IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Изучение состава и свойств атмосферных аэрозолей необходимо для понимания различных процессов, происходящих в приземном слое воздуха и в атмосфере в целом. Изучение процессов поступления, переноса и накопления (фазовый состав оказывает на них существенное влияние) поллютантов (радионуклидов и тяжелых металлов) в атмосферных аэрозолях и в системе почва-атмосфера необходимо для исследований в областях радиоэкологии, метеорологии, климатологии, физики атмосферы, так как атмосфера является сложной, универсальной и самой динамичной средой переноса различных загрязняющих веществ. Также особую роль играет железо – самый распространенный металл в атмосфере, определяющий характер множества протекающих там процессов.

С учетом вышесказанного была поставлена задача изучить сезонные изменения фазового и структурного состава атмосферных аэрозолей в условиях крупного промышленного города на примере Ростова-на-Дону для умеренного континентального климата.

Для данного исследования использовались образцы атмосферных аэрозолей, отобранные на фильтрах из ткани Петрянова ФПП-15-1.7. Фазовые состояния ионов Fe исследовались методом мессбауэровской спектроскопии с помощью спектрометра МС-1104Ем, в качестве источника гамма-квантов использовался 57Co(Rh), обработка полученных спектров проводилась с помощью программы SpectrRelax[1]. Структурный состав образцов аэрозолей изучался с применением растрового электронного микроскопа VEGA II LMU фирмы «Tescan» с системами энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 450/XT и волнодисперсионного микроанализа INCA WAVE 700.

На рис.1 представлены примеры мессбауэровских спектров (МС) образцов атмосферных аэрозолей №23 (декабрь, 2000 г.) и №46(октябрь, 2001 г.). MC обоих образцов представляют собой суперпозицию двух парамагнитных дублетов и зеемановского секстета, параметры которых приведены в таблице ниже. Изомерные сдвиги дублета 1 и секстета 1 соответствуют ионам Fe³⁺ в октаэрическом кислородном окружении [2]. Изомерный сдвиг дублета 2 соответствует ионам Fe²⁺ в октаэрическом кислородном окружении. Дублет 2, вероятно, обусловлен наличием в исследуемом образце соединения FeO. Относительно высокие значения квадрупольного расщепления и ширины линий указывает на высокодисперсное состояние FeO. Секстет 1 по своим параметрам близок к наночастицам α-Fe2O3[3]. При этом, для них время суперпарамагнитной релаксации меньше времени ларморовской прецессии (≈10^-8 с), что препятствует полному разрешению зеемановской сверхструктуры и обуславливает наличие дублета 1[3]. Интенсивности линий MC образца №46 выше, чем у образца №23, что указывает на более высокую концентрацию железа в образце №46. В дальнейшем эти данные будут уточняться, в частности, методом рентгеновской дифракции.

Образец	Компонента	δ±0.002, мм/с	Δ±0.002, мм/с	Н±0,5, Т	G±0.002, мм/с	А±1, %	Состояние Fe
№23	Секстет 1	0,329	-0,098	496,7	0,863	47	Fe2O3
	Дублет 1	0,296	0,702		0,705	44
	Дублет 2	1,209	2,092		0,834	9	FeO
№46	Секстет 1	0,306	-0,074	495,6	0,868	34	Fe2O3
	Дублет 1	0,312	0,736		0,65	58	FeO
	Дублет 2	1,266	2,302		0,674	11

где δ – изомерный сдвиг, Δ – квадрупольное расщепление парамагнитных компонент, ε – квадрупольное смещение, Н – сверхтонкое поле на ядрах ⁵⁷Fe, G – ширина линий спектра, А – площадь компонент спектра.

Изомерные сдвиги определены относительно α-Fe.

Методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсного анализа получены снимки поверхности образцов атмосферных аэрозолей (рис.2). В них присутствует значительное количество алюмосиликатных микросфер (частица 1 на рис.2), которые образуются при факельном высокотемпературном сжигании угля на предприятиях топливной энергетики. Также были обнаружены другие частицы, например, частица 2, состоящая из соединений металлов. По данным полуколичественного анализа, частица 2 более чем наполовину состоит из соединений железа, а в частице 1 (алюмосиликатная микросфера) преобладают алюминий (~16%) и кремний (~22%), но присутствуют также другие металлы и значительное количество кислорода (~43%).

рис.1. Мессбауэровские спектры образцов №23 и №46. Красная линия соответствует секстету 1 и дублету 1 Fe2O3, синия – дублету 2 FeO, черная линия снизу – разность между экспериментальным и модельным спектрами.	рис.2. Снимок поверхности образца

Таким образом, в атмосферных аэрозолях в разные времена года наблюдается разное количество железосодержащих соединений, которые представлены в разных фазах. В образцах присутствуют мелкодисперсные частицы гематита и другие минералы, а также алюмосиликатные микросферы. Наличие последних свидетельствует о поступлении продуктов сгорания угля на объектах энергетики в атмосферу. По данным мессбауэровской спектроскопии, в зимний период количество железосодержащих соединений в образцах меньше, чем в осенний, что позволяет судить об источниках их поступления в атмосферу. Исследования в этом направлении продолжаются, более точные выводы можно будет сделать позже, после уточнения имеющихся данных и получения новых результатов по химическому и фазовому составу атмосферных аэрозолей.

Список литературы

1. Нефедов В.С., Стасов В.В., Пастухова А.А., Якубовский А.М., Бураева Е.А. Сезонный ход 137Cs в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону. // В сб. материалов Восемнадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-18), 29 марта-5 апреля, Красноярск, 2012, с. 659-660.

2. СанПин 2.6.1.2523-09 Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). Утверждены и введены в действие постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации Г.Г. Онищенко от 7 июля 2009 г № 47 с 01 сентября 2009 г.

3. Сердюкова, А.С, Изотопы радона и продукты их распада в природе. / А. С. Сердюкова, Ю. Т. Капитанов. – М.: «Атомиздат», 1975 -С.297.

4. Скоржинский Д.А., Зорина Л.В., Стасов В.В., Пастухова А.А., Якубовский А.М., Бураева Е.А. Техногенная составляющая содержания 210Pb в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону. // В сб. материалов Восемнадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-18), 29 марта-5 апреля, Красноярск, 2012, с. 669-670.

5. Якубовский А.М., Стасов В.В., Пастухова А.А., Бураева Е.А. Радионуклиды земного происхождения в атмосфере. // В сб. материалов Восемнадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-18), 29 марта-5 апреля, Красноярск, 2012, с. 675-676.

Код для цитирования: Скопировать