях может оказать влияние на общую концентрацию озона в атмосфере.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.