К основным морфологическим свойствам аэрозольных частиц относят их форму, структуру и характерные размеры. Изучение особенностей и закономерностей этих характеристик позволяет не только продвинуться в вопросах классификации аэрозолей, но и глубже понять физико-химические процессы их образования и эволюции. Кроме того, изучая основные морфологические свойства, возможно разрабатывать и эффективно применять на практике адекватные модельные представления об аэрозольных частицах.

Форма и структура частиц

Форма частиц зависит от способа образования аэрозоля и последующих процессов его эволюции (т.е. от предыстории аэрозоля), а также от природы вещества частиц и его физико-химических свойств. Принято различать первичные и вторичные частицы аэрозоля. Аэрозоли, в общем случае, являются неустойчивой динамической системой. На начальном этапе в разнообразных процессах конденсации и диспергации вещества образуются первичные частицы, как твердые, так и жидкие. Если жидкие капли с размерами менее 100 мкм в атмосферных условиях всегда сферические, то твердые первичные частицы могут иметь разнообразные формы. Выделяют три основных класса таких частиц: изометрические (для которых в первом приближении все три размера совпадают), пластинчатые (которые имеют два «длинных» размера и один «короткий»), волокнистые (протяженные в одном направлении и имеющие сравнительно небольшие размеры в двух других- призмы, нити, волокна). Для таких классов частиц часто вводят понятие фактора формы, смысл которого и величина могут быть различными в различных разделах физики аэрозолей (например, динамический фактор формы частиц в механике аэрозолей).

Конденсационные первичные аэрозоли обычно образуются в виде сфер, однако впоследствии такие одиночные частицы могут приобретать и другую форму (например, переохлажденная капелька воды может кристаллизоваться). Первичные частицы диспергационного происхождения крайне редко бывают сферическими, за исключением процессов распыления жидкостей. Тем не менее, с целью упрощения анализа процессов с первичными аэрозолями удобно считать их сферами с некоторым эффективным (эквивалентным) диаметром, который может существенно варьироваться при рассмотрении различных физических свойств таких частиц.

Вторичные частицы образуются при агрегации первичных частиц. К явлению агрегации частиц приводит их коагуляция (коалесценция для жидких капель) — процесс встречного движения частиц, их столкновение и последующее слипание под действием адгезионных сил. Различие в терминах агрегация и коагуляция заключается в том, что под коагуляцией обычно понимают только парное (бинарное) столкновение частиц с их последующим слипанием, агрегация частиц трактуется в более широком смысле.

В настоящее время является общепринятым, что вторичные аэрозольные частицы обычно являются фрактальными агрегатами. Термины фрактальная размерность и фрактальные свойства физических объектов ввел в обиход французский ученый Б. Мандельброт в 1975 г., хотя основы фрактальной математики были заложены еще в начале XX века. Использование этих концепций в физике привело к «опознанию» и изучению нового класса свойств неупорядоченных систем, дало дополнительную информацию о них, установило связи между, казалось бы, абсолютно разными физическими объектами и явлениями.

Фрактальные агрегаты (или фрактальные кластеры) составляют один из классов фрактальных объектов, образующихся при слипании движущихся по определенному закону твердых частиц. За фрактальным кластером стоит определенный класс физических процессов роста, протекающих в лиозолях и аэрозолях, содержащих твердые дисперсные системы (например, в дымах и туманах). Тем самым фрактальные кластеры (вопреки своему емкому названию) имеют отношение к весьма ограниченному, выделенному классу физических объектов и явлений, но весьма важному для аэродисперсных систем. Объемные фрактальные кластеры (ОФК) — это особым образом организованные
структуры первичных частиц, в которых каждый выделенный элемент подобен системе в целом. Применительно к проблемам аэрозолей в качестве ОФК можно рассматривать агрегаты, образуемые множеством первичных частиц с одинаковыми физикохимическими свойствами, размеры которых существенно меньше самого агрегата и мало отличаются для отдельных (первичных) частиц, а расположение друг относительно друга внутри агрегата описывается достаточно общими статистическими законами, т.е. наблюдается само подобие и масштабная инвариантность (скейлинг) пространственной структуры в очень широких пределах (Ивлев и Довгалюк, 1999). Одним из свойств ОФК является падение средней плотности вещества в объеме, занимаемом кластером, по мере его роста (она может быть сколь угодно малой для очень большого кластера). Конкретные значения параметров фрактальной структуры зависят от механизма образования агрегатов. Для такого рода агрегатов существует соотношение.

радиус вращения

(3.1)

ОФК

Фрактальный пре-фактор

(3.2)

безразмерный коэффициент

 

Модуль радиус векутора

3.3

радиус вектор ОФК